DE102005059122A1

DE102005059122A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer einen Schlupfzustand zwischen zwei drehenden Bauteilen darstellenden Schlupfgröße

Info

Publication number: DE102005059122A1
Application number: DE102005059122A
Authority: DE
Inventors: Michael Reuschel
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2005-12-10
Publication date: 2006-07-13

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer einen Schlupfzustand zwischen zwei durch Reibeingriff Drehmoment übertragenden, insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs enthaltenen, Bauteilen darstellenden Schlupfgröße, bei welchem Verfahren die Auswirkung einer Änderung einer den Schlupfzustand beeinflussenden Anregung auf den Drehzahlunterschied zwischen den Bauteilen analysiert und daraus die Schlupfgröße ermittelt wird, wobei als Anregung eine Drehungleichförmigkeit wenigstens eines der Bauteile verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer einen Schlupfzustand zwischen zwei drehenden, durch Reibeingriff Drehmoment übertragenden, insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Bauteilen darstellenden Schlupfgröße. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Aus Komfort, Verbrauchs- und Umweltgründen werden in modernen Kraftfahrzeugen zunehmend automatisierte Antriebsstränge eingesetzt. Solche Antriebsstränge enthalten beispielsweise ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe mit kontinuierlich veränderbarer Übersetzung. Um einen dauerhaft sicheren Betrieb eines solchen Getriebes zu gewährleisten, ist eine geeignete Anpressung zwischen Umschlingungsmittel und Kegelscheiben maßgeblich. Geeignet heißt, dass die Anpressung einerseits sicherstellt, dass das Umschlingungsmittel nicht rutscht, und andererseits nicht unnötig hoch ist, um keine unzulässigen Bauteilbelastungen zu erzeugen und in Folge des hohen bereitzustellenden Hydraulikdruckes den Wirkungsgrad zu verschlechtern. Um die Anpressung zweckentsprechend zu steuern oder zu regeln, ist eine genaue Kenntnis des Schlupfzustandes zwischen den Kegelscheiben des Umschlingungsgetriebes und dem Umschlingungsmittel erforderlich. Eine direkte Messung dieses Schlupfes ist aufwendig, da neben den Drehzahlen der Kegelscheibenpaare und der Geschwindigkeit des Umschlingungsmittels auch die genauen Wirkradien bekannt sein müssen, auf denen der Reibeingriff zwischen dem Umschlingungsmittel und den Kegelflächen der Kegelscheibenpaare erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in seiner Durchführung einfaches Verfahren zum Ermitteln einer einen Schlupfzustand darstellenden Schlupfgröße zu schaffen. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ermitteln einer einen Schlupfzustand darstellenden Schlupfgröße anzugeben.

Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit einem Verfahren zum Ermitteln einer einen Schlupfzustand zwischen zwei durch Reibeingriff Drehmoment übertragenden, insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Bauteilen darstellenden Schlupfgröße gelöst, bei welchem Verfahren die Auswirkung einer Änderung einer den Schlupfzustand beeinflussenden Anregung auf die Bewegung der Bauteile analysiert und daraus die Schlupfgröße ermittelt wird, wobei als Anregung eine Drehungleichförmigkeit wenigstens eines der Bauteile verwendet wird.

Da Drehungleichförmigkeiten bei vielerlei Antriebsquellen, insbesondere Kolbenbrennkraftmaschinen, vorhanden und in ihrer Größe durch den Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgegeben oder durch Messung bekannt sind, benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine eigene Anregungsquelle, beispielsweise einen Druckmodulator zum Modulieren eines Steuerdrucks, der die Anpresskraft zwischen beispielsweise einem jeweiligen Kegelscheibenpaar und einem Umschlingungsmittel bestimmt.

Bevorzugt wird die Schlupfgröße durch ein Verfahren ermittelt, bei dem die Amplitude der Auswirkung bei einer bestimmten Frequenz ausgewertet wird.

Bei einer vorteilhaften Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schlupfgröße mittels des weiter unten erläuterten Lock-In Prinzips ermittelt. Grundsätzlich sind jedoch auch weitere Verfahren zur Auswertung wie ein Kreuzkorrelationsverfahren, eine Fouriertransformation oder spezielle Filter denkbar.

Vorteilhafterweise wird in der Analyse der Drehzahlunterschiede wenigstens ein Bandpassfilter verwendet.

Wie bereits erläutert, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn als Anregung die Drehungleichförmigkeit einer eines der beiden Bauteile antreibenden Kolbenbrennkraftmaschine verwendet wird.

Bevorzugt wird die Anregung erster Ordnung verwendet.

Weiter ist es zweckmäßig, die Ermittlung der Schlupfgröße nur in wenigstens einem, vorbestimmten Drehzahlbereich vorzunehmen.

Das Verfahren kann weiter vorteilhaft dahingehend weitergebildet werden, dass die Amplitude einer durch die Anregung verursachten Drehschwingung erfasst und eine Korrelation mit der ermittelten Schlupfgröße durchgeführt wird.

Eine Vorrichtung zum Ermitteln des Schlupfzustandes zwischen zwei durch Reibeingriff Drehmoment übertragenden, insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Bauteilen, mit der die Erfindungsaufgabe gelöst wird, enthält eine Einrichtung zum Bestimmen einer den Schlupfzustand beeinflussenden Anregung, eine Einrichtung zum Bestimmen von Drehzahlen der Bauteile, eine Einrichtung zum Analysieren des Drehzahlunterschiedes und zum Bestimmen der Schlupfgröße, welche Analyse- und Bestimmungseinrichtung nach einem der vorgenannten Verfahren arbeitet.

Die Erfindung kann vorteilhaft überall dort eingesetzt werden, wo ein Schlupfzustand zwischen zwei durch Reibeingriff Drehmoment übertragenden Bauteilen, insbesondere drehenden Bauteilen, vorteilhaft einen vorbestimmten, gegebenenfalls und von Betriebsparametern der Drehmomentübertragung abhängigen Wert hat. Der Schlupfzustand kann zwischen einem drehenden und einem sich linear bewegenden oder umlaufenden Bauteil vorhanden sein oder zwischen drehenden Bauteilen, die in direktem oder unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Bauteile in indirektem Reibeingriff sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1 ein Prinzipschaltbild eines Teils eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einem Kegelscheibenumschlingungsgetriebe und der zugehörigen Steuerung,
2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung einer Anregung durch Drehungleichförmigkeit und
3 Kurven zur Erläuterung des Lock-In Prinzips.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit zugehörigen Steuereinrichtungen. Eine von einer Brennkraftmaschine 2 über eine Motorwelle 4 und Zwischenanordnung einer nicht dargestellten, vorzugsweise automatischen Kupplung und einem Drehrichtungswechselgetriebe angetriebene Eingangswelle 6 ist starr mit einer Kegelscheibe 8 eines antriebsseitigen Scheibensatzes SS1 verbunden. Eine weitere Kegelscheibe 10 ist drehfest und axial verschiebbar auf der Eingangswelle 6 angeordnet. Zwischen einem starr mit der Eingangswelle 6 verbundenen Stützbauteil und der Kegelscheibe 10 sind Druckräume angeordnet, durch deren Druckbeaufschlagung die Kraft veränderbar ist, mit der die Kegelscheibe 10 in Richtung auf die Kegelscheibe 8 drückbar ist.
In ähnlicher Weise weist ein abtriebsseitiges Kegelscheibenpaar SS2 eine starr mit einer Abtriebs- bzw. Ausgangswelle 12 verbundene Kegelscheibe 14 und eine axial bewegliche Kegelscheibe 16 auf, die durch Druckbeaufschlagung zugehöriger Druckräume in Richtung auf die Kegelscheibe 14 drängbar ist. Zwischen den beiden Scheibensätzen SS1 und SS2 läuft ein Umschlingungsmittel 18, beispielsweise eine Gliederkette, um.
Die Anpresskraft, mit der das Umschlingungsmittel 18 an den Kegelflächen der Kegelscheibe reibschlüssig anliegt, wird mittels Hydraulikventilen 20, 22 und 24 gesteuert, wobei das Hydraulikventil 20 beispielsweise in an sich bekannter Weise eine von dem auf die Eingangswelle 6 wirkenden Drehmoment abhängige Grundanpressung bestimmt und mit den Hydraulikventilen 22 und 24 die Übersetzungsverstellung erfolgt.
Zur Steuerung der Ventile 20, 22 und 24 dient ein elektronisches Steuergerät 26, an dessen Eingängen Signale von Sensoren liegen, die für die Steuerung der Ventile wesentliche Informationen enthalten, die entsprechend in dem Steuergerät 26 abgelegten Algorithmen in Steuersignale für die Ventile umgewandelt werden. Weitere Ausgänge des Steuergerätes 26 können beispielsweise eine automatische Kupplung ansteuern. Das Hydraulikventil 20 kann ohne Verbindung zum Steuergerät 26 autark von einem mechanischen Drehmomentfühler gesteuert sein. Die Hydraulikventile 22 und 24 zur Übersetzungsverstellung sind nicht beide zwingend. Vorteilhaft kommuniziert das Steuergerät 26 über eine Bus-Leitung 28 mit weiteren Steuergeräten oder elektronischen Einrichtungen des Fahrzeugs.
Da Aufbau und Funktion der bisher beschriebenen Anordnung an sich bekannt sind, werden Einzelheiten nicht beschrieben.
Für einen dauerhaft sicheren Betrieb des Umschlingungsgetriebes ist eine geeignete Anpressung zwischen dem Umschlingungsmittel 18 und den Kegelscheibenpaaren SS1 und SS2 maßgeblich. Diese Anpressung muss derart sein, dass das Umschlingungsmittel nicht rutscht, d.h. unzulässig hoch schlupft, und andererseits nicht unnötig hoch sein, damit die Bauteile wenig belastet werden und das Getriebe mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Bestimmung einer Schlupfgröße erläutert:
Die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 bzw. von deren Motorwelle 4 wird von einem Drehzahlsensor 29 erfasst. Die Drehzahl der Eingangswelle 6 wird von einem Drehzahlsensor 30 erfasst. Die Drehzahl der Ausgangswelle 12 wird von einem Drehzahlsensor 32 erfasst.
Die Drehzahlsensoren 29, 30 und 32 sind mit einer Analyse- und Bestimmungseinrichtung 34 verbunden, die über die Bus-Leitung 28 Daten erhält, die die Drehzahl und vorteilhafter Weise auch die Last angeben, mit der die Brennkraftmaschine 2 läuft, so dass die Analyse- und Bestimmungseinrichtung 34 eine Information über die Drehungleichförmigkeit enthält, mit der die Brennkraftmaschine 2 die Eingangswelle 6 antreibt. Es versteht sich, dass diese Drehungleichförmigkeit auch unmittelbar durch Analyse des vom Drehzahlsensor 29 gelieferten Signals gewonnen werden kann, beispielsweise durch Auswertung der Maxima und Minima der Drehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine 2.
Die Drehungleichförmigkeiten an der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine stellen je nach Drehzahl und Ordnung eine Anregung im Frequenzbereich zwischen beispielsweise 15 und 100 Hz dar. Diese systemimmanente Anregung kann zur Ermittlung des Schlupfzustandes verwendet werden. Da die Anregungsfrequenz sich mit der Drehzahl ändert, ist es zweckmäßig, nur spezielle Frequenzen zu berücksichtigen und nur bei diesen speziellen Frequenzen eine Auswertung des Schlupfzustandes vorzunehmen. Beispielsweise kann, wenn ein Vier-Zylinder-Motor in einem Drehzahlbereich zwischen 1500 und 2000 min^–1 läuft, eine Auswertung für eine Anregungsfrequenz zwischen 25 und 35 Hz erfolgen. Als Filter kann ein Bandpassfilter eingesetzt werden, der zwischen diesen Frequenzen durchlässt. Vorteilhaft ist, die Anregungsamplitude selbst zu bestimmen, die beispielsweise in einem Kennfeld abhängig von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine abgelegt ist, oder aus dem Signal des Sensors 30 hergeleitet wird. Die Anregungsamplitude hat Einfluss auf den Schlupfzustand des Umschlingungsgetriebes.
Zur Anregung können alle Drehungleichförmigkeiten verwendet werden, die im Antriebsstrang angeregt werden, beispielsweise neben den Drehungleichförmigen der Brennkraftmaschine Drehungleichförmigkeiten, die von einer angetriebenen Pumpe herrühren.
2 zeigt in der oberen Darstellung eine FFT Analyse des Schlupfes des Umschlingungsgetriebes, dessen Eingangswelle mit im Mittel konstanter Drehzahl läuft. Die Schlupfinformation wird dabei nach folgendem Verfahren gewonnen:
Zunächst wird die Variatorübersetzung i_var aus dem Quotienten der Eingangs- bzw. Ausgangsdrehzahldifferenz ω_SS1 und ω_SS2 ermittelt. Es gilt: i_var = ω_SS1/ω_SS2.
Diese Größe wird anschließend tiefpassgefiltert: Man erhält i_var,TP.
Mit dieser tiefpassgefilterten Größe wird dann die Drehzahldifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsdrehzahl berechnet: ndiff = ωSS1 – ivar,TP·ωSS2.
Diese Drehzahldifferenz wird mit einem Bandpassfilter bearbeitet, wobei die Grenzfrequenzen beispielsweise zwischen 25 und 45 Hz liegen können.
Um den Schlupf zu berechnen, wird das Ergebnis dieser Bandpassfilterung der Drehzahldifferenz anschließend mittels einer Fouriertransformation bearbeitet. Die Amplituden dieser Transformation entsprechen dem Schlupf und sind in 2 in der oberen Hälfte dargestellt.
Dabei gibt die mit I bezeichnete Spitze, den durch die Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine angeregte Schlupfgröße an. Die mit II bezeichnete Spitze gibt die Schlupfgröße an, die durch eine aktive Veränderung des Anpressdrucks mit einer Frequenz von etwa 35 Hz erregt wird, wie sie im unteren Teil der 2 dargestellt ist. Die Abszisse gibt jeweils die Frequenz in Hz an. Die Ordinate der unteren Hälfte ist der Anregungsdruck in bar. Die Ordinate der oberen Hälfte ist der Schlupf in min^–1.
Aus der 2 ist deutlich ersichtlich, dass der durch die Drehungleichförmigkeit erzeugte Schlupf (I) größer ist als der durch die aktive Druckschwingung angeregte Schlupf. Entspre chend eignet sich die Erfassung des durch eine Drehungleichförmigkeit angeregten Schlupfes sehr gut zur Schlupfermittlung bzw. zur Ermittlung einer den Schlupf darstellenden Größe.
Im Folgenden wird die Schlupfermittlung unter Nutzung der Anregung in Folge einer Drehungleichförmigkeit und mit Einsatz des so genannten Lock-In Verfahrens anhand der 3 beispielhaft erläutert.
Die Kurve A im Figurenteil a) stellt die Drehgeschwindigkeit ω der sich ungleichförmig drehenden Welle 4, der Brennkraftmaschine 2 über der Zeit dar, wobei die Frequenz der Drehgeschwindigkeitsänderung beispielsweise etwa 30 Hz beträgt.
Die Kurve B des Figurenteils b) stellt die Drehzahldifferenz ndiff = ω_SS1 – i_var,TP·ω_SS2 dar, wobei ω_SS1 und ω_SS2 unmittelbar von den Drehzahlsensoren 30 und 32 gemessen werden und i_var,TP die effektive tiefpassgefilterte Übersetzung des Umschlingungsgetriebes ist. Diese Übersetzung i_var,TP kann aus dem Verhältnis von ω_SS1 zu ω_SS2 beispielsweise durch eine entsprechende Tiefpassfilterung ermittelt werden.
Die Kurve C im Figurenteil c) ist aus der Kurve A abgeleitet und hat den Wert +1, wenn der Wert der Kurve A über dem im Figurenteil a) gestrichelt eingezeichneten Mittelwert liegt, und den Wert –1, wenn der Wert unterhalb des Mittelwertes liegt.
Die Kurve D im Figurenteil d) stellt die Kurve B multipliziert mit der Kurve C dar, d.h. gibt den Absolutwert an, mit dem die Kurve B, d.h. die Drehzahldifferenz ndiff um seinen Mittelwert schwankt.
Die Kurve E im Figurenteil e) gibt den Mittelwert der Kurve D an, der durch jedwelches geeignetes Filterungs- bzw. Mittelwertbildungsverfahren ermittelt wird. Die Größe der Kurve E, d.h. deren Abstand von der Abszisse entspricht dem Schlupf des Umschlingungsgetriebes. Mit Hilfe dieser Schlupfgröße kann beispielsweise der Anpressdruck zwischen den Kegelscheibenpaaren und dem Umschlingungsmittel derart gesteuert oder geregelt werden, dass er einem von jeweiligen Betriebsbedingungen abhängigen Optimum entspricht.
Das beschriebene Lock-In Verfahren stellt eine Rechenzeit günstiger Methoden dar, um die Schlupfgröße eines Umschlingungsmittelgetriebes zu berechnen. Alternativ sind grundsätzlich auch beliebige Analyseverfahren einsetzbar, welche das Spektrum der Drehzahldifferenz ndiff berechnen. Konkret kann auch eine Fast Fouriertransformation eingesetzt werden, um die Schlupfgröße zu berechnen (siehe dazu 2).
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass eine aktive Anregung wie durch eine beispielsweise aktive Druckmodulation nicht notwendig ist und kann daher auch bei mechanisch-hydraulischen Anpresssystemen zur Bestimmung der tatsächlichen Anpresssicherheit verwendet werden. Ein bekanntes System für derartige Anpresssysteme sind Drehmomentfühler, wie sie bei stufenlosen Getrieben eingesetzt werden.

2: Brennkraftmaschine
4: Motorwelle
6: Eingangswelle
8: Kegelscheibe
10: Kegelscheibe
12: Ausgangswelle
14: Kegelscheibe
16: Kegelscheibe
18: Umschlingungsmittel
20: Hydraulikventil
22: Hydraulikventil
24: Hydraulikventil
26: Steuergerät
28: Bus-Leitung
29: Drehzahlsensor
30: Drehzahlsensor
32: Drehzahlsensor
34: Analyse- und Bestimmungseinrichtung

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer einen Schlupfzustand zwischen zwei, durch Reibeingriff Drehmoment übertragenden, insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeug enthaltenen Bauteilen darstellenden Schlupfgröße, bei welchem Verfahren die Auswirkung einer Änderung einer den Schlupfzustand beeinflussenden Anregung auf die Bewegung der Bauteile analysiert und daraus die Schlupfgröße ermittelt wird, wobei als Anregung eine Drehungleichförmigkeit wenigstens eines der Bauteile verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlupfgröße durch ein Verfahren ermittelt wird, bei dem die Amplitude der Auswirkung bei einer bestimmten Frequenz ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlupfgröße mittels des Lock-In Prinzips ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Analyse der Bewegungen wenigstens ein Bandpassfilter verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregung die Drehungleichförmigkeit einer eines der beiden Bauteile antreibenden Kolbenbrennkraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung erster Ordnung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Schlupfgröße nur in wenigstens einem vorbestimmten Drehzahlbereich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude einer durch die Anregung verursachten Drehschwingung erfasst und eine Korrelation mit der ermittelten Schlupfgröße durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Ermitteln des Schlupfzustandes zwischen zwei, durch Reibeingriff Drehmoment übertragenden, insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeug enthaltenen Bauteilen (SS1, SS2, 18), enthaltend eine Einrichtung zum Bestimmen einer den Schlupfzustand beeinflussenden Anregung, eine Einrichtung (30, 32, 34) zum Bestimmen von Drehzahlen der Bauteile, eine Einrichtung (34) zum Analysieren des Drehzahlunterschiedes und zum Bestimmen der Schlupfgröße, welche Analyse- und Bestimmungseinrichtung nach einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 8 arbeitet.