DE19943335A1

DE19943335A1 - Verfahren zur temperaturabhängigen Berechnung der Verstellgeschwindigkeit eines Variators

Info

Publication number: DE19943335A1
Application number: DE19943335A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Danz; Andreas Piepenbrink; Friedrich Reiter; Andreas Schwenger; Ralf Vorndran
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Batavia Transmission LLC
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-04-05
Also published as: US6424901B1

Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur Einbeziehung der Temperatur bei der Berechnung der konstruktiven, betriebspunktabhängigen maximalen und minimalen Verstellgeschwindigkeiten bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe, werden über ein physikalisch mathematisches Modell in jedem Betriebszustand ständig die aktuellen Grenzwerte für die maximal möglichen Verstellgradienten berechnet, wobei die hydraulischen Strecken des Variators, der im Getriebe integrierten Kupplungen und der Schmierung als laminare Blenden und die Strecke der Steuergeräteleckage als verkoppeltes laminares und turbulentes hydraulisches Übertragungselement modelliert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbeziehung der Temperatur bei der Berechnung der kon struktiven, betriebspunktabhängigen maximalen und minimalen Verstellgeschwindigkeiten eines Variators bei einem stufen losen Getriebe mit elektrohydraulischer Ansteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein stufenloses Umschlingungsgetriebe besteht üblicher weise u. a. aus einer Anfahreinheit, einer Vorwärts-/Rück wärtsfahreinheit, einer Zwischenwelle, einem Differential, aus hydraulischen und elekronischen Steuereinrichtungen sowie aus einem Variator. Der Variator umfasst üblicherweise eine Primär- und eine Sekundärscheibe auch Primär- und Sekundär seite genannt, wobei beide Scheiben aus paarweise angeordne ten Kegelscheiben gebildet sind und ist mit einem momenten übertragenden Umschlingungselement versehen, das zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren umläuft.

In einem derartigen Getriebe wird die aktuelle Überset zung durch den Laufradius des Umschlingungselementes defi niert, der wiederum eine Funktion der axialen Position der Kegelscheiben ist.

Stufenlose Getriebe besitzen im allgemeinen im Ver gleich mit standardmäßigen Schaltgetrieben prinzipbedingt einen Freiheitsgrad mehr, da es außer der Wahl der einzustel lenden Übersetzungstufe hier zusätzlich möglich ist, die Ver stellgeschwindigkeit, mit der die Übersetzung von einem Be triebspunkt auf den anderen überführt wird, vorzugeben und zu beeinflussen.

Bei stufenlosen Getrieben mit einem Umschlingungsele ment (Band, Kette) als momentenübertragendem Bauteil ergibt sich aus dem konstruktiven Aufbau, daß bei der Überset zungsänderung die Kegelscheibenpaare von Primär- und Sekundär seite des Variators wechselseitig und komplementär zueinander über entsprechende Ansteuerelemente auseinander- und zusam mengeschoben werden, wodurch eine Änderung des Laufradius des Umschlingungselementes auf den Kegelscheiben und somit eine Änderung der Übersetzung zwischen Primär- und Sekundärseite bewirkt wird.

Der Variator wird üblicherweise hydraulisch angesteu ert. Hierbei bedeutet die axiale Verschiebung der Kegelschei ben eine Volumenänderung, die, da die Verstellung kraft- bzw. druckgesteuert abläuft - von der Ansteuerhydraulik über ent sprechende Volumenstromänderungen in die jeweiligen Kegel scheibenpaare kompensiert werden muß.

Die über die elektrohydraulische Ansteuerung einzustel lende Volumenstromänderung hängt dabei direkt von der aktuel len Verstellgeschwindigkeit der Kegelscheibenpaare ab.

Da die Ansteuerhydraulik in der Regel über eine mo tordrehzahlabhängige Pumpe mit konstruktiv vorgegebenem Maxi malvolumenstrom versorgt wird, entsteht zwangsläufig auch eine konstruktiv feststehehde Grenze für die realisierbare Verstelldynamik des Variators. Der Variator kann nur so schnell verstellt werden, wie es der zur Verfügung stehende Ölvolumenstrom im Zusammenspiel mit anderen Steuer- und Regel kreisen bzw. Verbrauchern zulässt.

Bei der konstruktiven Auslegung der Versorgungspumpe spielen neben der Sicherstellung der notwendigen Ölvolumen ströme auch Aspekte wie Geräusch und Wirkungsgrad, die sich beide in der Regel mit steigender Pumpengröße negativ auswir ken, eine wesentliche Rolle. Dies führt dazu, daß für die konstruktive Pumpenauslegung ein Kompromiß zwischen den ver schiedenen Kriterien realisiert wird, der betriebspunkt- und auf die Einzelkriterien bezogen lediglich eine suboptimale Lösung ist.

Auf die einstellbaren Verstellgeschwindigkeiten des Variators bezogen bedeutet dies, daß es immer Betriebszustän de geben wird, bei denen theoretisch höhere Verstellgradien ten möglich wären als die aktuelle Verfügbarkeit des Ölvolu menstroms es momentan zulässt.

Diese Betriebszustände sind für eine übergeordnete Re geleinrichtung besonders kritisch, da die Regelung ohne das Übertragungsmedium Öl keinen Durchgriff auf das Verhalten des Variators und damit auf die Übersetzungseinstellung hat. Die Folge sind Instabilitäten, die sich als störende Drehzahl schwingungen bis hin zur Zerstörung der Getriebemechanik aus wirken können.

Einen weiteren Aspekt bilden die bauartbedingten Ein schränkungen (Bauteilfestigkeiten, Grenzwerte für Ansteuer drücke) am Variator, die, um eine Beschädigung oder sogar Zerstörung der Getriebmechanik zu vermeiden, ebenfalls zu jedem Zeitpunkt berücksichtigt werden müssen.

Eine einfache Realisisierungsmöglichkeit wäre es, empi rische Grenzwerte für den zulässigen Verstellgradienten vor zugeben, die weit genug von den kritischen Werten entfernt liegen. Der Nachteil dabei ist, daß das mögliche Verstellpo tential in diesem Fall nicht im erforderlichen Maß ausgenutzt werden kann. Ferner ist eine Generalisierbarkeit in Hinblick auf die Sicherheit in allen Betriebszuständen kaum möglich.

Die Patentanmeldung (DE 199 08 251.0) der Anmelderin offenbart ein Verfahren, das mittels eines physikalisch ma thematischen Modells in jedem Betriebszustand kontinuierlich die aktuellen Grenzwerte für die maximal möglichen Verstell gradienten berechnet. Hierbei werden die besonderen Randbe dingungen der Ölversorgung sowie bauartbedingte geometrische Verhältnisse am Variator berücksichtigt.

So werden die Leckagevolumenströme der unterschiedli chen Verbraucher z. B. der Primär- und Sekundärseite des Variators S1 bzw. S2, der Vorwärtskupplung MV, der Brem se BR sowie der Wandlerüberbrückungskupplung WK in Abhän gigkeit vom jeweils angewandten Druck ps1, ps2, pkv und pwk berücksichtigt.

Die übergeordnete Regeleinrichtung zum Einstellen eines vorgegebenen Übersetzungssollwertes berücksichtigt anschlie ssend diese Grenzwerte bei der Generierung der Stellgrößen.

Hierbei wird eine Regelkreisstruktur verwendet, wie sie z. B. in der DE 196 06 311 A1 der Anmelderin beschrie ben ist. Derartige Regelkreisstrukturen kombinieren eine physikalisch-mathematisch modellbasierte Linearisierung der Regelstrecke mittels eines Korrekturgliedes mit einem li nearen PID-Regler. Die Stellgröße des PID-Reglers wird da bei direkt als Vorgabe für den einzustellenden Verstellgra dienten interpretiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem erwähnten Stand der Technik, ein Verfahren zur Einbeziehung der Temperatur bei der Berechnung und Be rücksichtigung der konstruktiven, betriebspunktabhängigen maximalen und minimalen Verstellgeschwindigkeiten im Rahmen der Übersetzungsregelung eines stufenlosen Umschlingungsge triebes mit elektrohydraulischer Ansteuerung anzugeben.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkma le des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Demnach wird vorgeschlagen, die hydraulischen Strecken des Variators, der im Getriebe integrierten Kupplungen und der Schmierung (beispielsweise ps1 und ps2 für die Variator scheiben, pkv für die Vorwärtskupplung, pwk für die Wandler kupplung und psm (Rückfluß zum Tank, Schmierung)) als lamina re Blenden und die Strecke der Steuergeräteleckage als ver koppeltes laminares und turbulentes hydraulisches Übertra gungselement zu modellieren.

Diese Vorgehensweise weist den Vorteil auf, daß we sentlich kompliziertere Zusammenhänge des Ölhaushaltes sehr einfach und mit hinreichender Genauigkeit durch einfachste Druck-Temperatur-Volumenbeziehungen beschrieben werden kön nen und ein einfacher Abgleich auf Meßpunkte möglich ist.

Eine genauere Einbeziehung der Geometrie im Modellan satz ist nicht nötig und erfolgt pauschal in Koeffizienten und Kennfeldern, die aus Dichte und Viskosität der verwen deten Ölsorte berechnet werden.

Ein besonderes Kennzeichen der Funktionalität ist es, dass die Größen Druck, Temperatur und Volumenstrom in einer hydraulischen Form als laminare, turbulente, oder gemischte Blende verrechnet werden. Der Abgleich mit der Messung er folgt nur in einem Meßpunkt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Berechnung der konstruktiven-, sowie der Volumenstromgrenz werte für die Verstellgeschwindigkeit anhand eines mathema tisch physikalischen Modells unter Berücksichtigung der Tem peratureinflüsse.

In diesem Zusammenhang wird ein Verfahren zur Extrapo lation auf den gesamten Temperaturbetriebsbereich anhand ge messener Daten in einem begrenzten Temperaturband angewandt.

Es wird außerdem eine prinzipielle Berechnungsvor schrift für die temperaturabhängigen Größen (Leckagevolumen ströme) angegeben.

Gemäß einer vorteilhaften Variante wird zur Modellie rung der Strecken ps1 und ps2 für die Variatorscheiben, pkv für die Vorwärtskupplung, pwk für die Wandlerkupplung und psm als laminare Blenden gemäß der Modellgleichung für laminare Strömung

erfindungsgemäß der Volumenstrom q der hydraulischen Strecke berechnet. Der Druck p wird als Sollwert aus der Stromvorgabe des Druckreglers und mit der zugehörigen Strom-Druck Kennlinie verwendet. In einem Temperaturpunkt c_getr = T_k wird der Faktor k entsprechend der zugrundelie genden Viskositätskennlinie η(c_getr) festgelegt als

wobei q(c_getr = T_k) der in diesem Betriebspunkt gemessene Leckagevolumenstrom ist.

Da k gemäß der Modellvorstellung eine temperaturunab hängige Systemkonstante ist, kann jetzt über Gl. 1 der Leckagevolumenstrom über den gesamten Temperaturbereich berechnet werden.

Zur Modellierung der hydraulischen Strecke der Steuer geräteleckage im Rahmen eines gemischten Blendenansatzes wird gemäß der Gleichung

der Volumenstrom q der hydraulischen Strecke der Steuerge räteleckage als Funktion der beiden Drücke ps2 und phd (Systemdruck) berechnet. Diese Drücke werden als Soll werte aus den Stromvorgaben der Druckregler und mit den zugehörigen Strom-Druck Kennlinien verwendet. In einem Tem peraturbetriebspunkt T_K wird das Kennfeld k entsprechend der zugrundeliegenden Viskositätskennlinie η(c_getr) und der Dichtekennlinie η(c_getr) und mit dem in diesem Be triebspunkt gemessenen Leckagevolumenstrom q(c_getr = T_k) festgelegt:

Da k eine temperaturunabhängige Systemkonstante ist, kann über Gl. 3 der Leckagevolumenstrom über den gesamten Temperaturbereich berechnet werden.

Claims

1. Verfahren zur Einbeziehung der Temperatur bei der Berechnung der konstruktiven, betriebspunktabhängigen maxi malen und minimalen Verstellgeschwindigkeiten eines Varia tors bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe, wobei über ein physikalisch mathematisches Modell in jedem Be triebszustand ständig die aktuellen Grenzwerte für die ma ximal möglichen Verstellgradienten berechnet werden, da durch gekennzeichnet, dass die hydrauli schen Strecken des Variators, der im Getriebe integrierten Kupplungen und der Schmierung als laminare Blenden und die Strecke der Steuergeräteleckage als verkoppeltes laminares und turbulentes hydraulisches Übertragungselement model liert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Größen Druck, Temperatur und Volumenstrom in einer hydraulischen Form als laminare, tur bulente, oder gemischte Blende verrechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die gemessenen Daten in einem be grenzten Temperaturband auf den gesamten Temperaturbetriebs bereich extrapoliert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Modellierung der Strecken ps1 und ps2 für die Variatorscheiben, pkv für die Vorwärtskupp lung, pwk für die Wandlerkupplung und psm als laminare Blen den der Volumenstrom q der hydraulischen Strecke anhand der Gleichung
berechnet wird, wobei der Druck p als Sollwert aus der Stromvorgabe des Druckreglers und mit der zugehörigen Strom-Druck Kennlinie verwendet wird und wobei der Faktor k mittels der Gleichung
durch Messung in einem Temperaturpunkt T_k unter Berücksich tigung der zugrundeliegenden Viskositätskennlinie η(c_getr) und des in diesem Betriebspunkt gemessenen Leckagevolumen stroms q(c_getr = T_k) bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Model lierung der Strecke der Steuergeräteleckage als verkoppeltes laminares und turbulentes hydraulisches Übertragungselement der Volumenstrom q der der hydraulischen Strecke der Steu ergeräteleckage anhand der Gleichung
als Funktion der beiden Drücke ps2 und phd (= Systemdruck) berechnet wird, wobei diese Drücke als Sollwerte aus den Stromvorgaben der Druckregler und mit den zugehörigen Strom-Druck Kennlinien verwendet werden und wobei das Kenn feld k in einem Temperaturbetriebspunkt T_K entsprechend der zugrundeliegenden Viskositätskennlinie η(c_getr) und der Dichtekennlinie η(c_getr) und des in diesem Betriebspunkt gemessenen Leckagevolumenstroms q(c_getr = T_k) bestimmt wird mittels der Gleichung
festgelegt wird.