AT523036A4

AT523036A4 - Verfahren zum nullabgleich zumindest eines sensors

Info

Publication number: AT523036A4
Application number: ATA50054/2020A
Authority: AT
Inventors: Mayrhofer Dr Norbert; Proier Mag Pirmin
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-05-15
Also published as: AT523036B1; WO2021146764A1; DE112021000712A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nullabgleich zumindest eines Sensors eines Systems (S) - insbesondere eines Antriebsstrangs – mit zumindest einer mechanischen Verbindung, die eine Lockerstelle (6) aufweist, mit alternierendem Signalverlauf, wobei der zumindest eine Sensor mit einem Telemetriesystem mit einer hohen Bandbreite signalleitend verbunden ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: • Erfassen eines Signalverlaufs des Systems; • Erkennen einer Hysterese eines Lockersignals bei alternierendem Signalverlauf; • Bestimmen der Nullstelle anhand der Hysterese; • Durchführen des Nullabgleichs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nullabgleich zumindest eines Sensors eines Systems - insbesondere eines Antriebsstrangs - mit zumindest einer mechanischen Verbindung, die eine Lockerstelle aufweist, mit alternierendem Signalverlauf, wobei der zumindest eine Sensor mit einem Telemetriesystem mit hoher Bandbreite signalleitend verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein dazugehöriges System zur Durchführung des Verfahrens.

Unter Nullabgleich versteht sich üblicherweise ein Verfahren, bei dem Temperatureffekte und Zeiteffekte an Sensoren des Systems nach der Justierung im Betrieb ausgeglichen werden, wie beispielsweise aus der US 2010/0145579 A1 bekannt ist. Es wird dabei ein Durchschnittswert des alternierenden Signalverlaufs als Nulllinie angenommen. Hierzu wird die Symmetrie des Losbrechmoments nach

links und rechts genutzt.

Aus US 7 212 935 B1 ist ein Verfahren zum Nullabgleich in einem Antriebsstrang eines Fahrzeuges gezeigt. Dabei ist ein Drehmomentsensor an dem Antriebstrang angeordnet und nimmt den Drehmomentverlauf auf. Bei dem dargestellten Verfahren wird ein Nullpunktzustand erkannt - aufgrund diverser Zustandsgrößen und Bedingungen, beispielsweise Geschwindigkeit, Ventilpositionen, Bremsenpositionen, Drehzahlen usw. und der dazugehörige Drehmomentverlauf bestimmt. Es wird dazu in dieser als lastfrei erkannten Phase der Triebstrang geöffnet. Aufgrund der Verschiebung des gemessenen Drehmoments am

angenommenen Nullpunktzustand wird der Nullpunktabgleich durchgeführt.

Diese Methode ist aber reichlich ungenau, da diese angenommen Nullpunktzustände willkürlich festgesetzt sind und keinesfalls einen realen Nullpunktzustand darstellen müssen. Weiters ist der Nullpunktabgleich so auch nur in diesen angenommenen Nullpunktzuständen möglich und nicht zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Außerdem ist der Nullpunktabgleich dadurch abhängig von anderen Messgrößen, die ebenfalls fehlerbehaftet sind, was die Ungenauigkeit

weiter erhöht.

Selbst bei Drehmomentsensoren die auf Dehnmessstreifen (DMS) basieren ergibt sich durch den sogenannten Nullpunktdrift mit der Zeit und mit der Temperatur ein Genauigkeitsproblem. Dies fällt vor allem bei Analysen mit geringen Lasten stark

ins Gewicht und führt zu auffallenden Fehlern. Eine erneute Justierung ist nur nach Demontage des Messwandlers fehlerfrei möglich. Mit montiertem Messwandler ist oft nur eine grobe Überprüfung des Nullpunkts möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, dass zu einer erhöhten Genauigkeit führt.

Diese Aufgabe wird durch das oben angegebene Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:

e Erfassen eines Signalverlaufs des Systems;

e Erkennen einer Hysterese eines Lockersignals bei alternierendem Signalverlauf;

e Bestimmen der Nullstelle anhand der Hysterese;

e Durchführen des Nullabgleichs.

Durch das Bestimmen der Nullstelle anhand der Hysterese entsteht der Vorteil, dass dieser Nullpunktabgleich allein durch das Signal des betreffenden Sensors bestimmt und durchgeführt werden kann. Weiters lässt diese Methode zu jeder beliebigen Zeit einen Nullpunktabgleich zu.

Dieses Verfahren ist besonders günstig in Antriebssträngen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren oder Elektromotoren sowie Hybridantrieb. Außerdem ist das Verfahren zur Anwendung an einem Prüfstand für Antriebe geeignet.

Die mechanischen Verbindungen in einem derartigen System sind Kupplungen, sogenannte Flexplatten (Flexplates), Antriebsscheiben, Zahnradpaarungen, Bremsen, Gelenke und dergleichen. Manche dieser Verbindungen weisen größere und kleinere Spiele auf. Unter Spiel im Sinne der Erfindung sind Spalte zu verstehen, welche zu einer Relativbewegung zwischen den einzelnen Elementen

führen. In weiterer Folge werden diese Spiele auch als Lockerstellen bezeichnet.

Diese Lockerstellen zwischen einzelnen Elementen des Systems führen bei Bewegung - egal ob translatorischer oder rotatorischer Bewegung - zu im

wesentlichen kräftefreien Bewegungsphasen während einer Totzeit im System.

Diese im wesentlichen kräftefreien Bewegungsphasen führen wiederum zu aystereseartigen Signalverläufen bei einem prinzipiell alternierenden Signalverlauf. Der Signalverlauf ist dabei der durch den Sensor aufgenommene Messwert über der Zeit.

Besonders gut lässt sich eine Lockerstelle erkennen, wenn das Telemetriesystem eine Bandbreite von mehr als 10 kHz aufweist. Unter hoher Bandbreite im Sinne der Erfindung sind Bandbreiten mit einem Frequenzbereich von mehr als 10 kHz zu verstehen. Durch die erhöhte Bandbreite stechen die hystereseartigen Signalverläufe der Lockerstellen im gesamten Signalverlauf stärker hervor.

Typische Telemetriesysteme für Drehmomente arbeiten mit einer Bandbreite von 1 kHz bis max. 10 kHz. Dies ist für die Erkennung von kleinen Lockersignalen grenzwertig bis unzureichend. Die nötige Signal-Verarbeitung könnte demnach

schon am Rotor stattfinden, um höhere Bandbreiten nutzen zu können.

Unter einem Telemetriesystem versteht sich hier das Mittel zur Übertragung der Signalverläufe von den Sensoren zur Verarbeitung. Dabei ist hier durch das Telemetriesystem auch das Mittel zur Signalverarbeitung, nämlich eine Recheneinheit umfasst. Das Telemetriesystem weist hier eine Recheneinheit mit entsprechender Signalverarbeitung auf.

Um eine besonders einfache Einbindung in das System zu erreichen, ist es günstig, wenn eine Erregung des Lockersignals durch natürliche Bewegung des Systems erzeugt wird. Unter natürlicher Bewegung versteht sich jene Bewegung, die das System bei Betrieb ausführt. Unter Lockersignal versteht man jenes Signal, welches im Betrieb durch die Lockerstelle erzeugt wird und vom Sensor gemessen wird.

Unter Erregung versteht sich hierbei das Erzwingen der Schwingung in der Lockerstelle, nämlich das Erzwingen des Lockersignals.

Es kann vorgesehen werden, dass eine Erregung des Lockersignals in bestimmten normalen oder bewusst provozierten Betriebspunkten erzeugt wird. Das ist sowohl bei Verbrennungsmotoren als auch Elektromotoren durch Eingriff in die Steuerung möglich. Dabei wird im ersten Fall die Tatsache genützt, dass bei üblich durchfahrenen Betriebspunkten im normalen Betrieb des Systems eine Erregung

des Lockersignals stattfindet. Dabei wird das Verfahren an möglichst geeigneten

Betriebspunkten durchgeführt. Bei bewusst provozierten Betriebspunkten greift die Steuerung ein und führt das System in einen günstigen Betriebspunkt mit

vorzugsweise großer Erregung des Lockersignals.

Um Lockerstellen möglichst fehlerfrei und unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand erkennen zu können, ist es günstig, wenn eine Erregung durch einen Resonator erzeugt und/oder unterstützt wird. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Lockersignal durch eine externe Kraft angeregt wird —

vorzugsweise alternierend oder rüttelnd.

Dies ist mit einem System in einer besonderen Ausführung erreichbar, bei der ein Resonator zur Erregung des Lockersignals mechanisch mit der Verbindung mit Spiel

in Wirkung steht.

Besonders günstig ist es dabei, wenn ein Torsionsresonator vorgesehen ist, der am Ende oder an einem Verbindungspunkt des Systems angeordnet ist. Es können damit auch schon bestehende Systeme oder schon bestehend Prüfstände

nachgerüstet werden, wenn genügend Bauraum vorhanden ist.

Ein Resonator ist hier ein schwingfähiges System, das bei Anregung eine Schwingung mit bestimmter Frequenz erzeugt, dementsprechend erzeugt ein

Torsionsresonator eine Torsionsschwingung mit vorbestimmter Frequenz.

Um durch dieses Verfahren auch bei quasi spiellosen Systemen, durch dieses Verfahren justieren zu können, kann eine besondere Lockerstelle eingebracht werden und vorgesehen sein. Da solche Lockerstellen große Belastungen erzeugen,

muss die Haltbarkeit (z.B. das Material) darauf abgestimmt werden.

Der vorgesehene Sensor kann beispielsweise ein Drehmomentsensor sein und der

aufgenommene Signalverlauf ist folglich ein Drehmomentverlauf.

Es ist besonders günstig, wenn der Sensor eine DMS-Brücke ist und durch die DMSBrücke der Signalverlauf aufgenommen wird, wobei zuerst die Nullstelle bestimmt

wird und anschließend das Signal gefiltert wird.

Wenn der Sensor beispielsweise ein Piezoelement ist, hat dieser funktionsbedingt

einen wesentlich stärkeren Drift, sodass die Korrektur in wesentlich kürzeren

Abständen nötig wäre. Der Vorteil dieser Sensorsysteme ist auf der anderen Seite, dass die Signal-Bandbreite sehr hoch sein kann, was die Detektion sehr kleiner Lockerstellen möglich macht. Eine vorteilhafte Kombination etwa mit DMS-basierten

Systemen ist demnach denkbar.

Aus Sicht der Messgenauigkeit ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Sensor in unmittelbarer Nähe des Bauteils mit Spiel angeordnet ist. Durch Winkelbeschleunigungen können sonst Trägheitseffekte entstehen, die das

Messergebnis negativ beeinflussen.

Wenn der Sensor weiter von der Lockerstelle weg angeordnet ist, so ist es günstig, wenn Trägheitseffekte durch Analyse beider Drehrichtungen minimiert und/oder gemittelt werden. Die Trägheitseffekte können dadurch berücksichtigt werden und ein genaueres Ergebnis durch den Nullabgleich erzielen.

Es ist besonders günstig, wenn als Signalverlauf ein Drehmomentverlauf aufgenommen wird. Alternativ ist beispielsweise auch möglich, dass ein Kraftverlauf

aufgenommen wird.

Besonders günstig lässt sich das Verfahren anwenden, wenn das System einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges umfasst. Dadurch können während der Fahrt des Fahrzeuges die Sensoren im Antriebsstrang neu justiert werden und Verfälschungen der Messungen durch parasitäre Lasten, Drift des Nullwertes durch Temperatur,

Zeit und mechanische Belastungen im Betrieb verringert werden.

Es ist vorteilhaft, wenn das System einen Elektromotor umfasst und dieser vorzugsweise zur Erregung verwendet wird. Der Elektromotor kann beispielsweise

ein Antrieb eines Hybridantriebs sein.

Dieses Verfahren bietet auch Vorteile bei einer Ausführung, in der das System einen Prüfstand für einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges umfasst.

Üblicherweise driftet der Nullpunkt im Messystem aufgrund verschiedener Einflüsse wie Temperatur, Zeit und mechanische Belastungen ab. Dies ist insofern auch

problematisch, als häufig der Nullpunkt zur Kalibrierung des ganzen Systems dient.

Anhand der folgenden nicht einschränkenden Figuren wird die Erfindung näher

erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Systems;

Fig. 2 ein Schema eines linearen Schwingsystems;

Fig. 3 einen Signalverlauf einer Lockerstelle; und

Fig. 4 ein Detail aus dem Signalverlauf der Lockerstelle in Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein beispielhaftes System S gezeigt, das zur Anwendung des Verfahrens geeignet ist. Dabei ist ein Verbrennungsmotor 1 entlang einer Drehachse D angeordnet und mit einer Kupplung 2 über eine Welle 3 verbunden. An die Kupplung 2 ist ein Wandler 4 angebunden, der wiederum eine Übersetzung durch ein Getriebe 5 zu weiteren Bauteilen aufweist. Zumindest ein Sensor ist an dem

System S angeordnet.

Eine „natürliche“ Erregung E erfolgt durch den Verbrennungsmotor 1. Dieser ist schematisch in Fig. 2 als Masse m1ı dargestellt. Die Erregung E kann rotatorisch oder translatorisch erfolgen. Das Bezugszeichen Mqa bezeichnet einen Drehmomentverlauf Mqa, der an einer Messstelle aufgenommen wird. Im Fall einer linearen Bewegung nimmt der Sensor eine Kraft F anstatt einem Drehmoment Ma auf. Die stark schematisierte Fig. 2 zeigt weiters eine Lockerstelle 6, welche über eine Feder c, welche die Nachgiebigkeit und Steifigkeit im System S darstellt, die Wellennachgiebigkeit, oder Nachgiebigkeiten in anderen Bauteilen abbildet, mit einer zweite Masse m; an das System angebunden ist. m2 steht vereinfacht für ein

zweites, sich bewegendes Bauteil.

Über die Messung der Lockerstellen 6 gibt es zwischen dem gemessenen Wert des Nullpunkts und dem realen Nullpunkt eine Hysterese-artige Signalform. Diese Verschiebung zwischen dem gemessenen Nullwert und dem idealen Wert des Nullpunkts, wird in Fig. 4 mit der Verschiebung A bezeichnet. Die Verschiebung A entsteht beispielsweise durch einen ungewollten „Drift“ des, nicht näher gezeigten,

Sensors durch Temperatureffekte, mechanische Belastungen oder durch die Zeit.

Diese Verschiebung A wird bestimmt durch das Verfahren: Es wird an dem System S in Fig. 1 eine Messung des Drehmoments durch zumindest einen Sensor durchgeführt. Der Sensor ist in dem beispielhaften System S nahe an der Kupplung 2 angeordnet, der genauso wie Wandler 4 und Getriebe 5 eine Lockerstelle 6 bildet, da diese Elemente typischerweise ein Spiel aufweisen.

Einem durch die Erregung vom Verbrennungsmotor 1 eingeleiteten Drehmoment (oder der eingeleiteten Kraft) wird durch das Auftreten der Lockerstelle nichts entgegengesetzt und das gemessene Drehmoment Mg, oder die gemessene Kraft F sollte null sein. Der Versatz des Auftretens des Drehmoments erzeugt die Hysterese

im aufgenommenen Signalverlauf, welcher in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt ist.

Das System S nimmt die Hysterese durch die höhere Bandbreite des verwendeten Telemetriesystems mit dem die Messwerte weitergegeben werden auf. Mittels entsprechender Signalverarbeitung wird die Hysterese aufgrund der Eigenschaften des Signalverlaufs nahe der gemessenen Nulldurchgängen erkannt.

Durch entsprechende Berechnung kann die Verschiebung A rückgerechnet werden oder durch Filter entsprechend ausgeglichen werden kann. Der Nullpunkt des Systems S wird einfach über die vom Rechner bestimmte Verschiebung A an den jeweiligen idealen Nullpunkt bei den Lockerstellen gelegt. So kann immer auf den

idealen Nullpunkt kalibriert werden.

Diese Berechnung der Verschiebung A erfolgt durch eine Recheneinheit des Telemetriesystems durch das die Signalverarbeitung durchgeführt wird.

Die Hysterese einer Lockerstelle 6 kann bei alternierenden Drehmomentsignalen beobachtet werden, wenn die Bandbreite hoch genug ist.

Um das Verfahren zu verbessern, können die Lockerstellen von Bauteilen, die durch wechselndes Drehmoment beansprucht werden (z. B. in der Nähe von

Verbrennungsmotoren), auf ein Minimum beschränkt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Nullabgleich zumindest eines Sensors eines Systems (S) insbesondere eines Antriebsstrangs - mit zumindest einer mechanischen Verbindung, die eine Lockerstelle (6) aufweist, mit alternierendem Signalverlauf, wobei der zumindest eine Sensor mit einem Telemetriesystem mit hohen Bandbreite signalleitend verbunden ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a. Erfassen eines Signalverlaufs des Systems;

b. Erkennen einer Hysterese eines Lockersignals bei alternierendem

Signalverlauf;

c. Bestimmen der Nullstelle anhand der Hysterese;

d. Durchführen des Nullabgleichs.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erregung (E) des Lockersignals durch die natürliche Bewegung des Systems (S) erzeugt

wird,

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erregung (E) des Lockersignals in bestimmten normalen oder bewusst provozierten

Betriebspunkten erfolgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erregung (E) durch einen Resonator erzeugt und/oder unterstützt

wird,

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lockersignal durch eine externe Kraft angeregt wird - vorzugsweise

alternierend.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass der Sensor eine DMS-Brücke ist und durch die DMS-Brücke der

11.

12.

13.

14.

15.

9

Drehmomentverlauf (Ma) aufgenommen wird, wobei zuerst die Nullstelle

bestimmt wird und anschließend das Signal gefiltert wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Trägheitseffekte durch Analyse beider Drehrichtungen minimiert und/oder gemittelt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

dass als Signalverlauf ein Drehmomentverlauf (Ma) aufgenommen wird.

System (S) mit zumindest einer Verbindung, die eine Lockerstelle (6) aufweist und einer Messanordnung mit zumindest einem Sensor und einem Telemetriesystem, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der

Ansprüche 1 bis 10.

System (S) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor in unmittelbarer Nähe eines Bauteils mit einer Lockerstelle (6) angeordnet ist.

System (S) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor eine DMS-Brücke, ein Piezoelement oder ein

Beschleunigungssensor ist.

System (S) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Resonator zur Erregung (E) des Lockersignals mechanisch mit der

Verbindung mit der Lockerstelle (6) in Wirkung steht.

System (S) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Torsionsresonator vorgesehen ist, der am Ende oder an einem

Verbindungspunkt des Systems (S) angeordnet ist.

System (S) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System (S) einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges umfasst.

System (S) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System (S) einen Elektromotor umfasst und dieser vorzugsweise zur

Erregung (E) verwendet wird.

16. System (S) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das System (S) einen Prüfstand für einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges umfasst.

2020 01 24 WR