DE102007006803B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem Antriebsmotor (2), der über eine Kupplung (4) mit dem weiteren Antriebsstrang drehmomentübertragend verbindbar ist, bei welchem Verfahren das von der Kupplung (4) übertragbare Moment durch Steuerung eines ein Betätigungsglied (16) der Kupplung betätigenden Aktors (10) beim Auftreten von Rupfschwingungen derart verändert wird, dass die Rupfschwingungen vermindert werden,wobei eine den Betrieb des Aktors (10) bestimmende elektrische Spannung entsprechend folgender Formel moduliert wird:wobeiw ein Gewichtungsfaktor ist, der Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann,Ueine durch ein Aktormodell und eine Sollwegmodulation definierte gesteuerte Modulationsspannung ist undUeine von einer Regeleinrichtung geregelte Modulationsspannung ist, die von der Abweichung zwischen einem Sollwert und einem Istwert einer einen Betriebszustand der Kupplung (4) kennzeichnenden Größe abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktormodell durch die Gleichung gegeben ist:wobeix ein Verstellweg eines vom Aktor (10) bewegten Bauteils ist,wobeiI= Trägheitsmoment des Elektromotors,i= GesamtübersetzungKΦ = elektrische Konstante des den Aktor (10) bildenden Elektromotors, undR= Widerstand, wobei in die Gleichung ẍ - k * ẋ = K* U eine Soll-Modulationsfunktion x(t) eingesetzt wird und die gesteuerte Modulationsspannung Udurch die sich ergebende Spannung U(t) gegeben ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang.
• In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend automatisierte bzw. von einem Aktor betätigte Kupplungen sowohl in Verbindung mit Handschaltgetrieben als auch in Verbindung mit automatischen Getrieben eingesetzt. Der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs kann wegen der in ihm enthaltenen Elastizitäten zu Schwingungen angeregt werden, die den Fahrkomfort unangenehm beeinträchtigen.
• Die DE 10 2004 030 479 A1 offenbart ein Verfahren zur Unterdrückung von Rupfschwingungen in einem Ausrücksystem einer Reibungskupplung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Die DE 103 23 567 A1 offenbart ein Verfahren zum Modulieren des von einer Fahrzeugkupplung übertragenen Moments, wobei das Moment in Abhängigkeit von einer nur aus der Drehzahl der Kupplungsscheibe abgeleiteten Größe moduliert wird.
• Aus der WO 2004/ 027 285 A1 ist ein Verfahren zum Vermindern von Rupfschwingungen des Antriebsstrangs bekannt, wobei solche Rupfschwingungen in erster Linie beim Schließen der Kupplung beim Anfahren oder nach einem Schaltvorgang auftreten. Dabei werden das von der Kupplung übertragbare Drehmoment und/oder der Kupplungsweg derart moduliert, dass den Rupfschwingungen entgegengewirkt wird. Der Sollweg eines Betätigungsgliedes der Kupplung wird additiv moduliert, was zu einer Modulation des Ist-Verstellwegs des Betätigungsgliedes und damit zu einer Modulation des übertragbaren Kupplungsmoments führt. Bei guter Qualität der Stellungs- bzw. Lagerregelung lässt sich eine effektive Phasenvorsteuerung realisieren. Dabei trifft die Wegmodulation eine kommende Halbwelle der schwingenden Getriebeeingangsdrehzahl gut genug, um das Rupfen wesentlich zu vermindern oder ganz auszulöschen. Eine reproduzierbare Einregelung der Wegmodulationen ist problematisch, da der Weg inkremental gemessen wird und die Amplitude einer Wegmodulation nur etwa 5 bis 10 Inkremente beträgt. Bei einer Rupfschwingungsperiode von 100 ms dauert eine Modulation 40 bis 50 ms. In diesem kurzen Zeitraum wird der Lagerregler 16 bis 20 Mal aufgerufen. Dabei gibt es zwangsläufig Regleraufrufe, in denen der Regler keine Änderung des Ist-Weges sieht. Damit wird der D-Anteil des Reglers sehr rau, was die Qualität der Regelung verschlechtert und zu unnötigem Energieverlust im Aktor führt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang zu schaffen, mit den bzw. der bei geringem Energieverbrauch Rupfschwingungen wirksam vermindert bzw. unterdrückt werden können, ohne dass die Regelgüte eines den Betrieb der Kupplung regelnden System nachteilig beeinflusst wird.
• Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
• Dieses Verfahren wird mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 3 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
• Der Anspruch 4 ist auf eine Vorrichtung zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe gerichtet.
• Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem Antriebsmotor, der über eine Kupplung mit dem weiteren Antriebsstrang drehmomentübertragend verbindbar ist, bei welchem Verfahren das von der Kupplung betätigenden Moment durch Steuerung eines ein Betätigungsglied der Kupplung betätigenden Aktors beim Auftreten von Rupfschwingungen derart verändert wird, dass die Rupfschwingungen vermindert werden, wird eine den Betrieb des Aktors bestimmende elektrische Spannung entsprechend folgender Formel moduliert: $${\text{U}}_{\text{M}}={\text{U}}_{\text{MSt}}*\text{w}+{\text{U}}_{\text{MR}}*\left(1-\text{w}\right),$$

  

  
  wobei
  w ein Gewichtungsfaktor ist, der Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann,
  U_MSt eine durch ein Aktormodell und eine Sollwegmodulation definierte gesteuerte Modulationsspannung ist und
  U_MR eine von einer Regeleinrichtung geregelte Modulationsspannung ist, die von der Abweichung zwischen einem Sollwert und einem Istwert einer einen Betriebszustand der Kupplung kennzeichnenden Größe abhängig ist.
• Das Aktormodell ist erfindungsgemäß durch folgende Gleichung gegeben sein: $$\ddot{x}-k*\dot{x}=K_U*U,$$

  

  
  wobei
  x ein Verstellweg eines vom Aktor bewegten Bauteils ist, $$k=\frac{{\left(i_{ges}*K\mathrm{\Phi }\right)}^2}{M_{Aktor}{R}_a}\text{ und }{K}_U=\frac{i_{ges}*K\mathrm{\Phi }}{M_{Aktor}{R}_a},$$

  

  
  wobei $$M_{Aktor}=I_{E-Motor}*i_{ges}^2,$$

  

  
  I_E-Motor = Trägheitsmoment des Elektromotors,
  i_ges = Gesamtübersetzung
  KΦ = elektrische Konstante des den Aktor bildenden Elektromotors, und
  R_a = Widerstand.
• Erfindungsgemäß ist in die Gleichung ẍ - k * ẋ = K_U * U eine Soll-Modulationsfunktion x_SM(t) einzusetzen, so dass die gesteuerte Modulationssteuerspannung U_MSt durch die sich ergebende Spannung U(t) gegeben ist.
• Die Modulationsspannung U_M(t) kann mit einem von der Amplitude der Rupfschwingung abhängigen Faktor multipliziert werden.
• Weiterhin kann zur Modulationsspannung U_M(t) eine Offset-Spannung addiert werden, die von der Kupplungsstellung und der Betätigungsrichtung der Kupplung abhängt.
• Bei einer Vorrichtung zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem Antriebsmotor, der über eine Kupplung mit dem weiteren Antriebsstrang drehmomentübertragend verbindbar ist, enthaltend einen elektromotorischen Aktor zum Betätigen der Kupplung, wenigstens einen Sensor zum Erfassen von Rupfschwingungen im Antriebsstrang und eine elektronische Steuereinrichtung, die den Betrieb des Aktors derart steuert, dass das von der Kupplung übertragbare Moment einen von Betriebsbedingungen des Antriebsstrangs abhängigen Wert hat, steuert die elektronische Steuereinrichtung den Aktor nach einem der der vorgenannten Verfahren.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
• In den Figuren stellen dar:
• 1 ein Blockschaltbild eines an sich bekannten Kraftfahrzeugantriebsstrangs mit Teilen seiner Steuereinrichtung, und
• 2 einen elektromotorischen Kupplungsaktor mit Steuereinrichtung.
• Gemäß 1 weist ein Kraftfahrzeugantriebsstrang eine Brennkraftmaschine 2 auf, die über eine Kupplung 4, beispielsweise eine Reibungskupplung, mit einem Getriebe 6 verbunden ist, dessen Ausgangswelle 8 zu angetriebenen Rädern des Fahrzeugs führt.
• Die Kupplung 4 ist mittels einer Betätigungseinrichtung 10 betätigbar. Das Getriebe 6 ist für den Fall, dass es ein automatisches Getriebe ist, mittels einer Betätigungseinrichtung 11 betätigbar. Zur Steuerung der Betätigungseinrichtung 10 und 11 dient eine elektronische Steuereinrichtung 12, deren Eingänge für das von der Kupplung zu übertragende Moment und das Schalten des Getriebes 6 relevante Eingangsgrößen, wie Gaspedalstellung, wirksame Übersetzung des Getriebes 6, Drehzahl der Brennkraftmaschine, Drehzahl wenigstens eines Fahrzeugrades, Schlupf der Kupplung 4 (Drehzahlunterschied zwischen der Kupplungseingangswelle und der Kupplungsausgangswelle bzw. Getriebeeingangswelle), Stellung der Kupplung, Stellung des Getriebes usw. zugeführt werden. Ausgänge der elektronischen Steuereinrichtung sind mit den Betätigungseinrichtungen 10 und 11 verbunden.
• 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau der Betätigungseinrichtung 10.
• Die Betätigungseinrichtung 10 enthält ein Betätigungsglied 16, das direkt, über weitere Koppelglieder, oder über eine hydraulische Übertragungsstrecke mit einem Kupplungshebel der Kupplung 4 verbunden ist, wobei die Stellung des Kupplungshebels das von der Kupplung übertragbare Moment bestimmt.
• Das Betätigungsglied 16 ist über ein Lager 18 mit einem Segmentrad 20 verbunden, das um eine Achse A drehbar in einem Gehäuse 22 gelagert ist. Das Gehäuse 22 kann starr mit dem Gehäuse der Kupplung oder einem Getriebegehäuse verbunden sein.
• Das Segmentrad 20 weist an einem Umfangsbereich eine Verzahnung 24 auf, die mit einer an einer Ausgangswelle 26 eines Elektromotors 27 ausgebildeten Schneckenverzahnung 28 kämmt. Zur Erfassung der Drehung der Ausgangswelle 26 ist ein Inkrementzähler 30 vorgesehen.
• Zur Steuerung des Elektromotors 27 dient ein elektronisches Steuergerät 32 mit Mikroprozessor und zugehörigen Speichereinrichtungen, das Bestandteil der elektronischen Steuereinrichtung 12 (1) sein kann. Ein Eingang des Steuergerätes 32 ist mit dem Inkrementzähler 30 und weitere Eingänge sind mit Ausgängen von Sensoren oder einem anderen Steuergerät, gegebenenfalls über einen Bus, verbunden, über die das Steuergerät 32 für den Betrieb der Kupplung 4 relevante Daten empfängt. Ein Ausgang des Steuergerätes 32 ist mit dem Elektromotor 27 verbunden, der den Aktor der Kupplung 4 bildet.
• Die Drehbarkeit des Segmentrades 20 ist durch wenigstens einen Anschlag 34 begrenzt, an dem das Segmentrad am Ende des Betätigungsweges des Betätigungsgliedes 16 in Schließrichtung und/oder Öffnungsrichtung der Kupplung anliegt.
• In dem Steuergerät 32 ist wenigstens eine Soll-Kennlinie der Kupplung 4 gespeichert, die das übertragbare Kupplungsmoment in Abhängigkeit von der Stellung des Betätigungsgliedes 16 angibt. Damit diese Stellung im Steuergerät 32 bekannt ist, wird die Stellung des Betätigungsgliedes 16, dessen Verstellung der Zählung des Inkrementzählers 30 entspricht, in an sich bekannter Weise immer wieder aktualisiert bzw. referenziert, indem beispielsweise das Betätigungsglied 16 bis zum Anschlag betätigt wird.
• Die Steuerung der Kupplung 4 bzw. der Stellung des Betätigungsgliedes 16 erfolgt in vielen Betriebsbereichen, insbesondere beim Anfahren und nach einer Schaltung, derart, dass ein vorbestimmtes übertragbares Kupplungsmoment in Abhängigkeit beispielsweise vom Motormoment, der Motordrehzahl und der Drehzahl der Ausgangswelle 8 vorgesteuert angefahren wird und das weitere Schließen der Kupplung dann geregelt erfolgt, indem ein vorbestimmter Kupplungsschlupf aufrechterhalten und dann abgebaut wird. Auch für andere Betriebszustände des Antriebsstrangs, beispielsweise einem Fahren mit sehr niederen Motordrehzahlen unter Last ist es vorteilhaft den Schlupf der Kupplung zu steuern, um für die Fahrzeuginsassen sonst spürbare Rauhigkeiten zu mindern.
• In Folge von Elastizitäten im Antriebsstrang, dem Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung usw. kann es insbesondere beim Schließen der Kupplung zu Rupfschwingungen bzw. Triebstrangschwingungen kommen, die für die Fahrzeuginsassen unangenehm sind. Solche Rupfschwingungen können durch Drehzahlschwankungen der Getriebeeingangswelle erkannt werden, deren Frequenz größer ist als die Frequenz, mit der sich der Weg des Betätigungsgliedes 16 normalerweise ändert oder mit der sich die Stellung eines Laststellorgans der Brennkraftmaschine 2 ändert.
• Die bisher beschriebenen Anordnungen sind hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion an sich bekannt und werden daher nicht im Detail erläutert.
• Erfindungsgemäß wird im Antriebsstrang vorhandenen Rupfschwingungen, die beispielsweise durch Drehzahlschwingungen der Eingangswelle des Getriebes 6, die gleichzeitig die Ausgangswelle der Kupplung 4 bilden kann, erfasst werden können, dadurch entgegengewirkt, dass die von dem Steuergerät 32 gesteuerte, am Elektromotor 27 liegende Spannung U entsprechend folgender Formel moduliert wird: $${\text{U}}_{\text{M}}={\text{U}}_{\text{MSt}}\text{*w}+{\text{U}}_{\text{MR}}*\left(1-\text{w}\right),$$

  

  wobei
  U_M die Modulationsspannung ist,
  U_MSt eine durch ein Aktormodell und eine Sollwegmodulation definierte gesteuerte Modulationsspannung ist und
  U_MR eine von einem in dem Steuereinrichtung 12 enthaltenen Regler geregelte Modulationsspannung, die von der Abweichung zwischen beispielsweise einer Sollstellung des Betätigungsgliedes 16 und dessen Iststellung abhängt. w ist ein Gewichtungsfaktor, der die Gewichtung zwischen Steuerung und Regelung der Modulationsspannung U_M bestimmt. Dieser Gewichtungsfaktor kann voreingestellt sein oder sich abhängig von Betriebszuständen des Antriebsstrangs ändern.
• Die gesteuerte Modulationsspannung U_MSt wird basierend auf einem Aktormodell und der Sollwegmodulation definiert.
• Das Modell der Aktordynamik kann beispielsweise durch folgende Gleichung beschrieben werden: $$\ddot{x}-k*\dot{x}=K_U*U,$$

  

  wobei
  x ein Verstellweg eines vom Aktor bewegten Bauteils, beispielsweise des Betätigungsgliedes 16 ist, $$k=\frac{{\left(i_{ges}*K\mathrm{\Phi }\right)}^2}{M_{Aktor}{R}_a}\text{ und }{K}_U=\frac{i_{ges}*K\mathrm{\Phi }}{M_{Aktor}{R}_a},$$

  

  
  wobei $$M_{Aktor}=I_{E-Motor}*i_{ges}^2,$$

  

  
  I_E-Motor = Trägheitsmoment des Elektromotors,
  i_ges = Gesamtübersetzung
  KΦ = elektrische Konstante des Elektromotors, und
  R_a = Widerstand.
• Zum Dämpfen bzw. Unterdrücken der Rupfschwingungen wird beispielsweise in an sich bekannter Weise eine beispielsweise glockenförmige Modulationsfunktion x_SM(t) ermittelt, die in die Gleichung (2) eingesetzt wird. Aus der Gleichung (2) kann dann die gesuchte gesteuerte Modulationsspannung U_MST = U(t) berechnet werden. Wenn eine Wegmodulation entsprechend der Form der Sollwegmodulation realisiert werden soll, wird die modulierte Steuerspannung U_MSt mit einem Faktor multipliziert, dessen Größe beispielsweise von der Stärke bzw. Amplitude der Rupfschwingung abhängig ist. Wenn w in der Gleichung (1) zu 1 gesetzt wird, ist die so bestimmte Modulationsspannung die Spannung, die der normalen Aktorsteuerspannung zum Vermindern der Rupfschwingungen überlagert wird.
• Das Aktordynamikmodell entsprechend Gleichung (2) berücksichtigt nur die Bewegung der äquivalenten Aktormasse ohne Reibung und Kupplungskraft. Dieses Modell kann bei Bedarf erweitert werden, um diese Kräfte zu berücksichtigen. Für die gesteuerte Modulationsspannung ergibt sich dann der Wert: $${\text{U}}_{\text{MSt}}=\text{U}\left(\text{t}\right)+\text{Offset},$$

  

  
  wobei
  der Offset-Wert beispielsweise von der Stellung der Kupplung bzw. der Stellung des Betätigungsgliedes und der augenblicklichen Betätigungsrichtung der Kupplung abhängig ist.
• Wenn das Aktormodell und dessen Parametrierung zufriedenstellend sind, ist es möglich, in der Gleichung (1) w gleich 1 zu setzen, so dass der Rupfschwingung lediglich durch eine gesteuerte Modulationsspannung entgegengewirkt wird. Die Wegqualität ist dann von der Qualität der Wegmessung unabhängig und die dem Elektromotor 27 zur Modulation zugeführte Energie wird effektiv genutzt.
• Wenn die Modellparameter nicht genau bekannt sind oder eine starke Streuung bzw. Temperaturabhängigkeit aufweisen, kann ein anderer Wert von w vorteilhaft sein, bei der die gewünschte Qualität der Wegmodulation durch eine Mischung aus Steuerung und Regelung erreicht wird.
• Bezugszeichenliste

2

Brennkraftmaschine

4

Kupplung

6

Getriebe

8

Ausgangswelle

10

Betätigungseinrichtung

11

Betätigungseinrichtung

12

elektrische Steuereinrichtung

16

Betätigungsglied

18

Lager

20

Segmentrad

22

Gehäuse

24

Verzahnung

26

Ausgangswelle

27

Elektromotor

28

Schneckenverzahnung

30

Inkrementzähler

32

Steuergerät

34

Anschlag

Claims (4)

1. Verfahren zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem Antriebsmotor (2), der über eine Kupplung (4) mit dem weiteren Antriebsstrang drehmomentübertragend verbindbar ist, bei welchem Verfahren das von der Kupplung (4) übertragbare Moment durch Steuerung eines ein Betätigungsglied (16) der Kupplung betätigenden Aktors (10) beim Auftreten von Rupfschwingungen derart verändert wird, dass die Rupfschwingungen vermindert werden, wobei eine den Betrieb des Aktors (10) bestimmende elektrische Spannung entsprechend folgender Formel moduliert wird: $${\text{U}}_{\text{M}}={\text{U}}_{\text{MSt}}*\text{w}+{\text{U}}_{\text{MR}}*\left(1-\text{w}\right),$$

   

   wobei w ein Gewichtungsfaktor ist, der Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann, U_MSt eine durch ein Aktormodell und eine Sollwegmodulation definierte gesteuerte Modulationsspannung ist und U_MR eine von einer Regeleinrichtung geregelte Modulationsspannung ist, die von der Abweichung zwischen einem Sollwert und einem Istwert einer einen Betriebszustand der Kupplung (4) kennzeichnenden Größe abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktormodell durch die Gleichung gegeben ist: $$\ddot{x}-k*\dot{x}=K_U*U,$$

   

   wobei x ein Verstellweg eines vom Aktor (10) bewegten Bauteils ist, $$k=\frac{{\left(i_{ges}*K\mathrm{\Phi }\right)}^2}{M_{Aktor}{R}_a}\text{ und }{K}_U=\frac{i_{ges}*K\mathrm{\Phi }}{M_{Aktor}{R}_a},$$

   

   wobei $$M_{Aktor}=I_{E-Motor}*i_{ges}^2,$$

   

   I_E-Motor = Trägheitsmoment des Elektromotors, i_ges = Gesamtübersetzung KΦ = elektrische Konstante des den Aktor (10) bildenden Elektromotors, und R_a = Widerstand, wobei in die Gleichung ẍ - k * ẋ = K_u * U eine Soll-Modulationsfunktion x_SM(t) eingesetzt wird und die gesteuerte Modulationsspannung U_MSt durch die sich ergebende Spannung U(t) gegeben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssteuerspannung U_MSt mit einem von der Amplitude der Rupfschwingung abhängigen Faktor multipliziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modulationssteuerspannung U_MSt eine Offset-Spannung addiert wird, die von der Kupplungsstellung und der Betätigungsrichtung der Kupplung (4) abhängt.
4. Vorrichtung zum Vermindern von Rupfschwingungen in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem Brennkraftmaschine (2), der über eine Kupplung (4) mit dem weiteren Getriebe (6) und der Ausgangswelle (8) drehmomentübertragend verbindbar ist, enthaltend einem Aktor (10) mit einem Elektromotor (27) zum Betätigen der Kupplung (4), wenigstens einen Sensor zum Erfassen von Rupfschwingungen im Antriebsstrang und eine elektronische Steuereinrichtung (32), die den Betrieb des Aktors (10) derart steuert, dass das von der Kupplung (4) übertragbare Moment einen von Betriebsbedingungen des Antriebsstrangs abhängigen Wert hat, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (32) den Aktor (10) nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 3 steuert.

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