DE102007016420B4 - Test bench and procedure for testing a drive train - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Prüfen eines Antriebsstrangs (12) eines Kraftfahrzeugs auf einem Prüfstand (10), wobei ein Abtrieb (21, 23, 25, 27) des Antriebsstrangs (12) mit wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (28, 30, 32, 34) gekoppelt ist, die so gesteuert wird, dass sie an dem Abtrieb (21, 23, 25, 27) vorgegebene Belastungsdrehmomente erzeugt, wobei Sollwerte der Belastungsdrehmomente durch ein erstes Modell (42) als Funktion vorgegebener Eigenschaften des Kraftfahrzeugs und einer Fahrstrecke des Kraftfahrzeugs vorgegeben werden, wobei ein Antrieb (38) des Antriebsstrangs (12) mit einer zweiten elektrischen Maschine (36) gekoppelt ist, die an dem Antrieb (38) Antriebsdrehmomente erzeugt und die so gesteuert wird, dass die erzeugten Antriebsdrehmomente Sollwerten (SW_M_A) entsprechen, die durch ein zweites Modell (44) erzeugt werden, das ein durch einen Verbrennungsmotor erzeugbares, im Antriebsstrang (12) wirksames Drehmoment simuliert, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Maschine (36) an eine Sekundärmasse (50) eines Zweimassenschwungrades (46) gekoppelt ist und die von dem zweiten Modell...Method for testing a drive train (12) of a motor vehicle on a test stand (10), wherein an output (21, 23, 25, 27) of the drive train (12) is coupled to at least one first electrical machine (28, 30, 32, 34) which is controlled so as to generate predetermined load torques on the output (21, 23, 25, 27), nominal values of the load torques being predetermined by a first model (42) as a function of predetermined properties of the motor vehicle and a travel distance of the motor vehicle, wherein a drive (38) of the drive train (12) is coupled to a second electric machine (36) which generates drive torques on the drive (38) and which is controlled such that the generated drive torques correspond to setpoint values (SW_M_A) which are determined by a second model (44) can be generated, which simulates a producible by an internal combustion engine, in the drive train (12) effective torque, characterized in that the second elektrisc he machine (36) is coupled to a secondary mass (50) of a dual mass flywheel (46) and that of the second model ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Prüfstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a method for checking a drive train of a motor vehicle according to the preamble of claim 1 and to a test stand according to the preamble of claim 8.
Dabei wird unter einem Antriebstrang hier die Summe oder ein Teil der Summe von Komponenten verstanden, mit denen bei einem Kraftfahrzeug die Kraft und das Drehmoment eines Verbrennungsmotors auf die Antriebsräder des Kraftfahrzeugs übertragen werden. Typische Komponenten sind Wechselgetriebe, Verteilergetriebe, Kardanwellen, Differenziale und Achswellen. In diesem Sinne wird zum Beispiel auch bereits ein Wechselgetriebe als Antriebsstrang verstanden.Here, a powertrain is understood here to be the sum or a part of the sum of components with which in a motor vehicle the force and the torque of an internal combustion engine are transmitted to the drive wheels of the motor vehicle. Typical components are gearboxes, transfer cases, cardan shafts, differentials and axle shafts. In this sense, for example, a change gear is already understood as a drive train.
Für eine Unterscheidung zwischen einem Antrieb und einem Abtrieb wird in dieser Anmeldung von einem Kraftfluss vom Verbrennungsmotor zu den Rädern ausgegangen, obwohl der physikalische Kraftfluss im Schiebebetrieb auch in umgekehrter Richtung verlaufen kann. Mit anderen Worten: Betrachtet man eine Komponente des Antriebsstrangs, die eine dem Verbrennungsmotor zugewandte erste Seite und eine einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs zugewandte zweite Seite aufweist, so stellt die erste Seite den Antrieb und die zweite Seite den Abtrieb dar.For a distinction between a drive and an output is assumed in this application of a power flow from the engine to the wheels, although the physical power flow in the push mode can also run in the opposite direction. In other words: If one considers a component of the drive train which has a first side facing the internal combustion engine and a second side facing a drive wheel of the motor vehicle, then the first side represents the drive and the second side represents the output.
Aus der
Die
Ein gattungsgemäßes Verfahren und ein gattungsgemäßer Prüfstand ist jeweils aus der
Solche Antriebsstrangprüfstände werden zum Beispiel in der Entwicklung eines Wechselgetriebes eingesetzt, um das Wechselgetriebe im Verbund mit den anderen Komponenten des Antriebsstrangs und dem Verbrennungsmotor erproben zu können.Such powertrain test stands are used, for example, in the development of a gearbox to be able to test the change gear in conjunction with the other components of the drive train and the internal combustion engine.
Zur Verkürzung der gesamten Entwicklungszeit eines Kraftfahrzeugs und/oder eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeuges wird eine parallel verlaufende Entwicklung von Verbrennungsmotor und Wechselgetriebe angestrebt. In einem frühen Entwicklungsstadium wird der Verbrennungsmotor jedoch mit Blick auf seine Leistungsdaten und Standfestigkeit noch keinen markttauglichen Reifegrad besitzen. Eine Dauererprobung eines Wechselgetriebes erfordert dann unter Umständen mehrere Verbrennungsmotoren. Diese sind sehr teuer, weil sie in dem frühen Entwicklungsstadium noch nicht als Serienprodukte zur Verfügung stehen und einen hohen Arbeitsaufwand zu ihrer Fertigung erfordern. Als Folge werden die Kosten für eine Dauerprüfung des Wechselgetriebes in die Höhe getrieben.To shorten the entire development time of a motor vehicle and / or a drive train of the motor vehicle, a parallel development of internal combustion engine and change gear is desired. However, at an early stage of development, the internal combustion engine will still not have a marketable maturity in terms of performance and durability. A long-term testing of a change gear may then require several internal combustion engines. These are very expensive because they are not yet available in the early stage of development as series products and require a lot of work to produce them. As a result, the costs for a durability test of the gearbox are driven up.
Dieser unerwünschte Effekt wird durch Stillstandszeiten für Auswechslungen des Verbrennungsmotors auf dem Prüfstand und Reparaturen noch vergrößert. Wartet man dagegen ab, bis ausreichend standfeste Verbrennungsmotoren mit der angestrebten Leistungsfähigkeit in größerer Stückzahl zur Verfügung stehen, verlängert sich unter Umständen die Gesamtentwicklungszeit für das gesamte Fahrzeug.This undesirable effect is further increased by downtimes for replacement of the internal combustion engine on the test bench and repairs. If, on the other hand, one waits until sufficiently stable internal combustion engines with the desired performance are available in larger numbers, the overall development time for the entire vehicle may be extended.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und eines Prüfstandes, das die genannten Nachteile eines hohen Kostenaufwandes und/oder einer verlängerten Gesamtentwicklungszeit für ein Fahrzeug verringert.Against this background, the object of the invention is to provide a method and a test stand which reduces the mentioned disadvantages of a high cost and / or a prolonged overall development time for a vehicle.
Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen eines der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved in each case with the features of one of the independent claims.
Bei der Erfindung wird der Verbrennungsmotor bei Antriebsstrangprüfstandsläufen durch die zweite elektrische Maschine ersetzt. Diese erzeugt an dem Antrieb des Antriebsstrangs Antriebsdrehmomente und wird dazu so gesteuert, dass ein durch einen Verbrennungsmotor erzeugbares, im Antriebsstrang wirksames Drehmoment nachgebildet wird. Dabei werden Sollwerte der Antriebsdrehmomente durch ein zweites Modell erzeugt, das die Drehmomentabgabe eines Verbrennungsmotors simuliert.In the invention, the internal combustion engine is replaced in powertrain test runs by the second electric machine. This generates drive torques on the drive of the drive train and is controlled in such a way that a torque that can be generated by an internal combustion engine and that is effective in the drive train is reproduced. In this case, setpoint values of the drive torques are generated by a second model, which simulates the torque output of an internal combustion engine.
Die Erfindung bietet die Möglichkeit einen Antriebsstrang unter dynamischen Dauerlaufbedingungen auch schon dann zu prüfen, wenn ein Motor mit entsprechendem Reifegrad noch nicht zur Verfügung steht. Die dadurch geschaffene Unabhängigkeit vom Entwicklungsprozess des Motors resultiert einerseits in einer erwünschten Straffung des gesamten Fahrzeugentwicklungsprozesses. Andererseits kommt sie auch der Qualität zugute, da Komponenten des Antriebsstrangs von Anfang an mit lastenheftkonformen Leistungsdaten erprobt werden können. Außerdem führt diese Methode zu einer erheblichen Kostenreduktion durch Einsparen teurer Prototypenmotoren und zu einer Verringerung von Stillstandszeiten durch Reparaturarbeiten.The invention also makes it possible to test a drive train under dynamic endurance conditions even when an engine with the corresponding degree of maturity is not yet available. The resulting independence from the development process of the engine results in a desired streamlining of the entire vehicle development process. On the other hand, it also benefits the quality, since components of the powertrain can be tested from the outset with load specification data. In addition, this method leads to a significant cost reduction by saving expensive prototype engines and reducing downtime through repair work.
Darüber hinaus werden durch die Flexibilität des elektrischen Antriebs Untersuchungen ermöglicht, die mit Verbrennungsmotoren nicht denkbar wären wie z. B. Rasseltests. Hierbei kann sowohl die Ungleichförmigkeit in Frequenz und Amplitude als auch Drehzahl und Drehmoment unabhängig voneinander vorgegeben werden um gezielt beliebige Betriebspunkte zu simulieren. Für diese Art von Versuch wäre sonst ein eigener Prüfstand erforderlich.In addition, investigations are made possible by the flexibility of the electric drive, which would not be conceivable with internal combustion engines such. B. rattle tests. Here, both the non-uniformity in frequency and amplitude and speed and torque can be specified independently to simulate targeted any operating points. Otherwise, a separate test bench would be required for this type of experiment.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite elektrische Maschine an eine Sekundärmasse eines Zweimassenschwungrades gekoppelt ist und die von dem zweiten Modell erzeugten Sollwerte einem Drehmoment entsprechen, das von einer elastischen Kopplung der Sekundärmasse mit einer Primärmasse des Zweimassenschwungrades auf die Sekundärmasse ausgeübt werden würde.The invention is characterized in that the second electric machine is coupled to a secondary mass of a dual-mass flywheel and the desired values generated by the second model correspond to a torque that would be exerted on the secondary mass by an elastic coupling of the secondary mass with a primary mass of the dual-mass flywheel.
Dadurch wird gewissermaßen die Primärmasse und die elastische Kopplung in die Modellierung übernommen. Bei den Versuchen auf dem Prüfstand treibt die elektrische Maschine dann nicht die Primärmasse, sondern direkt die Sekundärmasse des Zweimassenschwungrades an. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, muss die die elektrische Maschine dann nur noch einen Wechselanteil mit verringerter Amplitude erzeugen. Als Folge kann eine kleinere elektrische Maschine mit einem kleineren Trägheitsmoment verwendet werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich die Möglichkeit, auch Drehmomente von Verbrennungsmotoren zu simulieren, deren Massenträgheitsmoment deutlich unter dem des eingesetzten elektrischen Antriebs liegt.As a result, the primary mass and the elastic coupling are taken over into the modeling as it were. During the tests on the test bench, the electric machine then drives not the primary mass, but directly the secondary mass of the dual-mass flywheel. As will be explained in more detail below, the electric machine then only has to generate an alternating component with a reduced amplitude. As a result, a smaller electric machine with a smaller moment of inertia can be used. Another advantage is the ability to simulate torques of internal combustion engines whose mass moment of inertia is significantly lower than that of the electric drive used.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further advantages will be apparent from the dependent claims, the description and the attached figures.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. In each case, in schematic form:
Im Einzelnen zeigt die
Die Simulation der radseitigen Belastungen erfolgt bereits auf vorhandenen Antriebsstrangprüfständen in hinreichender Genauigkeit und entspricht dem Stand der Technik, zum Beispiel nach der eingangs genannten
Bei dem Prüfstand
Die elektrischen Maschinen
Wie die schematische Darstellung der Steuerung
Darüber hinaus ist die Steuerung
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite elektrische Maschine
Ein solches Zweimassenschwungrad
In einer bevorzugten Ausgestaltung, die in
Die Vorteile dieser Ausgestaltung werden vor dem folgenden Hintergrund deutlich:
Bekanntlich bildet sich die diskontinuierliche Arbeitsweise eines herkömmlichen Verbrennungsmotors im zeitlichen Verlauf seiner Drehzahl und seines Drehmoments ab. Dabei bilden sich insbesondere die Arbeitstakte jedes Zylinders mit der Zündfrequenz ab, so dass die Drehzahl- und Drehmomentverläufe jeweils einen in der Höhe schwankenden Gleichanteil (Mittelwert) und einen mit der Zündfrequenz oder einem Vielfachen der Zündfrequenz schwingenden Wechselanteil besitzen.The advantages of this embodiment are clear from the following background:
As is known, the discontinuous mode of operation of a conventional internal combustion engine forms in the time course of its speed and its torque. In particular, the working cycles of each cylinder with the ignition frequency are formed, so that the speed and torque curves each have a fluctuating DC component (mean value) and one oscillating with the ignition frequency or a multiple of the ignition frequency alternating component.
Eine elektrische Maschine, die solche Verläufe möglichst realistisch nachbilden soll, muss insbesondere den Gleichanteil erzeugen können und zusätzlich dazu in der Lage sein, den Wechselanteil zu erzeugen.An electrical machine, which should simulate such courses as realistically as possible, must be able to generate in particular the DC component and in addition to be able to generate the AC component.
Letzteres erfordert zum Beispiel vergleichsweise schnelle Drehimpulsänderungen (eine hohe Dynamik) mit den dafür notwendigen vergleichsweise großen Drehmomentwerten. Eine elektrische Maschine, die zur Erzeugung solcher Drehmomente in der Lage ist, weist jedoch in der Regel ein wesentlich größeres Trägheitsmoment als ein Verbrennungsmotor gleicher Leistung auf.The latter requires, for example, comparatively fast angular momentum changes (high dynamics) with the comparatively large torque values required for this purpose. However, an electric machine capable of producing such torques usually has a substantial greater moment of inertia than a combustion engine of equal power.
Ein solches größeres Trägheitsmoment ist aber nachteilig, weil eine realistische Nachbildung des Wechselanteils möglichst ähnliche Trägheitsmomente der jeweils zu beschleunigenden und abzubremsenden Massen erfordert. Das Trägheitsmoment der zweiten elektrischen Maschine
Ferner gilt, dass die Beschleunigungsmomente, die bei dynamischen Vorgängen von der zweiten elektrischen Maschine
In diesem Zusammenhang liefert die Ausgestaltung folgende Vorteile: Dadurch, dass die von der zweiten elektrischen Maschine
Einerseits fällt das physikalische Trägheitsmoment JP der Primärmasse
On the one hand, the physical moment of inertia JP of the primary mass falls
Dadurch ergibt sich eine erwünschte Angleichung der relevanten Trägheitsmomente: Betrachtet man die vor dem Wechselgetriebe
Durch die Angleichung der relevanten Trägheitsmomente wird die Ähnlichkeit der von der zweiten elektrischen Maschine
Darüber hinaus erzeugt eine real vorhandene Primärmasse
Durch das Weglassen der Primärmasse
Als Folge kann eine kleinere elektrische Maschine
Als weiterer Vorteil ergibt sich die Möglichkeit, auch Drehmomente von Verbrennungsmotoren zu simulieren, deren Massenträgheitsmoment deutlich unter dem des eingesetzten elektrischen Antriebs liegt.Another advantage is the ability to simulate torques of internal combustion engines whose mass moment of inertia is significantly lower than that of the electric drive used.
Das zweite Modell
Mit dem Verbrennungsmotormodell
Beide Werte werden in einer Verknüpfung
Der Wechselanteil M_AC wird im Block
Dann wird im Block
Die sich daraus ergebende (fiktive) Drehzahl n der imaginären Primärmasse
Ferner wird diese fiktive Drehzahl n im folgenden Block
Das zuletzt genannte Drehmoment M_ZMS würde bei einem realen Antriebsstrang
Das Zeitintegral der Differenz der realen Rotordrehzahl n_36 und der fiktiven Drehzahl n, beziehungsweise der dazu proportionalen Kreisfrequenz, liefert nach einer Multiplikation mit der Federkonstanten C_PS der Kopplung zwischen der Primärmasse
Bei der Modellierung des Sollwertes SW_M_A = M_ZMS wurde davon ausgegangen, dass das Drehmoment über eine rotierende Primärmasse
Der auf diese Weise bestimmte Sollwert SW_M_A = M_ZMS wird für die Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine
Das Zweimassenschwungrad-Modell aus den Blöcken
Durch diese Modellierung des Zweimassenschwungrades
Das im Block
Das mittlere Drehmoment M_DC des Verbrennungsmotors kann daher wahlweise einem Kennfeld (Fahrerwunsch, Drehmomentanforderungen anderer Steuergeräte oder Funktionen, repräsentiert durch einen CAN-Bus-Eingang) entnommen oder von einem vollständigeren thermodynamischen Echtzeitmodell berechnet werden, das auch andere Einflussgrößen wie Zündzeitpunkte und oder Lambdawerte von Brennraumfüllungen des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Bei einem solchen Echtzeitmodell wird das mittlere Drehmoment nach den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten berechnet. Es ist dann nicht nur für einen Motor im Serieneinsatz sondern auch für einen Motor in einer früheren Entwicklungsphase relativ genau. Die Parametrierung des Motormodells ist mit den physikalischen Motorgrunddaten relativ einfach.The mean torque M_DC of the internal combustion engine can therefore optionally be taken from a characteristic map (driver request, torque requirements of other control devices or functions, represented by a CAN bus input) or calculated from a more complete thermodynamic real-time model, which also includes other factors such as ignition times and or lambda values of combustion chamber fillings considered the internal combustion engine. In such a real-time model, the average torque is calculated according to the thermodynamic laws. It is then relatively accurate not only for an engine in series production but also for a motor in an earlier development phase. The parameterization of the motor model is relatively simple with the basic physical motor data.
Der CAN-Bus Eingang dient zur Berücksichtigung von Drehmomentanforderungen anderer Steuergeräte. Erwünscht ist, dass alle Funktionen, die direkte Auswirkungen auf die Belastung des Antriebsstrangs haben, nachgebildet werden. Das sind einerseits Funktionen zur Reaktion auf Anforderungen anderer Steuergeräte (z. B. Drehmomentreduktion während eines Schaltvorgangs in einem automatisch schaltenden Wechselgetriebe), andererseits Funktionen, die den Momentaufbau und das abgegebene Drehmoment selbständig beeinflussen (z. B. eine Lastwechselschlagdämpfung).The CAN bus input is used to take into account torque requirements of other ECUs. It is desirable that all functions that directly affect the drivetrain load be replicated. These are, on the one hand, functions for responding to the requirements of other control devices (eg torque reduction during a shift in an automatically shifting change gearbox), on the other hand, functions that independently influence the torque build-up and the torque output (eg a load cycle shock absorption).
Dem mittleren Motormoment M_DC werden mittelwertfreie Gas- und Massendrehmomentverläufe zur Abbildung des verbrennungsmotorischen Wechselanteils M_AC am gesamten Drehmoment M_VM überlagert, die im Block
Der Wechselanteil M_AC ergibt sich als Folge seines diskontinuierlichen Verbrennungsprozesses, der kinematischen Bedingungen zwischen Kolben- und Kurbelwellenbewegung, also der Gas- und Massendrehkraftverläufe und bildet eine Ursache für Drehschwingungen im Antriebsstrang. Diese sind für kontinuierlich belastete Bauteile wie Wellen der kritisch, da sie die Lastspielzahl drastisch erhöhen. Daher ist es wichtig, den Wechselanteil M_AC bei der Simulation zu berücksichtigen. Die Amplitude des Gasmoments hängt von den Druckverläufen der einzelnen Zylinder ab, wohingegen die Amplitude des Massenmoments drehzahlabhängig ist. Mit zunehmender Drehzahl nimmt der Anteil des Massenmomentes am Gesamtmotormoment zu.The alternating component M_AC results as a result of its discontinuous combustion process, the kinematic conditions between piston and crankshaft movement, ie the gas and mass torque curves and forms a cause for torsional vibrations in the drive train. These are critical for continuously loaded components such as shafts because they dramatically increase the number of cycles. Therefore, it is important to consider the AC component M_AC in the simulation. The amplitude of the gas torque depends on the pressure curves of the individual cylinders, whereas the amplitude of the mass moment is speed-dependent. As the speed increases, the proportion of the mass momentum in the total engine torque increases.
Um die Modellbildung in Echtzeit durchführen zu können, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung ein Kennlinienmodell
Ein bevorzugtes Verbrennungsmotormodell
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