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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Ermittlung einer Torsionswinkel-Änderung eines Antriebsstrangs, insbesondere in einem Fahrzeug.
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Bei Fahrzeugen ist seit Langem bekannt, dass eine Änderung eines vorgegebenen Torsionswinkels entlang eines Antriebsstrangs auftreten kann. Aus der
DE 103 01 869 A1 ist ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer Torsionswinkel-Änderung eines Antriebsstrangs bekannt. Ein derartiges Verfahren hat sich allerdings als unzureichend bezüglich der erfassten Torsionswinkel-Änderungen herausgestellt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Ermittlung einer Torsionswinkel-Änderung eines Antriebsstrangs derart zu verbessern, dass die Torsionswinkel-Änderung im gesamten Antriebsstrang mit einer verbesserten Genauigkeit feststellbar ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein System mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Betrag einer Torsionswinkel-Änderung zu einem wesentlichen Teil im Bereich einer Antriebswelle und/oder einer Gelenkwelle auftritt. Bei dem erfindungsgemäßen System ist daher eine Erfassungs-Einheit vorgesehen, die einen Antriebs-Drehzahlsensor zur Erfassung einer von einer Antriebs-Drehzahl abhängigen Kenngröße und einen Rad-Drehzahlsensor zur Erfassung einer von einer Rad-Drehzahl abhängigen Kenngröße aufweist. Mittels einer Auswerte-Vorrichtung erfolgt eine Ermittlung einer Torsionswinkel-Änderung des Antriebsstrangs durch vergleichende Auswertung der erfassten Kenngrößen. Dazu kann die Auswerte-Vorrichtung mit der Erfassungs-Einheit oder direkt mit den Drehzahlsensoren in Signalverbindung stehen. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Systemen ist mindestens einer der zur Ermittlung der relevanten Torsionswinkel-Änderung verwendeten Drehzahlsensoren außerhalb von Motor und Getriebe angeordnet, um eine Rad-Drehzahl zu erfassen. Als Rad-Drehzahl kann entweder die Drehzahl eines Einzelrades oder ein Mittelwert aus Drehzahlen mehrerer Einzelräder verwendet werden.
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Die Verwendung einer von einer Synchron-Drehzahl abhängigen Kenngröße als die von der Rad-Drehzahl abhängige Kenngröße gemäß den Ansprüchen 2 und 3 ermöglicht eine direkte Berechnung einer Vergleichsgröße aus der gemessenen Rad-Drehzahl oder einer davon abhängigen Kenngröße. Dazu erfolgt eine Multiplikation der genannten Größen mit einem bekannten Getriebe-Faktor und bei vorhandenem Ausgleichsgetriebe, insbesondere einem Differzial, zusätzlich mit einem bekannten Ausgleichsgetriebe-Faktor. Insbesondere ist die aus der Rad-Drehzahl berechnete Synchron-Drehzahl theoretisch identisch mit der erfassten Antriebs-Drehzahl. Eine real auftretende Abweichung der Antriebs-Drehzahl von der Synchron-Drehzahl ist deshalb unmittelbar auf eine Torsionswinkel-Änderung zurückzuführen. Somit wird eine rechnerische Kenngröße zur Steuerung und Regelung des Antriebsstrangs zur Verfügung gestellt, die mittels in einem Fahrzeug bereits vorhandener Sensoren ermittelbar ist.
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Die Verwendung der erfassten Drehzahlen als drehzahlabhängige Kenngrößen gemäß Anspruch 4 ermöglicht eine direkte Ermittlung der Torsionswinkel-Änderung. Es ist weiterhin möglich, beispielsweise die Gradienten der erfassten Drehzahlen auszuwerten, um damit eine Vielfalt hinsichtlich der zu ermittelnden Abweichungen wie beispielsweise eine statische Abweichung des Torsionswinkels, eine kontinuierliche Torsionswinkel-Änderung oder eine dynamische, insbesondere periodisch schwingende Torsionswinkel-Änderung zu bestimmen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang derart zu weiterzuentwickeln, dass eine auftretende Torsionswinkel-Änderung mit einer erhöhten Genauigkeit feststellbar ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Antriebsstrang mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein erfindungsgemäßes System zur Ermittlung einer Torsionswinkel-Änderung in einen Antriebsstrang integriert werden kann. Dabei umfasst der erfindungsgemäße Antriebsstrang einen Antrieb, eine von dem Antrieb angetriebene Antriebswelle und mindestens ein mit der Antriebswelle verbundenes Rad.
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Ein Antriebsstrang gemäß dem Anspruch 6 ermöglicht einen variablen, situationsangepassten Antrieb der Antriebswelle bei einer entsprechenden Auswahl einer Übersetzungsstufe eines mittels einer Kupplung mit einem Motor verbundenen Getriebes.
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Mit einem Antriebsstrang gemäß Anspruch 7 wird die Erfassung einer von der Antriebs-Drehzahl abhängigen Kenngröße an einer Primärseite der Kupplung im Motor ermöglicht. Aufgrund dieses im Motor ohnehin vorhandenen Sensors kann der erfindungsgemäße Antriebsstrang ohne Nachrüsten eines zusätzlichen Sensors eingesetzt und betrieben werden. Es ist auch möglich, die von der Antriebs-Drehzahl abhängige Kenngröße mittels eines Drehzahlsensors an einer Sekundärseite der Kupplung im Getriebe zu erfassen. Dadurch wird die Variabilität zum Einsetzen des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs erweitert.
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Mit einem Antriebsstrang gemäß Anspruch 8 erfolgt eine Rückführung der erfassten Torsionswinkel-Änderung von der Erfassungs-Einheit zu mindestens einer Antriebs-Steuerung zur Regelung einer antriebsrelevanten Stellgröße, insbesondere der Antriebs-Drehzahl. Dadurch wird das Kupplungsverhalten verbessert. Die erfasste Rad-Drehzahl kann mittels eines CAN-Busses an mehrere, insbesondere an alle mit dem Antriebsstrang verbundenen Antriebs-Steuerungen übermittelt werden.
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Mit einem Antriebsstrang gemäß Anspruch 9 wird ein verbessertes Fahrverhalten des Fahrzeugs durch die Verwendung eines Ausgleichsgetriebes ermöglicht. Das Ausgleichsgetriebe weist einen bekannten Ausgleichsgetriebe-Faktor auf.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung einer Torsionswinkel-Änderung derart zu verbessern, dass diese mit erhöhter Genauigkeit mit einer an dem Antriebsstrang bereits vorhandenen Erfassungs-Einheit und einer Auswerte-Vorrichtung erfassbar ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 10 genannten Merkmalen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine von einer Rad-Drehzahl abhängige Kenngröße, die mit einem Rad-Drehzahlsensor erfasst wird, geeignet ist, um die Torsionswinkel-Änderung des Antriebsstrangs mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dazu wird die von der Rad-Drehzahl abhängige Kenngröße mit einer mittels eines Antriebs-Drehzahlsensors von einer Antriebs-Drehzahl abhängigen Kenngröße verglichen. Diese vergleichende Ermittlung erfolgt mittels der Auswerte-Vorrichtung, die mit der Erfassungs-Einheit oder direkt mit den Drehzahlsensoren der Erfassungs-Einheit in Signalverbindung steht.
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Mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 wird die Ermittlung der Torsionswinkel-Änderung durch die Verwendung einer von einer Synchron-Drehzahl abhängigen Kenngröße als die von der Rad-Drehzahl abhängige Kenngröße ermöglicht. Die Synchron-Drehzahl wird durch Multiplikation der Rad-Drehzahl mit einem bekannten Getriebe-Faktor und bei vorhandenem Ausgleichsgetriebe durch zusätzliche Multiplikation mit einem bekannten Ausgleichsgetriebe-Faktor direkt berechnet und steht somit als Eingangsgröße für eine Regelung in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung.
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Die Verwendung von Drehzahlen als drehzahlabhängige Kenngrößen in einem Verfahren gemäß Anspruch 13 ermöglicht die schnelle und direkte Ermittlung einer statischen Torsionswinkel-Abweichung oder einer konstanten Torsionswinkel-Änderung. Es ist auch möglich, eine vergleichende Auswertung der Gradienten der erfassten Drehzahlen in der Auswerte-Vorrichtung durchzuführen, um beispielsweise eine sich zeitlich ändernde, insbesondere periodisch schwingende Änderung des Torsionswinkels des Antriebsstrangs zu ermitteln.
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Mit einer vergleichenden Auswertung in einem Verfahren nach Anspruch 14 wird die Torsionswinkel-Änderung durch Differenzbildung der erfassten, von den Drehzahlen abhängigen Kenngrößen ermittelt. Aus einer Abweichung der Rad-Drehzahl bzw. der Synchron-Drehzahl von der Antriebs-Drehzahl oder deren jeweiliger Gradienten kann die Torsionswinkel-Änderung direkt ermittelt werden. Es ist auch möglich, eine andere vergleichende Auswertung wie beispielsweise eine Quotientenbildung der erfassten Kenngrößen zu wählen.
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Ein Verfahren gemäß Anspruch 15 ermöglicht eine Reduzierung einer Abweichung eines ermittelten Torsionswinkels durch Rückführung der erfassten Torsionswinkel-Änderung von einer Erfassungs-Einheit zu mindestens einer mit dieser in Signalverbindung stehenden Antriebs-Steuerung, um eine antriebsrelevante Stellgröße, insbesondere die Antriebs-Drehzahl zu regeln. Dadurch wird ein verbessertes Kupplungsverhalten ermöglicht. Die gemessenen Rad-Drehzahlen werden mittels eines CAN-Busses an mehreren, insbesondere an allen, Antriebs-Steuerungen des Antriebsstrangs als Steuergröße oder Regelungsgröße eingespeist, wobei die Rad-Drehzahl auf der Messung eines einzelnen Rad-Drehzahlsensors oder auf einem Mittelwert mehrerer Rad-Drehzahlsensoren basiert.
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Ein Verfahren gemäß Anspruch 16 dient der Kupplungsregelung im Getriebe eines Antriebs, wofür die erfasste Torsionswinkel-Änderung beispielsweise dadurch genutzt werden kann, dass ein Sollwert der Antriebs-Drehzahl, deren Gradient oder des Schlupfes zumindest teilweise mittels der von der Rad-Drehzahl abhängigen Kenngröße, insbesondere der von der Synchron-Drehzahl abhängigen Kenngröße, angepasst wird, da die Synchron-Drehzahl im Gegensatz zu der Antriebs-Drehzahl die reale Rad-Drehzahl wiedergibt und nicht mit einer Torsionswinkel-Änderung behaftet ist. Entsprechend kann die von der Rad-Drehzahl abhängige Kenngröße zusätzlich oder alternativ zur Einstellung einer vorgegebenen Regeldifferenz genutzt werden.
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Bei einem Verfahren gemäß Anspruch 17 kann der Integral-Anteil eines Kupplungsreglers, der insbesondere als PID-Regler ausgeführt ist, korrigiert werden. Bei der bislang verwendeten, von der Antriebs-Drehzahl abhängigen Kenngröße führen Schwingungen der Torsionswinkel-Änderung vor allem bei sensiblen Regelungen wie einer Mikroschlupfregelung zu Störungen, die das Regelverhalten negativ beeinträchtigen, da die periodischen Abweichungen während der Torsionswinkel-Schwingung in dem Integral-Anteil (I-Anteil) des Kupplungsreglers über die Zeit summiert werden. Positive und negative Abweichungen von einem Drehzahl-Sollwert kompensieren sich dabei nicht, so dass vor allem der I-Anteil des Kupplungsreglers durch die Schwingung des Torsionswinkels bleibend verändert wird. Somit führt die Verwendung der von der Antriebs-Drehzahl abhängigen Kenngröße für einen Kupplungsregler vor allem unmittelbar nach dem Abklingen der Torsionswinkel-Schwingung zu einem unerwünschten Reglerverhalten. Deshalb ist es möglich, die bleibende Änderung des I-Anteils des Kupplungsreglers in Folge der periodischen Torsionswinkel-Schwingung für eine Begrenzung des Gradienten der Antriebs-Drehzahl zu verwenden.
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Mit einem Verfahren nach Anspruch 18 wird ein Abklingen einer Schwankung der Antriebs-Drehzahl für das Reglerverhalten berücksichtigt, indem die Torsionswinkel-Änderung für begrenzte Dauer gespeichert ist.
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Neben der hier beschriebenen Verwendung der Torsionswinkel-Änderung für die Kupplungsregelung bieten sich weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfassung der Torsionswinkel-Änderung zur Regelung verschiedener Komponenten des Antriebsstrangs an. Im Bereich des Antriebs können Schwingungen des Antriebsstrangs sowie Lastschläge gedämpft werden. Neben der bereits erwähnten Kupplungsregelung im Getriebe ist es auch möglich, gegebenenfalls einen Wandler entsprechend der Kupplung zu regeln. Dies gilt gleichermaßen für die Regelung einer Übersetzung in einem stufenlosen Getriebe. Eine an den Bremsen vorgesehene Antischlupfregelung kann ebenfalls auf die Torsionswinkel-Änderung zurückgreifen. Bei Allrad-Fahrzeugen können Antriebsstrangschwingungen oder Lastschläge basierend auf erfassten Torsionswinkel-Änderungen entsprechend gedampft werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Erfassung einer Torsionswinkel-Änderung eines Antriebsstrangs;
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2 einen zeitabhängigen Verlauf eines Motorenmoments;
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3 zeitabhängige Verläufe verschiedener Drehzahlen aufgrund einer Erhöhung des Motorenmoments gemäß 2;
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4 einen zeitabhängigen Verlauf eines Torsionswinkels aufgrund einer Erhöhung des Motorenmoments gemäß 2 und
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5 einen zeitlichen Verlauf von Drehzahlen in Folge einer Schwingung eines Antriebsstrangs.
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Ein in 1 schematisch dargestelltes System zur Ermittlung einer Änderung eines Torsionswinkels ϕ ist Teil eines Antriebsstranges 1 und umfasst eine Erfassungs-Einheit 2. Der Antriebsstrang 1 weist einen Antrieb 3 mit einem Motor 4 und einem Getriebe 5 auf, die mittels einer Kupplung 6 miteinander verbunden sind. Dabei ist die Kupplung 6 an einer Primärseite über eine Motorwelle 7 mit dem Motor 4 und an einer Sekundärseite über eine Getriebewelle 8 mit dem Getriebe 5 verbunden. Der Motor 4 treibt über die Motorwelle 7 und die mittels der Kupplung 6 damit verbundene Getriebewelle 8 und somit das Getriebe 5 an. Das Getriebe 5 weist eine Übersetzungsstufe 17 mit einem bekannten Getriebe-Faktor NG auf. An das Getriebe 5 schließt sich eine Antriebswelle 9 an, die von dem Getriebe 5 und somit insgesamt von dem Antrieb 3 angetrieben ist. Die Antriebswelle 9 ist zwischen dem im Antrieb 3 vorgesehenen Getriebe 5 und einem weiteren Getriebe, dem Ausgleichsgetriebe 10, angeordnet. Bei dem Ausgleichsgetriebe 10 handelt es sich um ein im Fahrzeugbau bekanntes Differenzialgetriebe, das beispielsweise dem Ausgleich von Rad-Drehzahlen nRad von Rädern 11 dient. Die Räder 11 sind jeweils mittels einer Gelenkwelle 12 mit dem Ausgleichsgetriebe 10 direkt verbunden. Das Ausgleichsgetriebe 10 weist einen bekannten Ausgleichsgetriebe-Faktor NAG auf.
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Die Erfassungs-Einheit 2 weist einen Antriebs-Drehzahlsensor 13 zur Erfassung einer von einer Antriebs-Drehzahl nAn abhängigen Kenngröße auf. Der Antriebs-Drehzahlsensor 13 ist an der Sekundärseite der Kupplung 6 im Getriebe angeordnet. Es ist allerdings auch möglich, den Antriebs-Drehzahlsensor 13 an der Primärseite der Kupplung 6 im Motor 4 anzuordnen, insbesondere dann, wenn ein Drehzahlsensor im Getriebe eines Fahrzeugs standardmäßig nicht vorgesehen ist, wie dies beispielsweise bei Handschaltgetrieben der Fall ist. Die alternative Anordnung des Antriebs-Drehzahlsensors 13 im Motor 4 ist in 1 gestrichelt dargestellt. Weiterhin ist in den Rädern 11 jeweils ein Rad-Drehzahlsensor 14 zur Erfassung einer von der Rad-Drehzahl nRad abhängigen Größe vorgesehen. Die Drehzahlsensoren 13, 14 stehen in Signalverbindung mit einer Auswerte-Vorrichtung 15 zur Ermittlung der Torsionswinkel-Änderung des Antriebsstrangs 1 durch vergleichende Auswertung der erfassten Kenngrößen.
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Weiterhin weist die Erfassungs-Einheit 2 des erfindungsgemäßen Systems mindestens eine Antriebs-Steuerung 16 auf zur Regelung einer antriebsrelevanten Stellgröße, insbesondere zur Regelung der Antriebs-Drehzahl nAn für ein verbessertes Kupplungsverhalten. In der 1 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur die Antriebs-Steuerung 16 schematisch dargestellt, die die erfasste Torsionswinkel-Änderung an den Antrieb 3 zurückführt. Es sind auch weitere Steuerungen möglich, um weitere Komponenten des Antriebsstrangs 1 mittels der erfassten Torsionswinkel-Änderung zu regeln.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung einer Torsionswinkel-Änderung des Antriebsstrangs 1, insbesondere in einem Fahrzeug, anhand zweier beispielhafter Beanspruchungen des Antriebsstrangs 1 in den 2 bis 4 und 5 beschrieben.
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Gemäß einem ersten Beispiel erfolgt eine Erhöhung eines Drehmoments M im Motor, beispielsweise von einem Ausgangswert des Drehmoments M = 50 Nm auf einen Zielwert von M = 150 Nm. Diese Momentenerhöhung ist als Funktion des Drehmoments M von der Zeit t in einer entsprechenden funktionellen Darstellung in 2 gezeigt. Der Übergang von dem Ausgangswert 50 Nm auf den Zielwert 150 Nm erfolgt während einer Zeitdauer von Δt = 150 ms. Allgemein üblich sind Zeitdifferenzen für eine derartige Drehmomentenerhöhung im Bereich von 100 ms bis 200 ms.
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In 3 sind die Verläufe der Antriebs-Drehzahl nAn und der Synchron-Drehzahl nSync auf einer mit der in 2 gezeigten, identischen Zeitachse t vergleichend dargestellt. Das Zeitintervall Δt ist auch in 3 mit gestrichelt dargestellten Grenzen eingezeichnet. Die Antriebs-Drehzahl nAn ist mit einer durchgezogenen Linie und die Synchron-Drehzahl nSync einer gestrichelten Linie dargestellt. Die Synchron-Drehzahl nSync wird aus der Rad-Drehzahl nRad und mindestens dem Getriebe-Faktor NG durch Multiplikation berechnet: nSync = nRad·NG. Weist der Antriebsstrang 1 zudem ein Ausgleichsgetriebe 10 auf, ergibt sich die Synchron-Drehzahl nSync durch Multiplikation entsprechend: nSync = nRad·NG·NAG. Die Synchron-Drehzahl nSync geht damit als rechnerischer Wert aus der Rad-Drehzahl nRad hervor und gibt die tatsächliche, mit mindestens einem Faktor multiplizierte Rad-Drehzahl nRad wieder. Mittels der in 3 gezeigten vergleichenden Darstellung der beiden Drehzahlen nAn, nSync, wie sie beispielsweise in der Auswerte-Vorrichtung 15 des erfindungsgemäßen Systems erfolgt, kann eine Abweichung Δn der beiden Drehzahlen nAn, nSync ermittelt werden. In 3 ist beispielhaft die maximale Differenz Δnmax eingezeichnet. Zu einer Abweichung der beiden Drehzahlen nAn, nSync kommt es nur in dem Zeitintervall Δt, in dem die Erhöhung des Drehmoments M im Motor erfolgt. Die Erhöhung des Drehmoments M kann beispielsweise durch Betätigen des Fahrpedals erfolgen. In den Bereichen vor und nach der Momentenerhöhung sind die zeitlichen Drehzahlverläufe identisch, sodass keine Drehzahldifferenz messbar ist.
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Alternativ zu den in 3 gezeigten Verläufen der Drehzahlen nAn, nSync könnten beispielsweise auch die jeweiligen Gradienten der Drehzahlen grad (nAn), grad (nSync) verwendet werden.
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Auch können anstelle von der Synchron-Drehzahl nSync abhängigen Größen direkt Rad-Drehzahl nRad abhängige Größen genutzt werden, wobei dadurch der Aufwand für die Auswertung der Torsionswinkel-Änderung steigt, da eine Differenz der Signale nicht unmittelbar einen Torsionswinkel ergibt.
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Ein entsprechender Verlauf eines durch die Drehzahldifferenz Δn erfassbaren geänderten Torsionswinkels ϕ ist in 4 dargestellt. Analog zu den 2 und 3 ist auch in der 4 das Zeitintervall Δt, in dem die Erhöhung des Drehmoments M erfolgt, mit gestrichelt eingezeichneten Linien dargestellt.
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Ein zweites Beispiel, das die vorteilhafte Verwendung der von der Rad-Drehzahl nRad abhängige Synchron-Drehzahl nSync zur Ermittlung einer Torsionswinkel-Änderung zeigt, ist in 5 dargestellt. Darin ist ein zu 3 ähnliches Diagramm der zeitlichen Verläufe der Drehzahlen nAn, nSync entlang der Zeitachse t vergleichend dargestellt. Während die Antriebs-Drehzahl nAn (durchgezogene Linie) beispielsweise in Folge einer Laständerung, die zu einer Schwingung der Getriebewelle 8 führen kann, ein periodisches Schwingen aufweist, ist die aus der Rad-Drehzahl nRad berechnete Synchron-Drehzahl nSync (gestrichelte Linie) konstant. Entsprechend dem ersten Beispiel erfolgt die Erfassung der Torsionswinkel-Änderung, die in diesem zweiten Beispiel zyklisch wechselnd erfolgt, aufgrund Differenzenbildung der Drehzahlen nAn und nSync. Exemplarisch ist dafür die Drehzahldifferenz Δn in 5 eingezeichnet. Analog zu dem ersten Beispiel kann auch bei einer schwingenden Belastung des Antriebsstrangs gemäß 5 der jeweilige Gradient der Drehzahlen grad (nAn), grad (nSync) anstelle der Drehzahlen zur Erfassung der Torsionswinkel-Änderung verwendet werden. Auch eine Verwendung der Rad-Drehzahl nRad anstelle der Synchron-Drehzahl nSync ist möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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