DE102010007735B4

DE102010007735B4 - Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen des Zustandes von technischen Komponenten und/oder Regelsystemen eines Kraftfahrzeuges sowie Steuergerät hierfür

Info

Publication number: DE102010007735B4
Application number: DE102010007735.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Christ Thomas; Felix Lins
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2030-02-13
Also published as: DE102010007735A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen des Zustandes von technischen Komponenten und/oder Regelsystemen eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennkraftmaschine (1) durch Messen von in das Kraftfahrzeug eingebrachten Schwingungen, wobei
• die Schwingungen durch fahrzeuginterne Ansteuerung eines Momentenstellorganes der Brennkraftmaschine (1) in das Kraftfahrzeug eingebracht werden, indem ein für die Steuerung der Brennkraftmaschine (1) vorhandenes elektronisches Steuergerät (6) das Momentenstellorgan mittels eines definierten Anregungssignals (7) zum Zwecke der Messung mindestens eines Antwortsignals (8) ansteuert,
• das Antwortsignal (8) weiterverarbeitet wird, indem es einer Frequenzanalyse unterzogen wird,
• das Übertragungsverhalten zwischen Ein- und Ausgangssignal in Form eines Amplituden-Verlaufes und eines Phasen-Verlaufes bestimmt wird, und
• der jeweilige Frequenzgang charakteristisch für die Konfiguration und Auslegung des Antriebs ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen des Zustandes von technischen Komponenten und/oder Regelsystemen eines Kraftfahrzeuges nach Patentanspruch 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 40 14 876 A1 im Zusammenhang mit der Überwachung von Reifen und Stoßdämpfern bekannt. Dabei werden Schwingungen in das Kraftfahrzeug eingebracht, die von einem fahrzeugexternen Prüfstand erzeugt werden. Zum weiteren Stand der Technik wird auf die DE 39 33 008 A1 verwiesen. Diese offenbart eine Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Vibrationssensor, der Motorschwingungen aufnimmt, sowie einen Tiefpassfilter, der einen niederfrequenten Anteil des Ausgangssignals des Vibrationssensors durchlässt. Ein Vergleicher stellt Zündaussetzer fest, wenn der Pegel des niederfrequenten Anteils einen vorgegebenen Referenzpegel überschreitet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren eingangs genannter Art in kostenreduzierender Weise zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen des Zustandes von technischen Komponenten und/oder Regelsystemen eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennkraftmaschine durch Messen von in das Kraftfahrzeug eingebrachten Schwingungen, werden die Schwingungen durch eine fahrzeuginterne Ansteuerung eines Momentenstellorganes der Brennkraftmaschine in das Kraftfahrzeug eingebracht. Dazu steuert ein für die Steuerung der Brennkraftmaschine vorhandenes elektronisches Steuergerät das Momentenstellorgan mittels eines definierten Anregungssignals zum Zwecke der Messung eines Antwortsignals an. Es wird mindestens ein Antwortsignal an mindestens einer definierten Messstelle gemessen. Somit kann im Vergleich zum Stand der Technik der gesamte externe Prüfstand eingespart werden. Die Erzeugung des Anregungssignals kann in einer eigenen Diagnose- oder Entwicklungsoptimierungsroutine durchgeführt werden, in der das Steuergerät beispielsweise zur üblichen Steuerung der Brennkraftmaschine während einer normalen Fahrt hinzu eine Anregung überlagert.
Vorzugsweise ist das Anregungssignal ein Sollmomentenverlauf. Das Steuergerät steuert als Momentenstellorgan vorzugsweise die Zündung in der Weise an, dass die Brennkraftmaschine einen Momentenverlauf erzeugt, der dem Anregungssignal entspricht.
Das Anregungssignal ist vorzugsweise ein Chirp-Signal in dem für die jeweilige Überwachung einer Komponente relevanten begrenzten Frequenzbereich, das im Steuergerät abgespeichert ist.
Vorzugsweise werden Messstellen dort festgelegt, wo Drehzahlsignale gemessen werden können. In Versuchsträgern werden auch die Drehmomente gemessen.
Erfindungsgemäß werden die Messsignale als Antwortsignale auf das Anregungssignal im Frequenzbereich hinsichtlich Amplitude und Phasenverschiebung analysiert.
Dabei werden die Messsignale insbesondere im Bereich von Resonanzschwingungen mit einer Amplitude, die größer als eine festgelegte Schwelle ist, analysiert.
Nach der Frequenzanalyse der Messsignale werden anhand der Amplituden- und Phasenwerte die physikalischen Parameter identifiziert, die auf das Verhalten einer bestimmten mechanischen Komponente oder eines Regelsystems hinweisen.
Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde:

Beispielsweise längsdynamische Fahrzeugmodelle werden üblicherweise unter hohem Aufwand und viel Expertenwissen validiert. Ein längsdynamisches Modell ist für die Auslegung neuartiger Regelungskonzepte zur Schwingungsreduktion im Fahrzeug von entscheidender Bedeutung. Neuartige Regelungskonzepte nutzen ein im Steuergerät mitrechnendes Modell (z. B. Kalmanfilter), um einerseits mit geringem Phasenverzug zu filtern und begrenzt dynamisch in die Zukunft zu rechnen.

Zur Validierung eines längsdynamischen Modells, im Folgenden nur noch Modell genannt, wird das Fahrzeug mit Hilfe einer bekannten Anregung in Schwingung versetzt werden. Dies wird üblicherweise durch eine externe Erregung auf einem Antriebsprüfstand über Maschinen, die den Fahrwiderstand simulieren, eingebracht. Dies bedeutet hohen technischen Aufwand und teure Prüfstandstechnik. Zudem ist dabei das dynamische Verhalten vom Rad nicht abgebildet.
Das vorgeschlagene Verfahren führt zu einer schnellen, kostengünstigen und genauen Ermittlung des Modells. Die physikalischen Parameter wie Wellensteifigkeiten und deren Dämpfungseigenschaften werden ermittelt. Hierdurch lassen sich modellgestützte Regler schnell parametrieren und deren Kalibration weitestgehend automatisieren. Hierdurch werden Kosten in der Fahrzeugentwicklung gespart. Das Verfahren eignet sich insbesondere für alle Antriebstopologien, in denen die Kraftübertragung durch Wellen zum Rad erfolgt.
Das vorgeschlagene Verfahren kann auch für Diagnosezwecke eingesetzt werden. Ein Test würde dann im Fahrzeug über einen Diagnosejob aktiviert werden und könnte im Service eingesetzt werden, um auffällige Fahrzeuge in Kundenhand zu analysieren.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

1 schematisch wesentliche Komponenten eines Modells und eine erfindungsgemäße Messung,
2 eine erfindungsgemäße Frequenzanalyse nach der Messung,
3 eine Parameteridentifikation nach der Frequenzanalyse und
4 eine mögliche Anwendung der Parameteridentifikation zur Optimierung des Modells.

In 1 ist ein Antriebsmotor in Form einer Brennkraftmaschine 1 mit einem darauf folgenden Antriebsstrang 2, bestehend aus einem Getriebe mit mehreren Kupplungen und gegebenenfalls zusätzlichen Antriebsmotoren in Form von Elektromotoren 2 und 5, dargestellt. Dem Antriebsstrang 2 folgen eine Kardanwelle 3 und danach die Hinterachse sowie die Räder eines Fahrzeuges. Diese Komponenten werden in bekannter Weise als mathematisches längsdynamisches Modell in einem elektronischen Steuergerät 6 nachgebildet.
Das Steuergerät 6 generiert über ein Anregungssignal 7, das an ein Momentenstellorgan der Brennkraftmaschine 1 ausgegeben wird, Anregungsmomente, die den Antriebsstrang 2 und die Kardanwelle 3 bis hin zu den Rädern des Fahrzeuges in Schwingungen versetzen. Vorzugsweise wird als Momentenstellorgan der schnellste Pfad der Brennkraftmaschine 1 verwendet. Für Ottomotoren ist dies der Zündpfad. Damit Moment in beide Richtungen aufgebaut werden kann, sollte auf dem Zündwinkel ein entsprechender Momentenvorhalt gefahren werden.
Als Testsignale für die Momentenbeaufschlagung können folgende Signale genutzt werden: Chirp, PRBS, bandpassgefiltertes weißes Rauschen oder Sprung(-folgen). Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Chirp-Signals als Anregungssignal 7, wie in 1 dargestellt, und insbesondere in einem für die Regelung relevanten Frequenzbereich.
Zur Messung sind im Modell mehrere mögliche Messstellen a bis k vorgesehen. Im dargestellten Beispiel wird an der Messstelle k beispielsweise die Raddrehzahl gemessen. Es ergibt sich ein Antwortsignal bzw. Messsignal 8.
In 2 ist die Weiterverarbeiteung der Messsignale am Beispiel des Messsignals 8 dargestellt. Die gemessenen Signale, insbesondere alle Drehzahlen, Momente und Fahrzeugbeschleunigungen werden einer Frequenzanalyse unterzogen. Hierzu wird das Übertragungsverhalten zwischen Ein- und Ausgangssignal in Form eines Amplituden- (bzw. Verstärkungs-) Verlaufes und eines Phasen-Verlaufes bestimmt. Der jeweilige Frequenzgang (Amplitude und Phase über der Kreisfrequenz ω) ist charakteristisch für die Konfiguration und Auslegung des Antriebs.
Auf die Frequenzanalyse folgt eine nummerische Parameteridentifikation anhand einer in 3 dargestellten definierten Zielfunktion J(ϑ). Diese bewertet den Fehler zwischen Messung und dem modellierten Antriebsstrang mit Hilfe einer sogenannten „L-2 norm“. Alternativ können auch andere beliebige Normen wie die „L1“ oder die „L∞ Norm“ genutzt werden, die dem Fachmann als mathematische Werkzeuge grundsätzlich bekannt sind.
Die Zielfunktion ist abhängig von den physikalischen Parametern ϑ. Diese beinhaltet die relevanten Antriebsparameter wie beispielsweise Steifigkeiten, Dämpfungen, Reibungen und Trägheiten. Die Faktoren w_r und v_r vor den Klammern der Zielfunktion sind Gewichtungsfaktoren für die gemessenen Frequenzen.
4 zeigt als Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Parameteridentifikation eine nummerische Optimierung, bei der die Parameter ϑ so abgeändert werden, dass der Wert der Zielfunktion - also die Abweichung von Messwerten und Modellwerten - minimiert wird. Dies entspricht dem bestmöglichen Abgleich zwischen Modell und Messung. Die durchgezogenen Kurven A und D zeigen die Amplitude und die Phase aus dem Messsignal 8. Die gestrichelten Kurven B und E zeigen die Amplitude und die Phase aus dem Modell. Die strichpunktierten Kurven C und F zeigen die Amplitude und die Phase nach einer Optimierung der Modellparameter.
Für die Erfindung wichtig ist die Anwendung im Frequenzbereich gepaart mit der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen fahrzeuginternen Systemanregung.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann eine aufwändige Systemvalidierung am Prüfstand umgangen werden. Das Modell wird direkt im Fahrzeug validiert. Am Prüfstand sind für schwingungsfähige Systeme relevante Auswirkungen (z. B. Wechselwirkung Rad-Straße) oft unzureichend oder gar nicht abgebildet. Diese Einflüsse werden bei der beschriebenen Methode automatisch in die Modellvalidierung miteinbezogen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln und/oder Überwachen des Zustandes von technischen Komponenten und/oder Regelsystemen eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennkraftmaschine (1) durch Messen von in das Kraftfahrzeug eingebrachten Schwingungen, wobei • die Schwingungen durch fahrzeuginterne Ansteuerung eines Momentenstellorganes der Brennkraftmaschine (1) in das Kraftfahrzeug eingebracht werden, indem ein für die Steuerung der Brennkraftmaschine (1) vorhandenes elektronisches Steuergerät (6) das Momentenstellorgan mittels eines definierten Anregungssignals (7) zum Zwecke der Messung mindestens eines Antwortsignals (8) ansteuert, • das Antwortsignal (8) weiterverarbeitet wird, indem es einer Frequenzanalyse unterzogen wird, • das Übertragungsverhalten zwischen Ein- und Ausgangssignal in Form eines Amplituden-Verlaufes und eines Phasen-Verlaufes bestimmt wird, und • der jeweilige Frequenzgang charakteristisch für die Konfiguration und Auslegung des Antriebs ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal (7) ein Sollmomentenverlauf ist und das Steuergerät als Momentenstellorgan die Zündung in der Weise ansteuert, dass die Brennkraftmaschine einen Momentenverlauf erzeugt, der dem Anregungssignal (7) entspricht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal (7) ein Chirp-Signal im für die jeweilige Überwachung relevanten begrenzten Frequenzbereich ist, das im Steuergerät (6) abgespeichert ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Antwortsignale (8) Drehzahlsignale an mindestens einer definierten Messstelle (a,..k) gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortsignale (8) insbesondere im Bereich von Resonanzschwingungen mit einer Amplitude, die größer als eine festgelegte Schwelle ist, analysiert werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Frequenzanalyse der Antwortsignale (8) anhand der Amplituden- und Phasenwerte die physikalischen Parameter (ϑ) identifiziert werden, die auf das Verhalten einer bestimmten mechanischen Komponente hinweisen.
Steuergerät (6) zum Ermitteln und/oder Überwachen des Zustandes von technischen Komponenten und/oder Regelsystemen eines Kraftfahrzeuges mit einem mathematischen längsdynamischen Modell zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Patentansprüche.