DE102013020329B3

DE102013020329B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Gesamtmomentes eines Antriebsstranges

Info

Publication number: DE102013020329B3
Application number: DE102013020329.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bausewein; Christian Koppmann; Heinrich Nägler; Sören Hagner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2033-12-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung zur Bestimmung des Gesamtmomentes eines Antriebsstranges in einem Kraftfahrzeug. Um ein bekanntes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung unter Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung eines Drehmoments zu einer Drehmomentüberwachung eines Antriebsstranges weiterzubilden, die an Bord eines Kraftfahrzeuges einsetzbar ist, wird vorgeschlagen, dass mindestens eine der Lagerreaktionskräfte (M(t)) gemessen und zusammen mit bereits an Bord verfügbaren aus der Fahrdynamik stammende Parameter und mindestens einem Parameter zu äußeren Einflüssen bei der Berechnung des Ausgangsdrehmomentes (D) unter Verwendung einer elektronischen Berechnungseinrichtung (6) eingerechnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung zur Bestimmung des Gesamtmomentes eines Antriebsstranges in einem Kraftfahrzeug.
Eine gleichmäßige Drehmomententfaltung und ein direktes Ansprechverhalten vom Gaspedal eines Fahrzeuges tragen wesentlich zum Fahrkomfort und zur Sicherheit bei. Da das von einem Antriebsstrang erfahrene Drehmoment einer eventuellen Fehlfunktion zu Folge einen Einbruch oder eine Fluktuation erleiden kann, ist die entsprechende Drehmomentüberwachung zur Erhöhung des Fahrkomforts als auch zu Diagnosezwecken sinnvoll. Zudem macht ein wachsender Anteil an technisch aufwendigeren und mit weiteren Aggregaten ausgestatteten Hybridfahrzeugen eine Drehmomentbeaufsichtigung immer wichtiger.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Systeme und Prozesse für Drehmomentmessung bekannt. So ist aus der JP55078227 A ein zwar rudimentärer, aber dennoch wirksamer Drehmomentdetektor für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt. Als darauf aufbauend kann ein in der DE 10250291 A1 offenbartes Verfahren zur Messung des Drehmoments eines Verbrennungskraftmotors aus den Lagerkräften angesehen werden. Hier werden Lagerkräfte mittels Kraftmessdosen aufgenommen. Aus mindestens zwei verschiedenen Messwerten wird ein Differenzsignal gebildet. Störende und ein jeweiliges Ergebnis verfälschende Einflüsse, wie sie z. B. durch Beschleunigungen, Straßenzustand oder Lenkbewegungen hervorgerufen werden, sollen dadurch ausgeblendet werden, dass das Differenzsignal einer Fourier-Analyse unterzogen wird. Damit können zumindest periodische oder rauschartige Störungen mittels eines Algorithmus aus diesem Signal herausgefiltert werden. So wird ein abgegebenes Motormoment als bereinigtes Ergebnis ermittelt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein bekanntes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung unter Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung eines Drehmoments zu einer Drehmomentüberwachung eines Antriebsstranges weiterzubilden, die an Bord eines Kraftfahrzeuges einsetzbar ist.
Gemäß der bekannten Vorgehensweise gelingt es lediglich, periodische und einigermaßen hochfrequente Störsignale, keinesfalls jedoch störende Signale einmaliger Ereignisse aus den Auflagersignalen herauszufiltern. Geeignete außermotorische Anregungen, die hierbei herausgefiltert werden können, sind beispielsweise Vibrationsanregungen auf einer Betonplattenautobahn, bei der regelmäßig Krafteinleitungen stattfinden. Gleichwohl können auch andere frequenzbehaftete oder zumindest periodisch auftretende Störungen oder Veränderungen der Auflagerkräfte, die den berechneten Drehmomentwert verfälschen könnten, herausgefiltert werden, wie z. B. mechanische Schwingungen der Verbrennungsmaschine in Form der ersten, zweiten, oder dritten Oberschwingung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass mindestens eine der Lagerreaktionskräfte gemessen und zusammen mit bereits an Bord verfügbaren und aus der Fahrdynamik stammende Parameter, wie z. B. Fahrerwunsch, und Parameter zu äußeren Einflüssen unter Verwendung einer elektronischen Berechnungseinrichtung eingerechnet werden. Als äußere Einflüsse werden u. a. eine Straßenneigung, ein Gefälle oder ein bestimmter und zu periodischen Schwingungen anregender Straßenbelag gezählt.
Vorzugsweise wird an einem Getriebelager, und/oder direkt an einem Lager der Verbrennungskraftmaschinen mindestens eine Kraftmesseinrichtung zur Ermittlung der Lagerreaktionskräfte angebracht. Die daraus entstandenen Signale werden in eine elektronische Berechnungseinrichtung eingespeist. Die Signale der Kraftmesseinrichtung oder Einrichtungen beinhalten externe Einflüsse, wie zum Beispiel Gewicht und aus der Fahrdynamik stammende Kräfte. Das hiermit beschriebene Verfahren nimmt mittels bereits an Bord verfügbaren Signalen wie beispielsweise Lenkwinkel, Beschleunigung und/oder Stromaufnahme einer E-Maschine direkte Rücksicht auf diese Einflüsse, so dass sie in der elektronischen Berechnungseinrichtung eingerechnet werden können.
Vorteilhafterweise werden als bereits an Bord verfügbare Parameter eine Fahrervorgabe insbesondere für Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie ein Lenkwinkel und/oder eine im Fahrzeug gemessene Querbeschleunigung verwendet. In einer Weiterbildung werden als Parameter zu äußeren Einflüssen eine Straßenneigung und/oder Informationen über einen aktuellen Straßenbelag ausgewertet. Letztere können z. B. über eine Auswertung der Signale von ABS-Sensoren ermittelt werden. Vorzugsweise wird in einer Ausführungsform der Erfindung auch ein aktuell effektiv wirksames Gewicht des Fahrzeugs bestimmt und als Parameter bei der Berechnung des Ausgangsdrehmomentes berücksichtigt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist ein erfindungsgemäßes Verfahren unabhängig von einer Antriebsart, also konventionell durch eine Verbrennungskraftmaschine, durch hybriden Ansatz oder einen reinen Elektro-Antrieb. Im Falle eines Einsatzes in einem Hybridfahrzeug wird zusätzlich berücksichtigt, dass die gemessenen Signale aus dem Auflager zusätzlich von dem Drehmoment einer E-Maschine beeinflusst werden.
Vorteilhafterweise werden Rauschanteile aus den gemessenen Signalen mindestens einer Lagerreaktionskraft herausgefiltert. Hierzu werden die Signale nach einer ersten Abtastung mit einem Infinite Impulse Response bzw. IIR-Filter behandelt. Gängige und verbreitete Vorgehensweisen dafür sind beispielsweise das Tschebyscheff, das Sessel und das Butterworth Modell. Die Filterung der Rauschanteile findet vorzugsweise auch unter Verwendung der Berechnungseinrichtung statt. Bereits aus nur einer einzigen Kraftmesseinrichtung können so bei geringem Aufwand für den Fahrzeugbetrieb insgesamt nutzbringende Informationen gewonnen werden.
Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Anwendungen, geht die vorliegende Erfindung weit über eine bloße Detektion eines Drehmoments hinaus; sie liefert vielmehr aufgrund der Anrechnung von aus der Fahrdynamik und aus anderen motorischen Komponenten stammenden Einflüssen, präzise Daten über die tatsächlichen Antriebslagerkräfte aus denen dann beispielsweise das Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine berechnet werden kann. Die Erfindung ist auf einen Drehzahlgeber oder Zündgeber nicht angewiesen und bedarf einer durch Verwendung mathematischer diverser Algorithmen komplexen Signalsynchronisierung nicht.
Ferner wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die zur Umsetzung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens dadurch besonders ausgebildet ist, dass sie Mittel zur Berücksichtigung eines Fahrerwunsches als einen Teil der bereits an Bord verfügbaren und aus der Fahrdynamik stammende Parameter aufweist, und Mittel zur Bestimmung mindestens eines Parameters zu äußeren Einflüssen, wobei die genannten Mittel mit einer elektronischen Berechnungseinrichtung zur Bestimmung eines aktuellen Wertes eines Antriebsmoments verbunden sind.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt in schematischer Darstellung:
1: ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bestimmten Fahrsituation und
2: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die Skizze von 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 in einer Fahrsituation während einer Kurvenfahrt bergab auf einer Gefällestrecke mit einem Neigungswinkel β in einer Kurve nach rechts hin. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst als Hybridfahrzeug eine Verbrennungskraftmaschine 3 sowie eine als Riemen-Starter-Generator dargestellte E-Maschine 4. Am linken Motorlager der Verbrennungskraftmaschine 3 ist eine Kraftmesseinrichtung 5 angebracht.
Erfindungsgemäß erfordert die genaue Auswertung eines durch die Kraftmesseinrichtung 5 ermittelten Drehmomentes M(t) der Verbrennungskraftmaschine 3 unter Berücksichtigung einwirkender Variablen, unter anderem dem Lenkwinkel L, der Querbeschleunigung Q und dem von der E-Maschine 4 ausgeübten Drehmoment, deren Signale aus der vorhandenen sensorischen Infrastruktur des Fahrzeuges 1 entnommen werden können. Das ist in der Abbildung von 2 skizziert und in nicht abschließender Aufzählung interner und externer Parameter wiedergegeben: Über die Kraftmesseinrichtung 5 in einem Lagerpunkt der Verbrennungskraftmaschine 3 werden aus gemessenen Lagerreaktionskräften Rohdaten eines Antriebsmoments M(t) ermittelt, die um die externen Parameter des Neigungswinkels β sowie der in der Kurve wirkenden Querbeschleunigung Q sowie Fahrervorgaben eines Lenkwinkels L, einer Geschwindigkeit v sowie einer Beschleunigung a bzw. Abbremsung als negativer Beschleunigung erweitert einer elektronischen Berechnungseinrichtung 6 zugeführt werden. Als weitere änderbare Eigenschaft des Fahrzeuges 1 ist dessen Gewicht G zu nennen, das bei der Untersuchung des Gesamtmoments als interner Faktor des Fahrzeugs 1 selber zu berücksichtigen ist. Das Gewicht G des Fahrzeuges 1 ist zwar im Wesentlichen durch das Fahrzeug 1 selber gemäß Model und Bauart bedingt, kann aber schon aufgrund einer jeweiligen Tankfüllung wesentlich schwanken. Bei Fahrzeugen 1 desselben Modells kann das Gewicht G auch durch eine jeweilige Sonderausstattung, wie z. B. eine Klimaanlage, stark variieren. Schließlich kann das aktuelle Gewicht G durch eine jeweilige zusätzliche Beladung in Form mitfahrender Personen und/oder zugeladenen Gepäcks oder gar eines Anhängers wesentlich verändert werden. Im Rahmen dieses Verfahrens wird daher insbesondere von einem aktuell effektiv wirksamen Gewicht G ausgegangen, das durch eine bekannte Einrichtung und/oder Methoden fortlaufend oder mindestens zu Beginn einer Fahrt und/oder bei größeren Änderungen z. B. in Form zusteigender Mitfahrer bestimmt wird. Die vorstehend nicht abschließend aufgeführten Daten werden zusammen der elektronischen Berechnungseinrichtung 6 zugeführt und dort zu einem jeweils aktuellen Antriebsmoment D(t) des im Detail nicht weiter dargestellten Antriebsstranges verarbeitet. Das Antriebsmoment D(t) wird als Ergebnis von der elektronischen Berechnungseinrichtung 6 zur weiteren internen Verwendung ausgegeben.
Es gelingt Einmalereignisse oder nicht periodisch auftretende Ereignisse, für die kein geeignetes Filter vorhanden ist und es ein solches auch nicht geben kann, eindeutig herauszurechnen und so über den gesamten Fahrbetrieb immer ein tatsächliches Motormoment zu erhalten. Da gemäß vorliegender Beschreibung auf einen absoluten Wert einer Kraftmessdose aufgebaut und keine Differenzbildung vorgenommen wird, reicht im aller einfachsten Fall bereits die Verwendung einer einzigen Kraftmessdose aus, wie dargestellt. Über die Lage der anderen Lagerungen von Aggregaten im Fahrzeug und den übrigen Einflussgrößen, die mittels separater und hier nicht weiter dargestellter Messeinrichtungen ermittelt werden, kann dann lediglich mit einer Kraftmessdose auf das Antriebsmoment des Antriebsstranges zurückgerechnet werden. Im Unterschied zu dem Eingangs zitierten Stand der Technik gelingt es mit dieser Art der Messung auch sogenannte Einmalereignisse, wie z. B. ein einmaliger Bremsvorgang der an sich keine periodische Charakteristik aufweist, und deren Auswirkung auf die Auflagerkräfte herauszurechnen und somit auch in einem solchen einmaligen/nicht periodischen Ereignis kontinuierlich korrekte Antriebsmomentwerte berechnen zu können. Durch eine vorstehend beschriebene Anordnung ist es möglich, in jeder Fahrsituation in einem 100 Millisekunden Takt korrekte Antriebsmomentwerte zu bekommen.
Damit wird durch das vorstehend beschriebene neue Konzept ein an und für sich bekannter Ansatz zur verbesserten Bestimmung eines Motormoments unter geringen Erweiterungen für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen ertüchtigt und unter Verwirklichung der vorstehend genannten Vorteile weiterentwickelt. Eine konkrete Ausgestaltung eines Antriebs, also Verbrennungskraftmaschine als Antriebsmittel, Hybridantrieb oder reiner Elektroantrieb, wird hierbei über die bereits an Bord verfügbaren Parameter berücksichtigt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dementsprechend universell anpassbar. Die elektronische Berechnungseinrichtung 6 kann in einem Teil einer bereits vorhandenen Bordelektronik integriert ausgeführt werden, stellt aber eine erhebliche Erweiterung des bisher bekannten Funktionsumfanges dar.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Vorrichtung
3: Verbrennungskraftmaschine
4: E-Maschine
5: Kraftmesseinrichtung
6: elektronische Berechnungseinrichtung
β: aktueller Neigungswinkel der Straße/Fahrbahn
L: Lenkwinkel
Q: Querbeschleunigung
a: Beschleunigung
v: Geschwindigkeit
M(t): aus gemessenen Lagerreaktionskräften ermitteltes Motormoment
D(t): errechnetes/korrigiertes Antriebsmoment des Antriebsstranges
F: Fahrervorgaben
G: aktuell wirksames Gewicht des Fahrzeuges 1

Claims

Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Wertes eines Antriebsmoments (D) eines Antriebsstranges in einem Kraftfahrzeug (1) mit Verbrennungskraftmaschine (3) unter Anwendung einer Kraftmesseinrichtung (5) zur Ermittlung von Lagerreaktionskräften und einer elektronischen Berechnungseinrichtung (6) zur Signalbehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass über die Kraftmesseinrichtung (5) Lagerreaktionskräfte an einem Getriebelager und/oder an einem Lager der Verbrennungskraftmaschine (3) gemessen und zusammen mit bereits an Bord des Kraftfahrzeugs (1) verfügbaren, aus der Fahrdynamik stammenden Parametern und mindestens einem Parameter zu äußeren Einflüssen, nämlich der Straßenneigung (β) und/oder Informationen über den aktuellen Straßenbelag, der elektronischen Berechnungseinrichtung (6) zugeführt und dort bei der Berechnung des aktuellen Antriebsmoments (D) eingerechnet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als bereits an Bord verfügbaren Parametern eine Fahrervorgabe (v, a), ein Lenkwinkel (L) und/oder eine gemessene Querbeschleunigung (Q) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuell effektiv wirksames Gewicht (G) des Kraftfahrzeugs (1) bestimmt und als Parameter bei der Berechnung des aktuellen Antriebsmoments (D) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Lagerreaktionskräften Rauschanteile herausgefiltert werden, wozu die Signale insbesondere nach einer ersten Abtastung mit einem IR-Filter behandelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Einsatzes in einem Hybridfahrzeug zusätzlich eine Beeinflussung der mit der Kraftmesseinrichtung (5) gemessenen Signale durch ein Drehmoment einer E-Maschine (4) berücksichtigt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung des aktuellen Wertes eines Antriebsmoments (D) eines Antriebsstranges in einem Kraftfahrzeug (1), wobei diese Vorrichtung zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch besonders ausgebildet ist, dass eine elektronische Berechnungseinrichtung (6) vorgesehen ist, die zur Bestimmung des aktuellen Wertes des Antriebsmoments (D) verbunden ist – mit Mitteln zur Berücksichtigung eines Fahrerwunsches (a, v, L) als einen Teil von bereits an Bord des Kraftfahrzeugs (1) verfügbaren und aus der Fahrdynamik stammenden Parametern, und – mit Mittel zur Bestimmung mindestens eines Parameters zu äußeren Einflüssen, nämlich der Straßenneigung (β) und/oder Informationen über den aktuellen Straßenbelag.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Berechnungseinrichtung (6) in einer bereits vorhandenen Bordelektronik des Kraftfahrzeugs (1) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Ermitteln eines aktuell effektiv wirksamen Gewichts (G) des Kraftfahrzeugs (1) vorhanden und mit der elektronischen Berechnungseinrichtung (6) verbunden ist.