DE102016105260A1

DE102016105260A1 - Getriebeeingangsdrehmomentmanagement

Info

Publication number: DE102016105260A1
Application number: DE102016105260.4A
Authority: DE
Inventors: Hongtei Eric Tseng; Rohit Hippalgaonkar; Joseph F. Kucharski; Yuji Fujii; Gregory Michael Pietron; Jason Meyer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2016-09-29
Also published as: CN106015557B; CN106015557A; MX2016003916A; US20160281616A1; MX359437B; US9945300B2

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs umfasst Messen eines Getriebeausgangsdrehmoments, Messen einer Pumpenrad- und einer Turbinendrehzahl, Schätzen eines Getriebekomponentendrehmoments und Einstellen eines Motordrehmoments, um eine Überbelastung einer Getriebekomponente, wie z. B. eines Zahnrads, zu vermeiden. Das Verfahren stützt sich nicht auf eine genaue Schätzung des Motordrehmoments. Des Weiteren stützt sich das Verfahren nicht auf ein festgelegtes Getriebenenndrehmoment in jeder Gangstufe.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeugsteuerungen. Insbesondere betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Abschwächung von Getriebekomponentenschäden basierend auf einer Komponentendrehmomentschätzung.
HINTERGRUND
Viele Fahrzeuge werden über einen weiten Bereich von Fahrzeuggeschwindigkeiten hinweg, sowohl beim Vorwärts- als auch Rückwärtsfahren, verwendet. Einige Motorarten können jedoch nur innerhalb eines eng gefassten Geschwindigkeitsbereichs effizient betrieben werden. Deshalb werden häufig Getriebe eingesetzt, die Leistung bei verschiedenen Gangübersetzungen effizient übertragen können. Die Getriebegangübersetzung ist das Verhältnis einer Eingangswellendrehzahl zu einer Ausgangswellendrehzahl. Ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs niedrig, wird das Getriebe üblicherweise mit einer hohen Gangübersetzung betrieben, so dass es das Motordrehmoment zur verbesserten Beschleunigung verstärkt. Bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit ermöglicht ein Betrieb des Getriebes mit einer niedrigen Gangübersetzung eine Motordrehzahl, die mit ruhigem und kraftstoffeffizientem Fahren einhergeht.
Ein gewöhnliches Automatikgetriebe umfasst ein Zahnradgetriebe, das eine festgelegte Anzahl an Leistungsflusswegen, die jeweils einer festen Gangübersetzung zugeordnet sind, wechselweise herstellen kann. Das Zahnradgetriebe umfasst eine Anzahl an Schaltelementen, wie z. B. Kupplungen und Bremsen. Ein bestimmter Leistungsflussweg wird durch Einrücken einer bestimmten Teilmenge der Schaltelemente hergestellt. Zum Schalten von einem Leistungsflussweg zu einem anderen Leistungsflussweg mit einer anderen Gangübersetzung müssen ein oder mehrere Schaltelemente freigegeben werden, während ein oder mehrere andere Schaltelemente eingerückt werden müssen. Einige Schaltelemente sind passive Vorrichtungen, wie z. B. Freilaufkupplungen, während andere Schaltelemente als Reaktion auf Befehle von einer Steuerung einrücken oder ausrücken. Beispielsweise sind die Schaltvorrichtungen bei vielen Automatikgetrieben hydraulisch gesteuerte Reibkupplungen oder -bremsen. Die Steuerung reguliert die Drehmomentkapazität des Schaltelements durch Regulieren eines elektrischen Stroms zu einem Solenoid, der eine Kraft an einem Ventil einstellt, das wiederum einen Druck in einem Hydraulikkreis einstellt.
Die meisten Getriebe sind mit einer Anfahrvorrichtung ausgestattet. Wenn sich das Fahrzeug im Stillstand befindet oder sehr langsam bewegt, liegt die Zahnradgetriebeeingangsdrehzahl unter der Mindestbetriebsdrehzahl des Motors. Eine Anfahrvorrichtung überträgt Drehmoment vom Motor zum Zahnradgetriebeeingang und gestattet gleichzeitig, dass sich der Motor mit einer akzeptablen Drehzahl dreht. Eine gebräuchliche Anfahrvorrichtung ist ein Drehmomentwandler, der ein durch den Motor angetriebenes Pumpenrad und eine durch den Zahnradgetriebeeingang angetriebene Turbine umfasst. Drehmoment wird vom Pumpenrad hydrodynamisch auf die Turbine übertragen. Viele Drehmomentwandler umfassen das Weiteren eine hydraulisch gesteuerte Überbrückungskupplung, die das Pumpenrad mit der Turbine koppelt, wodurch der hydrodynamische Leistungsübertragungsweg zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten umgangen wird. Andere Getriebe verwenden eine aktiv gesteuerte Anfahrkupplung als Anfahrvorrichtung.
Ein modernes Automatikgetriebe wird durch einen Mikroprozessor gesteuert, der die Drehmomentkapazität jedes Schaltelements, darunter jeglicher Überbrückungskupplung, in regelmäßigen Zeitabständen einstellt. Bei jedem Zeitabstand sammelt die Steuerung die Fahrerabsicht anzeigende Informationen, wie z. B. die Stellung der Schaltvorrichtung (PRNDL), des Fahrpedals und des Bremspedals. Die Steuerung sammelt des Weiteren Informationen über den gegenwärtigen Betriebszustand des Fahrzeugs, wie z. B. die Geschwindigkeit, und des Motors. Zunehmend sind auch Informationen von anderen Quellen, wie z. B. ABS-Steuerungen und GPS-Systemen, erhältlich. Unter Verwendung dieser Informationen bestimmt die Steuerung, ob der gegenwärtig hergestellte Leistungsstromweg aufrechtzuerhalten ist oder zu einem anderen Leistungsstromweg zu wechseln ist. Wenn die Steuerung die Entscheidung trifft, zu einem anderen Leistungsstromweg zu wechseln, stellt die Steuerung die Drehmomentkapazitäten der lastabgebenden Schaltelemente und der lastannehmenden Schaltelemente koordiniert ein, um den Übergang so gleichmäßig wie möglich zu gestalten.
Die Steuerung stellt des Weiteren das durch den Motor erzeugte Drehmoment durch Ansteuern der Drosselklappenstellung, der Zündzeitpunktsteuerung, der Kraftstoffdurchflussrate usw. ein. Bei einigen Fahrzeugen kann ein einziger Mikroprozessor sowohl den Motor als auch das Getriebe steuern. Bei anderen Fahrzeugen können der Motor und das Getriebe durch separate Mikroprozessoren, die über ein CAN (Controller Area Network) miteinander in Verbindung stehen, gesteuert werden. Bei der Verwendung separater Steuerungen bestimmt die Motorsteuerung normalerweise die Solldrehmomenthöhe basierend auf der Fahrpedalstellung, der Motordrehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Unter bestimmten Umständen kann die Getriebesteuerung jedoch anfordern, dass die Motorsteuerung eine andere Drehmomenthöhe ansteuert. Beispielsweise kann eine Getriebesteuerung während der Trägheitsphase eines Schaltvorgangs eine Reduzierung des Motordrehmoments anfordern.
KURZE DARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes während eines Fahrzyklus umfasst wiederholtes Messen eines Getriebeausgangsdrehmoments und einer Getriebeeingangsdrehzahl, wiederholtes Schätzen eines Getriebekomponentendrehmoments und Einstellen eines Motordrehmoments als Reaktion darauf, dass sich das geschätzte Komponentendrehmoment einem vorbestimmten Grenzwert annähert. Das Komponentendrehmoment kann des Weiteren auf einer Messung einer Turbinendrehzahl und auf Ableitungen der Getriebeeingangsdrehzahl und der Turbinendrehzahl basieren. Das Verfahren kann in eine Getriebesteuerung programmiert sein. Bei Betrieb mit einer gegebenen Motordrehzahl, einer gegebenen Gangübersetzung mit geöffnetem Drehmomentwandler kann das Verfahren eine Drosselklappenstellung zum Halten des Komponentendrehmoments beim Grenzwert einstellen. Verschiedene Umgebungsbedingungen, wie z. B. verschiedene Temperaturen, können eine abweichende Motordrehmomentschätzung bei gleich bleibendem Komponentendrehmoment verursachen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Getriebes.
2 ist ein Flussdiagramm zum Schätzen von Komponentendrehmomenten während des Betriebs eines Getriebes mit einer festen Gangübersetzung.
3 ist ein Flussdiagramm zum Schätzen von Komponentendrehmomenten während des Schaltens eines Getriebes.
4 ist ein Flussdiagramm zum Festlegen eines Motordrehmoments basierend auf geschätzten Komponentendrehmomentwerten zur Vermeidung einer Überbelastung von Getriebekomponenten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert dargestellt sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weisen auszuüben ist. Wie für den Durchschnittsfachmann auf der Hand liegt, können verschiedene Merkmale, die unter Bezug auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt werden, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch bei bestimmten Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Das Steuern eines hydraulisch betätigten Automatikgetriebes erfordert Manipulieren einer Anzahl an Druckbefehlen, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Das gewünschte Ergebnis kann beispielsweise ein Hochschalten oder Herunterschalten bei bestimmten Drehmoment- und Drehzahleigenschaften in Abhängigkeit von der Zeit sein. Für ein Hochschalten kann das gewünschte Ergebnis beispielsweise eine Drehmomentübertragungsphase mit einer spezifischen Zeitdauer gefolgt von einem spezifischen Profil des Drehzahlverhältnisses als Funktion der Zeit während der Trägheitsphase sein. Bei einer Steuerung mit offenem Regelkreis verwendet die Steuerung ein Modell des Getriebes zum Berechnen, welche Druckbefehle das gewünschte Ergebnis erzeugen, und steuert dann diese Druckwerte an. Das Modell kann ein empirisches Modell basierend auf Tests an einem repräsentativen Getriebe sein oder aus physikalischen Gesetzen oder Getriebenenndaten, wie z. B. Abmessung, abgeleitet werden. Aus verschiedenen Gründen kann das tatsächliche Verhalten des Getriebes jedoch vom Modell abweichen. Erstens gibt es unter Getrieben derselben Konstruktion Variationen von Teil zu Teil. Zweitens variiert ein bestimmtes Getriebe mit der Zeit aufgrund von allmählichem Verschleiß oder ungewöhnlichen Ereignissen. Drittens reagiert das Getriebe auf eine große Anzahl an Umweltfaktoren, wie z. B. Temperatur, Atmosphärendruck usw.
Zur Verbesserung der Steuerung bei Vorliegen dieser Variationen, die als Rauschfaktoren bezeichnet werden, kann eine Steuerung Steuerung mit geschlossenem Regelkreis verwenden. Eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis verbessert das Ergebnis innerhalb eines bestimmten Ereignisses, wie z. B. eines Schaltvorgangs. Bei der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis misst die Steuerung die Eigenschaft, die das gewünschte Verhalten definiert, wie z. B. die Gangstufe. Die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und einem Zielwert wird Fehler genannt. Der angesteuerte Druck wird auf den Term des offenen Regelkreises plus einen oder mehrere Terme des geschlossenen Regelkreises eingestellt. Ein proportionaler Term (p-Term) ist proportional zum Fehler, ein abgeleiteter Term (d-Term) ist proportional zur abgeleiteten Form des Fehlers, und ein integraler Term (i-Term) ist proportional zu einem Integral des Fehlers. Jeder Term des geschlossenen Regelkreises weist einen Proportionalitätskoeffizienten auf. Diese Koeffizienten werden während der Kalibrierung so eingestellt, dass sich das Ergebnis trotz des Vorliegens von Rauschfaktoren mit minimaler Schwingung schnell dem gewünschten Verhalten annähert.
Eine adaptive Steuerung verbessert das Ergebnis über eine Anzahl von Ereignissen. Nach einem Ereignis verwendet die Steuerung die während des Ereignisses durchgeführten Messungen zur Revidierung des Modells. (Dies erfolgt manchmal implizit anstatt explizit, wie z. B. durch Modifizieren der Terme des offenen Regelkreises.) Je repräsentativer das Modell für das bestimmte Getriebe und die vorliegenden Bedingungen wird, desto besser wird die Steuerung mit offenem Regelkreis für zukünftige Ereignisse. Dadurch wird der Fehler, den die Terme des geschlossenen Regelkreises berücksichtigen müssen, auf ein Minimum reduziert.
Sowohl die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis als auch die adaptive Steuerung erfordern eine Messung oder Schätzung der Eigenschaften, die das gewünschte Verhalten definieren. Idealerweise wird dies dadurch erzielt, dass für jede Eigenschaft ein separater Sensor vorliegt. Leider erhöhen Sensoren die Kosten und das Gewicht einer Konstruktion und führen Auswahlmöglichkeiten ein. Des Weiteren sind einige Parameter schwer zu messen, da der Sensor an einer unzugänglichen Stelle des Getriebes verborgen sein müsste. Dadurch sind in der Praxis die Anzahl und Art von Sensoren beschränkt. Wenn es keinen Sensor für die Eigenschaft, die das gewünschte Verhalten definiert, gibt, kann ein Modell zum Schätzen des Wertes basierend auf den verfügbaren gemessenen Eigenschaften verwendet werden. Diese Modelle sind an dieselben Arten von Rauschfaktoren gebunden wie die Modelle, die zur rechnerischen Ermittlung der Terme des offenen Regelkreises verwendet werden. Weiterhin kann ein Modell Annahmen umfassen, die es nur unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie z. B. im 2. Gang, gültig werden lassen. Zur Schätzung der Eigenschaft bei allen der relevanten Betriebsbedingungen muss die Steuerung möglicherweise mehrere Modelle verwenden. Bei einigen Betriebsbedingungen kann mehr als eins der Modelle gültig sein, was zu möglicherweise widersprüchlichen Schätzungen führt. In solchen Fällen muss die Steuerung bestimmen, auf welche Schätzung zu vertrauen ist. Die Steuerung kann das Modell, auf das vertraut wird, dazu verwenden, die anderen Modelle zu revidieren, um die Schätzung bei Betriebsbedingungen, bei denen das Modell, auf das vertraut wird, nicht verwendet werden kann, zu verbessern.
Eine Reihe von Modellen wird mit Bezug auf eine bestimmte Getriebebauweise erörtert. Es werden Verfahren zum Verwenden dieser Modelle zum Schätzen nicht gemessener Parameter mit Bezug auf eine bestimmte Erfassung verfügbarer Sensormesswerte erörtert. Letztlich werden Verfahren zum Anpassen der Modelle erörtert. Obgleich bei der Erörterung auf eine bestimmte Getriebebauweise und Sensoranordnung Bezug genommen wird, können die erörterten Verfahren vom Fachmann auf andere Getriebebauweisen und Sensoranordnungen angewendet werden.
1 stellt ein beispielhaftes Automatikgetriebe für Vorderradantrieb dar. Das Getriebe ist in einem Gehäuse 10, das an der Fahrzeugstruktur fixiert ist, enthalten. Eine Eingangswelle 12 wird vom Fahrzeugmotor angetrieben. Die Eingangswelle kann über einen Dämpfer, der das Getriebe gegen Motordrehmomentpulsationen abschirmt, mit dem Motor verbunden sein. Ein Ausgangselement 14 treibt die Fahrzeugräder an. Das Ausgangselement 14 kann über ein Achsantriebsgetriebe und ein Differenzial mit den Rädern antriebsverbunden sein. Das Achsantriebsgetriebe überträgt die Leistung auf eine parallele Achse und vervielfacht das Drehmoment mit einer Achsantriebs-Übersetzung. Das Achsantriebsgetriebe kann Vorgelegeräder, eine Kette und Kettenräder und/oder ein Planetengetriebe umfassen. Das Differenzial verteilt die Leistung auf das linke und das rechte Vorderrad und gestattet dabei leichte Drehzahldifferenzen beim Wenden des Fahrzeugs. Einige Fahrzeuge können eine PTO(Power Take-Off)-Einheit, die Leistung auf die Hinterräder überträgt, umfassen.
Ein Drehmomentwandler 16 weist ein an der Eingangswelle 12 befestigtes Pumpenrad 18 und eine an einer Turbinenwelle 22 befestigte Turbine 20 auf. Der Drehmomentwandler 16 überträgt Drehmoment von der Eingangswelle 12 auf die Turbinenwelle 22 und gestattet dabei, dass sich die Turbinenwelle 22 langsamer als die Eingangswelle 12 dreht. Wenn sich die Turbinenwelle 22 wesentlich langsamer als die Eingangswelle 12 dreht, wird ein Drehmomentwandlerstator 24 durch eine Freilaufkupplung 26 gegen Drehung gehalten, so dass das an die Turbinenwelle 22 angelegte Drehmoment ein Vielfaches des an die Eingangswelle 12 angelegten Drehmoments ist. Wenn sich die Drehzahl der Turbinenwelle 22 der Drehzahl der Eingangswelle 12 annähert, läuft die Freilaufkupplung 26 frei. Der Drehmomentwandler 16 umfasst des Weiteren eine Überbrückungskupplung 28, die die Eingangswelle 12 selektiv mit der Turbinenwelle 22 koppelt.
Das Zahnradgetriebe 30 erzeugt eine Anzahl von Drehzahlverhältnissen zwischen der Turbinenwelle 22 und dem Ausgangselement 14. Insbesondere weist das Zahnradgetriebe 30 drei Planetenradsätze und fünf Schaltelemente, die sechs Vorwärtsgangübersetzungen und eine Rückwärtsgangübersetzung erzeugen, auf. Die einfachen Planetenradsätze 40, 50 und 60 weisen jeweils ein Sonnenrad (42, 52, 62), einen Träger (44, 54, 64) und ein Hohlrad (46, 56, 66), die sich um eine gemeinsame Achse drehen, auf. Jeder Planetenradsatz umfasst des Weiteren eine Anzahl an Planetenrädern (48, 58, 68), die sich bezüglich des Trägers drehen und sowohl mit dem Sonnenrad als auch dem Hohlrad kämmen. Der Träger 44 ist mit dem Hohlrad 66 und dem Ausgangselement 14 fest gekoppelt, der Träger 54 ist mit dem Hohlrad 46 fest gekoppelt, das Hohlrad 46 ist mit dem Träger 64 fest gekoppelt und das Sonnenrad 52 ist mit der Turbinenwelle 22 fest gekoppelt.

Die verschiedenen Gangübersetzungen werden durch Einrücken verschiedener Kombinationen von Schaltelementen erzeugt. Ein Schaltelement, das ein Zahnradelement selektiv gegen Drehung hält, kann als Bremse bezeichnet werden, wohingegen ein Schaltelement, das zwei rotierende Elemente selektiv miteinander koppelt, als Kupplung bezeichnet werden kann. Die Kupplungen 72 und 74 koppeln die Turbinenwelle 22 selektiv mit dem Träger 64 bzw. dem Sonnenrad 62. Die Bremsen 76 und 78 halten das Sonnenrad 62 bzw. das Sonnenrad 42 selektiv gegen Drehung. Die Bremse 80 hält den Träger 64 selektiv gegen Drehung. Schließlich hält die Freilaufkupplung 82 den Träger 64 passiv gegen Drehung in einer Richtung und gestattet dabei eine Drehung in die entgegengesetzte Richtung. Tabelle 1 stellt dar, welche Schaltelemente zur Erzeugung jeder Gangübersetzung eingerückt sind. TABELLE 1

	72	74	76	78	80/82	Übersetzung	Sprung
Rückwärts		X			X	-3,00	71%
1.				X	X	4,20
2.			X	X		2,70	1,56
3.		X		X		1,80	1,50
4.	X			X		1,40	1,29
5.	X	X				1,00	1,40
6.	X		X			0,75	1,33

Die Schaltelemente 72–80 können hydraulisch betätigte nass laufende Lamellenreibkupplungen oder -bremsen sein. Die Steuerung 84 steuert den Druck des Getriebefluids, das zu jedem Schaltelement geleitet wird. Diese Steuerung kann zur Steuerung des jeder Kupplung zugeführten Drucks einen elektrischen Strom zu einem oder mehreren Solenoids mit variabler Kraft anpassen. Bei seiner eingänglichen Zuführung zu einem Schaltelement bewegt das mit Druck beaufschlagte Fluid einen Kolben in eine Hubstellung. Dann drückt der Kolben die Lamellen zusammen, wodurch bewirkt wird, dass das Schaltelement Drehmoment überträgt. Die Drehmomentkapazität ist vernachlässigbar, bis der Kolben die Hubstellung erreicht. Sobald der Kolben die Hubstellung erreicht, erhöht sich die Drehmomentkapazität nahezu linear mit dem Fluiddruck. Wenn der Druck abgelassen wird, bewegt eine Rückstellfeder den Kolben in eine Freigabestellung (Nichthubstellung). Die Steuerung empfängt Signale von einem Turbinendrehzahlsensor 86, einem Ausgangsdrehzahlsensor 88 und einem Ausgangsdrehmomentsensor 90.
Für Schätzungen der Drehzahlen bestimmter Elemente und der Drehmomente an bestimmten Elementen zu den durch die Sensoren 86–90 gemessenen Werten sind Modelle erforderlich. Solche Modelle können basierend auf den Drehzahl- und Drehmomentverhältnissen jeder der Komponenten unter Vernachlässigung jeglicher parasitärer Leistungsverluste abgeleitet werden. Wenn eine Gruppe von Komponenten, die fest miteinander gekoppelt sind, als ein starres Element modelliert wird, dann ist die Summe der auf die Gruppe, die als eine Welle bezeichnet wird, ausgeübten Drehmomente proportional zur Drehbeschleunigung der Welle. Der Proportionalitätskoeffizient wird als das rotatorische Trägheitsmoment, J, bezeichnet, das basierend auf den Abmessungen und der Materialdichte geschätzt werden kann oder experimentell gemessen werden kann. Στ = Ja Das Zahnradgetriebe 30 von 1 weist 6 derartige Wellen auf: die Turbinenwelle 22 und das Sonnenrad 52; das Sonnenrad 42; den Ausgang 14, den Träger 44 und das Hohlrad 66; den Träger 54 und das Hohlrad 46; den Träger 64 und das Hohlrad 56; und das Sonnenrad 62.
Die Drehzahlen der Elemente eines Planetenradsatzes und ihrer relativen Drehmomente stehen unter Vernachlässigung parasitärer Verluste mit der Anzahl an Zähnen am Sonnenrad N_Sonnenr. und der Anzahl an Zähnen am Hohlrad N_Hohlr. in Zusammenhang. Insbesondere gilt für einen einfachen Planetenradsatz N_Sonnenr.ω_Sonnenr. + N_Hohlr.ω_Hohlr. = (N_Sonnenr. + N_Hohlr.)ω_Träger N_Hohlr.τ_Sonnenr. = N_Sonnenr.τ_Hohlr. τ_Sonnenr. + τ_Träger + τ_Hohlr. = 0
Für einen Doppelritzelplanetenradsatz gilt N_Hohlr.ω_Hohlr. – N_Sonnenr.ω_Sonnenr. = (N_Hohlr. – N_Sonnenr.)ω_Träger N_Hohlr.τ_Sonnenr. = –N_Sonnenr.τ_Hohlr. τ_Sonnenr. + τ_Träger + τ_Hohlr. = 0
Eine Reibkupplung koppelt selektiv zwei Elemente, die als die Nabe und die Schale bezeichnet werden. Bei den hier aufgeführten Beispielen wird der obere Rand des Kupplungssymbols in 1 als die Schale behandelt und der untere Rand des Symbols wird als die Nabe behandelt, obgleich diese Wahl willkürlich ist. Die an jedes Element angelegten Drehmomente sind abhängig von der Kupplungsdrehmomentkapazität, τ_kap, und den relativen Drehzahlen der Elemente. Insbesondere gilt
Die Drehmomentkapazität einer freigegebenen Kupplung beträgt unter Vernachlässigung parasitärer Verluste null.
Für das Zahnradgetriebe 30 in 1 stellt jeder der drei Planetenradsätze eine Gleichung, die die Drehzahlen der sechs Wellen in Beziehung setzt, bereit. Wenn das Zahnradgetriebe in einer bestimmten Gangstufe eingerückt ist (nicht schaltet), stellen die beiden eingerückt Kupplungen jeweils eine Gleichung, die die Drehzahlen der Wellen in Beziehung setzt, bereit. Mit sechs Wellen und fünf Gleichungen muss zur Berechnung aller Drehzahlen eine gemessene Drehzahl zur Verfügung stehen. Diese zusätzliche Drehzahl könnte durch den Turbinendrehzahlsensor 86 oder durch den Ausgangsdrehzahlsensor 88 bereitgestellt werden. Wenn beispielsweise der dritte Gang eingerückt ist (die Kupplung 74 und die Bremse 78 eingerückt sind), können die Drehzahlen der sechs Wellen durch gleichzeitiges Lösen der sechs Gleichungen bestimmt werden. N₄₂ω₄₂ + N₄₆ω_46,54 = (N₄₂ + N₄₆)ω_14,44,66 (vom Zahnradsatz 40) N₅₂ω_22,52 + N₅₆ω_56,64 = (N₅₂ + N₅₆)ω_46,54 (vom Zahnradsatz 50) N₆₂ω₆₂ + N₆₆ω_14,44,66 = (N₆₂ + N₆₆)ω_56,64 (vom Zahnradsatz 60) ω_22,52 = ω₆₂ (von der eingerückten Kupplung 74) ω₄₂ = 0 (von der eingerückten Bremse 78) ω_14,44,66 = gemessen Der zweite Drehzahlsensor kann zur Bestätigung, dass der dritte Gang wirklich eingerückt ist, verwendet werden. Jede Drehzahl ist proportional zur gemessenen Drehzahl. Die Gleichungen können im Voraus gelöst werden, um den Proportionalitätskoeffizienten jeder Welle für jede Gangübersetzung zu ermitteln.
Für das Zahnradgetriebe 30 sind 21 Elementdrehmomente zu berechnen, drei für jeden Planetenradsatz, zwei für jede Kupplung plus das Eingangsdrehmoment und das Ausgangsdrehmoment. Jeder der drei Planetenradsätze stellt zwei Drehmomentgleichungen bereit. Jedes der fünf Schaltelemente stellt eine Drehmomentgleichung bereit. Jede der sechs Wellen stellt eine Drehmomentgleichung bereit. (Herkömmlicherweise wird das Ausgangsdrehmoment als das durch das Zahnradgetriebe auf den Ausgang ausgeübte Drehmoment definiert, wohingegen andere Drehmomente als das durch die Komponente auf die Welle ausgeübte Drehmoment definiert werden. Somit erscheint das Ausgangsdrehmoment auf der den Komponentendrehmomenten gegenüberliegenden Seite der Wellendrehmomentgleichung.) Jede Wellengleichung benötigt die Wellenbeschleunigung, die durch numerisches Differenzieren der Wellendrehzahl bestimmt wird. Insgesamt werden dadurch 17 Drehmomentgleichungen bereitgestellt. Wenn das Zahnradgetriebe in einer bestimmten Gangstufe eingerückt ist, stellen die drei ausgerückten Kupplungen jeweils eine zusätzliche Drehmomentgleichung bereit. Somit ist ein erfasstes Drehmoment erforderlich, das durch den Drehmomentsensor 90 bereitgestellt wird. Wenn beispielsweise der dritte Gang eingerückt ist, können die Drehmomente durch gleichzeitiges Lösen der 21 Gleichungen bestimmt werden. N₄₆τ₄₂ = N₄₂τ₄₆ τ₄₂ + τ₄₄ + τ₄₆ = 0 N₅₆τ₅₂ = N₅₂τ₅₆ τ₅₂ + τ₅₄ + τ₅₆ = 0 N₆₆τ₆₂ = N₆₂τ₆₆ τ₆₂ + τ₆₄ + τ₆₆ = 0 τ_{Nabe 72} + τ_{Schale 72} = 0 τ_{Nabe 74} + τ_{Schale 74} = 0 τ_{Nabe 76} + τ_{Schale 76} = 0 τ_{Nabe 78} + τ_{Schale 78} = 0 τ_{Nabe 80} + τ_{Schale 80} = 0 τ_Eingang + τ₂₂ + τ_{Schale 72} + τ_{Nabe 74} = J_22,52α_22,52 τ₄₂ + τ_{Nabe 78} = J₄₂α₄₂ τ₄₄ + τ₆₆ = τ_Ausgang + J_14,44,66α_14,44,66 τ₄₆ + τ₅₄ = J_46,54α_46,54 τ₅₆ + τ₆₄ + τ_{Nabe 72} + τ_{Nabe 80} = J_56,64α_56,64 τ₆₂ + τ_{Schale 74} + τ_{Nabe 76} = J₆₂α₆₂ τ_{Nabe 72} = 0 (von der ausgerückten Kupplung 72) τ_{Nabe 76} = 0 (von der ausgerückten Bremse 76) τ_{Nabe 80} = 0 (von der ausgerückten Bremse 80) τ_Ausgang = gemessen Diese Gleichungen können so manipuliert werden, dass jedes Drehmoment als eine Summe aus zwei Termen ausgedrückt wird, wobei ein Term zum gemessenen Drehmoment proportional ist und der andere zur gemessenen Beschleunigung proportional ist. Die Proportionalitätskoeffizienten können für jede Gangstufe im Voraus bestimmt werden. Das Naben- und Schalendrehmoment der in diesem Beispiel eingesetzten Schaltelemente 74 und 78 zeigen eine Untergrenze der jeweiligen Schaltelementdrehmomentkapazität an. Jedoch kann die Istdrehmomentkapazität unter Verwendung dieses Modells nicht bestimmt werden.
Das obige Modell vernachlässigt parasitäre Verluste. Das Modell kann jedoch dahingehend modifiziert werden, einige Arten von parasitären Verlusten zu berücksichtigen. Beispielsweise muss ein ausgerücktes Schaltelement nicht notwendigerweise eine Drehmomentkapazität von null aufweisen. Diese Art von parasitärem Widerstand kann durch Berechnen der Drehmomentkapazität der ausgerückten Kupplungen in Abhängigkeit von den Drehzahlen der Nabe und der Schale oder in Abhängigkeit der Drehzahldifferenz in dem Modell berücksichtigt werden. Es können Ventilationsverluste durch Hinzufügen eines Ventilationsterms in jeder Wellendrehmomentgleichung berücksichtigt werden, wobei der Ventilationsterm von der Wellendrehzahl abhängig ist. Der Kämmwirkungsgrad kann durch leichtes Erhöhen oder Verringern der Zähnezahlen in der Gleichung, die das Sonnenraddrehmoment zu dem Hohlraddrehmoment in Beziehung setzt, berücksichtigt werden. Ob die Zähnezahl erhöht oder verringert wird, hängt von den relativen Drehzahlen und der Richtung des Drehmoments ab. Wenn Verluste auf diese Art und Weise moduliert werden, können die einzelnen Komponentendrehmomente weiterhin basierend auf einer einzigen gemessenen Drehzahl und einem einzigen gemessenen Drehmoment rechnerisch ermittelt werden, obgleich es möglicherweise nicht möglich ist, die Gleichungen im Voraus zu vereinfachen.
Ein alternativer Ansatz zur Modellierung parasitärer Verluste ist die Modellierung der Gesamtverluste des Zahnradgetriebes. Der Leistungsgesamtverlust des Zahnradgetriebes kann in Abhängigkeit von der gemessenen Drehzahl und dem gemessenen Drehmoment und möglicherweise anderen Faktoren, wie z. B. der Fluidtemperatur, tabelliert werden. Diese Tabelle kann unter Verwendung eines Leistungsprüfstand, unter Verwendung detaillierter Komponentenmodelle oder einer Kombination aus den beiden empirisch bestückt werden. Ein Nachteil der Verwendung eines Gesamtverlustmodells besteht darin, dass die Berechnung einzelner Komponentendrehmomente nicht so leicht wie bei einem detaillierten Verlustmodell aller einzelnen Komponenten ist.
Während eines Gangstufenwechsels müssen die Berechnungen des Komponentendrehmoments modifiziert werden. Ein typischer Hochschaltvorgang umfasst drei Phasen: eine Vorbereitungsphase, eine Drehmomentübertragungsphase und eine Trägheitsphase. Während der Vorbereitungsphase wird zum Kolbenhub Druck an das lastannehmende Schaltelement angesteuert, so dass er zum Einrücken bereit ist. Des Weiteren kann die Drehmomentkapazität des lastabgebenden Schaltelements von einer Haltekapazität um viel mehr als das übertragene Drehmoment auf einen Wert, der in der Nähe des tatsächlich übertragenen Drehmoments liegt, reduziert werden. Während der Drehmomentübertragungsphase wird die Drehmomentkapazität des lastabgebenden Schaltelements allmählich reduziert und die Drehmomentkapazität des lastannehmenden Schaltelements allmählich erhöht. Während dieser Phase gibt es etwas oder gar keinen Schlupf über das lastabgebende Schaltelement, aber beträchtlichen Schlupf über das lastannehmende Schaltelement. Wenn die Drehmomentkapazität des lastabgebenden Schaltelements null erreicht, wird der dem hochgeschalteten Gang zugeordnete Leistungsflussweg erzeugt. Somit entspricht das Drehmomentverhältnis dem hochgeschalteten Drehmomentverhältnis. Das Drehzahlverhältnis entspricht jedoch oder entspricht jedoch nahezu weiterhin dem ursprünglichen Drehzahlverhältnis. Wenn das lastabgebende Schaltelement vollständig freigegeben ist, endet die Drehmomentübertragungsphase und die Trägheitsphase beginnt. Während der Trägheitsphase wird die Drehmomentkapazität des lastannehmenden Schaltelements dahingehend gesteuert, den Schlupf über das lastannehmende Schaltelement zu beseitigen und das Drehzahlverhältnis auf gesteuerte Art und Weise auf das hochgeschaltete Drehzahlverhältnis zu bringen.
Ein Herunterschaltvorgang umfasst auch eine Trägheitsphase und eine Drehmomentübertragungsphase, jedoch erfolgen diese in der entgegengesetzten Reihenfolge. Während der Trägheitsphase wird die Drehmomentkapazität des lastabgebenden Schaltelements dahingehend gesteuert, das Drehzahlverhältnis auf gesteuerte Art und Weise auf das heruntergeschaltete Drehzahlverhältnis zu bringen, was ein allmähliches Erhöhen des Schlupfs über das lastabgebende Schaltelement beinhaltet. Das lastannehmende Schaltelement kann durch Druckansteuerung zum Kolbenhub auf das Einrücken vorbereitet werden. Während der Trägheitsphase wird die Drehmomentkapazität des lastannehmenden Schaltelements allmählich erhöht, während die Drehmomentkapazität des lastabgebenden Elements allmählich auf null reduziert wird.
Während des Schaltvorgangs kann weder für das lastannehmende noch das lastabgebende Schaltelement ein Schlupf von null angenommen werden. Obgleich beabsichtigt sein kann, dass das lastabgebende Schaltelement während der Drehmomentphase eines Hochschaltvorgangs einen Schlupf von null aufweist und das lastannehmende Schaltelement während der Drehmomentphase eines Herunterschaltvorgangs einen Schlupf von null aufweist, kann die Steuerung nicht davon ausgehen, dass dies der Fall ist. Somit steht eine der Komponentendrehzahlgleichungen, die verwendet wird, wenn sich das Getriebe in einer festen Gangstufe befindet, während des Schaltvorgangs nicht zur Verfügung. Deshalb tragen beide Drehzahlsensoren 86 und 88 Drehzahlgleichungen bei. Bei einigen Schaltvorgängen wird mehr als eine Kupplung freigegeben und mehr als eine Kupplung wird eingerückt. Bei solchen Schaltvorgängen müssen mehr als zwei Wellendrehzahlen mit Sensoren bestimmt werden.
Gleichermaßen kann während des Schaltvorgangs weder für das lastannehmende noch das lastabgebende Schaltelement eine Drehmomentkapazität von null angenommen werden. Obgleich beabsichtigt sein kann, dass das lastannehmende Schaltelement während der Vorbereitungsphase eines Hochschaltvorgangs und während der Trägheitsphase eines Herunterschaltvorgangs eine Drehmomentkapazität von null aufweist, kann die Steuerung nicht davon ausgehen, dass dies der Fall ist. Manchmal bewirkt der lediglich für den Kolbenhub vorgesehene Druck eigentlich eine Erhöhung der Drehmomentkapazität. Somit steht eine der Komponentendrehmomentgleichungen, die verwendet wird, wenn sich das Getriebe in einer festen Gangstufe befindet, während des Schaltvorgangs nicht zur Verfügung. Wenn das Getriebe nicht mit einem zweiten Drehmomentsensor ausgestattet ist, kann ein Modell zum Schätzen des Eingangsdrehmoments verwendet werden, um die zusätzliche Komponentendrehmomentgleichung bereitzustellen. τ_Eingang = τ_Turbine + τ_{Nabe 28}
Wenn die Überbrückungskupplung 28 des Drehmomentwandlers ausgerückt ist, beträgt das Drehmoment an der Nabe der Überbrückungskupplung 28 null. Somit kann ein Modell des Drehmomentwandlers die während des Schaltens erforderliche zusätzliche Drehmomentschätzung bereitstellen. Für eine bestimmte Drehmomentwandlergeometrie (Durchmesser, Schaufelwinkel usw.) sind die auf die Drehmomentwandlerelemente ausgeübten hydrodynamischen Drehmomente von der Turbinendrehzahl und der Pumpenraddrehzahl abhängig. Umgebungsfaktoren, wie z. B. Fluidtemperatur, können auch bis zu einem gewissen Grad das Verhältnis beeinflussen. Ein geeignetes Drehmomentwandlermodell wird in der US-Patentveröffentlichung 2013/0345022 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Insbesondere gilt
Die Funktionen f1 und f2 können experimentell bestimmt und durch die Steuerung als Tabellen gespeichert werden. Die Turbinendrehzahl wird unter Verwendung des Sensors 86 direkt gemessen. Die Pumpenraddrehzahl entspricht der Motorkurbelwellendrehzahl und kann unter Verwendung eines dritten Drehzahlsensors oder durch Kommunikation mit einer Motorsteuerung erhalten werden.
Wenn die Überbrückungskupplung 28 andererseits eingerückt ist, kann ein Modell des Motordrehmoments die während des Schaltens erforderliche zusätzliche Drehmomentschätzung bereitstellen. Die Getriebesteuerung kann die aktuelle Motordrehmomentschätzung erhalten, indem sie sie von der Motorsteuerung anfordert, die ein Motordrehmomentmodell führt. Insbesondere gilt τ_Motor + τ_Pumpenrad + τ_{Schale 28} = J₁₂α₁₂ Wenn die Überbrückungskupplung 28 vollständig eingerückt ist, beträgt das Pumpenraddrehmoment null. Wenn die Überbrückungskupplung rutscht, kann das obige hydrodynamische Modell zur Schätzung des Pumpenraddrehmoments verwendet werden.
Während des Schaltvorgangs ist eine genaue Steuerung der Drehmomentkapazität zur Erzielung eines gleichmäßigen Schaltvorgangs maßgeblich. Beispielsweise muss die Erhöhung der Drehmomentkapazität des lastannehmenden Schaltelements während der Drehmomentübertragungsphase mit der Verringerung der Drehmomentkapazität des lastabgebenden Schaltelements sorgfältig koordiniert werden. Wenn die Drehmomentkapazität des lastannehmenden Schaltelements im Bezug auf das Eingangsdrehmoment und die Rate der Verringerung der Drehmomentkapazität des lastabgebenden Schaltelements zu langsam hochgerampt wird, kommt es zu einem Motorhochdrehen. Wenn das Drehmoment des lastannehmenden Schaltelements andererseits zu schnell hochgerampt wird, kommt es zu einer Blockierung. Beides führt zu einer übermäßigen Verringerung des Ausgangsdrehmoments.
Eine Steuerung mit offenem Regelkreis wird durch Vorliegen eines Modells für jedes Schaltelement unterstützt. Die Drehmomentkapazität jeder Kupplung wird durch Anpassen eines elektrischen Stroms zu einem Solenoid im Ventilkörper angepasst. Ein Ventil im Ventilkörper reagiert durch Anpassen des Drucks in einem Fluidkreis proportional zur durch den Solenoid erzeugten Kraft. Das Fluid wird durch eine Kupplungsbetätigungskammer geleitet, wo es einen Kolben dahingehend anschiebt, ein Kupplungspaket mit verschachtelten Reibplatten und Trennplatten zusammenzudrücken. Eine Rückstellfeder drückt den Kolben zurück, wenn der Druck abgelassen wird. Bei einem beispielhaften stationären Modell einer hydraulisch betätigten Reibkupplung oder -bremse ist die Drehmomentkapazität vom zugeführten elektrischen Strom abhängig. Diese Funktion weist allgemein zwei Segmente auf. In einem ersten Segment, von einem Strom gleich null bis zu dem zum Überwinden der Kraft der Rückstellfeder erforderlichen Strom, beträgt die Drehmomentkapazität null. Über dem zum Überwinden der Kraft der Rückstellfeder erforderlichen Strom steigt die Drehmomentkapazität bezüglich des Stroms linear. Bei einem alternativen Modell ist der Fluiddruck vom elektrischen Strom abhängig und die Drehmomentkapazität ist vom Fluiddruck abhängig. Dieses alternative Modell kann nützlich sein, wenn ein Drucksensor zum Bereitstellen eines Druckrückkopplungssignals zur Verfügung steht. Bei einigen Modellen können andere Faktoren, wie z. B. die Temperatur, in Betracht gezogen werden. Ein dynamisches Modell des hydraulisch betätigten Schaltelements kann die Zeitverzögerung während der Bewegung des Kolbens von der Freigabestellung in die Hubstellung berücksichtigen.
Bei jedem Zeitschritt bestimmt die Steuerung eine Solldrehmomentkapazität für jedes Schaltelement und bestimmt dann unter Verwendung des Schaltelementmodells, was für ein elektrischer Strom zu dem entsprechenden Solenoid anzusteuern ist. Dieses Verfahren der Steuerung mit offenem Regelkreis ist jedoch aufgrund der verschiedenen Rauschfaktoren anfällig für Ungenauigkeiten. Wenn eine auf einer Messung basierende Drehmomentkapazitätschätzung zur Verfügung steht, können die Ungenauigkeiten unter Verwendung von Termen des geschlossenen Regelkreises reduziert werden. Das oben beschriebene Zahnradgetriebemodell stellt eine solche Schätzung bereit, wenn eine Kupplung rutscht, wie z. B. das lastannehmende Element bei einer Hochschaltdrehmomentphase oder das lastabgebenden Element bei einer Herunterschaltdrehmomentphase. Des Weiteren kann die geschätzte Drehmomentkapazität dazu verwendet werden, das Schaltelementmodell adaptiv zu revidieren. Dadurch wird die Steuerung verbessert, selbst wenn das Schaltelement nicht rutscht, wie z. B. das lastabgebende Element bei einem Hochschaltvorgang oder das lastannehmende Element bei einem Herunterschaltvorgang.
Wenn sich das Getriebe in einer festen Gangstufe befindet, gibt es mehrere Modelle, die ein Zahnradgetriebeeingangsdrehmoment voraussagen. Dadurch kann sich eine Möglichkeit bieten, ein Modell oder beide adaptiv weiterzuentwickeln. Eine Schätzung wird durch das Zahnradgetriebemodell in Kombination mit einem Drehmomentsensormesswert und einem Drehzahlsensormesswert erzeugt. Dieses Modell kann Modelle des parasitären Verlusts von Komponenten oder ein Modell des parasitären Gesamtverlusts umfassen. Wenn die Überbrückungskupplung 28 vollständig eingerückt ist, basiert eine zweite Zahnradgetriebeeingangsdrehmomentschätzung auf einem Motormodell. Das Motormodell kann auf Motorbetriebsparametern, wie z. B. Drosselklappeneinstellung, Zündzeitpunktsteuerung, Motordrehzahl usw., basieren. Motormodelle sind tendenziell anfällig für Rauschfaktoren, wie z. B. Umgebungsbedingungen, die nicht berücksichtigt werden, Abnutzung und Variationen von Teil zu Teil. Gleichermaßen basiert, wenn die Überbrückungskupplung 28 vollständig ausgerückt ist, eine zweite Zahnradgetriebeeingangsdrehmomentschätzung auf einem Drehmomentwandlermodell. Wenn die Schätzungen voneinander abweichen, kann bzw. können das Drehmomentwandlermodell, das Zahnradgetriebegesamtverlustmodell oder beide dahingehend modifiziert werden, die Schätzungen einander anzunähern.
Einige der oben beschriebenen Modelle können in der Steuerung 84 als eine oder mehrere Nachschlagetabellen dargestellt sein. Eine Nachschlagetabelle speichert vorausgesagte Werte eines Modellausgangs, der für verschiedene Kombinationen aus Werten einer oder mehrerer Modelleingangsvariablen variabel ist. Wenn lediglich eine Eingangsvariable vorliegt, kann die Nachschlagetabelle als eindimensional bezeichnet werden. Beispielsweise kann eine eindimensionale Nachschlagetabelle dazu verwendet werden, das Kupplungsübertragungsfunktionsmodell durch Speichern von Werten der Kupplungsdrehmomentkapazität bei verschiedenen angesteuerten Drücken darzustellen. Wenn die Ausgangsvariable von mehreren Eingangsvariablen abhängig ist, können höherdimensionale Nachschlagetabellen verwendet werden. Beispielsweise kann das Zahnradgetriebegesamtverlustmodell für den dritten Gang als eine dreidimensionale Nachschlagetabelle, die auf dem Zahnradgetriebeeingangsdrehmoment, der Zahnradgetriebeeingangsdrehzahl und der Temperatur basiert, dargestellt sein. Wenn das Modell mehrere Ausgangsvariablen umfasst, kann es durch mehrere Nachschlagetabellen dargestellt werden. Beispielsweise kann das Drehmomentwandlermodell eine Nachschlagetabelle für Pumpenraddrehmoment und eine weitere Nachschlagetabelle für Turbinendrehmoment aufweisen.
Um einen Wert für eine basierend auf bestimmten Werten der Modelleingangsvariablen variable Modellausgabe zu ermitteln, ermittelt die Steuerung die gespeicherten Punkte, die am nächsten zu den bestimmten Werten liegen, und interpoliert dann. Um beispielsweise die vorausgesagten Zahnradgetriebeverluste bei einer Eingangsdrehzahl von 1200 RPM und einem Eingangsdrehmoment von 75 Nm zu ermitteln, kann die Steuerung zwischen den gespeicherten Verlustwerten bei (1000 RPM, 70 Nm), (1500 RPM, 70 Nm), (1000 RPM, 80 Nm) und (1500 RPM, 80 Nm) interpolieren. Zur Ermittlung einer einer gewünschten Ausgangsvariable entsprechenden Eingangsvariable wird Rückwärtsinterpolation verwendet. Um beispielsweise die Druckansteuerung bei offenem Regelkreis für eine gewünschte Kupplungsdrehmomentkapazität von 95 Nm zu ermitteln, kann die Steuerung zwischen einem gespeicherten Punkt, der 92 Nm erzielt, und einem gespeicherten Punkt, der 96 Nm erzielt, interpolieren. Diese Rückwärtsinterpolation erzielt lediglich dann eine eindeutige Lösung, wenn die zugrunde liegende Funktion monoton ist. Alternativ dazu kann das Modell derart umformuliert werden, dass die Drehmomentkapazität eine Eingangsvariable ist und der angesteuerte Druck eine Ausgangsvariable ist.
Es sind verschiedene Verfahren zum adaptiven Aktualisieren eines als eine Nachschlagefunktion dargestellten Modells bekannt. Diese umfassen sowohl stochastische Anpassungsverfahren als auch periodische Anpassungsverfahren. Stochastische Anpassungsverfahren aktualisieren die Werte in der Nachschlagetabelle als Reaktion auf einzelne verzeichnete Ergebnisse. Ein solches Verfahren ist in der europäischen Patentanmeldung EP 1712767A1 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Wenn das verzeichnete Ergebnis von dem durch die Nachschlagetabelle geschätzten Wert abweicht, werden die gespeicherten Werte für annähernde Werte der Modelleingangsvariablen derart modifiziert, dass eine neue Voraussage für dieselben Modelleingangswerte näher am verzeichneten Ergebnis liegt. In dem obigen Beispiel wurden gespeicherte Zahnradgetriebeverlustschätzungen bei (1000 RPM, 70 Nm), (1500 RPM, 70 Nm), (1000 RPM, 80 Nm) und (1500 RPM, 80 Nm) zum Voraussagen von Zahngetriebeverlusten bei einer Eingangsdrehzahl von 1200 RPM und einem Eingangsdrehmoment von 75 Nm verwendet. Wenn die Interpolation eine Schätzung von 1,5 Nm Verlust schätzt und der verzeichnete Verlust 2,5 Nm beträgt, können diese vier gespeicherten Werte jeweils um 0,2 Nm erhöht werden, so dass eine neue Schätzung bei demselben Betriebspunkt 1,7 Nm betragen würde. Aus Gründen der Beständigkeit wird nicht gestattet, dass die gespeicherten Werte bei der Anpassung um zu viel auf einmal geändert werden. Die Anpassung kann verschiedenartig beschränkt werden. Beispielsweise kann die Anpassung lediglich dann gestattet werden, wenn der Betriebspunkt ausreichend nahe bei einem der gespeicherten Werte liegt. In diesem Beispiel kann die Anpassung für die Verzeichnung bei 1200 RPM und 75 Nm nicht durchgeführt werden, kann jedoch für Betriebspunkte innerhalb von 100 RPM bei 2 Nm von einem der gespeicherten Werte gestattet werden. Des Weiteren können vorbestimmte Grenzen vorliegen, außerhalb derer keine Anpassung durchgeführt wird. Beispielsweise kann es bei dem Zahnradgetriebeverlustmodell nicht gestattet sein, dass gespeicherte Werte negativ werden, da tatsächliche Verluste niemals negativ sein würden. Bei einem periodischen Anpassungsverfahren werden mehrere Verzeichnungen gespeichert und dann wird zur Berechnung neuer Werte für Modellparameter ein Kurvenanpassungsverfahren durchgeführt. Wie bei stochastischen Anpassungsverfahren können Einschränkungen der Anpassungsrate vorliegen, und es können Grenzen vorliegen, über die hinaus eine Anpassung nicht gestattet ist.
Während des Betriebs eines Getriebes gibt es einige Betriebsbedingungen, bei denen mehr als ein Modell zur Voraussage eines bestimmten Parameters zur Verfügung steht. In solch einem Fall kann die Steuerung eine der Schätzungen als den Wert, auf den vertraut wird, auswählen. Diese Auswahl kann auf a-priori-Informationen darüber, welches Modell tendenziell genauer ist, basieren. Die Auswahl kann des Weiteren auf anderen Kriterien basieren, wie z. B. wenn die Eingänge in ein Modell relativ konstant sind und sich die Eingänge in das andere Modell schnell ändern, wodurch das erste Modell zuverlässiger ist. Die Steuerung kann den Wert, auf den vertraut wird, zur Anpassung des Modells, auf das weniger vertraut wird, verwenden, wodurch das Modell, auf das weniger vertraut wird, in anderen Fällen zuverlässiger wird. Alternativ dazu kann die Steuerung einen Wert auswählen, der ein gewichteter Mittelwert der mehreren Schätzungen ist, wobei die Gewichtungsfaktoren auf dem Zuverlässigkeitsgrad jedes Modells basieren. In diesem Fall können beide Modelle adaptiert werden, um die Schätzungen dem ausgewählten Wert anzunähern. Dieser Ansatz ist am hilfreichsten, wenn jedes Modell auch in anderen Fällen basierend auf unabhängigen Modellen angepasst wird. Wenn ein Modell korrekt ist und das andere Modell ungenau ist, wird das korrekte Modell in diesen anderen Fällen erneut auf seine ursprüngliche Voraussage hin angepasst.
2 stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes, wie z. B. des Getriebes von 1, wenn die Überbrückungskupplung des Drehmomentwandlers vollständig ausgerückt ist und das Getriebe in der gegenwärtigen Gangübersetzung bleiben soll, dar. Dieses Verfahren wird in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt, während das Getriebe in diesem Zustand bleibt. Das Ausgangsdrehmoment des Zahnradgetriebes wird bei 102 beispielsweise unter Verwendung des Drehmomentsensors 90 gemessen. Die Turbinendrehzahl wird bei 104 beispielsweise unter Verwendung des Drehzahlsensors 86 gemessen. Die Beschleunigungsrate der Turbine kann durch numerisches Differenzieren des Turbinendrehzahlsignals bestimmt werden oder kann durch einen separaten Sensor gemessen werden. Die Pumpenraddrehzahl und -beschleunigung werden bei 130 gemessen. Da die Pumpenraddrehzahl und die Motordrehzahl gleich sind, könnte anstatt eines Pumpenraddrehzahlsensors ein Motordrehzahlsensor verwendet werden. Bei 106 wird ein detailliertes Zahnradgetriebemodell zur Schätzung der Drehmomente jeder Getriebekomponente von Bedeutung, wie z. B. Zahnräder und Schaltelemente, verwendet. Diese Drehmomente sind zum bei 102 gemessenen Ausgangsdrehmoment des Zahnradgetriebes unter Korrektur im Hinblick auf parasitäre Verluste, die auf der bei 104 gemessenen Drehzahl und Trägheitswirkungen basierend auf der bei 104 gemessenen Beschleunigung basieren können, proportional. Bei 110 wird eine Turbinendrehmomentschätzung basierend auf dem gemessenen Zahnradgetriebeausgangsdrehmoment, der Turbinendrehzahl und der Turbinenbeschleunigung unter Verwendung eines Zahnradgetriebegesamtverlustmodells erzeugt. Bei 132 wird ein Drehmomentwandlermodell mit der gemessenen Pumpenraddrehzahl und der gemessenen Turbinendrehzahl zum Schätzen des Turbinendrehmoments verwendet. Da es zwei Schätzungen des Turbinendrehmoments gibt, wird bei 138 eine Arbitration (engl. arbitration) durchgeführt, um einen Wert auszuwählen. Der ausgewählte Wert kann zum Anpassen des Drehmomentwandlermodells und des Zahnradgetriebegesamtverlustmodells bei 140 bzw. 116 wendet werden.
3 stellt ein Verfahren zum Betreiben des Getriebes während eines Schaltvorgangs, wenn die Überbrückungskupplung des Drehmomentwandlers vollständig ausgerückt ist, dar. Dieses Verfahren wird in regelmäßigen Zeitabständen während des Schaltvorgangs wiederholt. Die Schritte, die mit 2 gemein sind, verwenden dieselbe Bezugszahl. Bei 118 wird das detaillierte Zahnradgetriebemodell zur Schätzung der Drehmomente jeder Getriebekomponente von Bedeutung, wie z. B. Zahnräder und Schaltelemente, verwendet. Während des Schaltvorgangs erfordert das detaillierte Zahnradgetriebemodell zwei Eingangsdrehmomentwerte, so dass sowohl das gemessene Drehmoment von 102 als auch das geschätzte Turbinendrehmoment von 132 verwendet werden. Bei 120 werden die gewünschten Kupplungsdrehmomentkapazitäten, die zur Erzeugung des gewünschten Schaltgefühls erforderlich sind, rechnerisch ermittelt. Bei 122 wird ein Kupplungsmodell für jede Kupplung zur Berechnung des zur Erzeugung des Solldrehmoments erforderlichen Drucks, der als ein Term des offenen Regelkreises zur Kupplungsdrucksteuerung verwendet wird, verwendet. Bei 124 wird die Differenz zwischen der gewünschten Kupplungsdrehmomentkapazität und den entsprechenden Schätzungen von 118 zur rechnerischen Ermittlung von Termen des geschlossenen Regelkreises verwendet. Bei 126 steuert die Steuerung einen Druck, der der Summe aus dem Term des offenen Regelkreises und der Terme des geschlossenen Regelkreises entspricht, an. Bei 128 können der angesteuerte Druck von 126 und das geschätzte Schaltelementdrehmoment von 118 zur Anpassung der Kupplungsmodelle verwendet werden, so dass zukünftige Schaltvorgänge aufgrund des reduzierten Verlassens auf Rückkopplungsregelung verbessert werden.
Drehmoment übertragende Getriebekomponenten, wie z. B. Wellen, Zahnräder, Kupplungen usw., haben jeweils eine maximale Drehmomenthöhe, die sie übertragen können. Bei einer Reibkupplung führt der Versuch, mehr als das maximale Drehmoment zu übertragen, zu einer rutschenden Kupplung. Bei Zahnrädern, Wellen und Freilaufkupplungen kann das Aussetzen der Komponente gegenüber mehr als dem maximalen Drehmoment zu unverzüglichem Komponentenausfall oder beschleunigter Verschlechterung und letztendlichem Ausfall führen. Idealerweise wären die Getriebekomponenten dahingehend konstruiert, das maximale Drehmoment, das der Motor erzeugen kann, bei allen Betriebszuständen zu übertragen. Dies ist jedoch oftmals nicht machbar. Das Verhältnis zwischen Motordrehmoment und Komponentendrehmoment kann sich zwischen Gangübersetzungen beträchtlich unterscheiden. Beispielsweise kann ein bestimmtes Zahnrad im Rückwärtsgang das Dreifache des Turbinendrehmoments, das wiederum das Doppelte des Motordrehmoments sein kann, übertragen. Zur Berücksichtigung dieses Zustands müsste das Zahnrad dahingehend konstruiert sein, das Sechsfache des maximalen Motordrehmoments auszuhalten. Allerdings würden die Fahrzeugräder bei dieser Drehmomenthöhe gewöhnlich Zugkraft verlieren, so dass dies in der Praxis relativ unwahrscheinlich ist, außer in seltenen Fällen, wie z. B. wenn die Räder in schlamm gefroren sind. Eine Konstruktion des Zahnrads, die so viel Drehmoment widersteht, würde die Kosten und das Gewicht erhöhen und den Wirkungsgrad bei anderen Betriebszuständen reduzieren. Als ein weiteres Beispiel kann das Getriebe eingangs zur Arbeit mit einem Motor, der ein maximales Drehmoment von 200 Nm erzeugt, konstruiert sein. Später kann der Motor so verbessert werden, dass er ein Drehmoment von 250 Nm erzeugt. Eine Modifizierung des Zahnrads kann sich als unpraktisch erweisen. Der Fahrzeughersteller kann das Getriebe mit dem verbesserten Motor verwenden, da das Getriebe unter den meisten Bedingungen 250 Nm standhalten kann und das nächstgrößere Getriebe wesentlich kostenintensiver sein kann, weniger effizient sein kann oder möglicherweise nicht in das Fahrzeug passt. Als ein drittes Beispiel kann ein Fahrzeugbesitzer den Motor nach dem Kauf des Fahrzeugs modifizieren, um zusätzliche Leistung zu erzeugen.
Also kann ein Getriebehersteller bestimmen, welche Komponente das schwächste Glied bei jedem Betriebszustand ist, und verschiedene Nennwerte für das Eingangsdrehmoment für verschiedene Betriebszustände bereitstellen. Der Fahrzeughersteller begrenzt dann das Motordrehmoment, um ein Überschreiten der Nennkapazität für den gegenwärtigen Betriebszustand zu vermeiden. Insbesondere begrenzt die Steuerung das Motordrehmoment oder schaltet in einen anderen Betriebszustand, wie z. B. eine andere Gangübersetzung oder einen Überbrückungszustand des Drehmomentwandlers, wenn sich die Motormodellvoraussage des Motordrehmoments an die angegebene Grenze für den Betriebszustand annähert. Zur Vermeidung von Ausfällen muss der Getriebehersteller die Drehmomentnennkapazität so festlegen, dass jede Komponente vor Umständen geschützt wird, die das Komponentendrehmoment über das stationäre Vielfache des Motordrehmoments erhöhen können. Beispielsweise kann das Komponentendrehmoment während der Trägheitsphase eines Schaltvorgangs durch Eingangsträgheit beeinflusst werden. Entsprechend können die Komponenten tatsächlich in der Lage sein, in vielen Situationen mehr als die Eingangsdrehmomentnennkapazität zu übertragen. Darüber hinaus ist das Motormodell vielen Rauschfaktoren ausgesetzt, die dazu führen können, dass die Motordrehmomentschätzung vom Istmotordrehmoment abweicht. Zur Vorsicht kann die Steuerung das Motordrehmoment auf eine Grenze reduzieren, die unter der Drehmomentnennkapazität liegt. Wenn beispielsweise die Drehmomentnennkapazität bei dem gegenwärtigen Betriebszustand 200 Nm beträgt und das Motordrehmomentmodell bis zu 10 Nm genau ist, kann die Steuerung das Motordrehmoment so begrenzen, dass die Schätzung 190 Nm nicht überschreitet. Manchmal kann der Motor in diesem Fall tatsächlich nur 180 Nm erzeugen.
Die Verfahren der 2 und 3 stellen die Möglichkeit der rechnerischen Ermittlung von Drehmomentschätzungen für Zahnräder und Schaltelemente in einem Zahnradgetriebe basierend auf einem Ausgangsdrehmomentsensor, Pumpenrad- und Turbinendrehzahlsensoren und verschiedenen Modellen bereit. Die Verfahren stellen auch die Möglichkeit zum dahingehenden Anpassen der Modelle, das gegenwärtige Verhalten des Systems trotz Variationen von Teil zu Teil und Komponentenänderungen im Laufe der Zeit akkurat darzustellen, bereit. 4 stellt ein Verfahren, das die akkuraten Komponentendrehmomentschätzungen zum Vermeiden von einer Überbelastung von Getriebekomponenten verwendet, dar. Das Verfahren von 9 beginnt nach der Berechnung der Zahnrad- und Schaltelementdrehmomente unter Verwendung des detaillierten Zahnradgetriebemodells, die entweder bei 106 oder 118 stattfinden kann, in Abhängigkeit davon, ob sich das Zahnradgetriebe in einer festen Gangstufe befindet oder schaltet. Bei 180 berechnet die Steuerung eine Spanne für jede Komponente von Interesse durch Subtrahieren des geschätzten Komponentendrehmoments von einem vorbestimmten Grenzdrehmoment für diese Komponente. Das Grenzdrehmoment wird gewählt, um eine Sicherheitsspanne gegen Komponentenausfall bereitzustellen. Bei 182 wird für jede Komponente ein Motordrehmoment berechnet, das das Komponentendrehmoment in der Nähe der vorbestimmten Grenze hält. Diese Drehmomente werden unter Verwendung von Termen des geschlossenen Regelkreises rechnerisch ermittelt, die basierend auf der Spanne rechnerisch ermittelt werden (im Gegensatz zur rechnerischen Ermittlung basierend auf einem gemessenen Fehler). Die Terme können proportionale, abgeleitete und integrale Terme umfassen. Bei 184 berechnet die Steuerung ein Grenzdrehmoment unter Wahl des niedrigsten der bei 182 rechnerisch ermittelten Motordrehmomente unter all den Komponenten von Interesse. Bei 186 berechnet die Steuerung ein Motornenndrehmoment basierend auf einem vom Fahrer angeforderten Drehmoment und der gegenwärtigen Gangstufe. Dieses Nenndrehmoment ist das Drehmoment, das normalerweise angesteuert werden würde. Bei 188 steuert die Steuerung den Motor dahingehend an, das niedrigere Drehmoment – das Nenndrehmoment oder das Grenzdrehmoment – zuzuführen.
Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen, die von den Ansprüchen umfasst werden, beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind eher beschreibende als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Obgleich verschiedene Ausführungsformen hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik Vorteile bietend oder bevorzugt beschrieben wurden, ist für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass zwischen einer oder mehreren Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden können, um die gewünschten Systemmerkmale zu erreichen, die von der besonderen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Die Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0345022 [0035]
EP 1712767 A1 [0043]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Getriebes während eines Fahrzyklus, das Folgendes umfasst: wiederholtes Messen eines Getriebeausgangsdrehmoments; wiederholtes Messen einer Getriebeeingangsdrehzahl; wiederholtes Schätzen eines Drehmoments an einer Getriebekomponente basierend auf der Schätzung des Ausgangsdrehmoments und der Schätzung der Eingangsdrehzahl; und Einstellen eines Motordrehmoments als Reaktion darauf, dass sich das geschätzte Komponentendrehmoment einem vorbestimmten Grenzwert annähert, um eine Überbelastung der Getriebekomponente zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen des Drehmoments an der Getriebekomponente auch auf einer Ableitung der Getriebeeingangsdrehzahl basiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner wiederholtes Messen einer Turbinendrehzahl umfasst und wobei das Schätzen des Drehmoments an der Getriebekomponente auch auf der Turbinendrehzahlmessung basiert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der Getriebekomponente um ein Zahnrad handelt.
Getriebesteuerung, die Folgendes umfasst: Kommunikationskanäle zum Empfangen eines Ausgangsdrehmomentsignals und eines Getriebeeingangsdrehzahlsignals und zum Senden einer Anforderung, ein Motordrehmoment zu begrenzen; und Steuerlogik, die zum Schätzen eines Drehmoments an einer Getriebekomponente basierend auf dem Ausgangsdrehmoment- und dem Eingangsdrehzahlsignal, und Anfordern einer Reduzierung des Motordrehmoments als Reaktion darauf, dass sich das geschätzte Komponentendrehmoment einem vorbestimmten Grenzwert annähert, um eine Überbelastung der Getriebekomponente zu vermeiden, programmiert ist.
Steuerung nach Anspruch 5, wobei das Schätzen des Drehmoments an der Getriebekomponente auch auf einer Ableitung der Getriebeeingangsdrehzahl basiert.
Steuerung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Kommunikationskanäle ferner ein Turbinendrehzahlsignal empfangen und wobei die Steuerlogik ferner dazu programmiert ist, die Turbinendrehzahl zum Schätzen des Drehmoments an der Getriebekomponente zu verwenden.
Steuerung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei es sich bei der Getriebekomponente um ein Zahnrad handelt.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, das Folgendes umfasst: während des Betriebs bei einer ersten Temperatur mit einer gegebenen Motordrehzahl in einer gegebenen Gangstufe bei geöffnetem Drehmomentwandler, dahingehendes Einstellen einer Drosselklappenstellung, ein durch ein Zahnrad oder eine Kupplung übertrages Drehmoment bei einer Drehmomentgrenze zu halten, während sich eine auf der Drosselklappenstellung basierende Motordrehmomentschätzung bei einer ersten Stufe befindet; und während des Betriebs bei einer zweiten Temperatur mit der gegebenen Motordrehzahl in der gegebenen Gangstufe bei geöffnetem Drehmomentwandler, dahingehendes Einstellen der Drosselklappenstellung, das durch das Zahnrad oder die Kupplung übertragene Drehmoment bei der Drehmomentgrenze zu halten, während sich die Motordrehmomentschätzung bei einer zweiten Stufe befindet, die von der ersten Stufe verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner Folgendes umfasst: Messen eines Ausgangsdrehmoments; Messen einer Motordrehzahl; Messen einer Turbinendrehzahl; und Schätzen des durch das Zahnrad oder die Kupplung übertragenen Drehmoments basierend auf dem gemessenen Ausgangsdrehmoment, der gemessenen Motordrehzahl und der gemessenen Turbinendrehzahl.