DE102016206582A1

DE102016206582A1 - Pneumatische Steuerung

Info

Publication number: DE102016206582A1
Application number: DE102016206582.3A
Authority: DE
Inventors: Alain Tierry Chamaken Kamde; Wilhelm Moser
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-10-19
Also published as: CN107387749A; BR102017006435B1; CN107387749B; BR102017006435A2

Abstract

Eine Betätigungseinrichtung (120) umfasst einen Zylinder (125) und einen Kolben (130), der den Zylinder (125) verschiebbar abschließt. Mittels eines Ventils (155) kann ein Massenstrom von Luft eines vorbestimmten Drucks in den Zylinder (125) gesteuert werden. Ein Verfahren (200) zum Steuern einer Betätigungskraft (F_act), die mittels der pneumatischen Betätigungseinrichtung (120) bereitgestellt wird, umfasst Schritte des Abtastens (205) einer Stellung des Kolbens (130) im Zylinder (125); des Bestimmens (210) eines Massenstroms von Luft in den Zylinder (125); des Bestimmens (220) eines pneumatischen Drucks im Zylinder (125) auf der Basis des Massenstroms und der Stellung (150); des Bestimmens (220) einer am Kolben (130) bereitgestellten Betätigungskraft (F_act) auf der Basis des Drucks und einer wirksamen Kolbenfläche; und des Steuerns (225) der Betätigung des Ventils (155) in Abhängigkeit der bereitgestellten Betätigungskraft (F_act) und einer gewünschten Betätigungskraft (F_soll).

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Steuerung. Insbesondere betrifft die Erfindung die pneumatische Steuerung eines Vorgangs in einem Schaltgetriebe.
In einem mechanischen Schaltgetriebe, beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, können unterschiedliche Gangstufen eingelegt werden. Das Einlegen oder Auslegen einer Gangstufe kann mittels einer pneumatischen Betätigungseinrichtung bewirkt werden, die einen Zylinder und einen beweglich im Zylinder aufgenommenen Kolben umfasst. Der Kolben wirkt dabei über eine Kolbenstange auf ein Betätigungselement, dessen Stellung bestimmt, ob die Gangstufe eingelegt oder ausgelegt ist. Eine Druckluftquelle stellt Luft bereit, die unter einem vorbestimmten, konstanten Druck steht. Mittels eines Ventils kann Luft aus der Druckluftquelle in den Zylinder entlassen werden, sodass der Druck im Zylinder ansteigt und auf den Kolben eine Kraft ausgeübt wird, die an das Betätigungselement weitergeleitet wird.
Die Betätigung des Ventils kann in unterschiedlichen Stärken gesteuert werden, sodass unterschiedlich große Massenströme von Luft durch das Ventil strömen können. Dementsprechend bewegt sich der Kolben im Zylinder schneller oder langsamer und eine Kraft, die auf das Betätigungselement ausgeübt wird, ist größer oder kleiner. Es ist wünschenswert, die Betätigungskraft, die durch den Kolben bereitgestellt wird, möglichst genau zu steuern. Ist die Betätigungskraft zu groß, so kann das Betätigungselement zu schnell bewegt werden, sodass eine Synchronisiereinrichtung des Schaltgetriebes mechanisch strapaziert werden kann. Ist die Betätigungskraft hingegen zu klein, so kann das Einlegen oder Auslegen der Gangstufe länger als erforderlich dauern, sodass eine Schaltdynamik des Schaltgetriebes verringert sein kann.
DE 10 2006 058 913 A1 betrifft eine Steuerungsvorrichtung für ein Getriebe, wobei eine zweifach wirksame Betätigungseinrichtung mittels zugeordneten Magnetventilen so angesteuert wird, dass sich auf unterschiedlichen Seiten eines Kolbens unterschiedliche Drücke einstellen.
Zur Steuerung der Betätigungskraft kann der im Zylinder herrschende Druck mittels eines Sensors gemessen werden. Ein solcher Sensor ist jedoch kostenintensiv und kann fehleranfällig sein. Bekannte Techniken zur sensorlosen Steuerung der Betätigungskraft erzielen nicht immer ausreichend gute Ergebnisse. Außerdem muss für ein solches Verfahren eine Ansteuerzeit des Ventils häufig experimentell bestimmt werden, sodass eine zeitaufwendige Kalibrierung des Verfahrens nötig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Steuerung der Betätigungskraft einer pneumatischen Betätigungseinrichtung bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine Betätigungseinrichtung umfasst einen Zylinder und einen Kolben, der den Zylinder verschiebbar abschließt. Mittels eines Ventils kann ein Massenstrom von Luft eines vorbestimmten Drucks in den Zylinder gesteuert werden. Ein Verfahren zum Steuern einer Betätigungskraft, die mittels der pneumatischen Betätigungseinrichtung bereitgestellt wird, umfasst Schritte des Abtastens einer Stellung des Kolbens im Zylinder; des Bestimmens eines Massenstroms von Luft in den Zylinder; des Bestimmens eines pneumatischen Drucks im Zylinder auf der Basis des Massenstroms und der Stellung; des Bestimmens einer am Kolben bereitgestellten Betätigungskraft auf der Basis des Drucks und einer wirksamen Kolbenfläche; und des Steuerns der Betätigung des Ventils in Abhängigkeit der bereitgestellten Betätigungskraft und einer gewünschten Betätigungskraft.
Die Betätigungskraft kann so verbessert gesteuert werden, sodass ein guter Kompromiss zwischen schonend langsamer und zielführend schneller Betätigung einer Einrichtung mittels des Kolbens gebildet werden kann. Ein Drucksensor zur Bestimmung des im Zylinder herrschenden Drucks ist dabei nicht erforderlich. Der Druck des in das Ventil fließenden Massenstroms von Luft wird als konstant vorausgesetzt. Dieser Druck, der auch Systemdruck genannt wird, kann mittels eines Sensors bestimmt oder mittels eines Verfahrens geschätzt werden. Durch das Bestimmen der Stellung des Kolbens bezüglich des Zylinders kann eine Rückkopplung erfolgen, die eine verbesserte Steuerung des Ventils auf die gewünschte Betätigungskraft erlauben kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Massenstrom mittels eines Kennfelds auf der Basis der Betätigung des Ventils und eines Druckverhältnisses bestimmt. Dabei gibt das Druckverhältnis den Druck einer mit dem Ventil verbundenen Druckluftquelle bezüglich des Drucks im Zylinder (oder umgekehrt) an.
Das Kennfeld kann auf einfache Weise für das Ventil bestimmt werden, beispielsweise experimentell. Üblicherweise werden in einer Steuervorrichtung, beispielsweise zur Steuerung des oben beschriebenen Getriebes, mehrere Ventile verwendet, die baugleich sein können und denen daher das gleiche Kennfeld zugeordnet sein kann. Auch ein größeres oder komplexeres Steuersystem kann dadurch relativ einfach aufgebaut werden. Durch das Verwenden des Kennfelds kann die Masse der Luft im Zylinder zu jedem Zeitpunkt einfach und genau bestimmt werden.
Es ist besonders bevorzugt, dass der im Zylinder herrschende Druck iterativ auf der Basis einer Druckdynamikgleichung bestimmt wird. Dazu kann eine Differentialgleichung verwendet werden, von deren Resultat ein Teil als neue Eingangsgröße für die Bestimmung in einer folgenden Iteration verwendet wird. Die Bestimmung des Drucks kann rasch einschwingen und die Druckbestimmung der Luft im Zylinder kann schnell und genau erfolgen.
Mittels der Druckdynamikgleichung kann auf der Basis des Massenstroms und einer Änderung der Stellung eine Änderung des Drucks bestimmt werden. Die bestimmte absolute Stellung des Kolbens kann ebenfalls als Eingangsgröße für die Druckdynamikgleichung verwendet werden. Der Druck im Zylinder kann dann durch Integrieren der Druckänderung über die Zeit bestimmt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform steuert die Betätigungseinrichtung das Einlegen oder Auslegen einer Gangstufe in einem Schaltgetriebe, wobei die gewünschte Betätigungskraft in Abhängigkeit der Gangstufe gewählt wird. Das Schaltgetriebe kann auf diese Weise besonders feinfühlig und trotzdem exakt gesteuert werden. Für jede Gangstufe kann individuell eine gewünschte Betätigungskraft vorbestimmt werden, sodass für jede Gangstufe ein möglichst optimaler Kompromiss zwischen rascher und starker oder langsamer und schonender Betätigung gefunden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform sind zwei Kennfelder vorgegeben, die zu unterschiedlichen Verschleißzuständen des Ventils korrespondieren. Beispielsweise kann das erste Kennfeld zu einem neuen Ventil korrespondieren. Beim Bestimmen des Massenstroms kann in Abhängigkeit der Betriebsdauer des Ventils und ggf. einer projektierten Lebensdauer zwischen Massenstromwerten beider Kennfelder interpoliert werden. Dazu können ein erster Massenstromwert mittels des ersten Kennfelds und ein zweiter Massenstromwert mittels des zweiten Kennfelds bestimmt werden und ein Punkt zwischen den bestimmten Massenstromwerten kann in Abhängigkeit einer prozentual erreichten Lebensdauer des Ventils, beispielsweise mittels linearer Regression, bestimmt werden. Der solchermaßen bestimmte Massenstrom kann im oben beschriebenen Verfahren weiter verwendet werden. Das Verschleißverhalten des Ventils kann somit modelliert werden, um weiter verbesserte Bestimmungs- oder Steuerergebnisse zu erzielen.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann auf der Basis einer Differenz zwischen der bestimmten Betätigungskraft und der gewünschten Betätigungskraft ein Korrekturfaktor bestimmt werden und die Betätigung des Ventils bei einer folgenden Steuerung um den Korrekturfaktor angepasst werden. Auf diese Weise kann eine adaptive Anpassung der Betätigung des Ventils implementiert sein, wodurch beispielsweise ein Ansteuerspiel des Ventils, also ein mechanisches Spiel zwischen einer insbesondere elektrischen Betätigungseinrichtung und einer mechanischen Flusssteuerung des Massenstroms, automatisch kompensiert werden kann. Der Korrekturfaktor wird bevorzugterweise angewandt, indem eine bestimmte Ausgangsgröße des Verfahrens mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird. Das Ventil kann elektrisch moduliert angesteuert werden. Im Fall einer Pulsfrequenzmodulation (PFM) kann die Ausgangsgröße eine Frequenz und im Fall einer Pulsweitenmodulation (PWM) eine Pulsweite oder ein Pulsweitenverhältnis („duty cycle“) umfassen.
Eine Steuervorrichtung für die oben beschriebene pneumatische Betätigungseinrichtung umfasst eine Abtasteinrichtung zur Abtastung einer Stellung des Kolbens im Zylinder; eine Schnittstelle zu einem Ventil zur Steuerung eines Massenstroms von Luft eines vorbestimmten Drucks in den Zylinder; eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen; und das Ventil anzusteuern, um eine durch die Betätigungseinrichtung bereitgestellte Betätigungskraft einer gewünschten Betätigungskraft anzugleichen.
Die Verarbeitungseinrichtung kann insbesondere als programmierbarer Mikrocomputer oder Mikrocontroller ausgeführt sein. Dabei kann die Verarbeitungseinrichtung auch noch andere Steueraufgaben wahrnehmen, beispielsweise weitere Vorgänge beim Wechseln einer Gangstufe in einem Schaltgetriebe.
Ein Steuersystem umfasst die oben beschriebene Steuervorrichtung, die Betätigungseinrichtung und das Ventil.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 ein Steuersystem für ein Schaltgetriebe;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens; und
3 ein beispielhaftes Kennfeld für das Verfahren von 2
darstellt.
1 zeigt ein Steuersystem 100 für ein Schaltgetriebe 105. Das Schaltgetriebe 105 kann insbesondere in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Beispielsweise kann das Schaltgetriebe 105 ein Hauptgetriebe 110 und eine Bereichsgruppe 115 umfassen und dazu eingerichtet sein, in einem Nutzfahrzeug verwendet zu werden. Zum Einlegen oder Auslegen einer Gangstufe im Hauptgetriebe 110 oder der Bereichsgruppe 115 ist jeweils eine Betätigungseinrichtung 120 vorgesehen, die einen Zylinder 125 und einen Kolben 130 umfasst. Im Wesentlichen kann für die hier vorgestellte Technik eine beliebige Betätigungseinrichtung 120 verwendet werden und nicht nur eine der hier exemplarisch dargestellten. Die Bauform des Schaltgetriebes 105 kann von der beschriebenen Bauform abweichen.
Die dem Hauptgetriebe 110 zugeordnete Betätigungseinrichtung 120 umfasst in der dargestellten Ausführungsform zusätzlich zum Kolben 130 einen Schleppkolben 135. Der Kolben 130 wirkt, beispielsweise über eine Kolbenstange 140 und ein Betätigungselement 145, auf den jeweiligen Getriebeteil 110, 115. Werden die Druckverhältnisse im Inneren des Zylinders 125 verändert, so stellt die Betätigungseinrichtung 120 mittels des Kolbens 130 eine Betätigungskraft bereit, die eine Stellung 150, die unten auch mit x bezeichnet wird, gegenüber dem Zylinder 125 zu verändern sucht. Die dargestellte Betätigungseinrichtung 120 mit dem Schleppkolben 135 ist dazu eingerichtet, in eine von drei Stellungen 150 verfahren zu werden, die mit 1, N und 2 markiert sind. Dabei kann N einem Leerlauf entsprechen und die anderen beiden Stellungen 1 und 2 können jeweils eine im Schaltgetriebe 105 eingelegte Gangstufe beeinflussen. Die gezeigten Stellungen 1 und 2 können jeweils zu mehreren Gangstufen korrespondieren, von denen in Abhängigkeit einer weiteren Betätigungseinrichtung 120 eine ausgewählt werden kann. Die andere dargestellte Betätigungseinrichtung 120 ist dazu eingerichtet, an der Bereichsgruppe 115 eine von zwei Stellungen 150 anzusteuern, die mit H und L bezeichnet sind.
In exemplarischer Weise sind beide dargestellten Betätigungseinrichtungen 120 doppelt wirkend ausgeführt, einfach wirkende Varianten sind jedoch auch möglich. An jeder Betätigungseinrichtung 120 ist wenigstens ein Ventil 155 vorgesehen, um jeweils einen Volumenstrom von Luft in einen Raum der Betätigungseinrichtung 120 einzulassen, der verschiebbar mittels des Kolbens 130 abgeschlossen ist. Die Ventile 155 sind üblicherweise als 3/2-Wege Ventile ausgeführt. Die Betätigungseinrichtung 120, die dem Hauptgetriebe 110 zugeordnet ist, verfügt in der vorliegenden Ausführungsform wegen des Einsatzes des Schleppkolbens 135 zusätzlich über Sperrventile 160, deren Funktion im Folgenden nicht weiter betrachtet wird.
Eines der Ventile 155 ist bevorzugt dazu eingerichtet, elektrisch betätigt zu werden. Dazu umfasst das Ventil 155 eine Spule 165, die, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen wird, ein Durchflusselement des Ventils 155 auslenkt und so das Strömen eines Massenstroms durch das Ventil 155 ermöglicht oder verhindert. Das Ventil 155 ist bevorzugt ein Schaltventil, das nur eine feste Anzahl (hier zwei) vorbestimmter Zustände einnehmen kann. Die Spule 165 kann moduliert angesteuert werden, um das Ventil 155 periodisch zu öffnen und zu schließen, sodass sich im zeitlichen Mittel ein vorbestimmter Massenstrom durch das Ventil 155 ergibt. In einer Ausführungsform wird hierzu eine Pulsfrequenzmodulation verwendet, in einer anderen eine Pulsweitenmodulation. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann das Ventil 155 auch ein Stetigventil umfassen, dessen Durchflussverhalten proportional zu einem Strom durch die Spule 165 ist.
Die Ventile 155 werden gespeist aus einer Druckluftquelle 170, die dazu eingerichtet ist, Luft bereitzustellen, die unter einem vorbestimmten, konstanten Druck p1 steht, der auch Systemdruck genannt wird. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Druckluftquelle 170 einen Kompressor 175, einen Druckminderer 180 und einen optionalen Druckspeicher 185. Die zur Speisung der Ventile 155 verwendete Druckluft kann jedoch auch aus einer beliebigen anderen Quelle stammen.
Die Steuerung von elektrischen Strömen durch die einzelnen Spulen 165, um jeweils das zugeordnete Ventil 155 zu betätigen, erfolgt mittels einer Verarbeitungseinrichtung 190. Die Verarbeitungseinrichtung 190 ist mit einer Abtasteinrichtung 192 verbunden, die an der Betätigungseinrichtung 120 vorgesehen ist, um die Stellung 150 des Kolbens 130 bezüglich des Zylinders 125 abzutasten, wobei die Stellung 150 bevorzugt analog, also stufenlos über den gesamten zur Verfügung stehenden Weg, bestimmt wird. Wird eine digitale Abtastung verwendet, so sollten damit ausreichend viele diskrete Stellungen 150 unterschieden werden können, um die hier vorgestellte Technik mit guten Resultaten anwenden zu können. In der Darstellung von 1 sind zur besseren Darstellung die Abtasteinrichtungen 192 und Verbindungen zu den Spulen 165 nur an der Betätigungseinrichtung 120 eingezeichnet, die der Bereichsgruppe 115 zugeordnet ist.
Zwischen der Verarbeitungseinrichtung 190 und einer Spule 165 eines Ventils 155 kann eine Schnittstelle 195 vorgesehen sein, insbesondere eine trennbare elektrische Schnittstelle 195. Die Verarbeitungseinrichtung 190, die Abtasteinrichtung 192 und die Schnittstelle 195 bilden zusammen eine Steuervorrichtung 198.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200. Das Verfahren 200 ist bevorzugt dazu eingerichtet, auf der Steuervorrichtung 198 und insbesondere auf der Verarbeitungseinrichtung 190 abzulaufen, um die Bereitstellung einer Betätigungskraft mittels einer Betätigungseinrichtung 120 zu steuern. Das dargestellte Verfahren 200 wird vorzugsweise iterativ durchlaufen, wobei das Ergebnis eines Durchlaufs als Eingangsgröße für einen folgenden Durchlauf verwendet wird. Dem Verfahren 200 liegt der Gedanke zugrunde, dass die Änderung des Drucks im Zylinder 125 über die Zeit als Differentialgleichung ausgedrückt werden kann, die auch Druckdynamikgleichung genannt werden kann.
Dabei gilt für die Schaltung in Richtung kleinerer Positionswerte x:
Für die Schaltung in Richtung größerer Positionswerte x gilt:
Dabei ist:

p: der Druck im Zylinder 125
A: die wirksame Kolbenfläche des Kolbens 130
R_s: die spezifische Gaskonstante von Luft: 287,058 J / kg·K
m: die im Zylinder 125 befindliche Masse Luft
T: die Temperatur der Luft im Zylinder 125
x: die Stellung 150 des Kolbens 130 im Zylinder 125
x_min: die minimale Stellung 150 des Kolbens 130 im Zylinder 125
x_max: die maximale Stellung 150 des Kolbens 130 im Zylinder 125.

Das Verfahren 200 kann in einem Schritt 205 begonnen werden, in welchem die Stellung x des Kolbens 130 im Zylinder 125 der betrachteten Betätigungseinrichtung 120 bestimmt wird. In diesem Schritt kann auch eine Ableitung der Stellung 150 nach der Zeit bestimmt werden, was einer Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 130 im Zylinder 125 entspricht. In einem nachfolgenden Schritt 210 wird die Druckdynamik der Betätigungseinrichtung 120 bestimmt, wofür eine der oben genannten Gleichungen verwendet wird. Hierzu ist ein durch das Ventil 155 bzw. in den Zylinder 125 strömender Massenstrom erforderlich, der in einem vorausgehenden Durchlauf des Verfahrens 200 bestimmt worden sein kann oder mit einem vorbestimmten Initialwert gleichgesetzt werden kann.
Die im Schritt 210 bestimmte Änderung des Drucks nach der Zeit wird in einem Schritt 215 über die Zeit aufintegriert, sodass der im Zylinder 125 herrschende Druck bestimmt wird. Der bestimmte Druck kann dem Schritt 210 für einen nachfolgenden Durchlauf des Verfahrens 200 bereitgestellt werden. In einem Schritt 220 kann auf der Basis der wirksamen Fläche A des Kolbens 130 die bereitgestellte Betätigungskraft F_act bestimmt werden. Die wirksame Fläche A ist ein unveränderlicher Parameter der Betätigungseinrichtung 120 und kann als bekannt vorausgesetzt werden.
In einem Schritt 225 erfolgt eine Regelung der bereitgestellten Betätigungskraft F_act, indem eine Stellgröße für das Ventil 155 auf der Basis eines Unterschieds zwischen der bestimmten Betätigungskraft F_act und einer gewünschten Betätigungskraft F_soll bestimmt wird.
Falls das Zeitverhalten oder ein Ansteuerspiel des Ventils 155 die hier vorgeschlagene Regelung nicht oder nur schwer ermöglicht, kann die Differenz zwischen der bestimmten Betätigungskraft F_act und der gewünschten Betätigungskraft F_soll zur Bestimmung eines Korrekturfaktors k verwendet werden. Die Steuergröße, die im Schritt 225 bestimmt wird und die zur Einstellung eines Stroms durch eine Spule 165 eines Ventils 155 verwendet wird, kann in einem nachfolgenden Durchlauf des Verfahrens 200 mit dem Korrekturfaktor k multipliziert werden, um ein verbessertes Regelergebnis zu erzielen.
In einem Schritt 230 wird die bestimmte Steuergröße umgewandelt, um das Ventil 155 zu betätigen. Beispielsweise können eine gewünschte Spannung oder ein elektrischer Strom durch die Spule 165 bei PFM in eine Betätigungsfrequenz oder bei PWM in ein Pulsweitenverhältnis umgerechnet werden.
In einem Schritt 235 wird dann auf der Basis der bestimmten Betätigung ein Massenstrom von Luft bestimmt, der durch das Ventil 155 strömt. Der Massenstrom wird bevorzugt mittels eines zweidimensionalen Kennfelds bestimmt, der zwei Eingangsgrößen auf die Ausgangsgröße des Massenstroms abbildet. Die eine Eingangsgröße entspricht dabei der Betätigung, die im Schritt 230 bestimmt wurde, und die andere Eingangsgröße betrifft ein Verhältnis zwischen dem Systemdruck p1, der mittels Druckluftquelle 170 bereitgestellt wird, und dem im Zylinder 125 herrschenden Druck. Dieses Druckverhältnis kann in Kenntnis des Systemdrucks p1 auf der Basis des im Schritt 215 bestimmten Drucks bestimmt werden. In einer anderen Ausführungsform kann das Druckverhältnis auch aus der bestimmten Betätigungskraft abgeleitet werden. Der bereitgestellte Massenstrom trägt üblicherweise die Einheit kg/s, gibt also die Masse von Luft an, die bei der gewählten Betätigung pro Zeiteinheit durch das Ventil 155 strömt.
3 zeigt ein beispielhaftes Kennfeld 300 für den Schritt 235 des Verfahrens 200 von 2. Eine erste Eingangsgröße 305 betrifft eine Betätigung des Ventils 155. Dabei wird von einer frequenzmodulierten Ansteuerung der Spule 165 des Ventils 155 ausgegangen, sodass die Frequenz in Hertz als erste Eingangsgröße 305 angetragen ist. Eine zweite Eingangsgröße 310 betrifft ein Verhältnis aus dem im Zylinder 125 herrschenden Druck und dem Systemdruck p1, der mittels der Druckluftquelle 170 in 1 bereitgestellt sein kann. Der Systemdruck p1 steht dabei bevorzugt im Nenner. Als Verhältnis zweier Drücke hat diese Größe keine Einheit.
In vertikaler Richtung ist eine Ausgangsgröße 315 angetragen, die dem Massenstrom der durch das Ventil 155 strömenden Luft entspricht. Da der Systemdruck p1 konstant ist und der Druck im Zylinder 125 im Vergleich dazu üblicherweise sehr klein ist, wird das Ventil 155 praktisch immer im überkritischen Bereich betrieben, sodass sich ein konstanter Massenstrom ergibt.
In einer weiteren Ausführungsform können unterschiedliche Kennfelder 300 bereitgestellt sein, die unterschiedliche Verschleißzustände des Ventils 155 ausdrücken. Ein erstes Kennfeld 300 kann beispielsweise ein neues Ventil 155 betreffen und ein zweites Kennfeld 300 ein Ventil 155 am Ende seiner projektierten Lebensdauer, beispielsweise nach einer Betriebszeit von 2000 Stunden. Mittels des ersten Kennfelds 300 kann dann ein erster Massenstrom und mittels des zweiten Kennfelds 300 ein zweiter Massenstrom bestimmt werden. Beträgt die aktuelle Betriebszeit des Ventils 155 beispielsweise 200 Stunden, hat das Ventil 155 also etwa 10 Prozent seiner projektierten Lebensdauer erreicht, so kann zwischen den beiden bestimmten Massenströmen ein Punkt bestimmt werden, dessen Abstand zum ersten Massenstrom ein Zehntel und zum zweiten Massenstrom neun Zehntel beträgt. Dieser Punkt repräsentiert dann den Massenstrom, der mittels der Kennfelder 300 in Abhängigkeit eines Verschleißverhaltens des Ventils 155 bestimmt wurde.
Bezugszeichenliste

100: Steuersystem
105: Schaltgetriebe
110: Hauptgetriebe
115: Bereichsgruppe
120: Betätigungseinrichtung
125: Zylinder
130: Kolben
135: Schleppkolben
140: Kolbenstange
145: Betätigungselement
150: Stellung
155: Ventil
160: Sperrventil
165: Spule
170: Druckluftquelle
175: Kompressor
180: Druckminderer
185: Druckspeicher
190: Verarbeitungseinrichtung
192: Abtasteinrichtung
195: Schnittstelle
198: Steuervorrichtung
200: Verfahren
205: Stellung x bestimmen
210: Druckdynamik: Bestimmen dp/dt
215: Integrieren nach der Zeit
220: Bestimmen Betätigungskraft F_act
225: Regeln
230: Umwandeln
235: Bestimmen Massenstrom
300: Kennfeld
305: erste Eingangsgröße
310: zweite Eingangsgröße
315: Ausgangsgröße

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006058913 A1 [0004]

Claims

Verfahren (200) zum Steuern einer Betätigungskraft (F_act), die mittels einer pneumatischen Betätigungseinrichtung (120) bereitgestellt wird, wobei die Betätigungseinrichtung (120) einen Zylinder (125) und einen den Zylinder (125) verschiebbar abschließenden Kolben (130) umfasst, wobei mittels eines Ventils (155) ein Massenstrom von Luft eines vorbestimmten Drucks in den Zylinder (125) gesteuert werden kann, und wobei das Verfahren (200) folgende Schritte umfasst: Abtasten (205) einer Stellung (150) des Kolbens (130) im Zylinder (125); Bestimmen (235) eines Massenstroms von Luft in den Zylinder (125); Bestimmen (210) eines pneumatischen Drucks im Zylinder (125) auf der Basis des Massenstroms und der Stellung (150); Bestimmen (220) einer am Kolben (130) bereitgestellten Betätigungskraft (F_act) auf der Basis des Drucks und einer wirksamen Kolbenfläche; und Steuern (225) der Betätigung des Ventils (155) in Abhängigkeit der bereitgestellten Betätigungskraft (F_act) und einer gewünschten Betätigungskraft (F_soll).
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei der Massenstrom mittels eines Kennfelds (300) auf der Basis der Betätigung des Ventils (155) und eines Druckverhältnisses bestimmt wird, das zwischen dem Druck einer mit dem Ventil (155) verbundenen Druckluftquelle (170) und einem Druck im Zylinder (125) besteht.
Verfahren (200) nach Anspruch 2, wobei der im Zylinder (125) herrschende Druck iterativ auf der Basis einer Druckdynamikgleichung bestimmt wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 3, wobei mittels der Druckdynamikgleichung auf der Basis des Massenstroms und einer Änderung der Stellung (150) eine Änderung des Drucks bestimmt wird.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Druckdynamikgleichung für steigende x lautet:
und für fallende x:
wobei p der Druck im Zylinder (125), A die wirksame Kolbenfläche (130), R_s die spezifische Gaskonstante von Luft, m die im Zylinder (125) befindliche Masse Luft, T die Lufttemperatur, x die Stellung (150) des Kolbens (130) im Zylinder (125), x_min die minimale und x_max die maximale Stellung (150) des Kolbens (130) im Zylinder (125) ist.
Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Betätigungseinrichtung (120) das Einlegen oder Auslegen einer Gangstufe in einem Schaltgetriebe (105) steuert und die gewünschte Betätigungskraft (F_soll) in Abhängigkeit der Gangstufe gewählt wird.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei zwei Kennfelder (300) vorgegeben sind, die zu unterschiedlichen Verschleißzuständen des Ventils (155) korrespondieren, und in Abhängigkeit der Betriebsdauer des Ventils (155) zwischen Massenstrom-Werten beider Kennfelder (300) interpoliert wird.
Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Basis einer Differenz zwischen der bestimmten Betätigungskraft (F_act) und der gewünschten Betätigungskraft (F_soll) ein Korrekturfaktor (k) bestimmt wird und die Betätigung des Ventils (155) bei einer folgenden Steuerung um den Korrekturfaktor angepasst wird.
Steuervorrichtung (198) für eine pneumatische Betätigungseinrichtung (120), wobei die Betätigungseinrichtung (120) einen Zylinder (125) und einen Kolben (130) umfasst, der den Zylinder (125) verschiebbar abschließt, und wobei die Steuervorrichtung folgendes umfasst: eine Abtasteinrichtung zur Abtastung einer Stellung (150) des Kolbens (130) im Zylinder (125); eine Schnittstelle zu einem Ventil (155) zur Steuerung eines Massenstroms von Luft eines vorbestimmten Drucks in den Zylinder (125); eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen und das Ventil (155) anzusteuern, um eine durch die Betätigungseinrichtung (120) bereitgestellte Betätigungskraft (F_act) einer gewünschten Betätigungskraft (F_soll) anzugleichen.
Steuersystem (100), umfassend die Steuervorrichtung nach Anspruch 9, die Betätigungseinrichtung (120) und das Ventil (155).