DE102018111150A1

DE102018111150A1 - Verfahren zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018111150A1
Application number: DE102018111150.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hoffmann; Jan Faißt; Olaf Werner; Stefan Winkelmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: CN111819430A; CN111819430B; DE102018111150B4; WO2019214767A1; US11491991B2; DE112019002351A5; US20210229669A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität eines Antriebsstrangs (2) eines Kraftfahrzeugs (1). Es wird hierzu vorgeschlagen, eine Fahrzeugkarosserie (5) in Längsschwingungen in Fahrtrichtung zu versetzen und abhängig von hierzu ermittelten Längsbeschleunigungen der Fahrzeugkarosserie (5) und dadurch bedingten Winkelbeschleunigungen einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes des Kraftfahrzeugs (1) einen Parameter für die Triebstrangsensitivität zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
Die Triebstrangsensitivität eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs ist für die Rupfanfälligkeit einer in dem Antriebsstrang zwischen einer Brennkraftmaschine und einem Getriebe angeordneten Reibungskupplung von relevanter Bedeutung. Die Triebstrangsensitivität wird aktuell mit einer Vielzahl von Fahrzeugsensoren oder individuell von Testpersonen abgeschätzt. Zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität kamen daher in den letzten Jahren vermehrt entsprechende Simulationsmodelle des Triebstranges zum Einsatz, mit denen die Triebstrangsensitivität eines gegebenen Kraftfahrzeuges bestimmt werden konnte. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass, falls keine oder nur unzureichende Daten vorliegen, die Parameteridentifikation für das Simulationsmodell mit relativ hohen Aufwendungen verbunden ist. Aufgabe der Erfindung ist, ein einfaches und objektives Verfahren zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Ermittlung der Triebstrangsensitivität eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Zur Vereinfachung und Objektivierung der Ermittlung der Triebstrangsensitivität wird eine Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs mit dem zu prüfenden Antriebsstrang in Längsschwingungen in Fahrtrichtung versetzt und abhängig von hierzu ermittelten Längsbeschleunigungen der Fahrzeugkarosserie und dadurch bedingten Winkelbeschleunigungen einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes des Kraftfahrzeugs wird ein Parameter für die Triebstrangsensitivität ermittelt.
Mittels des Parameters kann eine Einschätzung einer Rupfanfälligkeit einer zwischen einer Brennkraftmaschine und dem Getriebe angeordneten Reibungskupplung ermittelt werden. Der Parameter kann frequenzabhängig von der Frequenz der Längsschwingungen ermittelt werden. Zur Erzeugung der Längsschwingungen kann beispielsweise ein Linearschwinger mit vorgegebener Exzentermasse mit der Fahrzeugkarosserie verbunden werden. Der Parameter kann abhängig von der Exzentermasse ermittelt werden. Erfasste Winkelbeschleunigungssignale der Winkelbeschleunigung können mittels zumindest eines Ordnungsfilters behandelt werden. Der Parameter kann abhängig von einem in dem Getriebe geschalteten Gang ermittelt werden. Der Parameter kann mittels einer vorgegebenen Kohärenz validiert werden. Vorteilhafterweise kann ein Frequenz-Sweep der Längsschwingungen über eine vorgegebene Anzahl gleicher Schwingungsperioden durchgeführt werden. Die Längsschwingungen können mit über die Frequenz konstanter Kraftanregung vorgegeben werden. Zur Anregung der Längsschwingungen können harmonische oder nicht harmonische Schwingungen, ein Rauschen oder dergleichen vorgesehen sein. Da zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität die Beschleunigung der Fahrzeugkarosserie und hierzu relevante Kräfte entscheidend sind, kann die Masse des Längsschwingers variabel vorgegeben werden, um die entsprechenden Kräfte zu erzeugen.
Mit anderen Worten kann die Triebstrangsensitivität für die Bewertung der Rupfanfälligkeit eines Kraftfahrzeuges beziehungsweise eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Die Triebstrangsensitivität s_Fzg bezeichnet gemäß Gleichung 1 das Übertragungsverhalten zwischen der Momentenmodulation M_exc,Cl einer schlupfenden Reibungskupplung und einer für den Fahrer resultierenden beziehungsweise spürbaren Beschleunigungsamplitude a_Fzg des Kraftfahrzeugs: $s_{F z g} = \frac{a_{F z g}}{M_{e x c, C i}} l$
Eine direkte Ermittlung der Triebstrangsensitivität nach Gleichung 1 scheitert in der Regel, da eine Messung der wirkenden Momentenmodulation an der Reibungskupplung oder die Bereitstellung einer gezielten, konstanten sowie bekannten Kupplungsanregung (Rupfnormal) nicht praktikabel durchführbar beziehungsweise mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Es wird daher folgende Vorgehensweise vorgeschlagen: Für ein mechanisches System lässt sich das Systemverhalten vollständig durch die folgende Bewegungsgleichung beschreiben: $\underline{M} \cdot \ddot{\vec{x}} (t) + \underline{D} \cdot \dot{\vec{x}} (t) + \underline{K} \cdot \vec{x} (t) = \vec{F} (t)$
Im Falle der Triebstrangsensitivität, stellt sich - im Kontext der Bewegungsgleichung - die Frage, wie ein System auf eine gegebene Kraft-/Momentenanregung reagieren wird. Unter Betrachtung ausschließlich periodischer Anregungen lässt sich die Bewegungsgleichung der Gleichung 2 durch den Lösungsansatz der Gleichung 3 $\vec{x} (t) = \overset{⌢}{\vec{x}} \cdot e^{j Ω \cdot t}$
zu der Bewegungsgleichung der Gleichung 4 umstellen: $\overset{⌢}{\vec{x}} (Ω) = \frac{{(- Ω^{2} \cdot \underline{M} + j Ω \cdot \underline{D} + \underline{K})}^{- 1}}{\underline{G} (Ω)} \vec{F} (Ω)$
Wie aus dieser Gleichung ersichtlich lässt sich das Übertragungsverhalten des Systems - bei einer gegebenen Anregungsfrequenz - eindeutig über die Frequenzgangmatrix G(Ω) beschreiben. Aufgrund der Symmetrieeigenschaften der zugrundeliegenden Systemmatrizen ist die Frequenzgangmatrix selbst symmetrisch. Daher entsprechend Gleichung 5: $\underline{G} = (\begin{matrix} G_{1,1} & \dots & G_{1, n} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ s y m . & \dots & G_{n, n} \end{matrix})$
Diese grundlegende symmetrische Eigenschaft eines mechanischen Systems gemäß Gleichung 5 lässt sich erfindungsgemäß ausnutzen, um das vorgeschlagene Verfahren zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität umsetzen. Dabei ist von einem Modell mit zwei Massen auszugehen, die miteinander elastisch gekoppelt sind, wobei eine der Massen gegen eine sehr große Masse beziehungsweise gehäusefest elastisch gekoppelt ist. Unter Verwendung der Gleichung 5 ergibt sich für dieses Modell gemäß Gleichung 6 $(\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{x}}_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} G_{1,1} & G_{1,2} \\ s y m . & G_{2,2} \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} {\hat{F}}_{1} \\ {\hat{F}}_{2} \end{matrix})$
Wird dieses Modell mit einer Kraft angeregt, ergeben sich gemäß Gleichung 7 zwei Konfigurationen: $(\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{x}}_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} G_{1,1} \\ G_{1,2} \end{matrix}) \cdot {\hat{F}}_{1}$
und $(\begin{matrix} {\hat{x}}_{1} \\ {\hat{x}}_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} G_{1,2} \\ G_{2,2} \end{matrix}) \cdot {\hat{F}}_{2}$
Wie an diesem Beispiel leicht erkennbar wird, lässt sich die gleiche Übertragungsfunktion G_1,2 auf zwei unterschiedliche Weisen ermitteln. Im ersten Fall durch Anregung der ersten Masse und Beobachtung der zweiten Masse und im zweiten Fall durch Anregung der zweiten Masse und Beobachtung der ersten Masse. Entsprechend kann gemäß dem erfinderischen Gedanken die gesuchte Übertragungsfunktion bei einer Anregung der Reibungskupplung mit einer vom Fahrer unkomfortabel empfundenen Fahrzeuglängsbeschleunigung in umgekehrter Weise durch Anregung der Längsbeschleunigung des Kraftfahrzeugs und Beobachtung der torsionalen Getriebeeingangsbeschleunigung ermittelt werden.
Hierzu wird ein Längsbeschleuniger, beispielsweise eine Unwucht, ein Linearmotor, ein luftdruckbetriebener Klopfer oder dergleichen starr an der Fahrzeugkarosserie, beispielsweise an einer Sitzaufnahme oder dergleichen befestigt. Beispielsweise können zwei gegenläufig rotierende Exzentermassen als Kraftanregung vorgesehen werden. Hierbei wird die maximale Kraft durch unterschiedliche Exzentermassen und eine Drehzahlbegrenzung eingestellt. Dies bedeutet, dass eine definierte Kraftanregung bei bevorzugt fahrendem Fahrzeug und einer Messung der torsionalen Getriebeeingangsbeschleunigung durch numerische Ableitung des gemessenen Drehzahlverlaufes die gesuchte Übertragungsfunktion direkt am entsprechenden Betriebspunkt der Reibungskupplung mit geringem versuchstechnischen Aufwand und einer begrenzten Anzahl von Sensoren ermittelt werden kann.
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Darstellung,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Linearschwingers in schematischer Darstellung,
3 Anregungskennlinien verschiedener Schwingermassen,
4 ein Diagramm von Triebstrangsensitivitäten und zugehörigen Kohärenzen bei einer vorgegebenen Schwingermasse,
5 ein Diagramm von Triebstrangsensitivitäten bei unterschiedlichen Schwingermassen und im Getriebe eingelegten Gängen,
6 ein Diagramm der Kohärenzen ermittelter Triebstrangsensitivitäten mit unterschiedlichen Schwingermassen und
7 ein Diagramm einer verbesserten Anregung zur Ermittlung der Übertragungsfunktion.

Die 1 zeigt in schematischer Darstellung das Kraftfahrzeug 1 zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität des Antriebsstrangs 2 - hier ein Frontquereinbau mit den angetriebenen Rädern 3. Im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 auf der Fahrbahn 4 in Fahrtrichtung wird die Fahrzeugkarosserie 5 mittels des Linearschwingers 6 entlang der Fahrtrichtung zu Längsschwingungen angeregt. Die Längsschwingungen werden mittels des Beschleunigungssensors 7 erfasst und mit den aus dem Drehzahlsensor 8 der Getriebeeingangswelle des Antriebsstrangs 2 ermittelten Winkelbeschleunigungen korreliert. Hieraus wird die Triebstrangsensitivität und eine davon abhängige Rupfanfälligkeit einer im Antriebsstrang 2 angeordneten Reibungskupplung ermittelt.
Die 2 zeigt den Linearschwinger 6 der 1 in schematischer Darstellung. Die beiden miteinander verzahnten Exzenterscheiben 9, 10 sind um die Drehachsen d1, d2 verdrehbar angeordnet und beispielsweise von zumindest einem DC-Motor drehangetrieben. Die Exzenterscheiben 9, 10 weisen exzentrisch zu den Drehachsen d1, d2 angeordnete Exzentermassen 11, 12 auf, so dass sich bei Drehantrieb dieser eine lineare Kraft in Richtung des Pfeils 13, die der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs 1 der 1 entspricht, ergibt. Die beiden gegenläufig rotierenden Exzentermassen 11, 12 werden als Kraftanregung verwendet, wobei die maximale Kraft durch unterschiedliche Exzentermassen und eine Drehzahlbegrenzung eingestellt wird.
Die 3 zeigt das Diagramm 14 mit den Kennlinien 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, die die Kraft der Anregung des Antriebsstrangs über die Frequenz bei unterschiedlichen Massen des Linearschwingers wiedergibt. Die horizontale Linie 22 zeigt die gewünschte Anregung, die horizontale Linie 23 die maximal gewünschte Anregung. Die Massen betragen zwischen 0,073 kg der Kennlinie 21 und 1,27 kg der Kennlinie 15. Eine Beschleunigungsamplitude am Kraftfahrzeug von 0,3 m/s² wird von den meisten Fahrern wahrgenommen und ist hier als minimale Beschleunigungsamplitude definiert. Übliche Fahrzeugmassen von 1500 kg bis 3000 kg erfordern somit eine Kraftanregung von 500N bis 1000N. Die Übertragungsfunktion im Kraftfahrzeug wird bevorzugt für einen Frequenzbereich von 3Hz - 30Hz ermittelt.
Eine massive Erhöhung der Kraftanregung kann, bedingt durch nichtlineare Steifigkeiten, zu Verfälschungen der Übertragungsfunktion führen. Um eine gleichmäßige, langsame Drehzahlrampe und somit eine quasistatische Auswertung der Frequenzen zu ermöglichen, können zwei DC-Motoren als Antrieb auf die zwei Drehachsen d1, d2 (2) adaptiert werden. Ein langsamer Anstieg der Drehzahl bzw. ein langsames abfallen der Drehzahl ist vorteilhaft, damit sich die Eigenfrequenzen in ausreichender Zeit ausbilden können.
Die 4 zeigt das Diagramm 24 mit den Teildiagrammen I und II. Hierbei zeigt das Teildiagramm I die Sensitivität des Antriebsstrangs gegen die Frequenz des Linearschwingers bei einer vorgegebenen Masse von 0,45 kg. Die Kurve 25 zeigt eine reale Messung ohne Ordnungsfilter, die Kurve 26 eine reale Messung unter Verwendung eines Ordnungsfilters und die Kurve 27 ein Simulationsergebnis. Es zeigt sich, dass unbereinigte Eigenformen und Störanteile die Messungen verfälschen und in bevorzugter Weise Ordnungsfilter bei der Messung der Winkelbeschleunigungen der Getriebeeingangswelle angewandt werden.
Das Teildiagramm II zeigt anhand der Kurven 28, 29 die Kohärenz der Kurven 25, 26 über die Frequenz. Die Kohärenz ist als Maß für den Grad der linearen Abhängigkeit des Eingangs- zum Ausgangssignals zu verstehen und ist im Wertebereich von null bis eins definiert. Eine Kohärenz von eins bedeutet, dass zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen eine vollständige lineare Abhängigkeit besteht. Somit ist die Kohärenz ein geeignetes Maß für die Bewertung, ob die gemessenen Signale geeignet sind um das Systemverhalten eines linearen-zeitinvarianten Systems mit den Hilfsmitteln der linearen Systemtheorie zu identifizieren. Für die praktische Anwendung gilt eine Kohärenz von ≥ 0,75 als ausreichend, um aus den gemessenen Signalen eine verlässliche Übertragungsfunktion ermitteln zu können. Gründe für eine von eins abweichende Kohärenz sind im Allgemeinen:

nichtlineares Systemverhalten,
Beeinflussung des Ausgangssignals durch andere, nicht mit dem Eingangssignal korrelierende Signale,
unkorreliertes Rauschen des Eingang-/Ausgangsignals,
Leckeffekt wegen zu geringer Frequenzauflösung.

29

28

5

30

I

II

III

I

31

32

33

34

Das Teildiagramm II zeigt die Sensitivitäten des Antriebsstrangs bei eingelegtem zweitem Gang mit der Kurve 35 bei einer Masse von 1,2 kg, mit der Kurve 36 bei einer Masse von 0,45 kg und Kurve 37 mit einer Simulation.
Das Teildiagramm III zeigt den Antriebsstrang bei eingelegtem Rückwärtsgang. Die Kurve 38 gibt die Sensitivität bei einer Masse von 1,2 kg, die Kurve 39 bei einer Masse von 0,45 kg, die Kurve 40 bei einer Masse von 0,3 kg und die Kurve 41 die Simulation wieder.
Die jeweiligen Abweichungen der gemessenen Sensitivitäten beispielsweise bei 15 Hz von den Simulationen sind den zu großen beziehungsweise nicht konstanten Kraftamplituden geschuldet.
Die 6 zeigt das Diagramm 42 mit den Kurven 43, 44, 45, 46, 47 der Kohärenz über die Frequenz bei unterschiedlichen Massen. Die Kurve 43 zeigt die Kohärenz bei einer Masse von 1,2 kg, die Kurve 44 bei einer Masse von 0,45 kg, die Kurve 45 bei einer Masse von 0,117 kg, die Kurve 46 bei einer Masse von 0,095 kg und die Kurve 47 bei einer Masse von 0,073 kg.
Aus der 6 ergibt sich, welche Kraftamplituden ein Linearschwinger bereitstellen muss, um eine auswertbare Reaktion an der Getriebeeingangswelle zu erzeugen. Die Tabelle 1 gibt Bewertungskriterien für die Auswertbarkeit anhand der Kohärenz der gemessenen Sensitivitäten wieder. Hierbei wird eine verlässliche Auswertung einer gemessenen Übertragungsfunktion bei einer Kohärenz λ ≥ 0,8 vorausgesetzt. Hierbei wird ein Kraftfahrzeug mit einer Masse von ca. 1500 kg angenommen. Ab einer Kraftamplitude von 210 N ist nach Tabelle 1 die Übertragungsfunktion im Frequenzbereich von 3 Hz - 30 Hz als auswertbar. Extrapoliert auf höhere Fahrzeugmassen bedeutet dies, dass mit einer Kraftamplitude von 400 N Kraftfahrzeuge bis ca. 3000 kg durch einen Linearschwinger ausreichend erregbar wären. Tabelle 1

Exzentermasse	Frequenz @ λ≈0,8	Kraft @ λ≈0,8	Frequenz @ 450 N
0,073 kg	16,3 Hz	138 N	30 Hz
0,095 kg	17,77 Hz	190 N	26 Hz
0,117 kg	14,11 Hz	166 N	23 Hz
0,45 kg	7,26 Hz	168 N	12 Hz
1,2 kg	4,97 Hz	210 N	7 Hz

Die 7 zeigt das Diagramm 48 mit einem optimierten Frequenz-Sweep eines Linearschwingers der Frequenz über die Zeit. Zur Ausbildung einer robusten Auswertung wird für alle Frequenzen die gleiche Anzahl von Messperioden angeregt, so dass bei kleinen Frequenzen eine längere Zeit als bei höheren Frequenzen bereitgestellt wird und ein in der Kurve 49 gezeigter Frequenzverlauf entsteht.
Weiterhin wird eine konstante Kraftanregung vorgeschlagen, die zu einer Verbesserung der Übertragungsfunktion beiträgt. Grund hierfür ist, dass im Falle einer konstanten Anregung die Nichtlinearitäten von Steifigkeiten sowie Nichtlinearitäten von Dämpfungen einen geringeren Einfluss auf die Übertragungsfunktion haben. Alle hier erwähnten Verbesserungen der Messung sind durch einen Linearschwinger mit konstanter Kraftanregung und einem frei konfigurierbaren Frequenzverlauf möglich.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Antriebsstrang
3: Rad
4: Fahrbahn
5: Fahrzeugkarosserie
6: Linearschwinger
7: Beschleunigungssensor
8: Drehzahlsensor
9: Exzenterscheibe
10: Exzenterscheibe
11: Exzentermasse
12: Exzentermasse
13: Pfeil
14: Diagramm
15: Kennlinie
16: Kennlinie
17: Kennlinie
18: Kennlinie
19: Kennlinie
20: Kennlinie
21: Kennlinie
22: Linie
23: Linie
24: Diagramm
25: Kurve
26: Kurve
27: Kurve
28: Kurve
29: Kurve
30: Diagramm
31: Kurve
32: Kurve
33: Kurve
34: Kurve
35: Kurve
36: Kurve
37: Kurve
38: Kurve
39: Kurve
40: Kurve
41: Kurve
42: Diagramm
43: Kurve
44: Kurve
45: Kurve
46: Kurve
47: Kurve
48: Diagramm
49: Kurve
I: Teildiagramm
II: Teildiagramm
III: Teildiagramm
d1: Drehachse
d2: Drehachse

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Triebstrangsensitivität eines Antriebsstrangs (2) eines Kraftfahrzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Fahrzeugkarosserie (5) in Längsschwingungen in Fahrtrichtung versetzt und abhängig von hierzu ermittelten Längsbeschleunigungen der Fahrzeugkarosserie (5) und dadurch bedingten Winkelbeschleunigungen einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes des Kraftfahrzeugs (1) ein Parameter für die Triebstrangsensitivität ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Parameters eine Einschätzung einer Rupfanfälligkeit einer zwischen einer Brennkraftmaschine und dem Getriebe angeordneten Reibungskupplung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter frequenzabhängig von der Frequenz der Längsschwingungen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Längsschwingungen ein Linearschwinger (6) mit zumindest einer Exzentermasse (11, 12) mit der Fahrzeugkarosserie (5) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter abhängig von der zumindest einen Exzentermasse (11, 12) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass erfasste Winkelbeschleunigungssignale der Winkelbeschleunigung mittels zumindest eines Ordnungsfilters behandelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter abhängig von einem in dem Getriebe geschalteten Gang ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter mittels einer vorgegebenen Kohärenz (λ) validiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenz-Sweep der Längsschwingungen über eine vorgegebene Anzahl gleicher Schwingungsperioden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsschwingungen mit über die Frequenz konstanter Kraftanregung vorgegeben werden.