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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur betrieblichen Ermittlung einer der Blockstellungen eines hydraulisch gedämpften Riemenspanners, der den Riemen eines Nebenaggregate-Riementriebs eines Verbrennungsmotors mit betrieblich verstellbarer Vorspannung beaufschlagt und Folgendes aufweist:
- - eine Basis mit einem elektrischen Antrieb und einem Stellglied, das zwecks der Verstellung der Riemenvorspannung gegenüber der Basis beweglich ist und dessen Bewegung durch den elektrischen Antrieb erzeugt wird,
- - ein Spannteil, das in Dämpferstellungen des Stellglieds relativ zum Stellglied beweglich ist und das in den Blockstellungen des Stellglieds auf dem Stellglied aufsitzt,
- - eine Feder, die unter Erzeugung der Riemenvorspannung zwischen dem Stellglied und dem Spannteil eingespannt ist,
- - und einen hydraulischen Dämpfer, der in Parallelschaltung zur Feder zwischen dem Stellglied und dem Spannteil angeordnet ist und die in den Dämpferstellungen zum Stellglied hin gerichteten Relativbewegungen des Spannteils hydraulisch dämpft.
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Der im Nebenaggregate-Riementrieb eines Verbrennungsmotors mit Riemen-Start-Stopp-Funktion eingebundene Generator wird im Start- und ggfls. im Boost-Betrieb des Verbrennungsmotors als antreibender Motor betrieben, der den Verbrennungsmotor startet bzw. mit zusätzlich antreibendem Drehmoment unterstützt. Der Wechsel vom generatorischen auf den motorischen Betrieb des Generators führt im Riementrieb zu einem Wechsel von Leertrum und Zugtrum, so dass ein einziger, typischerweise das generatorische Leertrum vorspannender Riemenspanner das Zugtrum vorspannen muss, wenn sich der Generator im Motorbetrieb befindet.
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Das vergleichsweise hohe, über den Riemen zu übertragende Startmoment kann die Verwendung eines aktiven Riemenspanners erforderlich machen, der eine betriebliche Verstellung der Riemenvorspannung auf Vorspannungswerte ermöglicht, die ausreichend hoch für die riemenschlupfarme Übertragung des Startmoments sind. Vorliegend hat der Riemenspanner einen hydraulischen Dämpfer, der im generatorischen Betrieb Schwingungen des Riementriebs durch Leckspaltdämpfung reduziert. Beim Vorspannen des motorischen Zugtrums wird das Hydraulikmittel hingegen soweit über den Leckspalt verdrängt, dass sich der Riemenspanner bei Riemenstart und ggfls. auch im Boostbetrieb in sogenannter Blockstellung befindet, in der das Spannteil auf dem Stellglied aufsitzt und nicht - wie in den Dämpferstellungen - in Richtung des Stellglieds beweglich ist. Ein derartiger Riemenspanner und dessen zugehöriges Betriebskennfeld sind aus der
DE 10 2014 224 213 A1 bekannt. Das Kennfeld zeigt die Riemenvorspannung als Funktion der (Ver)Stellung des Riemenspanners. Der Verlauf der Riemenvorspannung zeigt einen ausgeprägten Knickpunkt, der sich durch die Steifigkeitserhöhung des Riemenspanners beim Erreichen derjenigen Blockstellung ergibt, die an die Dämpferstellungen angrenzt. Da der Riemenspanner beim Riemenstart des Verbrennungsmotors in eine der Blockstellungen mit demgegenüber weiter erhöhter Riemenvorspannung zu verstellen ist, kann die Kenntnis der an die Dämpferstellungen angrenzenden Blockstellung als Referenzpunkt für diese Verstellung von erheblichem Vorteil sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein möglichst aufwandsarmes Verfahren zur betrieblichen Ermittlung dieser Blockstellung anzugeben.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 mit den folgenden kennzeichnenden Verfahrensschritten:
- - Messen des elektrischen Stroms, den der elektrische Antrieb bei der Erhöhung der Riemenvorspannung zwischen zwei Blockstellungen aufnimmt,
- - Bestimmen einer die gemessene Stromaufnahme ersetzenden ersten Stromkennung in einem Strom-Stellweg-Kennfeld,
- - Extrapolieren der ersten Stromkennung in den Bereich der Dämpferstellungen,
- - Bestimmen des gemeinsamen Kennfeldpunkts der ersten Stromkennung und einer zweiten Stromkennung eines elektrischen Stroms, den der elektrische Antrieb bei einer quasistatischen Erhöhung der Riemenvorspannung zwischen zwei Dämpferstellungen aufnimmt,
- - Definieren der Blockstellung als Stellweg des gemeinsamen Kennfeldpunkts.
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Diese Verfahrensschritte bilden einen virtuellen Positionssensor, der einen realen Positionssensor zur Ermittlung der aktuellen Riemenspannerstellung entbehrlich macht. Die für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen Informationen beschränken sich im wesentlichen auf den Stromverlauf des elektrischen Antriebs und die Verstellgeschwindigkeit des Stellglieds. Die Kenntnis einer aktuellen Umgebungs- oder Bauteiltemperatur als Maß für die momentane Viskosität des Hydraulikmittels kann die Genauigkeit der ermittelten Blockstellung erhöhen. Die Durchführung des Verfahrens kann mit vergleichsweise geringer Prozessorleistung auf einem Steuergerät des Riemenspanners durchgeführt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es zeigen:
- 1 einen bekannten Nebenaggregate-Riementrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Startergenerator und einem aktiv verstellbaren Riemenspanner in schematischer Darstellung,
- 2a einen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Riemenspanner in perspektivischer Darstellung,
- 2b den Riemenspanner gemäß 2a in perspektivischem Längsschnitt,
- 3 ein Kraft-Stellweg-Kennfeld, das die Axialkraft des Riemenspanners in Abhängigkeit des Stellwegs, der Verstellrichtung und der Verstellgeschwindigkeit des Stellglieds gemäß 2b schematisch zeigt,
- 4 ein Kraft-Stellweg-Kennfeld, das die gemessene Axialkraft des Riemenspanners in Abhängigkeit des Stellwegs und der Verstellrichtung des Stellglieds gemäß 2b zeigt,
- 5 ein Drehmoment-Kraft-Kennfeld, das das Stellmoment des elektrischen Antriebs in Abhängigkeit der Axialkraft und der Verstellrichtung des Stellglieds gemäß 2b zeigt,
- 6 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die gemessene Stromaufnahme des elektrischen Antriebs in Abhängigkeit des Stellwegs und der Verstellrichtung des Stellglieds gemäß 2b zeigt,
- 7 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die Stromaufnahme des elektrischen Antriebs bei Erhöhung der Riemenvorspannung vor einer Signalfilterung zeigt,
- 8 das Signalfilter in schematischer Darstellung,
- 9 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die Stromaufnahme gemäß 8 nach der Signalfilterung zeigt,
- 10 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die extrapolierte erste Stromkennung zeigt,
- 11 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die gemessene Stromaufnahme des elektrischen Antriebs bei Erhöhung der Riemenvorspannung im Bereich der Dämpferstellungen bei einer ersten Verstellgeschwindigkeit des Stellglieds gemäß 2b zeigt,
- 12 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die gemessene Stromaufnahme des elektrischen Antriebs bei Erhöhung der Riemenvorspannung im Bereich der Dämpferstellungen bei einer zweiten Verstellgeschwindigkeit des Stellglieds gemäß 2b zeigt,
- 13 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die gemessene Stromaufnahme des elektrischen Antriebs bei Erhöhung der Riemenvorspannung im Bereich der Dämpferstellungen bei einer dritten Verstellgeschwindigkeit des Stellglieds gemäß 2b zeigt,
- 14 ein Strom-Verstellgeschwindigkeits-Kennfeld, das die zweite Stromkennung des elektrischen Antriebs bei Erhöhung der Riemenvorspannung im Bereich der Dämpferstellungen bei extrapolierte quasistatischer Verstellgeschwindigkeit des Stellglieds gemäß 2b zeigt,
- 15 ein Strom-Stellweg-Kennfeld, das die Ermittlung der Blockstellung zeigt.
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Der in 1 schematisch dargestellte Nebenaggregate-Riementrieb eines Verbrennungsmotors umfasst die Kurbelwellenriemenscheibe 1, die Riemenscheibe 2 eines Klimakompressors, eine Umlenkrolle 3, die Riemenscheibe 4 eines Startergenerators, die von einem hydraulisch gedämpften Riemenspanner 5 über einen Hebel 6 betätigte Spannrolle 7 und den in der eingezeichneten Pfeilrichtung umlaufenden Riemen 8. Der Riemenspanner 5 spannt den Riemen 8 im generatorischen Leertrum vor, das zum Zugtrum wird, wenn sich der Startergenerator im motorischen Betrieb befindet und dessen Riemenscheibe 4 die Kurbelwellenriemenscheibe 1 zwecks Starts oder Drehmomentunterstützung des Verbrennungsmotors über den Riemen 8 antreibt. Der Riemenspanner 5 ist aktiv verstellbar, um die Riemenvorspannung an die momentanen betrieblichen Erfordernisse anzupassen. Der Riemenspanner 5 wird vor und/oder während des Riemenstarts des Verbrennungsmotors so verstellt, dass die dann das Zugtrum des Riemens 8 vorspannende Spannrolle 7 die Riemenvorspannung zwecks ausreichend schlupfarmer Drehmomentübertragung des Riemens 8 gegenüber dem generatorischen Betrieb deutlich erhöht.
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Die wesentlichen Komponenten eines für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Riemenspanners
5 sind in den
2a und
2b näher dargestellt. Der Riemenspanner
5 umfasst eine Basis
9 mit einem elektrischen Antrieb
10, ein gegenüber der Basis
9 bewegliches Stellglied
11, ein gegenüber dem Stellglied
11 bewegliches Spannteil
12, eine zwischen dem Stellglied
11 und dem Spannteil
12 eingespannte Feder
13 und einen hydraulischen Dämpfer
14. Die Basis
9 umfasst ein Gehäuse
15 mit einem Befestigungsauge
16 zur gelenkigen Befestigung des Gehäuses
15 und des elektrischen Antriebs
10 am Motorblock des Verbrennungsmotors. Der elektrische Antrieb
10 umfasst einen Elektromotor
17 und ein dessen Rotation in eine lineare Verstellung des Stellglieds
11 umwandelndes Getriebe
19. Dieses umfasst einen Zahnriementrieb
20, eine Spindel
21 und ein Planetenwälzgetriebe
22, wobei der Zahnriementrieb
20 die im Gehäuse
15 parallel achsversetzt zum Elektromotor
17 angeordnete Spindel
21 antreibt und wobei das Planetenwälzgetriebe
22 die Rotation der Spindel
21 mit hoher Übersetzung in die Linearbewegung des Stellglieds
11 umwandelt. Das Getriebe
19 ist selbsthemmend, so dass die vom Stellglied
11 auf das Getriebe
19 wirkenden Reaktionskräfte des Riemens
8 den Elektromotor
17 nicht verdrehen. Die Selbsthemmung des Getriebes
19 kann beispielsweise durch reibungserhöhende Mittel erzeugt werden, wie sie aus der
WO 2015/ 048 961 A2 A4 bekannt sind.
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Das mit einem Befestigungsauge 24 gelenkig am Hebel 6 befestigte Spannteil 12 ist hohlzylindrisch und im Inneren mit einem Hydraulikzylinder 25 versehen, der den spannteilseitigen Teil des hydraulischen Dämpfers 14 bildet. Der stellgliedseitige Teil des hydraulischen Dämpfers 14 wird durch einen im Hydraulikzylinder 25 verfahrenden Hydraulikkolben 26 gebildet, der am Stellglied 11 befestigt ist und das im Druckraum 27 zwischen dem Hydraulikzylinder 25 und dem Hydraulikkolben 26 eingeschlossene Hydraulikmittel über einen Leckspalt 28 verdrängt. Diese Leckspaltführung dient nicht nur der Bewegungsdämpfung des Spannteils 12, das sich in den sogenannten Dämpferstellungen des Riemenspanners 5 relativ zum Stellglied 11 auf dieses zu bewegt, sondern auch der Längsführung des Spannteils 12 auf dem Stellglied 11. Das Innere des Spannteils 12 bildet einen hydraulischen Vorratsraum 29, der mittels eines Elastomerbalgs 30 gegenüber dem Gehäuse 15 abgedichtet ist und den Druckraum 27 über ein zum Druckraum 27 hin öffnendes Rückschlagventil 31 wieder befüllt.
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Die Riemenvorspannung wird durch die zwischen dem Stellglied 11 und dem Spannteil 12 eingespannte und parallel zum hydraulischen Dämpfer 14 geschaltete Feder 13 erzeugt und verstellt, indem sich die Federvorspannung mit der Verstellung des Stellglieds 11 verändert. Die in Richtung des Spannteils 12 gerichtete Verstellung des Stellglieds 11 bewirkt eine Erhöhung der Riemenvorspannung, wobei die Reaktionskräfte des Riemens 8 den hydraulischen Dämpfer 14 belasten und den Druckraum 27 verkürzen. Dieses Einsinken des hydraulischen Dämpfers 14 wird durch stirnseitiges Aufsetzen des Spannteils 12 auf dem Stellglied 11 beendet, so dass in den sogenannten Blockstellungen des Riemenspanners 5 der mit „x“ bezeichnete Abstand zwischen dem Stellglied 11 und dem Spannteil 12 Null ist. Die Kraft der Feder 13 ist in den Blockstellungen konstant und maximal.
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3 illustriert den Einfluss des hydraulischen Dämpfers 14 auf die Axialkraft des Riemenspanners 5 in Abhängigkeit des Stellwegs s des Stellglieds 11. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ermittelnde Referenzpunkt ist die mit sB bezeichnete Blockstellung des Riemenspanners 5. Für die Dämpferstellungen des Stellglieds 11 gilt: x>0 (s. 2) und s<sB. Für die Blockstellungen des Stellglieds 11 gilt: x=0 und s=sB oder s>sB. Die durchgezogenen Linien stellen jeweils den Verlauf der Axialkraft dar, die der Riemenspanner 5 bei unterschiedlichen Verstellgeschwindigkeiten n des Stellglieds 11 in der Pfeilrichtung erhöhter Riemenvorspannung aufbringt. Die gestrichelte Linie stellt den Verlauf der Axialkraft dar, die der Riemenspanner 5 in der Pfeilrichtung verkleinerter Riemenvorspannung aufbringt.
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Das Kennfeld verdeutlicht Folgendes:
- - Die Axialkraftverläufe sind im Bereich der Dämpferstellungen im wesentlichen parallel zueinander verschoben, wobei das Kraftniveau mit der Verstellgeschwindigkeit zunimmt. Ursache ist der hydraulische Dämpfer 14, der selbst mit einer mit der Verstellgeschwindigkeit zunehmenden Kraft beteiligt ist.
- - Der Axialkraftverlauf ist bei sich verkleinernder Riemenvorspannung von der Verstellgeschwindigkeit unabhängig. Ursache ist der hydraulische Dämpfer 14, der sich in dieser Verstellrichtung verlängert und bei geöffnetem Rückschlagventil 31 keinen nennenswerten hydraulischen Widerstand erzeugt.
- - Die Axialkraftverläufe sind im Bereich der Blockstellungen unabhängig von der Verstellgeschwindigkeit. Ursache ist der hydraulische Dämpfer 14, der sich in (kraftfreier) Blockstellung befindet.
- - Die Steigung der Axialkraftverläufe ist im Bereich der Blockstellungen wesentlich größer als im Bereich der Dämpferstellungen. Ursache ist die Steifigkeit der Feder 13, die im Bereich der Dämpferstellungen (steifigkeitsmindernd) mit der Steifigkeit des Riemens 8 in Reihe geschaltet und demgegenüber in den Blockstellungen nicht wirksam ist.
- - Die der Steifigkeitsänderung entsprechenden Knickpunkte in den Axialkraftverläufen sind mit zunehmender Verstellgeschwindigkeit zu höheren Stellwegen s hin verschoben. Dieses Verhalten würde folglich zu einer fehlerhaften Ermittlung der Blockstellung sB als Referenzpunkt führen, wenn die Ermittlung lediglich einen entsprechenden Knick im Stromverlauf des Elektromotors 17 als Äquivalent für die zu ermittelnde Blockstellung sB heranzöge.
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Die in 3 schematisch dargestellten Axialkraftverläufe werden durch 4 bestätigt, in denen die gemessenen Axialkraftverläufe des Stellglieds 11 dargestellt sind. Die dicke Linie stellt den Axialkraftverlauf bei sich erhöhender Riemenvorspannung (Verstellgeschwindigkeit v>0) dar, und die dünne Linie stellt den Axialkraftverlauf bei sich verkleinernder Riemenvorspannung (Verstellgeschwindigkeit v<0) dar, wobei die Verstellgeschwindigkeiten betragsmäßig gleich sind.
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5 zeigt den Drehmomentverlauf M des Elektromotors 17 in Abhängigkeit der Axialkraft am Stellglied 11. Die dicke Linie stellt den Drehmomentverlauf bei sich erhöhender Axialkraft (Verstellgeschwindigkeit v>0) dar, und die dünne Linie stellt den Drehmomentverlauf bei sich verkleinernder Axialkraft (Verstellgeschwindigkeit v<0) dar. Das Niveau und die Steigungen der von der Verstellrichtung abhängigen Drehmomentverläufe bewirken, dass der zum Drehmomentverlauf tendenziell ähnliche Stromverlauf des Elektromotors 17 keinen verlässlich auswertbaren Knickpunkt aufweist, wenn das Stellglied 11 in Richtung sich verkleinernder Riemenvorspannung (Verstellgeschwindigkeit v<0) verstellt wird. Diesen Sachverhalt verdeutlicht 6, die den jeweiligen Stromverlauf I des Elektromotors 17 bei der Erhöhung der Riemenvorspannung (Verstellgeschwindigkeit v>0: dicke Linie mit ausgeprägtem Knickpunkt) und bei der Verkleinerung der Riemenvorspannung (Verstellgeschwindigkeit v<0, dünne Linie ohne ausgeprägten Knickpunkt) zeigt.
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Die anhand 3 erläuterte Problematik der Referenzpunktverschiebung wird erfindungsgemäß wie folgt umgangen. 7 zeigt einen im Realbetrieb gemessenen Stromverlauf IR (s) des Elektromotors 17 bei Verstellung des Stellglieds 11 in Richtung erhöhter Riemenvorspannung. Die hierfür erforderlichen Signale, nämlich der elektrische Strom, der Drehwinkel und die Drehzahl des Elektromotors 17 liegen bereits vor und erfordern keine zusätzlich Sensorik. Das Stromsignal enthält eine deutlich erkennbare Schwebung, die zunächst mit einem in 8 dargestellten Filter 32 entfernt wird. Das Filter 32 ist ein ungedämpfter Oszillator, dessen Eigenfrequenz der Drehzahl des Elektromotors 17 entspricht.
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9 zeigt den gefilterten Stromverlauf IF (s). Das dort strichpunktiert eingezeichnete Fenster ist ein Kennfeldbereich, in dem sich das Stellglied 11 auf jeden Fall, d.h. selbst unter Berücksichtigung einer extremen Referenzpunktverschiebung zwischen zwei Blockstellungen befindet. Der in diesem Kennfeldbereich enthaltene Stromverlauf wird durch eine erste Stromkennung ersetzt, die vorzugsweise eine in den Bereich der Dämpferstellungen extrapolierte, lineare Stromkennlinie IL (s) gemäß 10 ist. Diese Stromkennlinie IL (s) kann mit vergleichsweise geringer Prozessorleistung mittels eines Recursive-Least-Squares-Algorithmus (RLS-Algorithmus) aus dem gefilterten Stromverlauf IF (s) bestimmt und anschließend in den Bereich der Dämpferstellungen extrapoliert werden.
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Für die Ermittlung des Referenzpunkts, d.h. der tatsächlichen Blockstellung sB ist eine für den Bereich der Dämpferstellungen charakteristische zweite Stromkennung erforderlich, die mit der ersten Stromkennung gleichzusetzen, d.h. mathematisch zur Ermittlung des Schnittpunkts der beiden Stromkennungen zu schneiden ist. Je nach Genauigkeitsanforderung an die Blockstellung sB kann diese zweite Stromkennung ein (im Steuergerät) abgelegter Festwert sein, der als elektrischer Strombedarf für die quasistatische, d.h. idealerweise unendlich langsame Erhöhung der Riemenvorspannung zwischen zwei Dämpferstellungen bei einer repräsentativen Anzahl von Riementrieben empirisch ermittelt worden ist. Alternativ können auch mehrere derartige Festwerte für unterschiedliche Temperaturen des Hydraulikmittels abgelegt und als zweite Stromkennung abrufbar sein.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt demgegenüber die Ermittlung der zweiten Stromkennung ebenfalls individuell für den jeweiligen Riementrieb in Echtzeit und kann im Hinblick auf die Eigenschaftsänderung der Komponenten infolge Alterung und Verschleiß in vorbestimmten betrieblichen Zeitintervallen aktualisiert werden. Basis für die Ermittlung der zweiten Stromkennung sind mindestens zwei Stromwerte, die für die Verstellung des Stellglieds 11 bei einer Erhöhung der Riemenvorspannung und unterschiedlichen Verstellgeschwindigkeiten zwischen zwei Dämpferstellungen erforderlich sind. Wie in den 11 bis 13 dargestellt, werden vorliegend drei Stromwerte für die Drehzahlen n1=50 rpm, n2=100 rpm und n3=200 rpm des Elektromotors zwischen den Dämpferstellungen s=2,5 mm und s=6 mm bestimmt. Die dargestellten Stromsignale IF (s) sind - wie oben beschrieben - bereits durch Filtern gemessener Stromverläufe IR (s) erzeugt, wobei die den ersten, zweiten und dritten Stromwert kennzeichnenden dicken Linien - ebenfalls wie oben beschrieben - mit Hilfe des RLS-Algorithmus' bestimmt sind.
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14 zeigt ein Strom-Verstellgeschwindigkeits-Kennfeld IL (n), in dem die drei in guter Näherung auf einer Geraden liegenden Stromwerte aus 13 auf einen quasistatischen Stromwert als zweite Stromkennung extrapoliert sind. Dieser quasistatische Stromwert wäre erforderlich, um das Stellglied unter Erhöhung der Riemenvorspannung mit unendlich langsamer Verstellgeschwindigkeit zwischen zwei Dämpferstellungen, d.h. bei einer Drehzahl n0=0 des Elektromotors 17 zu verstellen.
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Wie in dem Strom-Stellweg-Kennfeld IL (s) gemäß 15 illustriert, wird schließlich der gemeinsame Kennfeldpunkt der ersten Stromkennung und der zweiten Stromkennung als Schnittpunkt der beiden Stromkennungen bestimmt. Der Stellweg s im gemeinsamen Kennfeldpunkt ist der gesuchte Referenzpunkt mit der Blockstellung sB , die im Steuergerät des Riemenspanners 5 abgespeichert und jeweils bedarfsweise abgerufen und aktualisiert wird.
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Alternative Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens:
- Elektrischer Kettenspanner
- Mechanischer Kettenspanner
