DE102018129259B4 - Verfahren zur Steuerung eines Motors in einem Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Motors in einem Kraftfahrzeug, wobei der Motor über einen Triebstrang mit zumindest einer Achse des Kraftfahrzeugs verbunden ist, umfassend die folgenden Schritte:- Ermittlung eines theoretischen Leerspiels des Triebstrangs bei Betriebsartwechsel des Motors;- Detektion eines tatsächlichen Leerspiels im Triebstrang beim Betriebsartwechsel;- Detektion eines überwundenen Leerspiels;- Ermittlung eines Unterschieds zwischen dem theoretischen Leerspiel und dem überwundenen Leerspiel;- Beschleunigung einer Drehzahl des Motors in Abhängigkeit vom Unterschied, wenn das tatsächliche Leerspiel detektiert wurde;- Verringerung der Drehzahl des Motors, wenn der Unterschied kleiner als ein Schwellwert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Motors in einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9.
  • Der Motor eines Kraftfahrzeugs kann während des Betriebs zwei unterschiedliche Betriebsarten aufweisen. Im Zug-Betrieb treibt der Motor über einen Triebstrang eine Achse des Kraftfahrzeugs an. Im Schub-Betrieb ist der Motor über den Triebstrang mit der Achse gekoppelt und wird durch die Achse, die bereits in Rotation ist, angetrieben. Der Schub-Betrieb tritt beispielsweise auf, wenn das Kraftfahrzeug auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wurde und der Fahrer das Gaspedal loslässt und das Kraftfahrzeug ohne Lösen der Kupplung rollt.
  • Beim Wechsel zwischen Schub- und Zug-Betrieb müssen Zahnräder im Getriebe und andere Koppelelemente, z.B. Seitenwellen und das Zwei-Massen-Schwungrad, ein Leerspiel durchlaufen. Das Leerspiel resultiert daraus, dass beispielsweise ein antreibendes Zahnrad nach dem Wechsel der Betriebsart zum angetriebenen Zahnrad wird und umgekehrt. Die aneinander anliegenden Zahnflanken ändern sich also. Dies führt zu einem unkomfortablen Ruck und mechanischen Störgeräuschen, die auch als Triebstrangklacken bezeichnet werden.
  • Außerdem wird beispielsweise beim Wechsel vom Schub-Betrieb in den Zug-Betrieb, wenn also der Fahrer bei geschlossener Kupplung zunächst nicht das Gaspedal betätigt (Schub-Betrieb) und dann das Gaspedal betätigt (Zug-Betrieb), die Drehzahl des Motors weiter erhöht, obwohl an der Abtriebsseite des Getriebes die Drehzahl nicht erhöht wird, da zunächst das Leerspiel durchlaufen werden muss. Daher treffen nach dem Durchlaufen des Leerspiels die Zahnflanken der Zahnräder mit deutlich unterschiedlichen Drehzahlen aufeinander. Dabei wird schlagartig ein Trägheitsmoment, resultierend aus dem Abbau der Drehzahldifferenz, sowie das aktuelle Kupplungsmoment auf den Abtrieb eingeleitet. Dies verursacht ein unkomfortables Rucken im Fahrgastraum des Kraftahrzeugs.
  • Die DE 10 2012 011 756 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs, bei dem unmittelbar nach Erkennung eines Übergangs von einem Schub- in einen Zugbetrieb das Drehmoment der Antriebseinheit erhöht, erniedrigt oder auf gleichem Niveau gehalten wird.
  • Die DE 10 2006 039 678 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebsmaschine in einem mit Spiel und Elastizität behafteten Antriebsstrang zur Verhinderung eines Lastschlags, bei welchem eine Drehzahl in einem primären, der Antriebsmaschine zugeordneten Teil des Antriebsstrangs während der Beschleunigungsphase gemessen wird. Außerdem wird ein voraussichtlicher Verlauf der genannten Drehzahl während der Verzögerungsphase abgeschätzt. Der Umschaltzeitpunkt zwischen Beschleunigungs- und Verzögerungsphase wird dann in Abhängigkeit der gemessenen Drehzahl in der Beschleunigungsphase und des voraussichtlichen Verlaufs in der Verzögerungsphase bestimmt.
  • Die DE 102 06 199 C1 offenbart eine Steuerung beim Übergang von Schub- auf Zug-Betrieb eines Antriebsstranges. Vor Abschluss der Übergangsphase wird das Drehmoment des Motors unter Verzögerung des Drehzahlanstieges des Motors bzw. unter Drehzahlabsenkung des Motors zurückgenommen, um einen Drehstoß zu Beginn des Zugbetriebes zu vermeiden. Nach Erreichen eines Andockpunktes kann das Motormoment geformt aufgebaut werden, um den Komfort zu erhöhen.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Motors in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, das unerwünschte Geräusche und Ruckbewegungen verringert. Außerdem soll ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Motor geschaffen werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der Motor ist über einen Triebstrang, der auch ein Getriebe umfassen kann, mit einer Achse des Kraftfahrzeugs verbunden. Zunächst wird ein theoretisches Leerspiel des Triebstrangs bei einem Betriebsartwechsel des Motors, zum Beispiel vom Schubbetrieb zum Zugbetrieb, ermittelt. Diese Ermittlung kann beispielsweise derart erfolgen, dass das theoretische Leerspiel aus einem Datenspeicher ausgelesen wird. Zuvor kann es dort - beispielsweise bei der Produktion des Kraftahrzeugs - hinterlegt worden sein. Das theoretische Leerspiel setzt sich zusammen aus vielen einzelnen Leerspielen der unterschiedlichen Komponenten des Triebstrangs. Es kann beispielsweise in Grad angegeben sein. Wenn also beispielsweise ein Leerspiel von 2° angegeben ist, kann das Leerspiel nach einer Rotation der Kurbelwelle um 2° überwunden sein.
  • Außerdem wird ein tatsächliches Leerspiel im Triebstrang beim Betriebsartwechsel detektiert. Hierbei ist zu beachten, dass es sich dabei lediglich um die Detektion eines Ereignisses handelt und nicht um eine Quantifizierung des tatsächlichen Leerspiels. Außerdem wird ein überwundenes Leerspiel detektiert. Dabei handelt es sich um den Teil des gesamten Leerspiels, der bereits durchlaufen wurde. Es wird ein Unterschied zwischen dem überwundenen und dem theoretischen Leerspiel ermittelt. Der Unterschied kann beispielsweise absolut sein. In diesem Fall ist der Unterschied die Differenz zwischen dem theoretischen und dem überwundenen Leerspiel. Es ist auch möglich, dass der Unterschied relativ ist. In diesem Fall ist der Unterschied das Verhältnis zwischen dem theoretischen und dem überwundenen Leerspiel.
  • Wenn das tatsächliche Leerspiel detektiert wurde, wird die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit vom Unterschied beschleunigt. Dies hat den Vorteil, dass das Leerspiel schneller überwunden wird und die Leistung des Motors dem Fahrer schneller zum Antrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht. Beispielsweise kann die Drehzahl besonders stark erhöht werden, wenn der Unterschied relativ groß ist, und weniger stark erhöht werden, wenn der Unterschied geringer ist. Die Verringerung der Drehzahl kann ebenfalls zunächst stärker erfolgen. Je kleiner der Unterschied wird, desto geringer kann auch die Verringerung ausfallen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Beginn der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs, nachdem das Leerspiel durchlaufen wurde, besonders angenehm und komfortabel ist.
  • Die Drehzahl des Motors wird verringert, wenn der Unterschied kleiner als ein erster Schwellwert wird. Die Verringerung der Drehzahl hat den Vorteil, dass die Drehzahlen der aufeinanderschlagenden Zahnflanken, nachdem das Leerspiel komplett durchlaufen wurde, sich weniger unterscheiden, als wenn die Drehzahl des Motors relativ hoch ist.
  • Das Verfahren bietet somit zwei wichtige Vorteile. Zum einen wird das Leerspiel aufgrund der Beschleunigung der Drehzahl des Motors besonders schnell durchlaufen und das Kraftfahrzeug kann zügig beschleunigt werden. Zum anderen werden unerwünschte Störgeräusche und ein Rucken verringert, da die Drehzahl des Motors verringert wird, wenn das Leerspiel fast komplett durchlaufen wurde.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann bei der Verringerung der Drehzahl des Motors die Drehzahl des Motors an eine Abtriebsdrehzahl des Triebstrangs angepasst werden. Unter der Abtriebsdrehzahl wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere die Drehzahl der Komponenten des Triebstrangs auf der Abtriebsseite des Getriebes verstanden. Das Getriebe verfügt dabei über eine Antriebsseite, die vom Motor angetrieben wird, und über eine Abtriebsseite, über die das vom Motor erzeugte Drehmoment an die anzutreibende Achse ausgegeben wird.
  • Die Anpassung an die Abtriebsdrehzahl ist insbesondere vorteilhaft, um die Intensität von unerwünschten Geräuschen und dem Rucken zu verringern.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das tatsächliche Leerspiel durch einen Vergleich eines Gradienten einer Antriebsdrehzahl mit einem Gradienten der Abtriebsdrehzahl erfolgen. Dabei wird unter der Abtriebsdrehzahl die Drehzahl an der Abtriebsseite des Getriebes verstanden. Wenn diese Gradienten um mehr als einen zweiten Schwellwert voneinander abweichen, wird das tatsächliche Leerspiel detektiert.
  • Beim Vergleich der Gradienten ist es vorteilhaft, elastische Komponenten im Triebstrang zu berücksichtigen, da sich die an diesen Komponenten auftretenden Effekte mit dem realen Leerspiel überlagern und in dynamischen Lastwechseln zu einer fehlerhaften Detektion führen können.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Triebstrang ein Getriebe umfassen. Die Antriebsdrehzahl kann zur Ermittlung des Gradienten der Antriebsdrehzahl auf Basis einer Getriebeeingangsdrehzahl detektiert werden, wenn das Getriebe in einem schlupfenden Zustand ist. Unter der Getriebeeingangsdrehzahl wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere die Drehzahl der Komponenten auf der Antriebsseite des Getriebes verstanden. Unter einem schlupfenden Zustand des Getriebes wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, wenn zwei miteinander in Kontakt stehende Reibelemente unterschiedliche Drehzahlen aufweisen. Auf diese Weise werden Komponenten mit dynamischen Leerspiel, z.B. ein Zwei-Massen-Schwungrad, berücksichtigt. Die Erfindung ist auch auf hydrodynamische Wandler anwendbar.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann zur Ermittlung des Gradienten der Antriebsdrehzahl die Antriebsdrehzahl auf Basis der Drehzahl des Motors detektiert werden, wenn das Getriebe in einem nicht-schlupfenden Zustand ist.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das theoretische Leerspiel in Abhängigkeit von einem eingelegten Gang des Getriebes des Triebstrangs ermittelt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Übersetzungen im Getriebe je nach eingelegtem Gang werden Leerspiele, die vor und nach dem Getriebe existieren, ebenfalls entsprechend übersetzt. Dieser Effekt kann durch die gangabhängige Ermittlung des theoretischen Leerspiels berücksichtigt werden.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung können bei der Beschleunigung und/oder bei der Verringerung der Drehzahl des Motors Vor-Sollwerte durch eine Vorsteuerung ermittelt werden, die anschließend durch einen PID-Regler in Sollwerte umgewandelt werden. Unter einem PID-Regler wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Regler mit einer proportionalen Verstärkung, einer zeitlichen Integration und Berücksichtigung einer Änderungsgeschwindigkeit einer Regelabweichung der Vor-Sollwerte.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das tatsächliche Leerspiel nur detektiert werden, wenn das vom Motor übertragene Drehmoment innerhalb eines, beispielsweise gangabhängigen, Drehmomentbereichs liegt. Auf diese Weise können Fehldetektionen vermieden werden.
  • Das Kraftfahrzeug umfasst neben dem Motor, dem Triebstrang und der Achse noch eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchzuführen. Beispielsweise können Instruktionen in einem digitalen Speichermedium abgespeichert sein, die die Steuereinheit dazu veranlassen, ein Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung durchzuführen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung. Dabei zeigt
    • 1 eine schematische graphische Darstellung des Verlaufs unterschiedlicher Parameter bei der Durchführung eines Verfahrens nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Es ist ein Sollwert für ein vom Motor auszugebendes Drehmoment als Graph 100, eine Antriebsdrehzahl als Graph 101, eine Abtriebsdrehzahl als Graph 102, eine Längsbeschleunigung des Kraftfahrzeugs als Graph 103 und eine Korrektur des Sollwerts für das vom Motor auszugebende Drehmoment als Graph 104. Dargestellt. Der Graph 100 stellt dabei den Sollwert dar, der sich aufgrund der Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer ergibt, während der Graph 104 die Korrektur eben dieses Sollwerts durch das Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Graphen 101, 102 und 103 ergeben sich bei der Korrektur des Sollwerts.
  • Die Darstellung ist in einen ersten Bereich 105, einen zweiten Bereich 106 und einen dritten Bereich 107 aufgeteilt. Der zweite Bereich 106 kann dabei auch als Transient-Bereich bezeichnet werden. In ihm wird das Leerspiel durchlaufen. Das Leerspiel tritt auf, da die Betriebsart des Motors vom Schub-Betrieb im ersten Bereich 105 in den Zug-Betrieb im dritten Bereich 107 wechselt.
  • Am Verlauf der Antriebsdrehzahl 101 ist zu erkennen, dass sie beim Auftreten des Leerspiels sehr stark steigt, während die Abtriebsdrehzahl 102 weiter fällt. Dies ist dadurch zu erklären, dass der Motor alleine die Antriebsseite des Getriebes antreibt und noch kein Drehmoment an die Achse überträgt. Daher erfolgt auch keine Längsbeschleunigung 103.
  • Bei Betrachtung des Graphs 104 ist ersichtlich, dass die Drehzahl des Motors zunächst stärker erhöht wird als im Stand der Technik. Dies geschieht, um das Leerspiel möglichst schnell zu durchlaufen und dem Fahrer möglichst zügig eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Wenn dann der Unterschied zwischen durchlaufenem und theoretischen Leerspiel geringer als ein Schwellwert wird, wird die Drehzahl des Motors verringert, um ein Rucken zu vermeiden, wenn das Leerspiel komplett durchlaufen ist.
  • Zur Vorsteuerung des Drehmoments des Motors für das Durchlaufen des Leerspiels werden unterschiedliche Parameter verwendet, die das geometrische Leerspiel beschreiben. Dies kann beispielsweise ein Drehzahldifferenz-Verlauf in Abhängigkeit von einer Dynamik der Drehzahl bei der Detektion des tatsächlichen Leerspiels und dem relativen Unterschied zwischen dem theoretischen Leerspiel und dem überwundenen Leerspiel sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Drehzahldifferenzgradienten-Verlauf in Abhängigkeit von den gleichen Parametern verwendet werden. Es ist auch möglich einen direkten Drehmomenten-Verlauf in Abhängigkeit von den gleichen Parametern zu verwenden.
  • Anhand einer Trägheitsgleichung lassen sich die Ableitung des Drehzahldifferenz-Verlaufs sowie der Drehzahldifferenzgradienten-Verlauf in einen Drehmomenten-Verlauf für die Vorsteuerung überführen.
  • Um aus der Vorsteuerung nur stellbare Momente zu erhalten, wird sie auf die aktuellen Stellgrenzen des Systems begrenzt. Die von der Vorsteuerung ausgegebenen Werte können anschließend durch einen PID-Regler geregelt werden, um zum in 1 dargestellten Graph 104 zu gelangen. Um dem PID-Regler Reserven zum Einregeln der erreichbaren Soll-Differenzdrehzahl zu schaffen, können diese über einen Offset berücksichtigt werden. Konkrete Werte für den Offset können kraftfahrzeugabhängig angepasst werden.
  • Die Bestimmung des Drehzahlumkehrpunktes erfolgt durch die Berechnung unter Einbezug der Vorsteuerung automatisch und kann um einen Sicherheitsfaktor verschoben werden, sodass die Drehzahl früher als eigentlich notwendig verringert wird. Der Drehzahlumkehrpunkt ist dabei der Punkt, an dem die Antriebsdrehzahl nicht mehr erhöht, sondern verringert wird. Der Drehzahlumkehrpunkt berechnet sich aus dem Verhältnis der Vorsteuermomente, also aus dem beschleunigenden und dem bremsenden Vorsteuermoment. Eine Soll-Differenzdrehzahl für den Regler wird aus den limitierten Vorsteuer-Momenten unter Berücksichtigung der Trägheiten der Antriebsseite berechnet. Alternativ kann diese direkt aus der Vorsteuerung übernommen werden.
  • Um eine Synchronisierung der Zahnflanken sicherzustellen und nicht unnötig zu verlängern darf die Soll-Differenzdrehzahl nicht kleiner oder gleich Null werden. Daher wird die Soll-Differenzdrehzahl gangabhängig auf kleine Differenzdrehzahlen limitiert. Dies bedeutet auch, dass kleine Energieeinträge durch den Abbau einer Rest-Differenzdrehzahl aufgrund des Trägheitsmoments akzeptiert werden, um ein besseres Dynamik-Verhalten zu erzielen.
  • Um den Energieeintrag während der Synchronisierung und somit das Rucken und das Geräusch weiter zu reduzieren, wird der Drehmomenten-Gradient im zweiten Bereich 106 während aktiver Leerspielregelung verlangsamt. Dadurch reduziert sich das Kupplungsmoment zum Zeitpunkt des Zahnflankenwechsels. Mit Ende der Leerspielregelung wird der Bereich 106 direkt verlassen und der aus dem Stand der Technik bekannte Drehmomenten-Gradient des dritten Bereichs 107 verwendet.
  • Damit der Leerspielregler nach der Synchronisation der Zahnflanken keine weiteren Eingriffe ausführt, kann die Leerspielregelung beispielsweise abgebrochen werden, wenn das überwundene Leerspiel gleich dem theoretischen Leerspiel ist. Das überwundene Leerspiel kann beispielsweise aus dem Integral der Ist-Drehzahldifferenz bestimmt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der Ist-Drehzahldifferenz beobachtet werden. Falls ein spontaner Abbau der Drehzahldifferenz durch einen Einschlag auf der gegenüberliegenden Flanke und dem damit verbundenen Abbau des Trägheitsmoments detektiert wird, kann die Regelung ebenfalls beendet werden.
  • Ein sicherer Indikator für den hergestellten Kraftschluss ist die Änderung des Gradienten der Abtriebsdrehzahl. Dies beinhaltet die Information, dass durch die Antriebsseite Drehmoment eingeleitet oder herausgenommen wird. Dieser Zustand kann erst durch einen Zahnflankenwechsel hervorgerufen werden.
  • Es ist auch möglich, dass die Leerspielregelung nach einer bestimmten Zeitspanne abgebrochen wird, die als maximal benötigte Zeitspanne definiert ist. Dies verhindert vor allem eine zu große Verzögerungszeit, die von vielen Fahrern unerwünscht ist.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Motors in einem Kraftfahrzeug, wobei der Motor über einen Triebstrang mit zumindest einer Achse des Kraftfahrzeugs verbunden ist, umfassend die folgenden Schritte: - Ermittlung eines theoretischen Leerspiels des Triebstrangs bei Betriebsartwechsel des Motors; - Detektion eines tatsächlichen Leerspiels im Triebstrang beim Betriebsartwechsel; - Detektion eines überwundenen Leerspiels; - Ermittlung eines Unterschieds zwischen dem theoretischen Leerspiel und dem überwundenen Leerspiel; - Beschleunigung einer Drehzahl des Motors in Abhängigkeit vom Unterschied, wenn das tatsächliche Leerspiel detektiert wurde; - Verringerung der Drehzahl des Motors, wenn der Unterschied kleiner als ein Schwellwert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verringerung der Drehzahl des Motors die Drehzahl des Motors an eine Abtriebsdrehzahl des Triebstrangs angepasst wird.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das tatsächliche Leerspiel durch einen Vergleich eines Gradienten einer Antriebsdrehzahl mit einem Gradienten der Abtriebsdrehzahl detektiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebstrang ein Getriebe umfasst, wobei die Antriebsdrehzahl auf Basis einer Getriebeeingangsdrehzahl detektiert wird, wenn das Getriebe in einem schlupfenden Zustand ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebstrang ein Getriebe umfasst, wobei die Antriebsdrehzahl auf Basis der Drehzahl des Motors detektiert wird, wenn das Getriebe in einem nicht-schlupfenden Zustand ist.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das theoretische Leerspiel in Abhängigkeit von einem eingelegten Gang des Getriebes des Triebstrangs ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Beschleunigung und/oder bei der Verringerung der Drehzahl des Motors Vor-Sollwerte durch eine Vorsteuerung ermittelt werden, die anschließend durch einen PID-Regler in Sollwerte umgewandelt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das tatsächliche Leerspiel nur detektiert wird, wenn das vom Motor übertragene Drehmoment innerhalb eines Drehmomentbereichs liegt.
  9. Kraftfahrzeug, umfassend einen Motor, einen Triebstrang, zumindest eine durch den Motor über den Triebstrang angetriebene Achse und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
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