DE102019214503A1 - Schlupfregelung mit verbessertem Traktionswirkungsgrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren des Schlupfs S an mindestens einem Rad eines Fahrzeugs; mit den Schritten Ermitteln einer Fahrgeschwindigkeit vrealdes Fahrzeugs, einer Drehgeschwindigkeit ωRdes Rads, eines auf das Rad wirkenden Antriebsmoments MAund einer Rollwiderstandskraft FR; Berechnung des Schlupfs S und eines optimalen Schlupfs Soptaus den ermittelten Größen; und Angleichen des Antriebsschlupfs S an den optimalen Antriebsschlupf Sopt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Steuergerät nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
• Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Schlupfregelung bekannt. Derartige Verfahren sind etwa in den Druckschriften WO 2009/141181 A1 , DE 102 19 270 C1 und US 2016/0039480 A1 beschrieben.
• Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren basieren auf der Vorgabe einer konstanten Obergrenze für den Antriebsschlupf. Der Schlupf an den angetriebenen Rädern wird so geregelt, dass ein vorgegebener Grenzwert nicht überschritten wird.
• Der Traktionswirkungsgrad ist abhängig von der, an das jeweilige Rad, abgegebene Triebkraft und dem Antriebsschlupf. Herrschen gute Traktionsbedingungen vor, liegt das Maximum des Traktionswirkungsgrads bei geringem Antriebsschlupf. Verschlechtern sich allerdings die Traktionsbedingungen, beispielsweise durch Befahren eines lockeren Untergrunds oder Auftreten einer äußeren Last, ändert sich die Abhängigkeit zwischen dem Traktionswirkungsgrad und dem Antriebsschlupf. Das Maximum des Traktionswirkungsgrads verschiebt sich dann in Richtung höherer Schlupfwerte. Wird eine konstante Obergrenze für den zulässigen Antriebsschlupf vorgegeben, kann das Fahrzeug nicht bei sämtlichen Bodenbedingungen sein volles Antriebsmoment ausschöpfen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Traktionswirkungsgrad eines Fahrzeugs bei wechselnden Traktionsbedingungen zu optimieren. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Steuergerät nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten und ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Optimierung des, infolge eines auf ein Rad eines Fahrzeugs wirkenden Antriebsmoments, auftretenden Schlupfs. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um eine Landmaschine handeln.
• Landmaschinen befahren verschiedenartige Böden mit schwankenden Traktionsbedingungen. Daher ist hier das eingangs beschriebene Problem besonders akut.
• Der Schlupf ist definiert als das Verhältnis der Drehzahl des Rads zu der Drehzahl eines hypothetischen, an gleicher Stelle ohne Antriebs- oder Bremsmoment, mitlaufenden Rads.
• Das Verfahren sieht vor, eine Fahrgeschwindigkeit v_real des Fahrzeugs, eine Drehgeschwindigkeit ω_R des Rads, ein auf das Rad wirkende Antriebsmoment M_A und eine Rollwiderstandskraft F_R zu ermitteln. Mit Fahrgeschwindigkeit v_real wird die Geschwindigkeit einer Bewegung des Fahrzeugs relativ zu einem Untergrund bezeichnet. Die Drehgeschwindigkeit ω_R des Rads ist identisch mit der Winkelgeschwindigkeit von dessen Rotation.
• Das Fahrzeug weist einen Motor auf, der ein Motormoment erzeugt, das in ein Getriebe eingeleitet wird. Das Getriebe übersetzt das Motormoment in ein Antriebsmoment und beaufschlagt damit das Rad. Bei dem Antriebsmoment handelt es sich entsprechend um ein Drehmoment, mit dem das Rad angetrieben wird.
• Die Rollwiderstandskraft F_R bezeichnete eine Kraft, die beim Abrollen des Fahrzeugs entsteht. Die Rollwiderstandskraft F_R, auch Rollwiderstand genannt, ist eine Kraft, die beim Abrollen des Rads entsteht und der Bewegung des Rads entgegengesetzt ist.
• Aus der Fahrgeschwindigkeit v_real, der Drehgeschwindigkeit ω_R, dem Antriebsmoment M_A und der Rollwiderstand F_R werden der Schlupf S und ein optimaler Schlupf S_opt berechnet. Der optimale Schlupf S_opt dient als Führungsgröße einer Schlupfregelung oder -steuerung. Entsprechend wird in einem weiteren Verfahrensschritt der Schlupf S an den optimalen Schlupf S_opt angeglichen. Dies geschieht bevorzugt durch Ändern des Antriebsmoments M_A. Insbesondere kann der optimale Antriebsschlupf S_opt dabei als obere Schranke für den Schlupf S herangezogen werden.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein optimaler Schlupf S_opt als Führungsgröße für den Schlupf S verwendet, der den vorherrschenden Bodenverhältnissen Rechnung trägt. Dadurch ist es möglich, das Fahrzeug mit optimalem Traktionswirkungsgrad zu betreiben.
• Die Verfahrensschritte Ermitteln der Fahrgeschwindigkeit v_real des Fahrzeugs, der Drehgeschwindigkeit ω_R des Rads, des auf das Rad wirkenden Antriebsmoments M_A und der Rollwiderstandskraft F_R, Berechnung des Schlupfs S und des optimalen Schlupfs S_opt aus den ermittelten Größen und Angleichung des Antriebsschlupf S_opt an den optimalen Antriebsschlupf S werden in einer bevorzugten Weiterbildung iterativ, d.h. sich wiederholend, ausgeführt. Wiederholt wird die erfindungsgemäße Folge der Verfahrensschritte, die in jeder Iteration bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Dadurch wird der berechnete optimale Schlupf S_opt fortlaufend den Bodenverhältnissen angepasst. Im fortlaufenden Betrieb stellt die Schlupfregelung weiterbildungsgemäß den optimalen Betriebspunkt zwischen Auslastung des Antriebsstrangs und Antriebsschlupfs ein. Hierdurch werden der Traktionswirkungsgrad und die Flächenleistung gesteigert.
• In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Schlupf S aus der Fahrgeschwindigkeit v_real, der Drehgeschwindigkeit ω_R und einem Speed Radius Index SRI des Rads berechnet. Der Speed Radius Index wird von der European Tire and Rim Technical Organisation (ETRTO) definiert. Aus dieser Definition ergibt sich unmittelbar eine Möglichkeit zur Berechnung des Schlupfs S.
• Der optimale Schlupf S_opt wird in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung nach folgender Gleichung berechnet: $$S_{opt}=1-\frac{M_A-F_R\cdot SRI}{M_A\cdot {\eta }_T}$$

  

  η_T bezeichnet dabei eine Traktionswirkungsgrad des Rads. Mit Traktionswirkungsgrad η_T das Verhältnis von ausgehender zu eingehender Leistung bezeichnet. Die eingehende Leistung ist im vorliegenden Fall die Leistung, die über eine Antriebswelle in das Rad eingeleitet wird. Bei der von dem Rad an den Untergrund abgegebenen Leistung handelt es sich um die ausgehende Leistung.
• Berechnet wird der Traktionswirkungsgrad η_T in einer bevorzugten Weiterbildung nach folgender Gleichung: $${\eta }_T=\frac{\left(M_A-F_R\cdot SRI\right)\cdot v_{real}}{M_A\cdot v_{theo}}$$

  

  v_theo bezeichnet dabei eine theoretische Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Dies ist die Geschwindigkeit, mit der das Fahrzeug ohne Schlupf fahren würde. Es handelt sich also um die Geschwindigkeit, die das Fahrzeug ceteris paribus unter der hypothetischen Annahme, der Schlupf S betrage 0, fahren würde.
• Die Rollwiderstandskraft F_R lässt sich nicht durch standardmäßig im Fahrzeug vorhandene Messeinrichtungen erfassen. Daher wird die Rollwiderstandskraft F_R in einer bevorzugten Weiterbildung als Näherungswert berechnet. In diese Näherung geht eine Rollwiderstandskraft F_RS ein, die im Stillstand ermittelt wird. Bevorzugt wird die Rollwiderstandskraft F_RSermittelt, wenn sich das Fahrzeug auf einem Untergrund befindet, der keine Steigung aufweist. In dem Fall ist die Rollwiderstandskraft F_RS identisch mit einer Kraft, die aufgewendet werden muss, damit das Fahrzeug vom Stillstand in den fahrenden Zustand übergeht.
• Die Rollwiderstandskraft F_R wird nachfolgender Gleichung berechnet: $$F_R=F_{RS}+F_K\cdot S,$$

  

  mit einer Konstanten F_K. Diese Gleichung spiegelt eine modellhafte Annahme über die Bodenverhältnisse und deren Einfluss auf die Rollwiderstandskraft F_R wider. Wird ein geringer Schlupf bei konstanter Fahrt gemessen, liegt die Vermutung nahe, dass das Fahrzeug sich auf einem festen Untergrund, wie etwa Asphalt oder Beton, befindet. Auf unbefestigten Böden stellt sich ein höherer Schlupf ein. Je schlechter die Traktionsbedingungen, desto mehr Schlupf ist notwendig, den maximalen Traktionswirkungsgrad zu erreichen. Indirekt lässt sich also mit zunehmendem gemessenem Schlupf auf einen höheren Rollwiderstand schließen.
• Auch ist es möglich, zur Schätzung der Rollwiderstandskraft F_R die Beschaffenheit des Untergrunds mittels Sensoren zu erfassen. Rückschlüsse über den Bodenzustand lassen sich etwa mittels Feuchtigkeitssensoren oder Sensoren für die Umfelderfassung gewinnen. Auch ist es möglich, das Fahrzeug mittels eine GPS-Systems zu orten und in Abhängigkeit der Position des Fahrzeugs in einem Speicher hinterlegte Daten zu den Bodenbedingungen zu verwenden.
• Ein erfindungsgemäßes Steuergerät ist ausgebildet, das oben beschriebene Verfahren oder eine bevorzugte Weiterbildung zu implementieren. Bei dem Steuergerät handelt es sich vorzugsweise um ein Steuergerät des Fahrzeugs. So kann es sich etwa um ein Motor- oder Getriebesteuergerät handeln.
• 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
• WO 2009/141181 A1 [0002]
• DE 10219270 C1 [0002]
• US 2016/0039480 A1 [0002]

Claims (7)

1. Verfahren zum Optimieren des Schlupfs S an mindestens einem Rad eines Fahrzeugs; mit den Schritten - Ermitteln einer Fahrgeschwindigkeit v_real des Fahrzeugs, einer Drehgeschwindigkeit ω_R des Rads, eines auf das Rad wirkenden Antriebsmoments M_A und einer Rollwiderstandskraft F_R; - Berechnung des Schlupfs S und eines optimalen Schlupfs S_opt aus den ermittelten Größen; und - Angleichen des Antriebsschlupfs S an den optimalen Antriebsschlupf S_opt.
2. Verfahren nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens iterativ ausgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass der Schlupf S aus der Fahrgeschwindigkeit v_real, der Drehgeschwindigkeit ω_R und einem Speed Radius Index SRI des Rads berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Schlupf S_opt nach folgender Gleichung berechnet wird: $$S_{opt}=1-\frac{M_A-F_R\cdot SRI}{M_A\cdot {\eta }_T},$$

   

   mit einem Traktionswirkungsgrad η_T.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass der Traktionswirkungsgrad η_T nach folgender Gleichung berechnet wird: $${\eta }_T=\frac{\left(M_A-F_R\cdot SRI\right)\cdot v_{real}}{M_A\cdot v_{theo}},$$

   

   mit einer theoretischen Fahrgeschwindigkeit v_theo des Fahrzeugs.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass eine Rollwiderstandskraft F_RS im Stillstand ermittelt wird; wobei die Rollwiderstandskraft F_R nach folgender Gleichung berechnet wird: $$F_R=F_{RS}+F_K\cdot S,$$

   

   mit einer Konstanten F_K.
7. Steuergerät; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert.