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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eines formschlüssigen Schaltelements eines automatisierten Schaltgetriebes. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist sowie ein entsprechendes Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens auf dem Steuergerät.
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Bei der Ausführung einer Schaltung in einem automatisierten Schaltgetriebe unter Beteiligung eines formschlüssigen Schaltelements kann es zu einer sogenannten Zahn-auf-Zahn-Stellung an dem formschlüssigen Schaltelement kommen, die ein Schließen des formschlüssigen Schaltelements verhindert. Derartige Zahn-auf-Zahn-Stellungen müssen zur Ausführung einer Schaltung erkannt und aufgelöst werden.
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Eine Zahn-auf-Zahn-Stellung kann beispielsweise dadurch erkannt werden, dass der Schaltweg der Schalteinrichtung zum Einlegen einer Übersetzungsstufe des Getriebes nicht die Endstellung erreicht, sondern in einer Zwischenstellung verharrt, oder wenn der einzulegende Gang nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer eingelegt wurde.
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Ein Verfahren zum Erkennen und Auflösen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung an einem formschlüssigen Schaltelement eines Getriebes ist aus der
DE 10 2006 046 605 A1 bekannt. Zur Erkennung einer Zahn-auf-Zahn-Stellung ist eine Erkennungsvorrichtung vorgesehen, die aus einer Zeitüberwachung besteht, wobei bei einer Überschreitung einer Grenzzeitdauer zwischen dem Beginn des Schaltvorgangs und einer Rückmeldung über ein erfolgreiches Einlegen des Ziel-Ganges ein eine Zahn-auf-Zahn-Stellung kennzeichnendes Signal ausgibt.
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Die
DE 10 2005 054 767 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines automatisierten, unsynchronisierten Zahnräderwechselgetriebes eines Kraftfahrzeugs.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Detektion einer an einem formschlüssig ausgebildeten Schaltelement auftretenden Zahn-auf-Zahn-Stellung zu schaffen. Zudem soll ein Steuergerät, welches zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens auf dem Steuergerät angegeben werden.
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Aus verfahrenstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung dieser Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 4. Ein Steuergerät, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, ist zudem Gegenstand von Patentanspruch 5. Hinsichtlich eines Computerprogramms wird auf den Patentanspruch 6 verwiesen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen. Dabei sollen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät und dem erfindungsgemäßen Computerprogramm und jeweils umgekehrt gelten, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eines formschlüssigen Schaltelements eines automatisierten Schaltgetriebes zur Verfügung gestellt. Zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung während des Verstellens des formschlüssigen Schaltelements sieht das Verfahren vor, dass Positionswerte eines Kolbens eines Druckmittelzylinders dahingehend bewertet werden, ob diese innerhalb eines Detektionsbereiches liegen. Dann, wenn die Positionswerte des Kolbens innerhalb des Detektionsbereiches liegen, kann eine erste Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung als erfüllt angesehen werden.
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Diese Bedingung ist zwar eine notwendige Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung, stellt aber für die Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung keine hinreichende Bedingung dar. Für eine exakte Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen, welche zudem robust gegenüber Schwankungen von Systemparametern ist, sieht das erfindungsgemäße Verfahren daher vor, dass zusätzlich zur Auswertung der Kolbenposition des Druckmittelzylinders weitere Bedingungen signalbasiert oder modellbasiert bei der Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung berücksichtigt werden.
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Ein automatisiertes Schaltgetriebe bezeichnet hier insbesondere ein mehrgängiges Getriebe, bei dem mehrere Übersetzungsstufen, also feste Übersetzungsverhältnisse zwischen zwei Wellen des Getriebes, durch Schaltelemente automatisiert schaltbar sind. Derartige Getriebe finden vor allem in Kraftfahrzeugen Anwendung, um die Drehzahl- und Drehmomentabgabecharakteristik der Antriebseinheit den Fahrwiderständen des Kraftfahrzeugs in geeigneter Weise anzupassen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente kann das Getriebe in eine Neutralposition gebracht werden, in welcher die Antriebseinheit vom Abtrieb getrennt ist. Bei dem formschlüssigen Schaltelement kann es sich beispielsweise um ein Klauenschaltelement handeln. Das formschlüssige Schaltelement bzw. das Klauenschaltelement kann unsynchronisiert oder synchronisiert ausgebildet sein. Das formschlüssige Schaltelement kann insbesondere als Schaltkupplung ausgestaltet sein.
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Das Verstellen des Schaltelements kann mittels eines Schaltaktuators erfolgen, welcher als pneumatisch oder hydraulisch betätigbarer Druckmittelzylinder ausgebildet sein kann. Mittels des Schaltaktuators wird eine Schaltmechanik des Getriebes zum Verstellen des formschlüssigen Schaltelements während eines Schaltvorgangs betätigt.
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Ein Erfassen der Position des Kolbens des Druckmittelzylinders kann mittels eines Sensors erfolgen. Der Sensor kann als Positionssensor ausgebildet sein, welcher an dem Schaltaktuator oder an der Schaltmechanik des Getriebes, wie beispielsweise an einer Schaltschiene oder einer Schaltgabel, angeordnet sein kann.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass als weitere Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eine Geschwindigkeit des Kolbens des Druckmittelzylinders geschätzt wird. Eine Bestimmung der Kolbengeschwindigkeit kann anhand der erfassten Kolbenposition signalbasiert erfolgen. Dann, wenn die geschätzte Kolbengeschwindigkeit innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters unterhalb einer festgelegten Grenzgeschwindigkeit liegt, obwohl der Kolben des Druckmittelzylinders mit einem Schaltdruck beaufschlagt wird, kann davon ausgegangen werden, dass eine Zahn-auf-Zahn-Stellung vorliegt. Diese Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung wird dann als erfüllt angesehen.
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Alternativ oder zusätzlich kann als weitere Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eine Kurzzeit-Standardabweichung der Kolbenposition berücksichtigt werden. Mittels der Kurzzeit-Standardabweichung kann ermittelt werden, wie stark die Streuung der Kolbenpositionswerte um einen gebildeten Mittelwert der Kolbenpositionswerte innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters ist. Da das Zeitfenster zur Ermittlung der Streuung der Kolbenpositionswerte um den Mittelwert verhältnismäßig gering ist, ist vorliegend von einer Kurzzeit-Standardabweichung die Rede. Dann, wenn die berechnete Kurzzeit-Standardabweichung der Kolbenposition unterhalb einer festgelegten Kurzzeit-Standardabweichung liegt, wird diese Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung als erfüllt angesehen und das Vorliegen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung wird erkannt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können weitere, modellbasierte Bedingungen bei der Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung berücksichtigt werden. So kann als weitere Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eine Differenz zwischen einer gemessenen Kolbenposition und einer mittels eines Simulationsmodells gerechneten Kolbenposition berücksichtigt werden. Dann, wenn die Differenz zwischen der gemessenen Kolbenposition und der mittels des Simulationsmodells gerechneten Kolbenposition unterhalb eines definierten Schwellwerts liegt, wird diese Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung als erfüllt angesehen und das Vorliegen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung wird erkannt. Das Simulationsmodell kann in Echtzeit mit Messwerten korrigiert werden und folglich als linearer Zustandsbeobachter ausgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann als weitere Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eine Druckänderungsrate in einer Gegenkammer des Druckmittelzylinders bestimmt werden. Dann, wenn die Druckänderungsrate in der Gegenkammer unterhalb eines definierten Schwellwerts liegt, kann diese Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung als erfüllt angesehen werden. Die Druckänderungsrate in der Gegenkammer des pneumatischen Druckmittelzylinders kann aus der pneumatischen Gasgleichung unter Annahme eines polytropen Druckaufbaus berechnet werden. Als Gegenkammer wird die Druckmittelkammer des Druckmittelzylinders verstanden, die der Druckmittelkammer des Druckmittelzylinders, welche zum Wechsel der Übersetzungsstufe des automatisierten Schaltgetriebes mit einem Schaltdruck beaufschlagt wird, gegenüber liegt.
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Dadurch, dass zusätzlich zur Auswertung der Kolbenposition des Druckmittelzylinders bezogen auf einen Detektionsbereich, weitere Bedingungen signalbasiert oder modellbasiert bei der Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung berücksichtigt werden, kann eine exakte Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen erzielt werden, welche robust gegenüber Schwankungen von Systemparametern ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Das Steuergerät umfasst Mittel, die der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen. Bei diesen Mitteln handelt es sich um hardwareseitige Mittel und um softwareseitige Mittel. Bei den hardwareseitigen Mitteln des Steuergeräts handelt es sich um Datenschnittstellen, um mit den an der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beteiligten Baugruppen Daten auszutauschen. Das Steuergerät ist hierzu auch mit notwendigen Sensoren sowie soweit notwendig auch mit anderen Steuergeräten verbunden, um die entscheidungsrelevanten Daten aufzunehmen bzw. Steuerbefehle weiterzuleiten. Das Steuergerät kann beispielsweise als Getriebesteuergerät ausgebildet sein. Bei den hardwareseitigen Mitteln des Steuergeräts handelt es sich ferner um einen Prozessor zur Datenverarbeitung und ggf. um einen Speicher zur Datenspeicherung. Bei den softwareseitigen Mitteln handelt es sich um Programmbausteine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm ist ausgebildet, ein Steuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer bevorzugten Weiterbildung zu veranlassen, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät ausgeführt wird. In diesem Zusammenhang gehört auch ein computerlesbares Medium zum Gegenstand der Erfindung, auf dem ein vorstehend beschriebenes Computerprogramm abrufbar gespeichert ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines automatisierten Gruppengetriebes;
- 2 eine schematische Darstellung einer Schaltmechanik des automatisierten Gruppengetriebes;
- 3 eine schematische Darstellung eines pneumatischen Schaltzylinders;
- 4 eine schematische Darstellung eines pneumatischen Schaltventils;
- 5 eine Struktur eines Zustandsbeobachters;
- 6 Detektionsbereiche zur Erkennung von Zahn-auf-Zahn-Stellungen;
- 7 einen Kennlinienverlauf zur signalbasierten Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen;
- 8 einen Kennlinienverlauf zur modellbasierten Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen; und
- 9 einen weiteren Kennlinienverlauf zur modellbasierten Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen.
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1 zeigt stark schematisiert ein Blockschaltbild eines pneumatischen Schaltsystems eines als Gruppengetriebe ausgebildeten automatisierten Schaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs.
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So zeigt 1 mehrere Druckmittelzylinder 10, 11, 12, nämlich einen Druckmittelzylinder 11 für eine sogenannte Hauptgruppe des Gruppengetriebes, einen Druckmittelzylinder 10 für eine sogenannte Vorschaltgruppe des Gruppengetriebes und einen Druckmittelzylinder 12 für eine sogenannte Nachschaltgruppe des Gruppengetriebes. Die Vorschaltgruppe wird auch als Splitter und die Nachschaltgruppe auch als Bereichsgruppe bezeichnet.
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Jeder Druckmittelzylinder 10, 11, 12 verfügt über einen in einem Zylindergehäuse angeordneten Kolben 13, 14 bzw. 15, der im Zylindergehäuse des jeweiligen Druckmittelzylinders 10, 11, 12 längsverschiebbar ist, um Schaltungen in der jeweiligen Gruppe des Gruppengetriebes auszuführen. Der jeweilige Druckmittelzylinder 10, 11, 12 kann ausgehend von einem Druckstellerraum 16 des Getriebes mit Druckluft versorgt werden, wobei hierzu vom Druckstellerraum 16 Druckluftleitungen 17, 18 bzw. 19, 20 bzw. 21, 22 in Richtung auf den jeweiligen Druckmittelzylinder 10, 11, 12 führen. Der Druckstellerraum 16 wird auch als Getriebestellerraum bezeichnet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel führen zu jedem Druckmittelzylinder 10, 11, 12 jeweils zwei Druckluftleitungen 17, 18 bzw. 19, 20 bzw. 21, 22, um Druckkammern des jeweiligen Druckmittelzylinders 10, 11, 12 mit Druckluft zu versorgen. In jeder der Druckluftleitungen 17 bis 22 ist dabei jeweils ein Ventil 23 angeordnet.
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Der Druckstellerraum 16 kann ausgehend von einem Vorratsbehälter 24, der auch als Druckkessel bezeichnet wird, mit Druckluft versorgt werden. Vom Vorratsbehälter 24 führen Druckluftleitungen 25, 26 in Richtung auf den Druckstellerraum 16, um abhängig von der Stellung von Ventilen 27, die in diesen Druckluftleitungen 25, 26 angeordnet sind, Druckluft ausgehend von dem Vorratsbehälter 24 in den Druckstellerraum 16 zu fördern. Die zwischen den Vorratsbehälter 24 und den Druckstellerraum 16 geschalteten Schaltventile 27 werden auch als Hauptabschaltventile bezeichnet.
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Im Druckstellerraum 16 ist ein Drucksensor 28 verbaut, mithilfe dessen der Druck im Druckstellerraum 16 messtechnisch erfasst werden kann. Der Druck im Druckstellerraum 16 wird als Schaltdruck bezeichnet. Ein im Vorratsbehälter 24 herrschender Druck wird als Systemdruck bezeichnet.
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Ein mithilfe des Drucksensors 28 messtechnisch erfasster Ist-Schaltdruck im Druckstellerraum 16 kann mit einem gewünschten Soll-Schaltdruck verglichen werden, um abhängig von einer Abweichung zwischen dem Ist-Schaltdruck und dem Soll-Schaltdruck die Ventile 27 zur Regelung des Schaltdrucks im Druckstellerraum 16 anzusteuern. Neben der messtechnischen Erfassung des Schaltdrucks im Druckstellerraum 16 kann der Schaltdruck im Druckstellerraum 16 während einer laufenden Schaltungsausführung auch berechnet werden.
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Gemäß 2 wird ein Teil einer Schaltmechanik 30 des automatisierten Gruppengetriebes dargestellt. Die abgebildete Schaltmechanik 30 dient zum Verstellen der Schalkupplungen der Hauptgruppe des Gruppengetriebes. Die Hauptgruppe ist mit drei Übersetzungsstufen G1, G2, G3 für eine Vorwärtsfahrt und einer Übersetzungsstufe R für eine Rückwärtsfahrt dreistufig ausgebildet.
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Die Hauptgruppe des Gruppengetriebes ist in Vorgelegebauweise ausgeführt und weist eine Hauptwelle W und zwei hier nicht dargestellte Vorgelegewellen auf, wobei eine der Vorgelegewellen mit einer steuerbaren Getriebebremse versehen sein kann. Losräder der Übersetzungsstufen G1, G2, G3 und R sind jeweils drehbar auf der Hauptwelle W gelagert und über zugeordnete Schaltkupplungen schaltbar. Die zugeordneten Festräder sind drehfest auf den hier nicht dargestellten Vorgelegewellen angeordnet.
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Die Schaltkupplungen der Übersetzungsstufen G3 und G2 sowie die Schaltkupplungen der Übersetzungsstufen G1 und R sind jeweils in einem gemeinsamen Schaltpaket S3/2 bzw. S1/R zusammengefasst. Das Hauptgetriebe ist unsynchronisiert schaltbar ausgebildet.
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Eine Ansteuerung der Schaltkupplungen zum Einstellen einer gewünschten Ziel-Übersetzungsstufe G3, G2, G1, R wird dabei über ein Steuergerät gesteuert bzw. geregelt. Das Steuergerät kann vorzugsweise als Getriebesteuergerät ausgebildet sein. Die Schaltkupplungen können mittels des Druckmittelzylinders 11 betätigt werden. Der Druckmittelzylinder ist vorliegend als pneumatischer Schleppzylinder ausgebildet. Die Schaltmechanik 30 umfasst hierzu zumindest zwei Schaltgabeln SG1, SG2, welche über eine Schaltschiene durch Betätigung des Druckmittelzylinders 11 in axialer Richtung zum Einlegen einer Ziel-Übersetzungsstufe der Hauptgruppe betätigt werden können. Die Schaltgabeln SG1, SG2 greifen jeweils in eine Schaltmuffe der Schaltmechanik 30 ein. Die Schaltmuffen sind axial verschiebbar auf der Hauptwelle W angeordnet. Die Schaltmuffen weisen hier eine Außenverzahnung auf. Beim Ausführen eines Schaltvorgangs wird die jeweilige Schaltmuffe mit einem Kupplungskörper eines Zahnrads in Wirkverbindung gebracht oder von diesem getrennt. Die Ziel-Übersetzungsstufe kann über einen Wählaktuator WA der Schaltmechanik ausgewählt werden. Beim Einlegen einer Ziel-Übersetzungsstufe kann es zu einer Zahn-auf-Zahn-Stellung kommen, die das Einlegen der Ziel-Übersetzungsstufe verhindert. Bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung stehen die Schaltklauen der Schaltmuffe und die Schaltklauen des Kupplungskörper des Zahnrads aufeinander und umlaufen mit gleicher Drehzahl. Das Einlegen der Ziel-Übersetzungsstufe ist dann aufgrund der aufeinander stehenden Schaltklauen des formschlüssigen Schaltelements nicht möglich.
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Eine schematische Darstellung des als pneumatischer Schleppzylinder ausgebildeten Druckmittelzylinders 11 ist in 3 dargestellt. Der Druckmittelzylinder 11 weist eine Kolbenstange 34 auf, über welche der Druckmittelzylinder 11 mit der Schaltschiene der Schaltmechanik 30 verbunden ist. Die Kolbenstange 34 ist axial beweglich in einem Zylindergehäuse 35 geführt. Auf der Kolbenstange 34 ist ein Schleppkolben 33 beweglich angeordnet. Zwischen dem Schleppkolben 33 und dem Zylindergehäuse 35 sind zudem Schleppringe 31, 32 angeordnet. Die Schleppringe 31, 32 sind auf dem Schleppkolben 33 gleitbeweglich geführt. Dichtelemente sind sowohl zwischen den Schleppringen 31, 32 und dem Schleppkolben 33 als auch zwischen den Schleppringen 31, 32 und dem Zylindergehäuse 35 angeordnet. Durch diese Anordnung weist der pneumatisch Druckmittelzylinder 11 mehrere Druckkammern 36, 37, 38 auf.
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Je nach Bewegungsrichtung (+ / -) ergeben sich folgende aktive Volumina in den einzelnen Druckkammern 36, 37, 38 des Druckmittelzylinders 11:
wobei V
± das aktive Volumen während einer Schaltung,
das aktive Volumen in einer Mittelstellung des Druckmittelzylinders (Neutralstellung),
das positionsabhängig aktive Volumen, A
± die wirksame Kolbenfläche der jeweiligen Druckkammer 36, 37, 38, s die aktuelle Schaltposition und s
0 die Schaltposition in der Neutralstellung ist. Die Kolbenflächen A
± und die Volumina in den einzelnen Druckkammern 36, 37, 38 sind konstruktive Parameter und daher bekannt. Die Kolbenposition s wird während eines Schaltvorgangs mittels einer Wegsensorik gemessen und ist folglich auch bekannt. Die Wegsensorik kann als Wegsensor bzw. Positionssensor ausgebildet sein, welcher an der Schaltmechanik 30 des Gruppengetriebes bzw. an dem Druckmittelzylinder 11 angeordnet sein kann.
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Aus der pneumatischen Gasgleichung lässt sich die Druckänderungsrate p in den einzelnen Druckkammern 36, 37, 38 des Druckmittelzylinders 11 unter Annahme eines polytropen Druckaufbaus wie folgt berechnen:
wobei m
± die Luftmasse in der jeweiligen Druckkammer, R die spezifische Gaskonstante für Luft, T die absolute Lufttemperatur, n der polytropen Exponent, p
± die Druckänderungsrate, p
± der Druck in der jeweiligen Druckkammer und ṁ
± der Massenstrom in die jeweilige Druckkammer ist. Der Luftmassenstrom ṁ
± in die jeweilige Druckkammer des Druckmittelzylinders 11 wird durch die pneumatischen Ventile 23 gesteuert. Die Ventile 23 können beispielsweise als Schaltventile oder als Proportionalventile ausgebildet sein.
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Eine schematische Darstellung eines pneumatischen Schaltventils 23 ist in 4 dargestellt. Das Schaltventil 23 ist elektromagnetisch betätigbar. In der linken Abbildung der 4 ist das Schaltventil 23 angesteuert, um die Druckkammern des Druckmittelzylinders 11 zum Schalten des Getriebes mit Druckmittel zu Befüllen. Dabei fließt ausgehend von dem Druckstellerraum 16, in welchem ein Schaltdruck p1 vorherrscht, ein Luftmassenstrom ṁ in die jeweilige Druckkammer des Druckmittelzylinders 11, in welcher sich ein entsprechender Druck p± bildet. In der mittleren Abbildung der 4 ist das Schaltventil 23 angesteuert, um die Druckkammern des Druckmittelzylinders 11 zu Entlüften. Dabei fließt ausgehend von der Druckkammer des Druckmittelzylinders 11 ein Luftmassenstrom m in die Atmosphäre ab. Eine Drosselfunktion des Schaltventils 23 ist in der rechten Abbildung der 4 dargestellt. Die Drossel stellt eine Verengung des Leitungsquerschnitts dar und wirkt somit als örtlicher Strömungswiderstand. Da sich der Luftmassenstrom ṁ vor der Querschnittsverengung staut, entsteht eine Druckdifferenz p1/p±.
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Der Luftmassenstrom m durch ein Schaltventil kann wie folgt modelliert werden:
wobei C der Leitwert des Ventils, ρ
0 die Luftdichte, T
0 die absolute Temperatur der Luft im Normzustand, ψ(p
1,p
±) die Ausflussfunktion, b das kritische Druckverhältnis des Ventils, p
1 der Luftdruck vor und p
± der Luftdruck nach der Drossel ist.
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Mit Hilfe der Gleichungen (6) und (7) lassen sich die Ventilparameter C und b bestimmen. Für die Bestimmung der Ventilparameter müssen die Drücke p
± und p
1 in den jeweiligen Druckkammern messbar sein. Diese Ventilparameter sind notwendig für die modellbasierte Detektion und Auflösung von Zahn-auf-Zahn-Stellungen. Eine Bewegung des Kolbens des Druckmittelzylinders 11 lässt sich modellieren, vorzugsweise nach folgenden Formeln:
wobei m die Masse des Kolbens, s̈ die Beschleunigung des Kolbens, p
0 der atmosphärische Luftdruck, F
ext die Summe aller extern auf den Kolben wirkenden Kräfte, wie beispielsweise Reibungskräfte, und F die von dem Kolben aufgebrachte Kraft ist.
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Bei modellbasierten Ansätzen zur Erkennung von Zahn-auf-Zahn-Stellungen können in vorteilhafter Weise Informationen über das Modellverhalten genutzt werden. Hierbei wird die Bewegung des Kolbens des Druckmittelzylinders 11, beschrieben durch die oben hergeleiteten mathematischen Gleichungen, in Echtzeit simuliert. Gleichzeitig werden die simulierten Größen mit den real gemessenen Größen verglichen. Kommt es zu Abweichungen zwischen den simulierten Werten und den gemessenen Werten, dann wird das Modellverhalten automatisch derart korrigiert, dass der Fehler konvergiert. Ein in Echtzeit mit Messwerten korrigiertes Simulationsmodell wird auch Beobachter genannt. Eine allgemeine Struktur eines solchen Beobachters ist in 5 dargestellt, wobei der Beobachter als linearer Zustandsbeobachter ausgebildet ist. Das Getriebe als Referenzsystem ist hierbei mit dem Bezugszeichen 39 versehen, während der Beobachter mit dem Bezugszeichen 40 versehen ist.
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Bei dem Beobachterentwurf kann ein Gütefunktional über einen unendlichen Zeithorizont minimiert werden, vorzugsweise nach folgender Formel:
wobei Q eine symmetrische, positiv definite Gewichtungsmatrix und r eine positive skalare Größe ist. Das in Gleichung (10) formulierte Optimierungsproblem erfordert die Lösung folgender algebraischen Riccati-Gleichung, aus der die optimale Beobachterverstärkung wie folgt berechnet werden kann:
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Der Vorteil eines linearen Zustandsbeobachters liegt insbesondere darin, dass er zusätzlich zu dem Systemausgang auch weitere Zustandsgrößen schätzen kann. Da bei dem vorliegenden Verfahren zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung nur die Position des Kolbens des Druckmittelzylinders 11 gemessen wird, können andere Zustände wie die Kolbengeschwindigkeit oder die Kolbenkraft durch den Beobachter geschätzt werden.
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Das Verfahren zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung sieht als eine notwendige Bedingung für die Detektion einer möglichen Zahn-auf-Zahn-Stellung vor, dass die Kolbenposition des Druckmittelzylinders 11 innerhalb eines sogenannten Detektionsbereiches B liegen muss. Dieser Detektionsbereich B ist in 6 beispielhaft für die in 1 abgebildete Hauptgruppe des Gruppengetriebes dargestellt. Neben den in der 6 abgebildeten Detektionsbereichen B sind in der 6 die Schaltwegverläufe dargestellt, welche sich beim Einlegen der Übersetzungsstufen G3, G3, G1 und R ausgehend von einer Neutralstellung der formschlüssigen Schaltelemente ergeben. Kann bei einem Schaltvorgang die Ziel-Übersetzungsstufe ohne eine Zahn-auf-Zahn-Stellung eingelegt werden, dann wird der Detektionsbereich B lediglich durchfahren, wobei der Kolben des Druckmittelzylinders 11 bei eingelegter Ziel-Übersetzungsstufe seine Endposition erreicht. Kommt es bei dem Schaltvorgang hingegen zu einer Zahn-auf-Zahn-Stellung, dann verharrt der Kolben des Druckmittelzylinders 11 in einer Zwischenposition, welche innerhalb des Detektionsbereichs B liegt. Dieses Verharren in dem Detektionsbereich B (sk ∈ B) bildet in dem erfassten Schaltwegverlauf einen Bereich aus, welcher kennzeichnend für eine Zahn-auf-Zahn-Stellung ist. Diese Bedingung ist zwar eine notwendige Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung, aber nicht hinreichend. Für die exakte Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen sieht das erfindungsgemäße Verfahren daher weitere notwendige sowie hinreichende Bedingungen zur Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen vor. Diese zusätzlichen Bedingungen werden nachfolgend näher beschrieben.
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So kann als weitere notwendige Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung eine Geschwindigkeit des Kolbens des Druckmittelzylinders 11 geschätzt werden. Dann, wenn die geschätzte Kolbengeschwindigkeit innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters unterhalb einer festgelegten Grenzgeschwindigkeit liegt (ṡk < ṡG), obwohl der Druckmittelzylinder 11 mit einem Schaltdruck beaufschlagt wird, kann davon ausgegangen werden, dass eine Zahn-auf-Zahn-Stellung vorliegt. Das vorgebbare Zeitfenster kann beispielsweise über die Formel M = k * Ts festgelegt werden, wobei TS die Abtastzeit und k ein frei wählbarer Parameter ist.
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Die oben formulierten notwendigen Bedingungen, dass die Kolbenposition innerhalb des Detektionsbereichs liegt (sk ∈ B) und die geschätzte Kolbengeschwindigkeit innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters unterhalb einer festgelegten Grenzgeschwindigkeit liegt (sk < ṡG), können je nach Problemstellung entweder getrennt oder in Kombination eingesetzt werden.
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Als weitere Bedingung zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung, welche als hinreichende Bedingung angesehen werden kann, wird eine Kurzzeit-Standardabweichung der Kolbenposition berücksichtigt. Auf das Vorliegen einer Zahn-auf-Zahn-Stellung kann dann geschlossen werden, wenn die berechnete Kurzzeit-Standardabweichung der Kolbenposition unterhalb einer festgelegten Kurzzeit-Standardabweichung (σk < σG) liegt.
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Die Kurzzeit-Standardabweichung σ
k lässt sich nach den folgenden Formeln berechnen:
wobei s die Kolbenposition, σ
k die Kurzzeit-Standardabweichung, σ
G die Grenz-Kurzzeit-Standardabweichung,
s k der Kurzzeit-Mittelwert, ṡ
G eine festgelegte und als Konstant angenommene Grenzgeschwindigkeit des Kolbens, T
s die Abtastzeit und N ein frei wählbarer Parameter ist.
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Je größer der Parameter N gewählt wird, umso genauer kann eine Zahn-auf-Zahn-Stellungen detektiert werden. Allerdings dauert die Detektion dann entsprechend länger. Daher muss für die Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung ein Kompromiss zwischen Schnelligkeit und Genauigkeit ermittelt werden.
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7 zeigt einen Kennlinienverlauf zur signalbasierten Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen. Hier sind sowohl die Kolbenposition s, der Mittelwert der Kolbenposition s sowie die Standardabweichung σk und die Grenz-Standardabweichung σG dargestellt. Der Mittelwert der Kolbenposition s wird hier innerhalb eines Zeitfensters von 25ms gebildet. Zum Zeitpunkt t1 kommt es beim Wechsel einer Übersetzungsstufe der Hauptgruppe des Gruppengetriebes zu einer Zahn-auf-Zahn-Stellung. Bei einer gewählten Parametrierung mit Ts = 1ms, N = 3 und M = 25 kann die Zahn-auf-Zahn-Stellung zum Zeitpunkt t2, zu welchem die berechnete Kurzzeit-Standardabweichung der Kolbenposition unterhalb der festgelegten Kurzzeit-Standardabweichung liegt (σk < σG), schnell und zuverlässig detektiert werden. Die Detektion dauert in diesem vorliegenden Fall insgesamt 25ms. Auch bei einer gewählten Parametrierung mit TS = 5ms, N = 3 und M = 5 kann eine Zahn-auf-Zahn-Stellung immer noch schnell und zuverlässig detektiert werden. Die Detektion dauert mit insgesamt 30ms dann jedoch etwas länger.
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Liegt die gemessene Position des Kolbens innerhalb des Detektionsbereiches (sk ∈ B) und liegt die geschätzte Kolbengeschwindigkeit innerhalb eines Zeitfensters M = k * TS unterhalb einer festgelegten Grenzgeschwindigkeit (ṡk < ṡG) und liegt außerdem die berechnete Kurzzeit-Standardabweichung der Kolbenposition unterhalb einer definierten Standardabweichung (σk < σG) dann liegt eine Zahn-auf-Zahn-Stellung vor.
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Alternativ oder zusätzlich zu der signalbasierten Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen können weitere Bedingungen zur Detektion einer Zahn-auf-Zahn-Stellung modellbasiert berücksichtigt werden. Bei dem modellbasierten Detektionsansatz kann das dynamische Modell des Kolbens des Druckmittelzylinders 11 verwendet werden, welches der obigen Gleichung (9) zugrunde liegt. Dabei wird angenommen, dass sich Störkräfte innerhalb eines kleinen Zeitintervalls nur sehr langsam ändern. Dies kann über die folgenden Gleichungen verdeutlicht werden:
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Die Gleichungen (16) bis (18) können in obige Gleichungen (10) bis (12) eingesetzt werden, um eine Beobachterverstärkung zu berechnen. Liegt eine Zahn-auf-Zahn-Stellung vor, so wird die Bewegung des Kolbens in dem Druckmittelzylinder 11 gestoppt aber das Simulationsmodell rechnet weiter. Ist die Differenz zwischen der real gemessenen Kolbenposition s
real und der aus dem Simulationsmodell gerechneten Kolbenposition s
sim kleiner als ein definierter Schwellwert, dann wird eine Zahn-auf-Zahn-Stellung detektiert. Dies kann mit der folgenden Formel verdeutlicht werden:
wobei α die Schaltrichtung, Δs
min die minimale Positionsabweichung und Δs die gemessene Positionsabweichung ist.
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Entsprechende Kennlinienverläufe hierzu sind in der 8 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 kommt es beim Wechsel einer Übersetzungsstufe der Hauptgruppe des Gruppengetriebes zu einer Zahn-auf-Zahn-Stellung. Zum Zeitpunkt t2, zu welchem die Differenz zwischen der real gemessenen Kolbenposition s und der aus dem Simulationsmodell gerechneten Kolbenposition ssim kleiner als der definierte Schwellwert wird, wird die Zahn-auf-Zahn-Stellung detektiert. Dies kann beispielsweise innerhalb von 10ms erfolgen. Mit Hilfe des modellbasierten Ansatzes kann eine Zahn-auf-Zahn-Stellung schnell und zuverlässig detektiert werden. Abhängig von einer Abtastrate können Zahn-auf-Zahn-Stellungen schneller oder langsamer detektiert werden, wobei bei einer höheren Abtastrate eine Zahn-auf-Zahn-Stellung entsprechend schneller detektiert werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen modellbasierten Detektionsansatz kann bei einem weiteren modellbasierten Detektionsansatz ein vereinfachtes stationäres Gasmodell der Gegenkammer des Kolbens verwendet werden, siehe obige Gleichung (4), mit folgender Annahme:
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Daraus ergibt sich folgendes Modell für die Beschreibung der Gasdynamik:
wobei angenommen wird, dass der Druck in der Kolbenkammer über einen kurzen Zeitraum als Konstant angenommen werden kann. Der Zustandsvektor x kann mit Hilfe des in
5 dargestellten Zustandsbeobachters geschätzt werden. Infolge einer Kolbenbewegung wird die Luft in der Gegenkammer komprimiert und der Druck in der Gegenkammer steigt an. Kommt es bei einem Wechsel der Übersetzungsstufe zu einer Zahn-auf-Zahn-Stellung, dann stoppt der Kolben und der Druck in der Gegenkammer steigt nicht mehr an, wodurch eine Zahn-auf-Zahn-Stellung detektiert werden kann, vorzugsweise nach folgender Formel:
wobei p die Druckänderungsrate und ṗ
G ein Grenzwert für die Druckänderungsrate in der Gegenkammer ist.
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Dieser modellbasierte Detektionsansatz setzt voraus, dass der Druck in die Gegenkammer messbar ist. Die Druckänderungsrate p kann mittels des in 5 dargestellten Beobachters geschätzt werden.
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Entsprechende Kennlinienverläufe hierzu sind in der 9 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 kommt es beim Wechsel einer Übersetzungsstufe der Hauptgruppe des Gruppengetriebes zu einer Zahn-auf-Zahn-Stellung. Zum Zeitpunkt t2, zu welchem die Druckänderungsrate p in der Gegenkammer kleiner als der vorgegebene Grenzwert für die Druckänderungsrate in der Gegenkammer ist, wird die Zahn-auf-Zahn-Stellung detektiert. Dies kann beispielsweise innerhalb von 6ms erfolgen. Auch mit Hilfe dieses modellbasierten Ansatzes kann eine Zahn-auf-Zahn-Stellung schnell und zuverlässig detektiert werden. Abhängig von einer Abtastrate können Zahn-auf-Zahn-Stellungen schneller oder langsamer detektiert werden, wobei bei einer höheren Abtastrate eine Zahn-auf-Zahn-Stellung entsprechend schneller detektiert werden kann.
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Die vorgeschlagenen Detektionsansätze zur Detektion von Zahn-auf-Zahn-Stellungen in einem automatisierten Getriebe sind sehr effektiv und benötigt sowohl wenig Speicher als auch wenig Rechenaufwand, da keine aufwendigen Kennfelder benötigt werden.