DE102020125335B3

DE102020125335B3 - Verfahren zur Steuerung eines Hydrauliksystems

Info

Publication number: DE102020125335B3
Application number: DE102020125335.4A
Authority: DE
Inventors: Marc Rambert; Nicolas Leriche
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: WO2022068991A1; US20230366417A1; CN116113777A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hydrauliksystems (1) zur Betätigung einer Antriebsstrangeinrichtung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, in welchem Hydrauliksystem (1) von einer elektrisch betriebenen Pumpe (3) ein erster Volumenstrom (Qpump) eines Druckmittels (5) bereitgestellt und ein Nehmerzylinderkolben (9) eines Nehmerzylinders (8) von einem Schaltventil (7) gesteuert mittels eines zweiten, aus dem ersten Volumenstrom (Qpump) erzeugten Volumenstroms (Qload) entlang eines Betätigungswegs (x) betätigt wird. Um über die Lebensdauer des Hydrauliksystems einen Verschleiß zu erfassen, wird aus einem Vergleich der beiden Volumenströme (Qpump, Qload) eine Leckage (Qleakage) des Hydrauliksystems (1) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hydrauliksystems zur Betätigung einer Antriebsstrangeinrichtung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, in welchem Hydrauliksystem von einer elektrisch betriebenen Pumpe ein erster Volumenstrom eines Druckmittels bereitgestellt und ein Nehmerzylinderkolben eines Nehmerzylinders von einem Schaltventil gesteuert mittels eines zweiten, aus dem ersten Volumenstrom erzeugten Volumenstroms entlang eines Betätigungswegs betätigt wird.
DE 10 2015 206 403 A1 offenbart eine hydraulische Anordnung und ein Verfahren zur Leckagemessung für eine hydraulische Anordnung.
Die Druckschrift DE 10 2019 101 957 A1 offenbart ein Hydrauliksystem zur Betätigung einer Antriebsstrangeinrichtung, nämlich einer Reibungskupplung und einer Parksperre. Hierbei wird mittels einer elektrisch betriebenen Pumpe ein erster Volumenstrom erzeugt und mittels eines aus diesem erzeugten zweiten Volumenstroms ein Nehmerzylinder mit Druck beaufschlagt. Die Steuerung der Pumpe erfolgt druck- und temperaturkompensiert.
Aus der Druckschrift DE 10 2019 102 249 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Hydrauliksystems bekannt, bei dem eine Leckage ermittelt wird, indem während einer Betätigung des Nehmerzylinders ein Druck eines Druckmittels im Hydrauliksystem erfasst und mit einem Schwellwert verglichen wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens zur Steuerung eines Hydrauliksystems. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung einer Leckage eines Hydrauliksystems vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Steuerung eines Hydrauliksystems zur Betätigung einer Antriebsstrangeinrichtung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. In dem Antriebsstrang kann eine rein elektrisch oder hybridisch ausgebildete Antriebseinheit oder ausschließlich eine Brennkraftmaschine als Antrieb wirksam sein. Zwischen dem Antrieb und von diesem angetriebenen Antriebsrädern kann ein Getriebe mit zumindest einem, beispielsweise mehreren automatisiert schaltbaren Gängen vorgesehen sein. Das Getriebe kann als Doppelkupplungsgetriebe ausgebildet sein, wobei zwischen dem Antrieb und den beiden Getriebeeingangswellen des Doppelkupplungsgetriebes jeweils eine Reibungskupplung wirksam angeordnet ist. Zwischen den Antriebsrädern und dem Antrieb kann eine Reibungskupplung angeordnet sein. Ein rein elektrisch oder hybridisch ausgebildeter Antrieb kann bezogen auf eine Trennkupplung geteilt ausgebildet sein, indem beispielsweise bezogen auf die Antriebsräder eine Elektromaschine vor- und eine Elektromaschine der Trennkupplung nachgeschaltet ausgebildet sind.
Unter einer Antriebsstrangeinrichtung ist eine Komponente zu verstehen, welche entlang eines Betätigungswegs linear betätigbar wie schaltbar ist. Beispielsweise kann eine Antriebsstrangeinrichtung als Parksperre, Reibungskupplung, beispielsweise als Trennkupplung oder Bremse beispielsweise in einem Umlaufgetriebe zur Schaltung von Übersetzungsstufen vorgesehen sein.
Das Hydrauliksystem enthält eine Pumpe, bevorzugt eine Pumpe mit einem festen Verdrängungsvolumen, beispielsweise eine Zahnradpumpe, deren Pumpenwelle von einem Elektromotor elektrisch angetrieben ist. Der Elektromotor wird von einer Steuereinrichtung gesteuert betätigt, um einen vorgegebenen ersten Volumenstrom eines Druckmittels mittels der Pumpe zu erzeugen. Durch Bereitstellung des ersten Volumenstroms wird mittels eines von der Steuereinheit gesteuerten Schaltventils ein zweiter Volumenstrom erzeugt, welcher einen Nehmerzylinderkolben eines Nehmerzylinders entlang eines Betätigungswegs zur Betätigung der Antriebsstrangeinrichtung betätigt und linear verlagert wird.
Um einen über Lebensdauer des Hydrauliksystems auftretenden Verschleiß insbesondere der Pumpe zu ermitteln, wird aus einem Vergleich der beiden Volumenströme eine Leckage des Hydrauliksystems beispielsweise laufend ermittelt und anhand der Entwicklung der Leckage über die Zeit ein Funktionszustand der Pumpe überwacht. Beispielsweise kann an einem Anfangszustand, beispielsweise vor oder kurz nach Einbau des Hydrauliksystems in das Kraftfahrzeug eine erste Leckagegröße bestimmt, laufend mit einer aktuell ermittelten Leckagegröße verglichen und aus dem Vergleich ein Maß für die Leckage und den Funktionszustand ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Leckage des Nehmerzylinders und des Schaltventils vernachlässigt werden und die ermittelte Leckage ausschließlich der Pumpe zugeordnet werden. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Leckage des Nehmerzylinders während seiner ordnungsgemäßen Funktion im Wesentlichen Null ist. Eine Fehlfunktion wie Defekt des Nehmerzylinders beispielsweise bei einer defekten Lippendichtung oder einer gebrochenen Kolbenstange kann in anderer Weise bestimmt werden, indem beispielsweise eine fehlerhafte oder nicht vorhandene Betätigung der Antriebsstrangeinrichtung festgestellt wird. Die Leckage des Schaltventils ist im Vergleich zu der Leckage der Pumpe auch in deren Neuzustand prinzipbedingt vernachlässigbar. Mit zunehmendem Verschleiß ändert sich das Verhältnis der Leckagen zueinander nicht wesentlich, so dass über Lebenszeit die Leckage des Schaltventils vernachlässigt werden kann.
Der erste Volumenstrom wird erfindungsgemäß während einer Betätigung des Nehmerzylinders aus einer Drehzahl der Pumpe, einem elektrischen Strom des die Pumpe antreibenden Elektromotors und mechanischen Konstanten des Hydrauliksystems ermittelt. Unter den mechanischen Konstanten sind alle Einflüsse zu verstehen, die innerhalb des mechanischen und geometrischen Aufbaus des Hydrauliksystems auftreten und beispielsweise rechnerisch und/oder empirisch ermittelt und berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß wird als eine der mechanischen Konstanten das Massenträgheitsmoment eines Rotors des Elektromotors berücksichtigt. Beispielsweise können als mechanische Konstanten ein Pumpenvolumen bzw. ein Fördervolumen der Pumpe berücksichtigt werden. Desweiteren können temperaturabhängige Einflüsse wie beispielsweise die Viskosität und Dämpfungseigenschaften des Druckmittels sowie dynamische Vorgänge des Strömungsverhaltens des Druckmittels innerhalb des Hydrauliksystems, beispielsweise an Engstellen wie beispielsweise in der Pumpe, am Schaltventil, Blenden und dergleichen berücksichtigt werden. Die Ermittlung der Leckage kann dabei temperaturkompensiert erfolgen. Entsprechende Kennlinien des Hydrauliksystems wie beispielsweise der Pumpe, des Schaltventils, der Druckleitung und/oder dergleichen können in Abhängigkeit von der Temperatur modelliert, berechnet und/oder empirisch bestimmt werden.
Der zweite Volumenstrom kann beispielsweise während einer Betätigung des Nehmerzylinders aus einer Wirkfläche wie Kolbenfläche des Nehmerzylinderkolbens und der Verlagerungsgeschwindigkeit des Nehmerzylinderkolbens ermittelt werden.
Beispielsweise ergibt sich in vereinfachter Weise die Leckage Q_leakage aus der Bewegungsgleichung (1) $Q_{p u m p} - Q_{l e a k a g e} - Q_{l o a d} = \frac{V}{β} \frac{d P}{d t}$
mit dem von der Pumpe erzeugten ersten Volumenstrom Q_pump , dem an dem Nehmerzylinder während einer Betätigung auftretenden zweiten Volumenstrom Q_load , dem Pumpenvolumen V, der Kompressibilitätskonstante β und dem partiellen Differential dP/dt des Drucks des Druckmittels nach der Zeit t. Unter der Leckage Q_leakage ist bereits die Leckage der Pumpe unter Vernachlässigung der Leckagen des Schaltventils und des Nehmerzylinders zu verstehen.
Nach Gleichung (2) ergibt sich der erste Volumenstrom Q_pump aus dem von der Pumpe verdrängten Volumen V_d unter Berücksichtigung der Kompressibilität des Druckmittels mit einer Kompressibilitätskonstante, welche von der Temperatur abhängig sein kann, und der Winkelgeschwindigkeit θ̇̇ des Rotors des Elektromotors beziehungsweise der Pumpenwelle: $Q_{p u m p} = V_{d} \cdot \dot{θ}$
Der zweite Volumenstrom Q_load ergibt sich nach Gleichung (3) aus $Q_{l o a d} = A_{p i s t o n} \cdot \dot{x}$
mit der Kolbenfläche A_piston des Nehmerzylinderkolbens und dessen Verlagerungsgeschwindigkeit ẋ entlang dessen Betätigungsweg x.
Aus der mechanischen Gleichung (4) mit dem Massenträgheitsmoment J des Rotors, der Winkelbeschleunigung θ̈ des Rotors und dessen viskoser Dämpfung d kann der partiell differenzierte Druck dp/dt der Gleichung (1) berechnet werden: $J \ddot{θ} = C_{m} - V_{d} P - d \dot{θ}$
mit dem Motormoment c_m der Gleichung (5) $C_{m} = i \cdot K_{e} \cdot η$
aus welcher der Strom i des Elektromotors mit dem ersten Volumenstrom Q_pump korreliert werden kann. In Gleichung (5) bedeuten dabei K_e die Motorkonstante und η den Wirkungsgrad des Elektromotors.
Unter Vernachlässigung der Reibung kann aus den Gleichungen (4) und (5) gemäß der Gleichung (6) der Druck p berechnet werden: $P = \frac{- J \ddot{θ} - d \dot{θ} + i \cdot K_{e} \cdot η}{V_{d}}$
Durch Kombination und Umformen der Gleichungen (1) - (3) und (6) ergibt sich in Gleichung (7) die Leckage Q_leakage abhängig von den Drehkennwerten und des Stroms i des Elektromotors, welche in der Steuereinheit zur Verfügung stehen beziehungsweise erfasst und ausgewertet werden können: $Q_{l e a k a g e} = \dot{θ} V_{d} - \frac{V}{β \cdot V_{d}} \frac{d (- J \ddot{θ} - d \dot{θ} + i \cdot K_{e} \cdot η)}{d t} - A_{p i s t o n} \dot{x}$
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems zur Betätigung zweier Antriebsstrangeinrichtungen,
2 ein Blockschaltbild zur Ermittlung der Leckage des Hydrauliksystems der 1 und
3 ein Diagramm mit einer Simulation einer Betätigung des Nehmerzylinders der 1.

Die 1 zeigt unter Bezug auf die zuvor aufgeführten Gleichungen (1) bis (7) das schematisch dargestellte Hydrauliksystem 1 zur Betätigung zweier Antriebsstrangeinrichtungen, welche nicht explizit dargestellt sind, und Ermittlung dessen Leckage. Das Hydrauliksystem 1 enthält die von dem Elektromotor 2 angetriebene Pumpe 3, die aus dem Sumpf 4 Druckmittel 5 ansaugt und in die Druckleitung 6 fördert.
Die Druckleitung 6 führt zum Schaltventil 7, welches alternativ eine Verbindung zu dem Nehmerzylinder 8 mit dem entlang des Betätigungswegs x verlagerbaren Nehmerzylinderkolben 9 zur Betätigung einer nicht dargestellten Parksperre als eine der Antriebsstrangeinrichtungen herstellt, um diese zu betätigen. Alternativ verbindet das Schaltventil 7 die Druckleitung 6 mit einem nicht dargestellten, dem Nehmerzylinder 7 ähnlichen Nehmerzylinder entlang des Pfeils 10 zur Betätigung einer als Trennkupplung des Antriebsstrangs ausgebildeten Antriebsstrangeinrichtung.
Die Leckage des Hydrauliksystems 1 wird auf die Ermittlung der Leckage Q_leakage der Pumpe 3 beschränkt, da die Leckagen des Schaltventils 7 und des Nehmerzylinders 8 vernachlässigbar sind. Die Ermittlung der Leckage Q_leakage erfolgt durch Vergleich des ersten Volumenstroms Q_pump der von der Pumpe 3 erzeugt wird und des zweiten Volumenstroms Q_load zur Verlagerung des Nehmerzylinderkolbens 9 entlang des Betätigungswegs x.
Der Elektromotor 2 ist als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet, dessen Drehkennwerte des Rotors wie Drehwinkel θ, Winkelgeschwindigkeit θ̇̇ und Winkelbeschleunigung θ̈ mittels eines Inkrementwinkelsensors erfasst und von einer Steuereinheit ausgewertet werden. Desweiteren wird der Strom i des Elektromotors 2 zum Betrieb der Pumpe 3 erfasst und ausgewertet. Die Motorkonstante K_e , der Wirkungsrad η und das Massenträgheitsmoment J des Rotors sind bekannt. Hieraus wird bei errechnetem Druck p des Druckmittels 5 und dessen Viskosität bei vorgegebener Temperatur der erste Volumenstrom Q_pump bestimmt. Aus der Betätigungsgeschwindigkeit ẋ, welche mittels eines Wegsensors des Nehmerzylinders erfasst und von der Steuereinheit ausgewertet wird, und der bekannten Kolbenfläche A_piston wird der zweite Volumenstrom Q_load bestimmt. Daraus wird entsprechend Gleichung (7) die Leckage Q_leakage ermittelt. Ein Verlauf der Leckage Q_leakage über die Lebensdauer des Hydrauliksystems 1 kann durch Vergleich mit einer zu Beginn des Betriebs erfassten Leckage überwacht und gegebenenfalls kann daraus ein Verschleißzustand der Pumpe 3 erkannt werden.
Die 2 zeigt unter Bezug auf die Gleichungen (1) bis (7) und die 1 das Blockschaltbild 11 zur Ermittlung der Leckage Q_leakage beziehungsweise gefilterten Leckage Q_leakage,f aus dem Betätigungsweg x, der Winkelgeschwindigkeit θ̇̇ des Elektromotors 2 und des Stroms i des Elektromotors 2.
Aus dem Betätigungsweg x wird mittels Differenzierung d/dt in Block 12 und der Kolbenfläche A_piston in Block 13 der zweite Volumenstrom Q_load berechnet.
Aus der Winkelgeschwindigkeit θ̇̇ und dem von der Pumpe 2 verdrängten Volumen V_d in Block 26 wird der erste Volumenstrom Q_pump berechnet.
Parallel hierzu wird aus der Winkelgeschwindigkeit θ̇̇, dem Strom i als Eingangsgrößen und der Dämpfung d in Block 13, dem verdrängten Volumen V_d in Block 14, der aus der Differenzierung d/dt in Block 15 erzeugten Winkelbeschleunigung θ̈, dem Massenträgheitsmoment J des Rotors in Block 16, der Motorkonstante K_e in Block 17 und dem Wirkungsgrad η in Block 18 der Druck p in Block 19 ermittelt.
Aus dem in Block 20 differenzierten Druck p, dem Pumpenvolumen V in Block 21 und der Kompressibilitätskonstante β wird in Block 23 die Größe V/β * dP/dt gebildet und dem Block 24 zugeführt. Dem Block 24 werden zudem das verdrängte Volumen V_d aus Block 26 und der zweite Volumenstrom Q_load zugeführt und daraus die Leckage Q_leakage berechnet. In Block 25 wird die Leckage Q_leakage gefiltert, so dass die gefilterte Leckage Q_leakage,f resultiert.
Die 3 zeigt unter Bezug auf die 1 das aus den Teildiagrammen I, II, III gebildete Diagramm 27 über die Zeit t während einer Betätigung des Nehmerzylinderkolbens 9 des Nehmerzylinders 8.
Die in Teildiagramm I dargestellte Kurve 28 zeigt das verdrängte Volumen V_d der Pumpe 3 über die Zeit t.
Das Teildiagramm II gibt den Druck p über die Zeit t wieder. Die Kurve 29 zeigt ein simuliertes Verhalten des Hydrauliksystems 1 gemäß Gleichung (7). Die Kurve 30 zeigt das Verhalten des Drucks der Pumpe 3.
Das Teildiagramm III zeigt die Leckage Q_leakage über die Zeit t mit der aufgrund der Gleichung (7) simulierten Leckage in Kurve 31, der gefilterten Leckage in Kurve 32 und der gemessenen Leckage der Pumpe 3 in Kurve 33.
Bezugszeichenliste

1: Hydrauliksystem
2: Elektromotor
3: Pumpe
4: Sumpf
5: Druckmittel
6: Druckleitung
7: Schaltventil
8: Nehmerzylinder
9: Nehmerzylinderkolben
10: Pfeil
11: Blockschaltbild
12: Block
13: Block
14: Block
15: Block
16: Block
17: Block
18: Block
19: Block
20: Block
21: Block
22: Block
23: Block
24: Block
25: Block
26: Block
27: Diagramm
28: Kurve
29: Kurve
30: Kurve
31: Kurve
32: Kurve
33: Kurve
Apiston: Kolbenfläche
d: Dämpfung
d/dt: Differenzierung
i: Strom
J: Massenträgheitsmoment
Ke: Motorkonstante
p: Druck
Qload: zweiter Volumenstrom
Qleakage: Leckage
Qleakage,f: Leckage, gefiltert
Qpump: erster Volumenstrom
t: Zeit
V: Pumpenvolumen
Vd: verdrängtes Volumen
x: Betätigungsweg
ẋ: Betätigungsgeschwindigkeit
β: Kompressibilitätskonstante
η: Wirkungsgrad
θ̇̇: Winkelgeschwindigkeit
θ̈: Winkelbeschleunigung

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Hydrauliksystems (1) zur Betätigung einer Antriebsstrangeinrichtung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, in welchem Hydrauliksystem (1) von einer elektrisch betriebenen Pumpe (3) ein erster Volumenstrom (Q_pump) eines Druckmittels (5) bereitgestellt und ein Nehmerzylinderkolben (9) eines Nehmerzylinders (8) von einem Schaltventil (7) gesteuert mittels eines zweiten, aus dem ersten Volumenstrom (Q_pump) erzeugten Volumenstroms (Q_load) entlang eines Betätigungswegs (x) betätigt wird, wobei aus einem Vergleich der beiden Volumenströme (Q_pump, Q_load) eine Leckage (Q_leakage) des Hydrauliksystems (1) ermittelt wird, wobei der erste Volumenstrom (Q_pump) während einer Betätigung des Nehmerzylinders (8) aus Drehkennwerten und dem elektrischen Strom (i) eines die Pumpe (3) antreibenden Elektromotors (2) und mechanischen Konstanten des Hydrauliksystems (1) ermittelt wird, wobei als eine der mechanischen Konstanten das Massenträgheitsmoment (J) eines Rotors des Elektromotors (2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Anfangszustand eine erste Leckagegröße bestimmt, laufend mit einer aktuell ermittelten Leckagegröße verglichen und aus dem Vergleich ein Maß für die Leckage (Q_leakage) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckage des Nehmerzylinders (8) und des Schaltventils (7) vernachlässigt und die ermittelte Leckage (Q_leakage) der Pumpe (3) zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Konstanten eine Kompressibilitätskonstante (β), eine Dämpfung (d) des Druckmittels (5) und/oder ein verdrängtes Volumen (V_d) der Pumpe (3) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Volumenstrom (Q_load) während einer Betätigung des Nehmerzylinders (8) aus einer Kolbenfläche (A_piston) des Nehmerzylinderkolbens (9) und einer Betätigungsgeschwindigkeit (x) des Nehmerzylinderkolbens (9) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Leckage (Q_leakage) temperaturkompensiert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Viskosität des Druckmittels (5) kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperaturabhängige Dämpfung (d) des Druckmittels (5) kompensiert wird.