DE10300569B4

DE10300569B4 - Toroidregelvorrichtung

Info

Publication number: DE10300569B4
Application number: DE10300569A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dipl.-Ing. Henzler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-01-11
Also published as: DE10300569A1; JP2006513378A; WO2004063601A1; US20060236795A1; EP1581756A1

Abstract

Toroidregelvorrichtung zur Drehmomentregelung eines Toroidvariators, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Regler und mit einer zum Regler rückführbaren ersten Regelgröße, bei deren Bildung zumindest eine erste Kenngröße für ein übertragenes Drehmoment im Toroidvariator einbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Regelgröße (X₂) rückführbar ist, bei deren Bildung zumindest eine zweite Kenngröße für eine Schwenkgeschwindigkeit eines Zwischenrollers (10) des Toroidvariators (11) einbezogen ist.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Toroidregelvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus "Society of Automotive Engineers, Inc., 2002-01-0586, Full Toroidal IVT Variator Dynamics", Robert D. Fuchs and Yasuhiko Hasuda, insbesondere Seite 3, Spalte 2, 6 ist eine gattungsbildende Toroidregelvorrichtung zur Drehmomentregelung eines Toroidvariators eines Kraftfahrzeugs mit einem Regler bekannt. Zum Regler ist eine von einer Kenngröße für ein übertragenes Drehmoment im Toroidvariator gebildete Regelgröße rückführbar. Bei der Ermittlung der die Regelgröße bildenden Kenngröße ist eine Kenngröße eines Drucks in einer Kolben-Zylindereinheit des Toroidvariators einbezogen.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Toroidregelvorrichtung bereitzustellen, die bei einem insgesamt geringen konstruktiven Aufwand ein besonders stabiles Regelverhalten mit einer kurzen Einregelzeit ermöglicht und die ferner insbesondere für Getriebe mit einer Geared-Neutral-Funktion geeignet ist. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und Nebenansprüchen.

Die Erfindung geht aus von einer Toroidregelvorrichtung zur Drehmomentregelung eines Toroidvariators, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Regler und mit einer zum Regler rückführbaren ersten Regelgröße, bei deren Bildung zumindest eine erste Kenngröße für ein übertragenes Drehmoment im Toroidvariator einbezogen ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei Getrieben mit einer Geared-Neutral-Funktion der Stillstand nur bei einer diskreten Übersetzung erzeugt werden kann. Die diskrete Übersetzung kann bei übersetzungsgeregelten Toroidvariatoren bzw. mit Toroidregelvorrichtung zur Übersetzungsregelung nur mit großem Aufwand eingeregelt werden, wogegen mit drehmomentgeregelten Toroidvariatoren bzw. mit Toroidregelvorrichtungen zur Drehmomentregelung der Stillstand bei Getrieben mit einer Geared-Neutral-Funktion regelungstechnisch einfach realisierbar ist, weshalb sich Toroidregelvorrichtungen zur Drehmomentregelung besonders für Getriebe mit einer Geared-Neutral-Funktion eignen. Außerdem erlauben Toroidregelvorrichtungen zur Drehmomentregelung gegenüber Toroidregelvorrichtungen zur Übersetzungsregelung eine besonders einfache und exakte Veränderung des Drehmoments, wodurch sich diese ferner besonders für Getriebe mit verschiedenen Fahrbereichen eignen.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Toroidregelvorrichtung mit wenigstens einer zweiten, rückführbaren Regelgröße, bei deren Bildung zumindest eine zweite Kenngröße für eine Schwenkgeschwindigkeit eines Zwischenrollers des Toroidvariators einbezogen ist, kann eine vorteilhafte Dämpfung und damit ein stabiles System zumindest weitgehend ohne technisch realisierten Castor-Winkel erreicht werden, wobei unter einem Castor-Winkel ein Winkel zwischen einer Zwischenrollerhalterung bzw. einem Stellkolben eines Zwischenrollers und der Senkrechten zu den Zentralwellen des Toroidvariators verstanden werden soll. Kann der Castor-Winkel klein, insbesondere kleiner als 5°, ausgeführt und besonders vorteilhaft gleich Null gesetzt bzw. ein Stellkolben des Zwischenrollers senkrecht zu Zentralwellen des Toroidvariators ausgeführt werden, können insbesondere konstruktiver Aufwand, Gewicht, Bauteile und Bauraum eingespart werden. Bei einem Castor-Winkel gleich Null ist im Vergleich zu einem Castor-Winkel ungleich Null nur in einer Stellung keine Schwenkung des Zwischenrollers erreichbar, wodurch ein kleiner Hub des Stellkolbens erreicht und Energie eingespart werden kann. Ferner kann einfach durch eine Variabilität einzelner Parameter eine große Flexibilität, insbesondere hinsichtlich konstruktiver Ausgestaltungen, erreicht werden.

Sind bei der Ermittlung der zweiten Kenngröße wenigstens eine Kenngröße für eine Drehzahl am Eingang des Toroidvariators und eine Kenngröße für eine Drehzahl am Ausgang des Toroidvariators einbezogen, kann vorteilhaft auf in der Regel bereits vorhandene Sensoren zurückgegriffen und zusätzliche Sensoren können vermieden werden. Aus einem Quotienten der Kenngröße der Drehzahl am Eingang des Toroidvariators und der Kenngröße der Drehzahl am Ausgang des Toroidvariators kann auf eine Drehzahlübersetzung des Toroidvariators geschlossen werden. Diese Größe kann dann entweder direkt differenziert oder in einem Zwischenschritt zunächst in einen korrespondierenden Schwenkwinkel umgewandelt und anschließend differenziert werden. Die Kenngrößen für die Drehzahlen können entweder direkt am Toroidvariator über Sensoren detektiert oder es können Drehzahlwerte herangezogen werden, die an anderer Stelle ermittelt wurden und eine Bestimmung der Drehzahlen am Eingang und am Ausgang des Toroidvariators ermöglichen.

Zusätzlich oder alternativ könnten auch zur Ermittlung der zweiten Kenngröße andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Größen detektiert werden, wie beispielsweise direkt ein vorliegender Schwenkwinkel, über den durch Differenzierung auf eine Schwenkgeschwindigkeit geschlossen werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweite Regelgröße das Ergebnis einer Multiplikation mit wenigstens einem Proportionalitätsfaktor ist. Über den Proportionalitätsfaktor kann gezielt eine gewünschte Dämpfung eingestellt, beispielsweise vorteilhaft eine Dämpfung von eins, und das System einfach optimiert werden. Ist der Proportionalitätsfaktor abhängig von wenigstens einer Betriebsgröße, wie von einer vorliegenden Drehzahl, Last und/oder Temperatur usw., indem dieser beispielsweise während eines Regelprozesses aus einem entsprechenden Kennfeld ausgelesen oder über eine entsprechende analytische Funktion ermittelt wird, kann unhängig von verschiedenen Betriebssituationen eine konstante Dämpfung erzielt und/oder die Dämpfung kann vorteilhaft an verschiedene Betriebssituationen angepasst werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die zweite Regelgröße einer Stellgröße des Reglers zuführbar ist, was sich vorteilhaft auf das Regelverhalten auswirkt. Grundsätzlich könnte die zweite Regelgröße jedoch auch einer Führungsgröße zuführbar sein.

Ist bei der Ermittlung der ersten Kenngröße wenigstens eine Kenngröße für einen Druck in einer Kolben-Zylindereinheit des Toroidvariators einbezogen, kann ferner eine kostengünstige Sensorik erzielt werden. Hierfür können entweder zwei Absolutdrucksensoren – Messung gegenüber Vakuum –, zwei Relativdrucksensoren – Messung gegenüber einem Umgebungsdruck – und/oder es kann ein Differenzdrucksensor herangezogen werden. Alternativ kann auch nur einer der beiden erstgenannten Sensoren eingesetzt werden, wenn in einer von zwei Kammern eines Zylinders zur Abstützung des Zwischenrollers stets ein bereits bekannter Druck, beispielsweise Umgebungsdruck oder Systemdruck, herrscht. Der Sensor würde dabei vorteilhaft wahlweise, beispielsweise über ein Umschaltventil, mit derjenigen Kammer verbunden, in der der unbekannte Druck herrscht. Anstatt die Drücke über einen Sensor zu erfassen, könnten diese auch hydraulisch jeweils an einen Regelschieber bzw. an ein Regelschieberventil geführt sein, wodurch ein vorteilhaft geringer Fertigungsaufwand und eine hohe Betriebssicherheit erreicht werden kann. Verfügt dabei zumindest einer der Regelschieber über genau zwei Steuerkanten, kann der Fertigungsaufwand weiter verringert und die Fertigungskosten können infolge der verringerten Toleranzanforderungen gesenkt werden, vgl. auch die unveröffentlichte Anmeldung DE 102 33 089 der Anmelderin.

Zusätzlich oder alternativ könnte jedoch auch ein Drehmoment am Eingang des Toroidvariators, ein Drehmoment am Ausgang des Toroidvariators und/oder eine Stützkraft am Zwischenroller, beispielsweise durch eine Kraftmessung zwischen einem Haltearm des Zwischenrollers und einem Stellkolben, detektiert werden.

Der Regler kann mit verschiedenen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Regelgliedern ausgeführt sein. Ist der Regler jedoch als PID-Regler bzw. wenigstens mit einem Integralglied und einem Differenzialglied ausgebildet, können mit dem Integralglied stationäre Regelabweichungen und mit dem Differenzialglied kann ein Überschwingen vorteilhaft vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich grundsätzlich für sämtliche Arten von Toroidvariatoren, jedoch neben Halbtoroidvariatoren besonders vorteilhaft für Volltoroidvariatoren, bei denen in bekannter Weise ein Castor-Winkel zur Erzielung einer Dämpfung verwendet wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Dabei zeigen:
1 einen Ausschnitt eines schematisch dargestellten Volltoroidgetriebes mit einer erfindungsgemäßen Toroidregelvorrichtung und
2 ein Blockschaltbild der Toroidregelvorrichtung aus 1.
1 zeigt einen Ausschnitt eines schematisch dargestellten Volltoroidgetriebes eines Kraftfahrzeugs mit einer Toroidregelvorrichtung zur Drehmomentregelung eines Toroidvariators 11. Der Toroidvariator 11 umfasst einen zwischen zwei Toroidscheiben 12, 13 angeordneten Zwischenroller 10, dessen Schwenkwinkel λ zwischen den Toroidscheiben 12, 13 über eine hydraulische Stelleinheit 15 einstellbar ist. Die Stelleinheit 15 weist hierfür einen Ventilblock 16 auf, über den in einer doppelwirkenden Kolben-Zylindereinheit 17 eine Druckdifferenz p1 – p2 einstellbar ist. Die Kolben-Zylindereinheit 17 ist über eine Kolbenstange 18 mit dem Zwischenroller 10 verbunden, wobei über eine Stellkraft der Kolben-Zylindereinheit 17 die Kolbenstange 18 in Richtung 19, 20 verschiebbar und dadurch der Schwenkwinkel λ einstellbar ist. Die Kolbenstange 18 ist senkrecht zu Zentralwellen 21, 22 des Toroidvariators 11 ausgerichtet. Das Volltoroidgetriebe besitzt einen Castor-Winkel gleich Null.
Erfindungsgemäß weist die Toroidregelvorrichtung einen als PID-Regler ausgebildeten Regler G_R auf. Zum Regler G_R ist eine erste Regelgröße X₁ rückführbar, bei deren Bildung eine erste Kenngröße für ein übertragenes Drehmoment im Toroidvariator 11 einbezogen ist (2). Hierfür ist über eine Sensoreinheit 14 mit einem Differenzdrucksensor ein Differenzdruck in der Kolben-Zylindereinheit 17 bzw. nach einem ersten Regelstreckenteil G_S1 erfassbar, wobei im Betrieb dem Regler G_R neben der ersten Regelgröße X₁ eine Führungsgröße W mit einer Solldruckdifferenz zugeführt wird.
Neben der ersten Regelgröße X₁ ist eine zweite Regelgröße X₂ rückführbar, bei deren Bildung eine zweite Kenngröße für eine Schwenkgeschwindigkeit des Zwischenrollers 10 des Toroidvariators 11 einbezogen ist. Bei der Ermittlung der zweiten Kenngröße sind eine Kenngröße für eine Drehzahl am Eingang des Toroidvariators 11 bzw. eine Eingangsdrehzahl des Toroidvariators 11 und eine Kenngröße für eine Drehzahl am Ausgang des Toroidvariators 11 bzw. eine Ausgangsdrehzahl des Toroidvariators 11 einbezogen. Die Eingangsdrehzahl und die Ausgangsdrehzahl sind über eine Sensoreinheit 23 nach einem zweiten Regelstreckenteil G_S2 erfassbar. Über eine Auswerteeinheit 24 wird ein Quotient der detektierten Drehzahlen bzw. eine Drehzahlübersetzung ermittelt. Aus der Drehzahlübersetzung wird ein Schwenkwinkel ermittelt, der anschließend in einem Differenzialglied 25 differenziert wird. Eine daraus ermittelte Schwenkgeschwindigkeit wird im Betrieb mit einem Proportionalitätsfaktor K multipliziert, der abhängig von einer detektierten Getriebeöltemperatur und einer vorliegenden Last sowie abhängig von der Eingangsdrehzahl des Toroidvariators 11 ist. Der Proportionalitätsfaktor K wird hierfür aus einem in einem nicht näher dargestellten Speicher abgelegten Kennfeld ausgelesen.
Die vom Ergebnis der Multiplikation gebildete zweite Regelgröße X₂ wird während des Regelprozesses zu einer Hilfsstellgröße Y' des Reglers G_R addiert, wobei das Ergebnis der Addition eine dem Ventilblock 16 zugeführte Hauptstellgröße Y bildet.

10: Zwischenroller
11: Toroidvariator
12: Toroidscheibe
13: Toroidscheibe
14: Sensoreinheit
15: Stelleinheit
16: Ventilblock
17: Kolben-Zylindereinheit
18: Kolbenstange
19: Richtung
20: Richtung
21: Zentralwelle
22: Zentralwelle
23: Sensoreinheit
24: Auswerteeinheit
25: Differenzialglied
G_R: Regler
X₁: Regelgröße
X₂: Regelgröße
K: Proportionalitätsfaktor
λ: Schwenkwinkel
W: Führungsgröße
Y': Stellgröße
Y: Stellgröße
G_S1: Regelstreckenteil
G_S2: Regelstreckenteil

Claims

Toroidregelvorrichtung zur Drehmomentregelung eines Toroidvariators, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Regler und mit einer zum Regler rückführbaren ersten Regelgröße, bei deren Bildung zumindest eine erste Kenngröße für ein übertragenes Drehmoment im Toroidvariator einbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Regelgröße (X₂) rückführbar ist, bei deren Bildung zumindest eine zweite Kenngröße für eine Schwenkgeschwindigkeit eines Zwischenrollers (10) des Toroidvariators (11) einbezogen ist.
Toroidregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der zweiten Kenngröße wenigstens eine Kenngröße für eine Drehzahl am Eingang des Toroidvariators (11) und eine Kenngröße für eine Drehzahl am Ausgang des Toroidvariators (11) einbezogen sind.
Toroidregelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelgröße (X₂) das Ergebnis einer Multiplikation mit wenigstens einem Proportionalitätsfaktor (K) ist.
Toroidregelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor (K) abhängig von wenigstens einer Betriebsgröße ist.
Toroidregelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelgröße (X₂) einer Stellgröße (Y') des Reglers (G_R) zuführbar ist.
Toroidregelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der ersten Kenngröße wenigstens eine Kenngröße für einen Druck in einer Kolben-Zylindereinheit (17) des Toroidvariators (11) einbezogen ist.
Toroidregelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (G_R) als PID-Regler ausgeführt ist.
Verfahren mit einer Toroidregelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei neben einer ersten Regelgröße (X₁), zu deren Bildung zumindest eine erste Kenngröße für ein übertragenes Drehmoment im Toroidvariator (11) einbezogen wird, zumindest eine zweite Regelgröße (X₂) rückgeführt wird, zu deren Bildung zumindest eine zweite Kenngröße für eine Schwenkgeschwindigkeit eines Zwischenrollers (10) des Toroidvariators (11) einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelgröße (X₂) einer Stellgröße des Reglers (G_R) zugeführt wird.
Toroidgetriebe mit einer Toroidregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und mit einem Castor-Winkel kleiner als 5°.