DE60206217T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Vibrationsdämpfung in einer Antriebsanordnung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Vibrationsdämpfung in einer Antriebsanordnung für Kraftfahrzeuge Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftfahrzeug-Antriebsstränge und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen in dem Fahrzeug-Antriebsstrang.
  • HINTERGRUND
  • Wenn die Eigenfrequenz des Fahrzeug-Antriebsstrangs durch einen Drehmomentübergang aktiviert wird, wird in einem Kraftfahrzeug ein Stoß verursacht. Der Drehmomentübergang kann durch eine schnelle Änderung des Drehmoments des Motors hervorgerufen oder durch Straßenunebenheiten eingeführt werden. Diese Drehmomentstörungen bewirken, dass der Fahrzeug-Antriebsstrang bei einer Eigenfrequenz des Systems zum Schwingen kommt. Das mechanische System ist eine Masse-Feder-Masse-Konfiguration mit einer genau belegten Eigenfrequenzcharakteristik. Die Federkomponente des Systems ist der Beitrag der Federkonstanten der Antriebswelle und der Achsen. Eine träge Masse in dem System ist die Masse des Fahrzeugs, die über die Reifen an einem Ende des Antriebssystems aufgefangen wird. Die andere träge Masse ist der Motor mit den am anderen Ende des Systems befestigten Kraftübertragungskomponenten.
  • Die Schwingung des Antriebsstrangsystems mit der Eigenfrequenz verursacht einen Beschleunigungszyklus, der im Fahrzeug wahrgenommen wird. Das Fahrzeug wird während einer Hälfte des Zyklus beschleunigt und während der anderen Hälfte des Zyklus verzögert. Dies ist durch die Antriebsstrangschwingungen bedingt. Je nach Art der Komponenten, die beim Herstellen des Fahrzeugs verwendet worden sind, geht der Frequenzbereich der Antriebsstrang-Eigenfrequenzen von 1 Hz bis 12 Hz.
  • Demgemäß ist es wünschenswert, die Schwingungen im Antriebsstrang des Fahrzeugs zu dämpfen.
  • US-A-5,730,094 offenbart ein System, das den Antriebsstrangschwingungen entgegenwirkt, indem es einen Fahrzeug-Wechselstromgenerator als steuerbare Last verwendet. Die Wechselstromgeneratorlast wird in der Phase so verändert, dass ein entgegenwirkendes Drehmoment auf den Antriebsstrang ausgeübt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern und/oder Minimieren eines Antriebsstrangstoßes, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 definiert sind. Ein Steuerungssystem überwacht die Motordrehzahl, um Störungen, die größer als die Eigenfrequenz des Systems sind, zu erfassen. Die Motordrehzahl wird durch ein Hochpassfilter gefiltert, um die Gleichstromkomponenten und die niederfrequenten Komponenten der Motordrehzahl zu beseitigen. An das System wird ein entgegenwirkendes Drehmoment angelegt, um jene Drehmomentstörungen, die bei der Eigenfrequenz des Systems oder darüber liegen, zu beseitigen.
  • Die oben beschriebenen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von Fachleuten anhand der folgenden genauen Beschreibung, der Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche erkannt und verstanden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeug-Antriebsstrangs;
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Fahrzeug-Antriebsstrangs;
  • 3 ist eine schematische Darstellung des Steuerungssystems einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist ein Graph, der die Motordrehzahl und das Motordrehmoment während eines Antriebsstrangschwingungsverhaltens zeigt;
  • 5 ist ein Graph, der die Ausgangsgröße des Hochpassfilters und die Motordrehzahl zeigt;
  • 6 ist ein Graph, der ebenfalls die Ausgangsgröße des Hochpassfilters und die Motordrehzahl zeigt;
  • 7 ist ein Graph, der die Schwingungsamplitude und die Schwingungszeitperiode beim Schwingungsverhalten zeigt;
  • 8 ist ein Graph, der den Größenwert über der Frequenzkennlinie eines zweipoligen Hochpassfilters zeigt;
  • 9 ist ein Graph, der die Phase über der Frequenzkennlinie eines zweipoligen Hochpassfilters zeigt; und
  • 10 ist eine schematische Darstellung eines zweipoligen Hochpassfilters.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • In 1 ist zunächst ein typischer Fahrzeug-Antriebsstrang 10 gezeigt. Der Fahrzeug-Antriebsstrang 10 umfasst einen Motor 12, der mechanisch mit einem Getriebe 14 gekoppelt ist. Der Motor 12 ist über eine Kurbelwelle 16 an das Getriebe 14 gekoppelt. Der Motor 12 überträgt über die Kurbelwelle 16 ein Motorträgheitsmoment auf das Getriebe 14. Das Getriebe 14 ist eine träge Masse, die mit einer Antriebswelle 18 verbunden ist, die an einem Ende mit dem Getriebe 14 und am anderen Ende mit einem Differential 20 gekoppelt ist. Das Differential 18 ist über ein Paar von Achsen 24 mit einem Paar von Reifen 22 mechanisch gekoppelt. Dementsprechend schafft der Motor 12 eine Antriebskraft für die Räder.
  • In 2 ist nun ein gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauter Fahrzeug-Antriebsstrang 26 gezeigt. Hierbei ist eine elektrische Maschine 28 an der Kurbelwelle befestigt, die verwendet wird, um die Stärke der Schwingung im Fahrzeug-Antriebsstrang zu reduzieren. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Rotor der elektrischen Maschine am Fahrzeug-Antriebsstrang, beispielsweise an der Kurbelwelle des Motors, fest angebracht.
  • Die elektrische Maschine 28 wird verwendet, um ein Drehmoment zu erzeugen, das gegenüber der Eigenfrequenzschwingung des Antriebsstrangs phasenverschoben ist. Dies verkleinert die Amplitude und die Dauer der Schwingung.
  • Es ist in Betracht gezogen worden, die elektrische Maschine 28 und das Verfahren und die Vorrichtung zum Dämpfen eines Fahrzeug-Antriebsstrangs auf einen Fahrzeugtyp anzuwenden, der das Folgende umfasst, jedoch darauf nicht begrenzt ist: Fahrzeuge mit Brennkraftmaschinen, Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge.
  • Das Verfahren, das verwendet wird, um das zur Unterdrückung der Antriebsstrangschwingung erforderliche Moment der elektrischen Maschine zu bestimmen, basiert auf der Motordrehzahl und dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes. Das Getriebeübersetzungsverhältnis beeinflusst die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs. Wenn sich das Übersetzungsverhältnis ändert, ändert sich das auf die Antriebswelle zurückwirkende Trägheitsmoment. Dies verursacht Änderungen der Eigenfrequenz des Systems. Daher bestimmt die Kenntnis der Eigenfrequenz des Systems für alle Übersetzungsverhältnisse, welche Filterfrequenzen zum Erzeugen eines Drehmomentsignals für die elektrische Maschine zu verwenden sind. Diese Werte können entweder empirisch oder durch Anwendung einer mathematischen Modellbildung bestimmt werden. Die Werte werden dann in dem Speicher des Systems, beispielsweise in einem EEPROM, gespeichert.
  • Zusätzlich und in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform ist in Betracht gezogen, die vorliegende Erfindung entweder mit einem Handschaltgetriebe oder mit einem Automatikgetriebe einzusetzen.
  • In 3 ist ein Steuerungssystem 30 gezeigt. Das Steuerungssystem 30 schickt Befehle an die elektrische Maschine 28, damit diese ein Drehmoment, das gegenüber der Eigenfrequenzschwingung phasenverschoben ist, erzeugt.
  • Es sei angemerkt, dass das Hinzufügen einer differentiellen Steuerung zum Bestimmen der Beschleunigung den Steuersignalen eine stärkere Phasenverschiebung verleihen und zu einem instabilen Steuerungssystem führen kann. Das Steuerungssystem könnte selbst schwingen und ein Schwanken des Motorsteuerungs-Drehmoments hervorrufen, das zu einer unerwünschten Bewegung in dem Fahrzeug führen würde.
  • Die Eigenfrequenz wird verwendet, um die Frequenzen des Filters in dem Steuerungssystem zu bestimmen. Die Motordrehzahlinformationen werden durch ein Hochpassfilter 32 verarbeitet, um jegliche konstante Geschwindigkeit oder niederfrequente Beschleunigung des Fahrzeugs zu beseitigen. In einer beispielhaften Ausführungsform befindet sich das Hochpassfilter in einem Motorsteuerungsmodul (ECM) des Fahrzeugs.
  • Die Frequenz des Hochpassfilters wird über die Eigen- oder Resonanzfrequenz des entsprechenden Fahrzeug-Antriebsstrangs ausgewählt.
  • Die Ausgangsgröße des Hochpassfilters (32) wird an einen Summierungsblock 34 gesendet. Das Bezugssignal des Summierungsblocks wird auf null eingestellt. Das resultierende Signal ist der Fehler oder die Sollwert-Abweichung des Wechselstromsignals der Motordrehzahl. Die Motordrehzahl ist die gleiche wie die Drehzahl der elektrischen Maschine. Das Ziel ist, die Wechselstrom-Drehzahlwerte oberhalb der Hochpassfilterfrequenz auf null zu verkleinern. Das Fehlersignal vom Summierungsblock (34) wird an einen Proportionalverstärkungsblock 36 geschickt. Der Proportionalverstärkungsblock 36 basiert außerdem auf der Eigenfrequenzeingabe vom Block 37. Der Block 37 liefert eine Eigenfrequenzeingabe, die dem momentanen Übersetzungsverhältnis des Antriebsstrangs des Fahrzeugs entspricht. Dementsprechend empfängt der Block 37 ein Signal, das den Übersetzungsverhältniszustand angibt. Die Ausgabe eines Verstärkers 38 mit proportionaler Verstärkung ist der Drehmomentbefehl, der das Drehmoment der elektrischen Maschine steuert.
  • Um die Auswirkung jeglicher Fahrzeugbeschleunigung zu minimieren und die korrekte Phasenbeziehung für das Drehmomentbefehlssignal zu erhalten, wird die Eckfrequenz des Hochpassfilters so eingestellt, dass es bei der Eigenfrequenz des Systems eine Phasenvoreilung von 45 oder weniger Grad bewirkt. Dies stellt sicher, dass aufgrund dessen, dass sich die Frequenz gegenüber der Eigenfrequenz etwas verschiebt, der Phasenrand eine Verstärkungsdämpfung des Systems gewährleistet. Das resultierende Drehmoment verhält sich in der Phase so, dass es die Drehmomentpulsierung aufhebt.
  • In den 4–7 sind mit Bezug auf Stichprobendaten für eine bestimmte Einstellung Betriebsaspekte der vorliegenden Erfindung aufgezeigt. 4 zeigt ein Gesamt-Motordrehzahlprofil 50 aus Stichprobendaten, die mit den folgenden Parametern erfasst wurden.
  • Dies sind Stichprobendaten, die einer Dyn-Prüfung entnommen wurden. Die Dyn-Anlage war aufgebaut mit einer Fünf-Hertz-Resonanzkopplung. Stoßdämpfung Gesperrt – 5-Hz-Dyn-Kopplung – Motordrehzahl, Motordrehmoment: 625 min–1, Offener-Regelkreis-(Stoßdämpfung Gesperrt)-Regen-Drehmomentschritt-Profil. 5-Hz-Dyn-Kopplung, Verstärkung = 1, Gang = 3. Die Linie 52 zeigt die Motordrehzahl an. Die mittlere Drehzahl beträgt etwa 623 min–1. Die Drehzahl schwingt um den mittleren Drehzahlwert.
  • In 5 ist nun ein Gesamtprofil des Drehzahl-Hochpassfilters 60 gezeigt. Diese Stichprobendaten wurden ebenfalls einer Dyn-Prüfung entnommen. Die Dyn-Anlage war aufgebaut mit Stoßdämpfung Gesperrt – Fünf-Hertz- Resonanzkopplung – Hochpass, Motordrehzahl von 625 min–1, Offener-Regelkreis-(Stoßdämpfung Gesperrt)-Regen-Drehmomentschritt-Profil, 5-Hz-Dyn-Kopplung, Verstärkung = 1, Gang = 3.
  • Die Linie 62 zeigt die Ausgangsgröße des Hochpassfilters. Der Mittelwert des Filters beträgt null min–1, wobei der Größenwert zwischen negativ und positiv wechselt. Die konstante Geschwindigkeit und die niederfrequente Beschleunigung sind beseitigt worden.
  • In 6 ist ein Motordrehzahlprofil 64 während eines Drehmomentschritts von 0 auf –25 Nm gezeigt. Diese Stichprobendaten wurden ebenfalls einer Dyn-Prüfung entnommen, mit den folgenden Parametern: 625 min–1, Offener-Regelkreis-(Stoßdämpfung Gesperrt)-Regen-Drehmomentschritt-Profil, 5-Hz-Dyn-Kopplung, Verstärkung = 1, Gang = 3.
  • Diese ist ein vergrößerter Linienzug auf der Zeitskala. Diese zeigt die Phasendifferenz zwischen der Motordrehzahl 66 und der Ausgangsgröße des Hochpassfilters 68.
  • Es sei angemerkt, dass die Spitzen der beiden Linienzüge 66 und 68 bezüglich der Zeitskala versetzt sind. Die Spitze des Hochpassfilter-Linienzugs tritt vor der Motordrehzahlspitze auf. Das Hochpassfilter erfüllt zwei Aufgaben. Es beseitigt den mittleren Drehzahl-Ablesewert und lässt die Ausgangsgröße des Hochpassfilters voreilen. Dies bewirkt zum Gewährleisten eines stabilen Betriebs die geeignete Synchronisation des Drehmomentbefehls auf die elektrische Maschine.
  • Wenn die Stoßdämpfung freigegeben ist, nehmen die Schwingungsamplitude und die Zeitperiode im Schwingungsverhalten stark ab (siehe 7).
  • Es ist ein Regen-Drehmomentschritt-Profil 70 während eines Schritts von 0 auf –25 Nm gezeigt. Diese Stichprobendaten wurden ebenfalls einer Dyn-Prüfung entnommen, mit den folgenden Parametern: 625 min–1, Offener-Regelkreis-(Stoßdämpfung Freigegeben)-5-Hz-Dyn-Kopplung, Verstärkung = 1, Gang = 3. Hier ist durch den Linienzug 72 AveMotorRPM (RPM) (mittlere Motordrehzahl), durch den Linienzug 74 Avg_HP_Out (RPM) (Average High Pass speed filter = dem Hochpassfilter entnommene mittlere Drehzahl), durch den Linienzug 76 SM_Unlimited_Torque (Nm) (Surge Smoothing Torque = Stoßdämpfungs-Drehmoment) und durch den Linienzug 78 Motor_Torque (Nm) (Motordrehmoment) angegeben.
  • Die 4–7 zeigen lediglich eine einzige Anwendung der vorliegenden Erfindung, jedoch sind natürlich zahlreiche Szenarien möglich.
  • 8 zeigt die Eingangs-Ausgangs-Größenwertkennlinie eines zweipoligen Hochpassfilters. Bei niedrigen Frequenzen ist der Größenwert sehr klein, wobei er mit zunehmender Frequenz auf den Wert eins ansteigt.
  • 9 zeigt die Eingangs-Ausgangs-Phasenkennlinie eines zweipoligen Hochpassfilters. Bei niedrigen Frequenzen nähert sich die Phase 180 Grad. Bei der Eckfrequenz des Filters beträgt die Phase 90 Grad. Bei höheren Frequenzen nähert sich die Phase 0 Grad.
  • Wie in 10 gezeigt ist, kann ein Hochpassfilter 78 durch Rechengleichungen in einem Mikroprozessor in einer digitalen Steuereinrichtung ausgeführt sein.
  • Die Filtergleichungen für das Filter zweiter Ordnung werden wie folgt beschrieben:
    Hochpassfilterdarstellung für ein Filter zweiter Ordnung. y(n) = C1·x(n) + C2·x(n – 1) + C3·x(n – 2) – D1·y(n – 1) – D2·y(n – 2),wobei die Koeffizienten C1, C2, C3, D1, D2 durch die gewünschte Filterfrequenz und die Programmschleifenzeit bestimmt sind.
  • x(n) ist der Eingabewert in das Filter für die momentane Programmschleife.
  • x(n – 1) ist der Eingabewert in das Filter aus der vorhergehenden Programmschleife.
  • x(n – 2) ist der Eingabewert in das Filter aus der vorletzten Programmschleife.
  • y(n) ist der Ausgabewert des Filters für die momentane Programmschleife. y(n – 1) ist der Ausgabewert des Filters aus der vorhergehenden Programmschleife.
  • y(n – 2) ist der Ausgabewert des Filters aus der vorletzten Programmschleife.
  • Für diese Anwendung können die Verstärkungswerte aus einer in dem Speicher des Systems gespeicherten Nachschlagetabelle erlangt werden.
  • Die Verstärkungszahlen besitzen die Einheit Nm/min–1.
  • Figure 00100001
  • Diese Verstärkungswerte sind zur Veranschaulichung einer bestimmten Anwendung und können je nach Fahrzeugtyp, bei dem das System verwendet wird, variieren.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Verhindern von Schwingungen eines Fahrzeugs, ds umfasst: Vorsehen eines Motordrehzahlsignals, das die Drehzahl eines Motors (12) des Fahrzeugs repräsentiert; Filtern des Motordrehzahlsignals; und Schicken eines Drehmomentbefehls an eine elektrische Maschine (28), die mit einem Antriebsstrang (16) des Fahrzeugs gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass: das gefilterte Signal mit einer Eigenfrequenz des Fahrzeugs verglichen wird, wobei die Eigenfrequenz einem Übersetzungsverhältnis des Fahrzeugs entspricht; und der Drehmomentbefehl an die elektrische Maschine (28) geschickt wird, wenn die Frequenz des gefilterten Signals größer als die Eigenfrequenz ist, wobei die elektrische Maschine (28) ein entgegenwirkendes Drehmoment auf den Antriebsstrang (16) ausübt, um Schwingungen in dem Fahrzeug zu beseitigen
  2. Steuerungssystem für ein Fahrzeug, das umfasst: Mittel zum Vorsehen eines Motordrehzahlsignals, das die Drehzahl eines Motors (12) des Fahrzeugs repräsentiert; ein Filter (32) zum Filtern des Motordrehzahlsignals; und eine elektrische Maschine (28), die mit einem Antriebsstrang (16) gekoppelt ist; gekennzeichnet durch: eine Datenbank (37), die Eigenfrequenzen des Fahrzeugs für Übersetzungsverhältnisse eines Antriebsstrangs (16) des Fahrzeugs enthält; und eine Steuereinrichtung (30), die Befehle an die elektrische Maschine (28) schickt, wenn die Ausgangsgröße des Filters (32) eine Frequenz besitzt, die größer als eine Eigenfrequenz in der Datenbank (37) ist, wobei die Eigenfrequenz dem Übersetzungsverhältnis, mit dem der Antriebsstrang (16) momentan arbeitet, entspricht.
  3. Steuerungssystem nach Anspruch 2, bei dem das Filter (32) ein Hochpassfilter ist.
  4. Steuerungssystem nach Anspruch 3, bei dem das Filter (32) eine Wechselstromkomponente der Motordrehzahl liefert, wobei die Wechselstromkomponente in einen Summierungsblock (34) eingegeben wird.
  5. Steuerungssystem nach Anspruch 4, bei dem der Summierungsblock (34) auf null eingestellt wird.
  6. Steuerungssystem nach Anspruch 5, das ferner einen Proportionalverstärkungsblock (36), der eine Eingabe von dem Summierungsblock (34) empfängt, und ein Speichermedium (32), das die Datenbank (37) enthält, umfasst, wobei der Proportionalverstärkungsblock (36) einen Verstärker (38) enthält, der die Eingaben verstärkt und einen Drehmomentbefehl an die elektrische Maschine (28) schickt, wobei die Drehmomentbefehlausgabe so bestimmt wird, dass Drehmomentschwankungen in dem Fahrzeug unwirksam gemacht werden.
  7. Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Maschine (28) einen Rotor umfasst, der an einer Kurbelwelle (12) des Fahrzeugs fest angebracht ist.
  8. Steuerungssystem nach Anspruch 3, bei dem das Hochpassfilter (32) so eingestellt wird, dass es bei der Eigenfrequenz eine Phasenvoreilung von 45 oder weniger Grad bewirkt.
  9. Steuerungssystem nach Anspruch 8, bei dem das Hochpassfilter (32) so eingestellt wird, dass es bei der Eigenfrequenz eine Phasenvoreilung von 45 Grad bewirkt.
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