JP5794743B2 - テストベンチ設備 - Google Patents

Description

本発明は、試験品を備え、この試験品がそれを駆動および／または負荷するための少なくとも１個の電気機械に連結され、さらに試験品を駆動および／または負荷するための電気機械または各々の電気機械用の制御装置を備えるテストベンチ設備に関する。

上昇する燃料価格と、エミッションとＣＯ_２とに関する法律的な規定とは、快適性に関する顧客の強い期待と組合わさって、きわめて革新的なパワートレインを備えた低コストの車両に対する需要を絶えず増やしている。この理由から、車両メーカーはきわめて複雑なパワートレイン解決策を迅速かつ的確に開発することに挑戦している。この挑戦に対処するために、多様な戦略が開発されている。この場合、「Ｒｏａｄ−ｔｏ−Ｌａｂ−Ｍａｔｈ」戦略方法に基づく開発プロセスの「Ｆｒｏｎｔ Ｌｏａｄｉｎｇ」が中心の戦略として浮かび上がってきた。この場合、以前は高価なプロトタイプ環境でのみ処理が可能だった開発業務は、例えば非特許文献１、非特許文献２または非特許文献３に記載されているように、プロセスの初期段階に移行される。プロトタイプ環境はシミュレーション環境によって置き換えられる。しかし、この戦略は、開発者に、車両の全体システム特性と、環境と車両の相互作用を考慮することができる全般的な開発環境が供されることを前提とする。

多くの開発において、重要な点は、テストベンチ、特にエンジンテストベンチにおけるマルチマスフライホイール（そのほとんどはデュアルマスフライホイール（ＺＭＳ）である）の特性の表示である。ハイブリッド駆動システムの開発の途中でも、マルチマスフライホイール、特にデュアルマスフライホイールが、すべてのパワートレインの中心要素となる。なぜなら、このフライホイールが適切な機能性と共に、内燃機関およびパワートレインの良好な切り離しを可能にするからである。現状では、マルチマスフライホイールの実際の特性はテストベンチ上の実際的なプロトタイプによってのみ示すことが可能である。そのため、デュアルマスフライホイールの調達性に頼らざるを得なかった。その例は例えば、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６または非特許文献７に記載されている。

しかしながら、電化された将来のパワートレインの場合には、次のような、モジュールに対する切り離しのための要求が高まる。一方ではトルク変動が高まり、他方では内燃機関の起動時の励起周波数（Ａｎｒｅｇｕｎｇｓｆｒｅｑｕｅｎｚ）が低下する。さらに、ハイブリッドシステムは停車中および走行運転中に、内燃機関の迅速な起動および停止を可能にし、かつ必要とする。その際当然、運転者にとってパワートレインや車両のあからさまなリアクションが生じないようにすべきである。さらに、特に運転者の要求によってスタートが開始されるときに、スタート時間をできるだけ短くすべきである。さらに、スタート過程の数が大幅に増えた場合や構造体と排ガス系のウォーミングアップ特性が変更された場合に、すべてのエミッション規定を守るべきである。そして、「考え直し（Ｃｈａｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｄ）」の筋書きの対処、例えば停車過程中の内燃機関の再スタートが要求される。デュアルマスフライホイールを備えた現状の解決策の場合、この再スタートは破壊につながる。

Ｇｓｃｈｗｅｉｔｌ Ｋ．，Ｅｌｌｉｎｇｅｒ．Ｒ．，Ｌｏｉｂｎｅｒ Ｅ．：「ハイブリッド開発プロセスにおける工具と方法（Ｗｅｒｋｚｅｕｇｅ ｕｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｅｎ ｉｍ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｎｔｗｉｃｋｌｕｎｇｓｐｒｏｚｅｓｓ）」，１９．「エンジンと環境（Ｍｏｔｏｒ ｕｎｄ Ｕｍｗｅｌｔ）」−会議，Ｇｒａｚ ２００７ Ｓｃｈｙｒ Ｃ．，Ｇｓｃｈｗｅｉｔｌ Ｋ．：「ハイブリッドパワートレインの方法的な重要性確認（Ｍｅｔｈｏｄｉｓｃｈｅ Ｖａｌｉｄｉｅｒｕｎｇ ｖｏｎ ｈｙｂｒｉｄｅｎ Ａｎｔｒｉｅｂｓｔｒａｅｎｇｅｎ）」，２．開発方法論のための国際シンポジウム，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ，２００７ Ｂｅｉｄｌ Ｃ．，Ｒａｉｎｅｒ Ｇ．，Ｓｃｈｏｅｇｇｌ Ｐ．，Ｍａｒｔｉｎｉ Ｅ．，Ｄｅｎｅｒ Ｄ．：「革新的なシミュレーションおよび試験工具連鎖による未来の可能化パワートレイン解決策（Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｆｕｔｕｒｅ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｂｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＆ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｏｏｌｃｈａｉｎｓ）」．３２ｎｄ ＦＩＳＩＴＡ Ｗｏｒｌｄ Ａｕｔｏｍａｏｔｉｖｅ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，Ｍｕｎｉｃｈ，２００８ Ｗａｌｔｅｒ Ａ．，Ｋｉｅｎｃｋｅ Ｕ．，Ｊｏｎｅｓ Ｓ．，Ｗｉｎｋｌｅｒ Ｔ．：「仮想センサとしてのマルチマスフライホイール（Ｄａｓ Ｍｅｈｒｍａｓｓｅｎｓｃｈｗｕｎｇｒａｄ ａｌｓ ｖｉｒｔｕｅｌｌｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ）．ＭＴＺ０６／２００７ Ｊａｈｒｇａｎｇ ６８ Ｃａｖｉｎａ Ｎ．，Ｓｅｒｒａ Ｇ．：「エンジン制御導入のためのデュアルマスフライホイールの分析（Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｄｕａｌ Ｍａｓｓ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」．ＳＡＥ ２００４−０１−３０１６ Ａ．Ｗａｌｔｅｒ，Ｕ．Ｋｉｅｎｃｋｅ，Ｓ．Ｊｏｎｅｓ ａｎｄ Ｔ．Ｗｉｎｋｌｅｒ，：「デュアルマスフライホイールを備えた車両のための、低調波振動補正を統合したジャーク防止およびアイドリング速度制御（Ａｎｔｉ−ｊｅｒｋ ＆ ｉｄｌｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｕｂ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈ ｄｕａｌ ｍａｓｓ ｆｌｙｗｈｅｅｌｓ）」，ＳＡＥ，２００８ Ａ．Ｗａｌｔｅｒ，Ｍ．Ｍｕｒｔ，Ｕ．Ｋｉｅｎｃｋｅ，Ｓ．Ｊｏｎｅｓ ａｎｄ Ｔ．Ｗｉｎｋｌｅｒ：「可変燃料噴射制御によるエンジンアイドリング中の低調波振動の補正（Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｄｕｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｉｄｌｅ ｂｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｕｅｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ）」，ａｃｃｅｐｔｅｄ ｆｏｒ １７ｔｈ ＩＦＡＣ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，Ｓｅｏｕｌ，Ｓｏｕｔｈ Ｋｏｒｅａ，２００８

そこで、本発明の課題は、明確になった上記の欠点を回避しつつ、パワートレインシミュレーションと車両シミュレーションを、エンジンの実際の車両特有の燃焼特性および非定置特性と結びつけることができるテストベンチ設備、特に内燃機関および／または車両パワートレインのためのテストベンチを提供することである。

この課題を解決するために、冒頭に述べた本発明のテストベンチ設備は、試験品に接続可能な構成要素のための少なくとも１個のモデルが制御装置内に実装され、このモデルから、電気機械または各々の電気機械に対する制御要求の少なくとも一部が求められることを特徴とする。

本発明の第１の有利な実施形態では、マルチマスフライホイールのための少なくとも１個のモデルが制御装置内に実装され、このモデルが少なくともマルチマスフライホイールの一次側と二次側のデュアルマスと、弓形ばねまたは各々の弓形ばねのための代替モデルとを含み、マルチマスフライホイールのためのモデルを統合的な時間ステップ方法によって評価するアルゴリズムが制御装置に実装されることが提供される。この特徴によって、マルチマスフライホイールの特性をテストベンチでリアルタイムにシミュレートすることができる。さらに、大きな利点は、プロトタイプの提供を必要とせずに、マルチマスフライホイールのいろいろな特性を迅速かつ簡単に考慮することができることにある。

有利なことに、アルゴリズムが一定のステップ幅を有する統合的な時間ステップ方法（Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｔｔｖｅｒｆａｈｒｅｎ）によって、マルチマスフライホイールのためのモデルを評価する。

本発明の有利な実施形態では、制御装置にアルゴリズムが実装され、このアルゴリズムが各々の演算ステップにおいて、個々のばね要素および弓形ばね全体のばね力およびばね摩擦を評価し、加えて、個々のばね要素の慣性力から合力および合成モーメントが評価され、かつ一次側と二次側への合計の合力または合計の合成モーメントとして求められることが提供される。

有利なことに、マルチマスフライホイールのためのモデルが弓形ばねの半径方向強度のパラメータ表示を含み得る。

本発明のさらなる変形では、マルチマスフライホイールのためのモデルが接触摩擦特性のパラメータ表示を含む。接触摩擦力のパラメータ表示の一例は、垂直力と摩擦係数による（Ｆ＿ｒｅｉｂ＝Ｆ＿ｎｏｒｍａｌ × μ＿ｒｅｉｂ）。類似の問題を例えばヘルツの接触を介して非パラメータ的に解決することができる。

本発明のさらなる他の実施形態では、マルチマスフライホイールのためのモデルが可変のフリーホイールのパラメータ表示を含むことを提供し得る。

さらに有利なことに、本発明の他の変形では、マルチマスフライホイールのためのモデルが付着と滑りの間の状態切換えを含む。例えば付着と滑りの間のこの状態切換えは好ましくは、システム内の自由度の損失または獲得によって行われる。

シミュレーションをさらに改善するために、マルチマスフライホイールのためのモデルが一次マスと二次マスにおける弓形ばねのリミットストップ（Ｅｎｄａｎｓｃｈｌａｅｇｅｎ）の接触機構のためのモデルを含むことが提供され得る。統合的な時間ステップ方法と、リアルタイム導入に起因する、方程式解の一定の時間ステップ幅とによって、弓形ばねの最大許容強度が生じる。弓形ばねの「普通の」強度（約３〜２０Ｎｍ／ｄｅｇ）は、この限界を大幅に下回る。弓形ばねが最大変形時に塊状（Ｂｌｏｃｋ）になると、強度がはるかに高い値（＞１５００Ｎｍ／ｄｅｇ）に達する。リミットストップでのこの強度は、一次側または二次側の小さなマスによってはもはやリアルタイムにシミュレーション表示することができない。従って、この強度は考察ステップ幅にとって終わりのないものとして見なされるので、上記のシステムはもはや力を励起する加速システムではない。リミットストップの場合、衝突の法則も当てはまる。すなわち、リミットストップにおける速いシステムと遅いシステムの間でエネルギー平衡が生じる。従って、衝突の作用を最適かつ正確にシミュレートすることができる。

本発明の他の選択的な実施では、試験品のスタート装置のための少なくとも１個のモデルが制御装置に実装されている。それによって、複雑な交換作業なしにおよびテストベンチ設備の構成要素または検査すべき構成要素の損傷の危険なしに、いろいろなスタータ特性を試験することができる。

次の説明において、添付図面に関連して実施形態を参照して本発明を詳しく説明する。

テストベンチ設備を概略的に示す。

図はテストベンチ設備を概略的に示す。このテストベンチ設備は例えば、クランク軸によって象徴的に示した、試験品１としてのオットーエンジンまたはディーゼルエンジンのような内燃機関のためのテストベンチである。この試験品１は、トルク測定フランジ３を備えることができる軸２を介して、試験品１を駆動および／または負荷するための電気機械４に連結されている。本発明は複数の電気機械４を備えたテストベンチ設備、例えば車両パワートレインのためのテストベンチにも適用可能である。上位のテストベンチ自動化システムの一部であってもよい制御および評価ユニット５は、電気機械４または各々の電気機械４のための少なくとも１個の制御装置６を含む。

試験品１が実際的に構成されているのに対し、それに接続可能な構成要素、例えば車両のパワートレインはシミュレーションによって置き換え可能である。そのために、試験品１に接続可能であるこのような構成要素のための少なくとも１個のモデル７が、制御装置６に実装され、このモデル７から、電気機械４に対する制御要求が求められる。電気機械４はしばしば、さらなるシミュレーションされた構成要素なしに、回転数またはトルクを定常的または過度的に制御する。すなわち、試験品１のための車両シミュレーションは働いていない。

本発明では、試験品１に接続可能なさらなる構成要素のための少なくとも１個のモデル７が制御装置６に実装されている。この構成要素はこれまでは試験品１の構成部品として実際に設けられていた。これは例えばマルチマスフライホイールまたは試験品１のためのスタート装置であり得る。本発明では、これらの構成要素はシミュレーションの仮想現実によって置き換えられる。

モデル７はマルチマスフライホイールのためにパラメータとして少なくとも、シミュレーションすべきマルチマスフライホイールの一次側と二次側のデュアルマスと、弓形ばねまたは各々の弓形ばねのための代替モデルとを含んでいる。質量のない代替モデルは多くの場合有利である。好ましくは一定のステップ幅を有する統合的な時間ステップ方法によってモデル７を評価する制御装置６に実装されたアルゴリズムに従って、モデル化されたマルチマスフライホイールが試験品１に対して有するリアクションが求められ、かつこのリアクションは電気機械４のための制御要求に変換される。このアルゴリズムにより、すべての演算ステップにおいて、個々のばね要素と弓形ばね全体のばね力とばね摩擦が評価される。この場合、個々のばね要素の慣性から、合力および合成モーメントが付加的に評価され、かつ一次側と二次側への合力の合計および合成モーメントの合計として求められる。

それによって、貴重なまたはアクセスしにくいプロトタイプの破壊の危険を生じることなく、試験品１に対するマルチマスフライホイールの作用を、系統的におよび高効率的に試験することができる。この作用は特に、エンジン側の回転運動の一様性が上昇することによってと、固定されたフライホイールを有するバリエーションに対してパワートレインの回転運動の一様性が低いということによって特徴付けられる。

本発明によるマルチマスフライホイールのリアルタイムシミュレーションはさらに、実際の多数の構成要素を用いて検査を行う必要なしに、スタートおよび停止時にスタート／ストップ機能性のための最適な制御戦略に従って試験品である内燃機関に対するマルチマスフライホイール特性の作用に関する問い合わせの、時間と材料を節約する検査を可能にする。その際、高価な試験車両が不要であり、かつハードウェアの変更または変形の表示がきわめて短い時間で可能であり、かつ他の構成部品を実際の車両よりも迅速に交換することができ、かつ開発環境が常に一定であるので試験をきわめて良好に相互比較可能であり、かつ必要に応じて包括的な測定機器を使用することができる。

特に電化した将来的なパワートレイン乃至全体系の開発のための、すなわちマルチマスフライホイールの設計、および最適な目標システムを得るためのＥＣＵとハイブリッド制御の相互作用における関連するすべての機能の項目のための、内燃機関の開発において、上記の利点はきわめて重要である。さらに、補器類開発およびチェーン装置開発、スタート／停止による内燃機関に対する作用を含めた複雑なハイブリッドシステムの評価および確認も、他の若干の重要なテーマである。

スタート装置のいろいろなモデル７によって、例えばバリエーションをキャリブレーションする際に、異なるスタート特性、例えば慣用のスタータ、ベルトドライブスタータ、フライホイールマススタータ、ＤＫＧを介してのスタート等を表すことができる。一方、一般のテストベンチの場合には常に、プロトタイプとして構成されたスタータシステムだけしか検査することができない。さらに、モデル７がスタート装置のための部分モデルとマルチマスフライホイールのための部分モデルとを含み、かつ電気機械４に対する制御要求が両部分モデルを考慮するときには、スタータシステムとマルチマスフライホイールの協働が簡単かつ危険なしに可能である。

１ 試験品
２ 軸
３ トルク測定フランジ
４ 電気機械
６ 制御装置
７ モデル

Claims (6)

1. 試験品（１）を備え、ならびに前記試験品（１）を駆動および／または負荷するための電気機械または各々の前記電気機械（４）用の制御装置（６）を備えたテストベンチ設備であって、前記試験品が前記試験品（１）を駆動および／または負荷するための少なくとも１個の電気機械（４）に連結されるテストベンチ設備において、
   前記試験品（１）に接続可能な構成要素のための少なくとも１個のモデル（７）が前記制御装置（６）内に実装され、前記モデル（７）から、前記電気機械または各々の前記電気機械（４）に対する制御要求の少なくとも一部が求められること、マルチマスフライホイールのための少なくとも１個のモデル（７）が前記制御装置（６）内に実装され、該モデル（７）が少なくとも前記マルチマスフライホイールの一次側と二次側のデュアルマスと、弓形ばねまたは各々の弓形ばねのための代替モデルとを含み、その際、マルチマスフライホイールのためのモデルを統合的な時間ステップ方法によって評価するアルゴリズムが前記制御装置（６）に実装され、アルゴリズムが、一定のステップ幅を有する統合的な時間ステップ方法によって、マルチマスフライホイールのためのモデルを評価し、その際、前記アルゴリズムが各々の演算ステップにおいて、個々のばね要素および弓形ばね全体のばね力およびばね摩擦を評価し、加えて、個々のばね要素の慣性力から合力および合成モーメントが評価され、一次側と二次側への合計の合力または合計の合成モーメントとして求められることを特徴とするテストベンチ設備。
2. 前記マルチマスフライホイールのための前記モデル（７）が弓形ばねの半径方向強度のパラメータ表示を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のテストベンチ設備。
3. 前記マルチマスフライホイールのための前記モデル（７）が接触摩擦状態のパラメータ表示を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のテストベンチ設備。
4. 前記マルチマスフライホイールのための前記モデル（７）が可変のフリーホイールのパラメータ表示を含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のテストベンチ設備。
5. 前記マルチマスフライホイールのための前記モデル（７）が付着と滑りの間の状態切換えを含んでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のテストベンチ設備。
6. 前記マルチマスフライホイールのための前記モデル（７）が一次マスと二次マスにおける弓形ばねのリミットストップの接触機構のためのモデルを含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のテストベンチ設備。

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