DE102014219536A1

DE102014219536A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Betätigungskraft eines Stellaktuators

Info

Publication number: DE102014219536A1
Application number: DE102014219536.5A
Authority: DE
Inventors: Alain Tierry Chamaken Kamde; Wilhelm Moser
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2034-09-27
Also published as: US9964129B2; DE102014219536B4; CN105465231B; CN105465231A; US20160091001A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Betätigungskraft (Fp) eines Stellaktuators (3), dessen Stellbewegungen durch entsprechende Versorgung mit einem Arbeitsmedium mittels Betätigung von mindestens einem, dem Stellaktuator (3) zugeordneten Ventil (4 bis 7) erzeugt werden, wobei die Betätigungskraft (Fp) rechnerisch ermittelt wird. Um die rechnerische Ermittlung der Betätigungskraft (Fp) mit niedrigem Aufwand durchführen zu können, wird über das mindestens eine Ventil (4 bis 7) je ein im Wesentlichen konstanter, dem Stellaktuator (3) zu- und/oder aus dem Stellaktuator (3) abgeführter Massenstrom (m. iv, m. ov) an Arbeitsmedium eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Betätigungskraft eines Stellaktuators, dessen Stellbewegungen durch entsprechende Versorgung mit einem Arbeitsmedium mittels Betätigung von mindestens einem, dem Stellaktuator zugeordneten Ventil erzeugt werden, wobei die Betätigungskraft rechnerisch ermittelt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Betätigungseinrichtung mit einem Stellaktuator und ein Computerprogrammprodukt, sowie einen dieses aufweisenden Datenträger.
Stellaktuatoren kommen unter anderem bei Kraftfahrzeugen im Bereich von automatisch betätigten Trennkupplungen zur Anwendung und rufen dann innerhalb des jeweiligen Antriebsstranges bei Betätigung ein Öffnen oder Schließen der jeweiligen Trennkupplung hervor. Zumeist liegt ein Stellaktuator dabei als Betätigungskolben vor, welcher zur Darstellung der jeweiligen Stellbewegungen entsprechend mit einem Arbeitsmedium versorgt wird, wobei es sich bei diesem Arbeitsmedium im Bereich der Nutzfahrzeuge häufig um Druckluft handelt. Eine Zuführung des Arbeitsmediums wird dabei üblicherweise über ein oder auch mehrere Ventile gesteuert. Insbesondere bei einer als Reibungskupplung ausgestalteten Trennkupplung kann es jedoch über die Arbeitszeit gesehen verschleißbedingt zu Verschiebungen eines Anlegepunkts kommen, was regelungstechnisch eine Anpassung von Betriebsparametern des Stellaktuators nach sich zieht, um nach wie vor ein zuverlässiges und komfortorientiertes Öffnen und auch Schließen der Trennkupplung im Fahrbetrieb zu gewährleisten. Häufig werden daher Sensoren im Bereich des jeweiligen Stellaktuators vorgesehen, über welche auf eine jeweilige Betätigungskraft des Aktuators geschlossen und bei gleichzeitiger Einbeziehung einer aktuellen Kupplungsposition eine verschleißbedingte Verschiebung einer Kennlinie der Trennkupplung erkannt werden kann. Teilweise wird eine Betätigungskraft eines Stellaktuators aber auch rechnerisch ermittelt, um diese Erfassung auch ohne Verwendung von Sensoren und damit kostengünstiger realisieren zu können.
Aus der DE 10 2007 022 126 A1 geht ein Verfahren zur Ermittlung einer Kenngröße eines Stellaktuators hervor, welcher als Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführt ist. Als zu ermittelnde Kenngröße wird dabei unter anderem eine Betätigungskraft des Stellaktuators bestimmt, wobei hierzu auf ein Berechnungsmodul zurückgegriffen und eine Ermittlung mit Hilfe einer Simulation vollzogen wird.
Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung einer Betätigungskraft eines Stellaktuators zu schaffen, wobei sich bei diesem Verfahren eine rechnerische Ermittlung der Betätigungskraft mit niedrigem Aufwand durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Eine Betätigungseinrichtung mit einem Stellaktuator, dessen Betätigungskraft entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wird, geht ferner aus einem Nebenanspruch hervor. Schließlich sind ein das erfindungsgemäße Verfahren umsetzendes Computerprogrammprodukt, sowie ein Datenträger, auf welchem ein derartiges Computerprogrammprodukt abrufbar gespeichert ist, Gegenstand weiterer Nebenansprüche.
Gemäß der Erfindung dient das Verfahren der Ermittlung einer Betätigungskraft eines Stellaktuators, dessen Stellbewegungen durch entsprechende Versorgung mit einem Arbeitsmedium mittels Betätigung von mindestens einem, dem Stellaktuator zugeordneten Ventil erzeugt werden. Dabei wird die Betätigungskraft rechnerisch ermittelt. Der Stellaktuator ist hierbei Teil einer Betätigungseinrichtung, bei welcher es sich besonders bevorzugt um die Betätigungseinrichtung einer Trennkupplung eines Kraftfahrzeugantriebsstranges handelt. Ferner ist der Stellaktuator insbesondere als linear wirkender Aktuator und dabei bevorzugt als Kolben-Zylinder-Einheit ausgestaltet, welche bei Versorgung mit dem Arbeitsmedium lineare Stellbewegungen ausführt. Insbesondere wird bei Zuführung des Arbeitsmediums eine erste Stellbewegung in Form eines Ausfahrens des Kolbens hervorgerufen, während bei Abführen des Arbeitsmediums ein Zurückdrücken des Kolbens und damit eine zweite, zur ersten Bewegung entgegengesetzt orientierte Stellbewegung möglich wird. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich insbesondere um Druckluft, die Kolben-Zylinder-Einheit liegt in diesem Fall also als pneumatischer Stellaktuator vor, wobei alternativ dazu aber auch ein hydraulisches System realisiert sein kann.
Ferner sind dem Stellaktuator insbesondere mehrere Ventile zugeordnet, wobei wenigstens ein Ventil den Zulauf von Arbeitsmedium zum Aktuator regelt, während mindestens ein Ventil für die Abführung desselbigen sorgt. Besonders bevorzugt sind aber sowohl für den Zu-, als auch für den Ablauf je zwei Ventile angeordnet, wobei diese von ihrem Strömungsquerschnitt her insbesondere unterschiedlich gestaltet sind, so dass über das jeweils eine Ventil ein höherer Massenstrom dargestellt werden kann, als über das jeweils andere Ventil.
Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass über das mindestens eine Ventil je ein im Wesentlichen konstanter, dem Stellaktuator zu- und/oder aus dem Stellaktuator abgeführter Massenstrom an Arbeitsmedium eingestellt wird. Mit anderen Worten wird das mindestens eine Ventil, welches dem Stellaktuator zugeordnet ist, also so betrieben, dass sich ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom über das Ventil zum Stellaktuator oder aus dem Stellaktuator heraus einstellt.
Eine derartige Ausgestaltung eines Verfahrens zur Ermittlung einer Betätigungskraft eines Stellaktuators hat dabei den Vorteil, dass sich aufgrund des konstanten zu- und/oder abgeführten Massenstromes jeweils ein Zustand einstellt, bei welchem ein Einfluss von Nichtlinearitäten im System weitestgehend reduziert ist. Dies hat dann auch zur Folge, dass eine jeweilige Betätigungskraft mit einer guten Annäherung im Rahmen einer vereinfachten Rechnung ermittelt werden kann, ohne dabei auf ein kompliziertes Simulationsmodell zurückgreifen zu müssen. Dabei wird bei einem konstanten, zugeführten Massenstrom eine vereinfachte Berechnung einer Betätigungskraft bei einer in eine erste Richtung orientierten Stellbewegung möglich, während eine Einstellung eines konstanten, abgeführten Massenstromes die vereinfachte Ermittlung der Betätigungskraft bei einer in eine zweite, hierzu entgegengesetzte Richtung orientierten Stellbewegung möglich macht.
Im Falle der DE 10 2007 022 126 A1 wird hingegen nicht vorgeschlagen, eine konstante Einstellung eines Massenstromes vorzunehmen. Insofern muss bei dem zur Ermittlung der Betätigungskraft herangezogenen Simulationsmodell auch entsprechend der Einfluss von Nichtlinearitäten im System berücksichtigt werden, was das Rechenmodell entsprechend aufwändig macht. In der Folge lässt sich eine Berechnung während des Betriebes unter Umständen nur erschwert realisieren.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass Abweichungen nur in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen vorliegen. Dabei sind insbesondere äußerst geringfügige und/oder nur absolut sporadisch auftretende Schwankungen des Massenstromes gemeint.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung wird über den Stellaktuator eine Kraftfahrzeugkupplung betätigt, wobei dementsprechend durch die Betätigungskraft des Stellaktuators eine Ausrückkraft der Kraftfahrzeugkupplung repräsentiert wird. Der Stellaktuator ist in diesem Fall also Teil einer Betätigungseinrichtung einer Kraftfahrzeugkupplung und sorgt bei Versorgung mit Arbeitsmedium für ein Öffnen derselbigen. Durch die Ermittlung der Betätigungskraft kann dann auf die für die Regelung der Kraftfahrzeugkupplung relevante Ausrückkraft geschlossen werden, ohne einen entsprechenden Sensor vorsehen zu müssen. Im Endeffekt ist dadurch auch ein Rückschluss auf einen Verschleißzustand der Kraftfahrzeugkupplung realisierbar.
In Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform wird anhand eines Verlaufs der Betätigungskraft und unter Einbeziehung jeweiliger Kupplungspositionen der Kraftfahrzeugkupplung mittels eines Polynoms eine Kennlinie der Ausrückkraft erstellt. In der Folge kann diese Kennlinie mit niedrigem Aufwand ermittelt werden. Besonders bevorzugt wird die erstellte Kennlinie im Folgenden in ein EEPROM eines Steuergeräts, insbesondere eines Getriebesteuergeräts des Kraftfahrzeuges, abgelegt und steht im Folgenden zur Verfügung. Des Weiteren wird eine Routine zur Bestimmung der Polynomkoeffizienten entweder per Diagnoseanforderung gestartet oder aber im Stillstand mit eingelegtem Gang beim Einlernen eines Anlegepunkts der Kraftfahrzeugkupplung vollzogen.
Weiter bevorzugt werden im Anschluss an die Erstellung der Kennlinie mit einem Gain Scheduling Verfahren Parameter für eine Regelung der Kraftfahrzeugkupplung bestimmt, wodurch die für die Regelung der Kraftfahrzeugkupplung relevanten Parameter direkt an die ermittelte Ausrückkraftkennlinie angepasst werden können und somit eine entsprechende Anpassung an den Verschleißzustand der Kupplung und an eine hiermit einhergehende Verschiebung des Anlegepunkts möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung wird der zugeführte Massenstrom über mindestens ein Ventil im Wesentlichen konstant eingestellt, wobei alternativ oder auch ergänzend dazu der abgeführte Massenstrom über mindestens ein Ventil im Wesentlichen konstant eingeregelt wird. Insbesondere werden aber sowohl der zugeführte, als auch der abgeführte Massenstrom über das oder die entsprechenden Ventile konstant eingestellt, um Betätigungskräfte des Stellaktuators in beide jeweiligen Richtungen anhand von vereinfachten Rechenmodellen ermitteln zu können.
Entsprechend einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung wird der je eine im Wesentlichen konstante, zu- und/oder abgeführte Massenstrom an Arbeitsmedium durch Ansteuerung des mindestens einen Ventils mit einer niedrigen Frequenz eingestellt, wobei diese Frequenz bevorzugt im Bereich 5 bis 20 Hz liegt und besonders bevorzugt 10 Hz entspricht. Versuche haben gezeigt, dass die Wahl einer in dem besagten Bereich liegenden Ansteuerfrequenz von einem oder mehreren Ventilen in der Einstellung eines konstanten Massenstromes resultiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei insbesondere im Bereich einer Betätigungseinrichtung einer Kraftfahrzeugkupplung vollzogen, wobei die Betätigungseinrichtung dabei regelungstechnisch insbesondere einem Getriebesteuergerät des jeweiligen Kraftfahrzeuges zugeordnet ist. Dabei lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auch als Computerprogrammprodukt verkörpern, welches, wenn es auf einem Prozessor, beispielsweise einem Prozessor des Getriebesteuergeräts läuft, den Prozessor softwaremäßig anleitet, die zugeordneten erfindungsgegenständlichen Verfahrensschritte durchzuführen. In diesem Zusammenhang gehört auch ein computerlesbares Medium zum Gegenstand der Erfindung, auf dem ein vorstehend beschriebenes Computerprogrammprodukt abrufbar gespeichert ist.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination des Hauptanspruchs oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung oder unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnung durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, die nachfolgend erläutert wird, ist in der Zeichnung dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Kupplungseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, welche eine Kraftfahrzeugkupplung 1 in Form einer Trennkupplung, sowie eine der Kraftfahrzeugkupplung 1 zugeordnete Betätigungseinrichtung 2 umfasst. Die Kraftfahrzeugkupplung 1 ist dabei auf eine dem Fachmann prinzipiell bekannte Art und Weise ausgestaltet, so dass hierauf vorliegend nicht weiter eingegangen wird.
Wie aus der einzigen Figur zu erkennen ist, setzt sich die Betätigungseinrichtung 2 im Wesentlichen aus einem Stellaktuator 3 und Ventilen 4 bis 7 zusammen. Des Weiteren ist der Stellaktuator 3 vorliegend als Kolben-Zylinder-Einheit gestaltet, indem in einem Hohlzylinder 8 ein Kolben 9 axial verschiebbar geführt ist. Bei Befüllen eines Innenraumes 10 des Stellaktuators 3 mit einem Arbeitsmedium in Form von Druckluft führt der Kolben 9 eine Stellbewegung in Richtung der Kraftfahrzeugkupplung 1 aus und öffnet diese dabei entgegen – vorliegend nicht weiter dargestellter – Federelemente. Eine Bewegung des Kolbens 9 innerhalb des Hohlzylinders 8 wird dabei zu einem Boden 11 des Hohlzylinders 8 hin durch einen mechanischen Anschlag 12 begrenzt, der dabei auch gleichzeitig einen maximalen Verfahrweg l_max des Stellaktuators 3 definiert.
Eine Zuführung von Druckluft zum Innenraum 10 wird vorliegend über die Ventile 4 und 5 gesteuert, die jeweils als Wegeventile mit diskreten Schaltstellungen ausgeführt sind, dabei aber voneinander abweichende Durchflussquerschnitte aufweisen. Bei Zuführung von Druckluft zum Innenraum 10 über die Ventile 4 und 5 wird die Kraftfahrzeugkupplung 1 mit einer durch den zugeführten Massenstrom m ._iv definierte Betätigungskraft F_p ausgelegt. Soll die Kraftfahrzeugkupplung 1 dann wiederum geschlossen werden, so wird ein Entweichen der Druckluft aus dem Innenraum 10 über die Ventile 6 und 7 ermöglicht, welche ebenfalls als Wegeventile mit diskreten Schaltstellungen und voneinander abweichenden Durchflussquerschnitten gestaltet sind. Ein über die Ventile 6 und 7 definierter Massenstrom m ._ov definiert dabei die Charakteristik des Schließens der Kraftfahrzeugkupplung 1.
Entsprechend der Position des Kolbens 9 im Hohlzylinder 8 werden auch unterschiedliche Kupplungspositionen z definiert, wobei eine Stellung des Kolbens 9 dabei einem Anlegepunkt z_cp entspricht, ab welchem die Kraftfahrzeugkupplung 1 im Zuge des Schließens erstmals Drehmoment übertragen kann, also die Kupplungshälften erstmalig miteinander in Kontakt treten.
Um nun die Ausrückkraft F_p der Kraftfahrzeugkupplung 1 auf einfache Art und Weise während des Betriebes rechnerisch ermittelt zu können, wird erfindungsgemäß eine Ansteuerfrequenz der Ventile 4 bis 7 in einem Bereich von 5 bis 20 Hz, bevorzugt 10 Hz gewählt, woraufhin die beiden Massenströme m ._iv und m ._ov im Wesentlichen konstant sind. In der Folge kann die Ausrückkraft F_p für ein Öffnen nach der Formel
, sowie für ein Schließen nach der Formel
berechnet werden. Dabei ist m₀ die Luftmasse des Totvolumens des Stellaktuators, m . der jeweils konstante Massenstrom, R die spezifische Gaskonstante, T die spezifische Gastemperatur, V₀ das Totvolumen, A die Kolbenfläche des Kolbens 9, p_z der Zylinderinnendruck, p_s der Speicherdruck eines den Stellaktuator versorgenden Speichers, sowie m_max die Luftmasse des Stellaktuators bei voll ausgefahrenem Kolben 9.
Im Folgenden wird aus den jeweiligen Ausrückkräften F_p(t) und den dazugehörigen Kupplungspositionen z_(t) mittels eines geeigneten Polynoms eine Kennlinie der Ausrückkraft ermittelt und in ein EEPROM des Kupplungssteuergeräts bzw. des Getriebesteuergeräts abgelegt. Die Routine zur Bestimmung der Polynomkoeffizienten wird dabei bevorzugt im Stillstand des Kraftfahrzeuges mit eingelegtem Gang beim Einlernen des Anlegepunkts z_cp gestartet, kann aber auch erst im Rahmen einer Diagnoseanforderung angestoßen werden.
Abschließend wird mit Hilfe eines Gain Scheduling Verfahrens eine Anpassung von Regelparametern des Stellaktuators 2 an die ermittelte Kennlinie vorgenommen, um die Regelung des Öffnens und Schließens der Kraftfahrzeugkupplung 1 an ggf. zwischenzeitlich geänderte Bedingungen realisieren zu können.
Mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Betätigungskraft eines Stellaktuators kann eine rechnerische Ermittlung dieser Betätigungskraft mit niedrigem Aufwand vorgenommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeugkupplung
2: Betätigungseinrichtung
3: Stellaktuator
4: Ventil
5: Ventil
6: Ventil
7: Ventil
8: Hohlzylinder
9: Kolben
10: Innenraum
11: Boden
12: Anschlag
l_max: maximaler Verfahrweg
m ._iv: zugeführter Massenstrom
m ._ov: abgeführter Massenstrom
F_p: Betätigungskraft
z: Kupplungsposition
z_cp: Anlegepunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007022126 A1 [0003, 0010]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Betätigungskraft (F_p) eines Stellaktuators (3), dessen Stellbewegungen durch entsprechende Versorgung mit einem Arbeitsmedium mittels Betätigung von mindestens einem, dem Stellaktuator (3) zugeordneten Ventil (4 bis 7) erzeugt werden, wobei die Betätigungskraft (F_p) rechnerisch ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über das mindestens eine Ventil (4 bis 7) je ein im Wesentlichen konstanter, dem Stellaktuator (3) zu- und/oder aus dem Stellaktuator (3) abgeführter Massenstrom (m ._iv, m ._ov) an Arbeitsmedium eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Stellaktuator (3) eine Kraftfahrzeugkupplung (1) betätigt wird, wobei durch die Betätigungskraft (F_p) des Stellaktuators (3) eine Ausrückkraft der Kraftfahrzeugkupplung (1) repräsentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines Verlaufs der Betätigungskraft (F_p(t)) und unter Einbeziehung jeweiliger Kupplungspositionen (z(t)) der Kraftfahrzeugkupplung (1) mittels eines Polynoms eine Kennlinie der Ausrückkraft erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Erstellung der Kennlinie mit einem Gain Scheduling Verfahren Parameter für eine Regelung der Kraftfahrzeugkupplung (1) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Massenstrom (m ._iv) über mindestens ein Ventil (4, 5) im Wesentlichen konstant eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeführte Massenstrom (m ._ov) über mindestens ein Ventil (6, 7) im Wesentlichen konstant eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der je eine im Wesentlichen konstante, zu- und/oder abgeführte Massenstrom (m ._iv, m ._ov) durch Ansteuerung des mindestens einen Ventils (4 bis 7) mit einer niedrigen Frequenz eingestellt wird, bevorzugt im Bereich 5 bis 20 Hz, und besonders bevorzugt 10 Hz.
Betätigungseinrichtung (2), insbesondere Betätigungseinrichtung (2) für eine Kraftfahrzeugkupplung (1), umfassend einen Stellaktuator (3), dessen Betätigungskraft (F_p) gemäß einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 ermittelbar ist.
Computerprogrammprodukt einer Betätigungseinrichtung (2) nach Anspruch 8, bei welcher eine Betätigungskraft (F_p) eines Stellaktuators (3) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ermittelbar ist, wobei eine Einstellung je eines im Wesentlichen konstanten, dem Stellaktuator (3) zu- und/oder aus dem Stellaktuator (3) abgeführten Massenstromes (m ._iv, m ._ov) an Arbeitsmedium und eine rechnerische Ermittlung der Betätigungskraft (F_p) durch entsprechende in einer Software hinterlegte Befehle umgesetzt ist.
Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9.