Modellbasierte Optimierung des Betriebsverhaltens eines Kegel-Ring-Getriebes in einem Kraftfahrzeug

Papakonstantinou, Nikolaos; Gold, Peter Werner

doi:28579

Modellbasierte Optimierung des Betriebsverhaltens eines Kegel-Ring-Getriebes in einem Kraftfahrzeug = Model based optimization of the driveability of a cone ring transmission in a vehicle

Papakonstantinou, Nikolaos

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nikolaos Papakonstantinou

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : Mainz 2008

UmfangVII, 126 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN3-86130-353-1

ReiheIME

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Gold, Peter Werner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-08-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-22862
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/49996/files/Papakonstantinou_Nikolaos.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (411710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Computersimulation (Genormte SW) ; Dynamische Modellierung (Genormte SW) ; Mathematisches Modell (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Stufenloses Getriebe (Genormte SW) ; Fahrdynamik (Genormte SW) ; Regelung (Genormte SW) ; Robuste Regelung (Genormte SW) ; Lineare Regelung (Genormte SW) ; Applikation (Genormte SW) ; Anwendungssoftware (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Bohrmomente (frei) ; Reibkontakt (frei) ; EHD-Kontaktstelle (frei) ; Vehicle Model (frei) ; CVT-Transmission (frei) ; Control (frei) ; Feed Forward Control (frei) ; Driveability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Arbeit beschreibt alle wichtigen Prozesse für die Entwicklung eines Prototypen-Steuerungssystemes für den Einsatz des Kegel-Ring-Getriebes in einem Fahrzeug der mittleren Leistungsklasse. Mit modellbasierten Verfahren gelang es, einen Regelkreis und eine Fahrstrategie zu realisieren, schon bevor die ersten Fahrversuche stattfanden. Dabei wurde erheblich an Entwicklungszeit gespart. Das Fahrzeugverhalten konnte mit dem Einsatz eines Fahrzeug-KRG-Modells vorherbestimmt werden. Besonders wichtig für die Fahrbarkeit eines CVT-Getriebes ist das Verhalten des Getriebes unter dynamischen Situationen wie „Tip-In“ und „Power-Off“. Solche Situationen konnten mit Hilfe des Modells schon vor den Fahrversuchen untersucht werden. Dabei wurden Filter und Algorithmen entwickelt, die den sicheren und komfortablen Betrieb des Getriebes in solchen Situationen gewährleisten. Mit dem Einsatz eines Rapid-Prototyping-Systems von Matlab und dSPACE konnten die entwickelten Funktionen schnell in einem Prototype-Steuergerät echtzeitfähig implementiert werden. Die Fahrzeugversuche haben gezeigt, dass das Modell erfolgreich als ein Vorkalibrationswerkzeug eingesetzt werden kann. Da bei solchen transienten Bedingungen auch wichtige Größen wie Schlupf, minimaler benötigter Reibwert, Bohrmomente und Flächenpressungen ermittelt werden können, kann das Modell auch als ein Auslegungswerkzeug angesehen werden. Da das Modell sehr gut mit der Realität übereinstimmt, war es möglich, eine Optimierung der Übersetzungsregelung durchzuführen. Dadurch wurden die Stabilität und die Regelgenauigkeit verbessert. Die Reaktionszeiten des Getriebes konnten ebenfalls verbessert werden. Da der optimierte Regler über eine hohe Durchtrittskreisfrequenz verfügen muss, soll auf die Qualität der für die Regelung gemessenen Größen besonders geachtet werden. Eine Reduzierung der Durchtrittskreisfrequenz des Reglers ohne spürbare Einbuße an der Regelgenauigkeit kann mit einer Störgrößen-Kompensation erreicht werden. Dafür wurde das Modell für die Berechnung der Bohrmomente in der Kontaktstelle eingesetzt. Durch Kombination von Fahrzeug- und Prüfstandsmessungen ist es gelungen, über die Bohrmomente das genaue Übersetzungsverhalten bei dynamischen Zuständen nachzubilden. Über ein Bohrmomentkennfeld war es möglich, anschließend eine Störgrößen-Kompensation im Fahrzeug zu realisieren und eine sehr gute Regelgenauigkeit auch mit reduzierter Regler-Durchtrittskreisfrequenz nachzuweisen. Es wurde festgestellt, dass es noch Potential zur Verbesserung der Regelung in Bezug einer Kosteneinsparung gibt: Mit einer Regelung basierend auf der Drehzahlübersetzung oder mit einer direkten Regelung der Aktuatorspannung können die Kosten optimiert werden. Neben der Optimierung der Übersetzungsregelung wurden auch Algorithmen für die Anpresskraftregulierung entwickelt. Die Anpresskraftregulierung wird durch eine Konstruktionserweiterung und durch eine hydraulische Entlastung ermöglicht. Nachdem die Funktion der hydraulischen Entlastung am Prüfstand nachgewiesen worden ist, wurden Algorithmen entwickelt, die den Entlastungsdruck während des Fahrbetriebs automatisch anpassen. Die Verbrauchsmessungen während des NEDC-Test-Zyklus zeigten eine Verbesserung des Verbrauches. Da die Regelgüte des vorhandenen Systems bei höherem Druckniveau begrenzt ist, konnte das Potential der hydraulischen Entlastung nicht voll ausgenutzt werden. Über eine Verbesserung der hydraulischen Ansteuerung kann das System deutlich optimiert werden.

This thesis describes the most important processes for the development of a Prototype Control System for vehicle application of the cone ring transmission. Based on a model of the cone ring transmission, it was possible to develop a closed loop control for the ratio adjustment, and also to test the driving strategies prior to the vehicle application. Enormous savings in development time are thus realized. It was possible to predict the driving behavior of the car, especially under dynamic situations, with the usage of this model. For these situations, filter and algorithms were developed for the safe functionality of the cone ring transmission. With the usage of the Rapid Prototype Platform of dSPACE and the model development in Matlab-Simulink, it was possible to implement the developed control algorithms and driving strategies in real time into a vehicle equipped with the cone ring transmission. The data evaluation from the vehicle test showed that the developed model can be used as a pre-calibration tool for vehicle application. Furthermore, this thesis demonstrates model based optimization of the ratio controls concerning the stability, the accuracy, and the response time. Due to the high bandwidth of the controller, the system is sensitive to signal disturbances, and a good sensor quality is demanded. A reduction of the Controller bandwidth without a loss in accuracy, stability, and response time can be achieved by a model based disturbances’ compensation. For this purpose, the model of the Drill torque in the contact area is used. Based on vehicle measurements and test rig data, it was possible to verify the drill torque calculation. This made it possible to simulate the ratio change under dynamic situations more precisely. Using a Drill-Torque-Map developed in the model, it was possible to integrate a feed-forward disturbances’ compensation into the control algorithms. As a result, a controller with reduced bandwidth can be used without a loss in the quality of the control. Additionally, using the model, intelligent control algorithms have been developed, reducing the number of necessary sensors in the cone ring transmission, and consequently also reducing the cost of the transmission. After the optimization of the ratio control, control algorithms for the clamping force have been designed. The clamping force control is possible through a constructive extension and a load relieving through a hydraulic medium. After testing the function of the load relieving, the algorithms of the automatic control of the clamping force during the driving operation have been programmed. The NEDC-Test Cycle measurements have shown that there is enough potential for further enhancement of the consumption of the cone ring transmission.

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