DE102016223874A1

DE102016223874A1 - Getriebesteuerung

Info

Publication number: DE102016223874A1
Application number: DE102016223874.4A
Authority: DE
Inventors: Tomas Szabo; Knut Graichen; Sebastian HENTZELT
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-05-30
Also published as: US10451183B2; US20180149266A1

Abstract

Ein Getriebe (100) umfasst eine Eingangswelle (105) und eine Ausgangswelle (110) und eine erste und eine zweite Untersetzungseinrichtung (i1-i6) zur Bereitstellung unterschiedlicher Untersetzungen. Der ersten Untersetzungseinrichtung (i1-i6) ist eine erste steuerbare Kupplung (A-F) und der zweiten Untersetzungseinrichtung eine zweite steuerbare Kupplung (A-F) zugeordnet, um die jeweilige Untersetzungseinrichtung (i1-i6) drehmomentschlüssig zwischen die Eingangswelle (105) und die Ausgangswelle (110) zu verbinden. Eine erste Gangstufe des Getriebes (100) kann durch Betätigen der ersten Kupplung (A-F) und eine zweite Gangstufe durch Betätigen der zweiten Kupplung (A-F) realisiert werden. Ein Verfahren (200) zum Steuern eines Gangstufenwechsels von der ersten in die zweite Gangstufe umfasst Schritte des Bestimmens (205) von Betriebszustandsgrößen des Getriebes (100); und des Bestimmens von optimierten Betätigungsgraden der Kupplungen mittels eines Suchverfahrens (220) bezüglich eines Getriebemodells (210) das die Betätigungsgrade auf der Basis von Betriebszustandsgrößen bezüglich eines vorbestimmten Optimierungskriteriums bestimmt. Dabei ist das Getriebemodell (210) schlupfbasiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebesteuerung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung eines Gangwechsels an einem lastschaltbaren Getriebe.
Ein Getriebe umfasst eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle und ein Schaltgetriebe mit mehreren Gangstufen, die alternativ drehmomentschlüssig zwischen die Wellen geschaltet werden können. Jeder Gangstufe ist eine Kupplung zugeordnet, sodass das Auslegen einer ersten Gangstufe und das Einlegen einer anderen Gangstufe zeitlich überlappen können. Der Gangstufenwechsel kann dadurch ohne Unterbrechung des übertragenen Drehmoments erfolgen, man spricht von einer zugkraftunterbrechnungsfreien Schaltung.
Das Betätigen der an einem Gangstufenwechsel beteiligten Kupplungen muss genau aufeinander abgestimmt sein, um das während des Wechsels übertragene Drehmoment möglichst gleichmäßig zu beeinflussen und kein Element des Getriebes zu überlasten. Die Kupplungen können beispielsweise hydraulisch oder mechanisch graduell betätigt werden, um einen Schlupf in der Kupplung zu steuern. Zum Übergang beispielsweise zwischen einem nicht betätigten in einen voll betätigten Zustand kann eine Betätigungstrajektorie für die Kupplung bestimmt werden, die den Grad ihrer Betätigung über eine vorbestimmte Zeitdauer angibt. Eine solche Betätigungstrajektorie wird üblicherweise empirisch oder auf der Basis einfacher Annahmen einmalig bestimmt und dann unverändert verwendet. Für die Bestimmung werden üblicherweise Sicherheitszugaben verwendet, um beispielsweise Einflüsse einer Temperatur, einer Abnutzung oder eines Messfehlers zu berücksichtigen. Die Genauigkeit oder Effizienz einer darauf basierenden Getriebesteuerung können daher begrenzt sein.
DE 10 2011 075 913 A1 schlägt vor, die Betätigungstrajektorien auf der Basis von Betriebszustandsgrößen des Getriebes zu bestimmen.
Ein Getriebe umfasst eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle und eine erste und eine zweite Untersetzungseinrichtung zur Bereitstellung unterschiedlicher Untersetzungen. Der ersten Untersetzungseinrichtung ist eine erste steuerbare Kupplung und der zweiten Untersetzungseinrichtung eine zweite steuerbare Kupplung zugeordnet, um die jeweilige Untersetzungseinrichtung drehmomentschlüssig zwischen die Eingangswelle und die Ausgangswelle zu verbinden. Eine erste Gangstufe des Getriebes kann durch Betätigen der ersten Kupplung und eine zweite Gangstufe durch Betätigen der zweiten Kupplung realisiert werden. Ein Verfahren zum Steuern eines Gangstufenwechsels von der ersten in die zweite Gangstufe umfasst Schritte des Bestimmens von Betriebszustandsgrößen des Getriebes; und des Bestimmens von optimierten Betätigungsgraden der Kupplungen mittels eines Suchverfahrens bezüglich eines Getriebemodells, das die Betätigungsgrade auf der Basis von Betriebszustandsgrößen bezüglich eines vorbestimmten Optimierungskriteriums bestimmt. Dabei ist das Getriebemodell schlupfbasiert.
Die Betriebszustandsgrößen können beispielsweise Drehzahlen, übertragene Momente oder andere, am Getriebe beobachtbare Größen umfassen. Auch unmittelbare Einflussgrößen wie eine Massenträgheit einer mit dem Getriebe verbundenen Einrichtung können angegeben sein.
Durch das schlupfbasierte Getriebemodell kann die Komplexität des Modells verringert werden. Das Optimieren kann somit in geringerer Zeit durchgeführt werden oder innerhalb einer vorbestimmten Optimierungszeit kann eine weiter optimierte Lösung gefunden werden. Dadurch kann das Verfahren auch auf einer wenig leistungsfähigen Verarbeitungseinrichtung ausgeführt werden. Außerdem kann das physikalische Modell genauer gestaltet werden, sodass die bestimmte Lösung verbessert zu Annahmen und Messwerten des Getriebes passen kann.
Der modellbasierte Ansatz kann ohne aufwändige Vermessung bzw. Parametrierung bezüglich eines Getriebetyps, einer Getriebeauslegung oder eines individuellen Getriebes auskommen. Ein Gangwechsel kann verbessert schnell und einfach eingestellt werden. Das Verfahren kann auf Steuervorrichtungsebene echtzeitfähig sein. Außerdem kann das Konzept auf andere Getriebe übertragbar sein. Insbesondere können auch Gruppenschaltungen mit mehreren Getriebegruppen unterstützt werden.
Es wird bevorzugt eine Vielzahl von Betätigungsgraden für eine Abfolge zukünftiger Zeitpunkte bestimmt. Die Betätigungsgrade (Lösungstrajektorien) werden bevorzugt über die zeitliche Erstreckung zu festen Zeitpunkten parametriert. Diese Parametrierung kann beispielsweise über Funktionen (zum Beispiel linear oder quadratisch) zwischen zwei Zeitpunkten interpoliert werden. Die Anzahl der Zeitpunkte bzw. ihre zeitliche Erstreckung können vorbestimmt sein. Die Bestimmung der Betätigungsgrade der Kupplungen kann so bezüglich eines Zeitfensters vorbestimmter Länge durchgeführt werden, sodass der Aufwand zur Bestimmung der optimierten Betätigungen eingeschränkt ist. So kann eine weiter verbesserte Optimierung erzielt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren periodisch durchgeführt, um jeweils optimierte Vielzahlen von Betätigungsgraden bereitzustellen. Dabei erfolgt bevorzugt gleichzeitig eine Betätigung der Kupplungen, sodass die Betätigungsgrade für ein gleitendes Zeitfenster oder einen gleitenden Horizont bestimmt werden können. Durch das periodische Bestimmen können immer wieder aktuelle Betriebszustandsgrößen des Getriebes verwendet werden. Unnötige Bestimmungen für einen bereits vergangenen Zeitpunkt können vermieden werden. Die bestimmten Betätigungsgrade können so inkrementell verbessert werden. Ist ein Endzeitpunkt, zu dem der Gangstufenwechsel abgeschlossen ist, vorbestimmt, so kann, wenn die bis zum Endzeitpunkt verbleibende Zeit kleiner als das Zeitfenster ist, eine verringerte Anzahl Betätigungsgrade bestimmt werden. Bestimmte aufeinander folgende Betätigungsgrade können unverändert zeitlich gleiche Abstände zueinander haben. Durch die periodische bzw. inkrementelle Bestimmung kann verbessert dynamisch auf eine Veränderung externer Parameter vor oder während des Gangstufenwechsels reagiert werden.
In einer weiteren Variante können die Betätigungsgrade jeweils für die bis zum Endzeitpunkt verbleibende Zeit bestimmt werden. Im Verlauf des Gangstufenwechsels wird die verbleibende Zeit immer kleiner, sodass bei zeitlich gleich beanstandeten Betätigungsgraden immer mehr Bestimmungszeit pro Betätigungsgrad zur Verfügung stehen kann. Die Optimierung kann somit umso besser werden, je weiter der Gangstufenwechsel vorangeschritten ist. Effektiv kann dadurch der Gangstufenwechsel bereits begonnen werden, wenn für einen ersten Zeitpunkt Betätigungsgrade vorliegen, deren Optimierung nicht besonders weit fortgeschritten ist, deren Verlauf also suboptimal ist. Das Verfahren kann in Echtzeit durchgeführt werden, wobei stets zu einem vorbestimmten Zeitpunkt eine Lösung bereitgestellt werden kann, auch wenn deren Verlauf möglicherweise suboptimal ist.
Die Bestimmung der Betätigungsrade kann insbesondere eine Optimierung auf ganzzahligen Parametern umfassen. Eine Bestimmungsgenauigkeit kann beispielsweise durch Verwenden hochpräziser numerischer Bibliotheken wie MPC (multi precision computing) praktisch beliebig hoch gehalten werden. Außerdem können schneller konvergierende Suchverfahren verwendet werden, etwa die ganzzahlige oder gemischt ganzzahlige lineare Optimierung (mixed integer linear processing, MIP), für die Laufzeitumgebungen bereits erhältlich sind. Das vorliegende Optimierungsproblem muss nur noch passend formuliert und das Modell geeignet aufgestellt werden.
In einer Ausführungsform werden auf der Basis der Vielzahl Betätigungsgrade Betätigungstrajektorien für die Kupplungen bestimmt. Die Betätigungstrajektorien können Interpolationen für Betätigungsgrade zwischen Zeitpunkten umfassen, für die Betätigungsgrade bestimmt wurden. Auf der Basis der Betätigungstrajektorien kann eine Steuerung der Kupplungen verbessert oder erleichtert durchgeführt werden.
Das Verfahren kann auch das Steuern oder Regeln der Kupplungen umfassen. Dabei können die bestimmten Betätigungsgrade oder Betätigungstrajektorien als Sollvorgaben verwendet werden. Eine Betätigung einer Kupplung kann insbesondere ein Steuern eines hydraulischen oder pneumatischen Ventils oder eines elektrischen oder elektrohydraulischen Aktuators umfassen. Die gesamte Getriebesteuerung für den Wechsel der eingelegten Gangstufe kann somit mittels eines integrierten Verfahrens durchgeführt werden.
Das Verfahren kann auf einer Steuervorrichtung ausgeführt werden, wobei die Steuervorrichtung eine Verarbeitungseinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Die Verarbeitungseinrichtung kann einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen. Merkmale oder Vorteile, die bezüglich der Steuervorrichtung gemacht werden, können auf das Verfahren übertragen werden und umgekehrt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1: eine schematische Darstellung eines Getriebes;
2: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Getriebes;
3: beispielhafte Verläufe von übertragenen Drehmomenten in einem Getriebe

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Getriebes 100 zum Einsatz in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug kann weiter bevorzugt als Nutzfahrzeug ausgeführt sein, beispielsweise als Lastkraftwagen oder eine Baumaschine. Das Getriebe umfasst eine Eingangswelle 105, eine Ausgangswelle 110, eine erste Getriebegruppe 115 und optional eine zweite Getriebegruppe 120. Weitere Getriebegruppen 115, 120 können bei Bedarf mit den anderen in Serie geschaltet werden. Zwischen aufeinander folgenden Getriebegruppen 115, 120 liegt üblicherweise jeweils eine Zwischenwelle 125. Die dargestellte Ausführungsform mit zwei Getriebegruppen 115, 120 wird auch Double Group Power Shift (DGPS) genannt.
Jede Getriebegruppe 115, 120 umfasst mehrere Untersetzungen i1 bis i6, von denen außerhalb eines Gangstufenwechsels nur eine pro Getriebegruppe 115, 120 aktiv ist. Die erste Getriebegruppe 115 umfasst hier exemplarisch vier Untersetzungen i1 bis i4 und die zweite Getriebegruppe 120 weiter exemplarisch zwei Untersetzungen i5 und i6. Die Untersetzungen i1 bis i4 sind in den Drehzahlfaktoren, die sie jeweils realisieren, üblicherweise relativ eng gestuft und die erste Getriebegruppe 115 wird auch Splitter genannt. Die Untersetzungen i5 und i6 der zweiten Getriebegruppe 120 sind in ihren Drehzahlfaktoren üblicherweise weiter voneinander beabstandet und die zweite Getriebegruppe 120 wird auch Hauptgetriebe oder Gruppe genannt.
Jede Untersetzung i1 bis i6 wird üblicherweise mittels eines zugeordneten Radsatzes gebildet, der wenigstens zwei miteinander kämmende Zahnräder umfasst. In alternativen Ausführungsformen können auch beliebige andere Einrichtungen verwendet werden, die dazu eingerichtet sind, jeweils eine Drehzahl einer Eingangsseite um einen vorbestimmten Faktor herabzusetzen und an der Ausgangsseite der Untersetzung bereitzustellen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Drehzahl auch heraufgesetzt werden (Übersetzung statt Untersetzung).
Jeder Untersetzung i1 bis i6 im Getriebe 100 ist eine Kupplung A bis F zugeordnet. Ist eine Kupplung A bis F des Getriebes 100 betätigt, so ist sie geschlossen und ein Drehmoment kann über die zugeordnete Untersetzung i1 bis i6 übertragen werden. Ohne Betätigung ist die Kupplung A bis F geöffnet und es findet keine Drehmomentübertragung statt. In einer anderen Ausführungsform kann eine Kupplung A bis F auch unbetätigt geschlossen und betätigt geöffnet sein. Die Kombination von Untersetzungen i1 bis i6, die aktiviert, also an der Übertragung von Drehmoment zwischen der Eingangswelle 105 und der Ausgangswelle 110 beteiligt sind, realisiert eine im Getriebe eingelegte Gangstufe. Die Kupplungen A bis F sind üblicherweise als Reibscheibenkupplungen oder Reibbremsen ausgeführt und können bevorzugt graduell, insbesondere stufenlos betätigt werden. Die Betätigung einer Kupplung A bis F kann beispielsweise auf einer Skala von 0% bis 100% angegeben werden. Wird eine Kupplung A bis F nur teilweise geschlossen, so befindet sie sich im Schlupf, sodass sie zwar ein Drehmoment überträgt, ihre Eingangsseite aber eine andere Drehzahl als ihre Ausgangsseite aufweist. Die Kupplungen A bis F können beispielsweise elektrisch, elektrohydraulisch oder hydraulisch steuerbar sein, sodass der Betätigungsgrad jeder Kupplung A bis F beispielsweise mittels einer elektronischen Steuervorrichtung gesteuert werden kann.
Um das Öffnen oder Schließen von Kupplungen A bis F aufeinander abzustimmen, können Betätigungstrajektorien bestimmt werden, die jeweils einen zeitlichen Verlauf einer Betätigung einer zugeordneten Kupplung A bis F festlegen. Die Betätigungstrajektorie verläuft innerhalb einer Zeitdauer, in der der Gangstufenwechsel stattfindet, üblicherweise von 0% nach 100% oder umgekehrt. Eine Betätigungstrajektorie kann innerhalb des Gangstufenwechsels eine Abfolge unterschiedlicher Schaltphasen ermöglichen, die nacheinander durchlaufen werden, beispielsweise wenigstens eine Übergangsphase und wenigstens eine Gleitphase. In der Übergangsphase wird der Grad der Betätigung einer Kupplung A bis F allmählich vom Schlupfbetrieb in den geschlossenen Zustand oder umgekehrt geändert. In der Gleitphase wird eine Differenzdrehzahl zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite einer zu aktivierenden Untersetzung i1 bis i6 reduziert, indem die zugeordnete Kupplung A bis F nur teilweise betätigt wird.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst die erste Getriebegruppe 115 beispielhaft vier parallel zueinander zwischen der Eingangswelle 105 und der Zwischenwelle 125 angeordnete Untersetzungen i1 bis i4 mit jeweils zugeordneten Kupplungen A bis D.
Die zweite Getriebegruppe 120 ist in der dargestellten Ausführungsform als Umlaufgetriebe, insbesondere als Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem Planetenrad auf einem Planetenradträger und einem Hohlrad realisiert. In der dargestellten Ausführungsform sind das Sonnenrad mit der Ausgangswelle 110 und der Planetenradträger mit der Zwischenwelle 125 gekoppelt. Das Hohlrad kann mittels der Kupplung F mit einer Umgebung, beispielsweise einem Gehäuse des Getriebes 100, gekoppelt werden. Somit kann die Kupplung F als sogenannte Bremse agieren, wodurch das Hohlrad ortsfest, das heißt beispielsweise gegen das Gehäuse, gebremst beziehungsweise festgesetzt werden kann. Die Untersetzung i5 wird gesteuert, indem die Kupplung E geschlossen und die Kupplung F geöffnet wird. Die Zwischenwelle 125 und die Ausgangswelle 110 rotieren dann mit gleichen Drehzahlen, sodass die Untersetzung i5 eins beträgt. Die Untersetzung i6 wird gesteuert, indem die Kupplung E geöffnet und die Kupplung F geschlossen wird. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Getriebegruppe 120 auch anders aufgebaut sein, etwa indem ein Planetengetriebe in anderer Weise mit der Zwischenwelle 125, der Ausgangswelle 110 und einer Umgebung verbunden sind, oder indem die zweite Getriebegruppe 120 nach dem Prinzip der ersten Getriebegruppe 115 aufgebaut ist.
Die Untersetzungen i1 bis i6 sind bevorzugt derart gewählt, dass ein Wechseln durch aufeinander folgende Gangstufen des Getriebes 100 möglichst seltene Wechsel der Untersetzung der zweiten Getriebegruppe 120 erfordert. In der dargestellten Ausführungsform können bei einem Durchlauf durch alle Gangstufen nacheinander die Untersetzungen i1 bis i4 in Kombination mit der Untersetzung i5, und danach erneut nacheinander die Untersetzungen i1 bis 4, diesmal in Kombination mit der Untersetzung i6 aktiviert werden. Dabei wird exemplarisch davon ausgegangen, dass alle Kombinationen von Untersetzungen i1 bis i4 mit Untersetzungen i5 oder i6 die gleiche Drehrichtung zwischen der Eingangswelle 105 und der Ausgangswelle 110 realisieren. Somit können in der hier gezeigten Ausführungsform acht Gangstufen im Getriebe 100 realisiert werden. Eine Spreizung zwischen den Gangstufen ist bevorzugt möglichst gleichmäßig, das heißt, dass die Änderung der zwischen der Eingangswelle 105 und der Ausgangswelle 110 wirksamen Untersetzung beim Übergang von einer Gangstufe in eine benachbarte Gangstufe für alle möglichen Übergänge bevorzugt wenigstens näherungsweise gleich ist.
In der dargestellten Konstellation erfordert ein Wechseln von der vierten in die fünfte Gangstufe (oder umgekehrt) sowohl einen Wechsel der aktivierten Untersetzung i1, i4 in der ersten Getriebestufe 115, als auch der aktivierten Untersetzung i5, i6 in der zweiten Getriebestufe 120. Ein solcher Wechsel wird auch Gruppen-Wechsel-Lastschaltung oder Zweigruppen-Lastschaltung genannt. Alle anderen Wechsel zwischen benachbarten Gangstufen sind einfache Gangwechsel (einfache Lastschaltungen) und erfordern nur einen Wechsel der aktivierten Untersetzung i1 bis i6 in einer der beiden Getriebestufen 115, 120.
Bei allen Übergängen von einer in eine andere Gangstufe ist zu beachten, dass möglichst kein Element des Getriebes 100 überlastet wird. Insbesondere kann die Gruppen-Wechsel-Lastschaltung starke Belastungen erfordern, da hierbei in der ersten Getriebegruppe 115 zwischen der höchsten und der niedrigsten Untersetzung gewechselt werden muss, sodass sich die Drehgeschwindigkeit der Zwischenwelle 125 stark ändert. Eine Synchronisierung der zweiten Getriebegruppe 120 kann dabei große Kräfte beispielsweise auf eine Welle oder einen Radsatz der zweiten Getriebegruppe 120 bedingen, gleiches gilt für die Belastungen auf die jeweils korrespondierende Kupplung (Reibarbeit, Reibleistung). Auch bei einem einfachen Gangstufenwechsel sollen bestimmte Vorgaben eingehalten werden, beispielsweise soll ein Drehmoment, das über eine Kupplung A bis F übertragen wird, einen vorbestimmten Wert nicht übersteigen oder eine Drehzahl einer Welle oder eines Radsatzes soll unterhalb eines Maximalwerts bleiben. Auch eine minimale oder maximale Dauer des Gangwechselvorgangs oder zeitliche Grenzen für andere Übergänge oder Ereignisse können als Randbedingungen vorgegeben sein. Letztere sind insbesondere dahingehend hilfreich, um zwischen einer komfortorientierten oder einer zeitoptimierten (das heißt schnellen) Schaltung zu differenzieren.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern eines Wechsels einer eingelegten Gangstufe in einem Getriebe 100. Das Verfahren 200 kann insbesondere zur Steuerung des in 1 dargestellten Getriebes 100 verwendet werden und basiert auf einem Verfahren, das in DE 10 2011 075 913 A1 beschrieben ist. Es kann aber auch entsprechend in Getrieben mit mehreren Gruppen für Zweigrupppenschaltungen eingesetzt werden.
In einem Schritt 205 werden eine oder mehrere Betriebszustandsgrößen des Getriebes 100 abgetastet. Dabei können die Betriebszustandsgrößen beispielsweise mittels einer Schnittstelle entgegengenommen oder mittels Sensoren bestimmt werden. Die Betriebszustandsgrößen werden als Eingangsgrößen für ein Modell 210 verwendet, welches Trägheiten, Untersetzungen i1 bis i6 und physikalische Randbedingungen beschreibt, um somit für die Einhaltung physikalischer Gesetzte zu sorgen. Das Modell 210 beschreibt das Getriebe 100 üblicherweise in Form eines Differentialgleichungssystems. Die vom Modell 210 ausgegebenen Größen werden in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Fahrzeugantriebsstranges 255 unter Berücksichtigung der im Getriebe 100 eingelegten Gangstufe bestimmt.
In einem Schritt 215 werden Vorgaben bestimmt, die beispielsweise seitens eines Benutzers vorgegeben werden können. Die Vorgaben können beispielsweise eine Randbedingung oder ein Optimierungskriterium bei einem Wechsel einer Gangstufe im Getriebe 100 betreffen.
Eine Optimierungsroutine 220 verwendet diese Vorgaben zusammen mit situationsunabhängigen, zeitinvarianten Größen, d. h. den Trägheiten einer mit der Eingangswelle 105 des Getriebes 100 verbundenen Antriebsmaschine 250, verschiedener Wellen eines mit der Ausgangswelle 110 des Getriebes 100 verbundenen Fahrzeugantriebsstrangs 255 und eines Fahrzeugaufbaus eines mit dem Fahrzeugantriebsstrang 255 ausgeführten Fahrzeuges 260. Ferner können auch situationsabhängige, zeitveränderliche Größen, wie Drehbeschleunigungen der Wellen des Fahrzeugantriebsstranges 255 sowie Stellmomente und Widerstandsmomente von dem den Fahrzeugantriebsstrang 255 abbildenden Modell 210 verwendet werden. Die Optimierungsroutine 220 hat die Aufgabe, unter einer Vielzahl möglicher Lösungen eine bezüglich eines Optimierungskriteriums optimierte Lösung zu finden und bereitzustellen. Die Lösungen umfassen insbesondere Betätigungsgrade der am vorliegenden Gangstufenwechsel beteiligten Kupplung A bis F. Es kann auch eine Vielzahl Lösungen für aufeinander folgende Zeitpunkte bestimmt werden, sodass auf der Basis der Lösungen Betätigungstrajektorien bereitgestellt werden können. Optional kann eine bestimmte Lösung in einem Schritt 225 gesteuert werden, indem das Getriebe 255 bzw. die beteiligten Kupplungen A bis F in der bestimmten Weise betätigt werden.
Als Optimierungsverfahren können Verfahren der linearen Optimierung, wie beispielsweise Simplexverfahren oder Innere-Punkte-Verfahren für lineare Probleme, oder Verfahren der beschränkten nicht linearen Optimierung, z. B. Verfahren der quadratischen Optimierung, SQP-Verfahren, Innere-Punkte-Verfahren oder Gradienten-Verfahren für nicht lineare Probleme zum Einsatz kommen. Bei einer Offline-Berechnung des Optimierungsproblems bzw. bei einer Offline-Bestimmung des Schaltablaufes eines Übersetzungswechsels im Getriebe 100 sind auch heuristische Verfahren, wie simulated annealing, stochastische Suchverfahren, genetische Verfahren, evolutionäre Algorithmen oder deterministische Ansätze wie Rasterungs- oder Unterteilungstechniken verwendbar.
Es ist bevorzugt, dass die Bestimmung der Lösungen periodisch wiederholt wird. Insbesondere ist bevorzugt, während der Gangstufenwechsel gesteuert wird, fortlaufend Betätigungstrajektorien für die Kupplungen A bis F zu bestimmen, um eine fortlaufend verbesserte Steuerung bereitzustellen. Üblicherweise ist eine Schaltdauer, also die Zeit zwischen einem Beginn und einem Ende des Gangwechselvorgangs, vorbestimmt und damit im Voraus bekannt. Je weiter der Gangstufenwechsel bereits fortgeschritten ist, desto weniger Lösungen müssen bestimmt werden, um Betätigungstrajektorien für die verbleibende Zeit bestimmen zu können. Dauert der Gangstufenwechsel beispielsweise ca. 0,2 Sekunden und ist ein Betätigungsgrad für jede von zwei beteiligten Kupplungen A bis F für Intervalle von 0,01 Sekunden zu bestimmen, so müssen initial 2 * 0,2 / 0,01 = 20 Betätigungsgrade bestimmt werden. Sind vom Wechselvorgang bereits 0,1 Sekunden abgelaufen, müssen bei ansonsten gleichen Vorgaben nur noch 10 Betätigungsgrade für die verbleibenden Betätigungstrajektorien bestimmt werden. Erfolgt die Bestimmung der Betätigungstrajektorien in gleichen zeitlichen Abständen, beispielsweise ebenfalls alle 0,01 Sekunden, so bleibt für die Bestimmung der verbleibenden Betätigungsgrade also immer mehr Zeit. Die oben beispielhaft angegebenen Zahlen können als Parameter behandelt werden, um das Verfahren 200 an einen vorbestimmten Zweck anzupassen. Insbesondere kann vorgegeben werden, wie häufig die Betätigungsgrade bestimmt werden.
Die Bestimmung umfasst eine Optimierung, die mit steigender zur Verfügung stehender Bestimmungszeit auch immer bessere Lösungen bereitstellen kann, sodass eine zuvor bestimmte Betätigungstrajektorie sukzessive verbessert fortgesetzt werden kann, während sie an den Kupplungen A bis F gesteuert wird. Eine Verarbeitungseinrichtung, auf der das Verfahren 200 abläuft, muss daher nicht besonders leistungsfähig sein. Es genügt, wenn sie in der Lage ist, zu oder vor dem Beginn des Gangstufenwechsels zumindest eine suboptimale Näherungslösung bereitzustellen. Die Verbesserung dieser Näherungslösung kann erfolgen, während der Gangstufenwechsel gesteuert wird.
Es ist bevorzugt, dass für die Bestimmung der Betätigungstrajektorien stets der komplette Wechselvorgang betrachtet wird. Anders als bei einer Vorgehensweise, bei der lediglich iterativ Betätigungsgrade für einen einzigen bevorstehenden Zeitpunkt bestimmt werden, kann so sichergestellt werden, dass eine Optimierung über alle vorbestimmten Parameter erfolgt. Vorbestimmte Randbedingungen oder Parametergrenzen können verbessert über den gesamten Wechselvorgang eingehalten werden.
Das Verfahren 200 kann verwendet werden, um einen Gangstufenwechsel an einem Getriebe mit einer oder mehreren Getriebegruppen 115, 120 zu unterstützen. Durch die modellbasierte Bestimmung kann der Schaltvorgang optimal bestimmt werden. Dabei ist insbesondere bevorzugt, dass stets eine Bestimmung bezüglich des vollständigen Schaltvorgangs durchgeführt wird, insbesondere bis zu einem vorbestimmten Endzeitpunkt, an dem der Schaltvorgang auf jeden Fall abgeschlossen ist. Eine separate Betrachtung von Schaltphasen kann dadurch entfallen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der gesamte Schaltvorgang optimiert wird, und nicht nur eine der Schaltphasen ohne Rücksicht auf eine andere Schaltphase. Dies kann beispielsweise für eine Schaltsequenz, in der nacheinander mehrere Gangstufenwechsel, insbesondere über jeweils benachbarte Gangstufen, gesteuert werden. Ein Gangstufenwechsel kann bereits vorbereitet werden, während der davor liegende Gangstufenwechsel noch durchgeführt wird.
Ein gewünschtes Lastmoment kann während des Schaltvorgangs prädiktiv berücksichtigt werden. Die optimalen Schaltvorgänge können unter Berücksichtigung von Verschleiß oder Schaltdauer bestimmt werden. Dauern von Schaltphasen können vorgegeben bzw. berücksichtigt werden. Eine gezielte Entlastung einer einzelnen Kupplung ist realisierbar. Das Verfahren 500 kann generisch für ein Getriebe 100 bereitgestellt sein. Das Verfahren 500 kann auch modular aufgebaut sein, wobei Module in Abhängigkeit von verwendeten Komponenten des Getriebes 100 ausgetauscht werden können. So können etwa Module für unterschiedliche Getriebeprinzipien, unterschiedliche Anzahlen Untersetzungen i1 bis i6, unterschiedliche Untersetzungseinrichtungen oder unterschiedliche Anzahlen Getriebegruppen 115, 120 vorgesehen sein. An den Modulen können beispielsweise die Untersetzungen i1 bis i6 festgelegt werden. Unterschiedliche Signallaufzeiten oder Totzeiten einzelner Betätigungseinrichtungen für eine Kupplung A bis F können mittels einer prädiktiven Regelung mit gleitendem Horizont berücksichtigt werden.
Schaltvorgänge zwischen unterschiedlichen Gangstufen können flexibilisiert werden. Das Verfahren kann vereinfacht für unterschiedliche Ein- oder Mehrgruppengetriebe verwendet werden. Ein Verschleiß von Komponenten des Getriebes 100 kann minimiert sein. Gleichzeitig können eine Schaltqualität optimiert oder eine Schaltzeit minimiert sein. Drehmomentgrenzen eines Antriebsmotors oder eine Kupplung A bis F können sicher eingehalten werden. Ein gewünschtes Lastmoment oder eine Abtriebsdrehzahl während des Schaltvorgangs können eingehalten werden. Das Verfahren kann verbessert echtzeitfähig innerhalb einer Steuervorrichtung ablaufen. Das bedeutet, dass innerhalb einer vorbestimmten Optimierungszeit auf jeden Fall eine Lösung bereitgestellt werden kann. Im Allgemeinen kann die Qualität der Lösung bis zu einem gewissen Grad verbessert werden, indem die Optimierungszeit verlängert wird. In manchen Optimierungsverfahren, beispielsweise MIP, kann zusammen mit einer bereitgestellten Lösung bekannt sein, wieweit sie von einer theoretisch erreichbaren optimalen Lösung entfernt ist.
3 zeigt beispielhafte Verläufe bzw. Trajektorien an einem exemplarischen Getriebe 100 während eines Wechsels der eingelegten Gangstufe. Exemplarisch ist ein Getriebe 100 mit zwei Getriebegruppen 115, 120 nach der Art von 1 bei einer Zweigruppen-Wechsel-Lastschaltung zugrunde gelegt. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen, die in drei Schaltphasen ε1, ε2 und ε3 unterteilt ist. In vertikaler Richtung ist ein Drehmoment angetragen. Drehmomente M_A, M_D, M_E und M_F sind den Kupplungen A, D, E bzw. F zugeordnet. Das vom Antriebsmotor 250 bereitgestellte Drehmoment ist mit T_Eng bezeichnet und ein maximal vom Antriebsmotor 250 bereitstellbares Drehmoment ist als $T_{Eng}^{max}$
eingezeichnet.
Anstelle eine quasi geschlossene Kupplung A bis F im Reibschluss zu repräsentieren, wird sie hier bevorzugt im sogenannten Mikroschlupf S ε > 0 betrieben, also einem sehr kleinen Schlupf, der die Übertragung des Kupplungsmoments in Richtung der Abtriebswelle gewährleistet. Dies dient vor allen Dingen zur Vereinfachung der Berechnung, ein tatsächliches Halten der Kupplung im Mikroschlupf ist nicht erforderlich. Eine genauere Beschreibung dieses Konzepts findet sich in Michalka, A.; Roppenecker, G.; Wurmthaler, C. und Orend, R.: Modellbasierte Steuerungsberechnung für Doppelkupplungsgetriebe als Teil eines neuen Gesamtkonzepts zur Getriebesteuerung und -regelung. In: at-Automatisierungstechnik, Band 57, Seiten 230-237, 2009.
Es wird angenommen, dass nur Kupplungen i (mit i = A ... F) ein positives Moment T_i ≥ 0 führen, deren Schlupf S_i die Übertragung dieses Moments in Richtung der Abtriebsträgheit J_out erlaubt. Es ist zu beachten, dass aufgrund der invertierenden Wirkung der den Kupplungen A und E vorgeschalteten Übersetzungen diese beiden Kupplungen in einem negativen Schlupf S_A < 0 bzw. S_E < 0 betrieben werden müssen, um die entsprechenden Momente in Richtung der Abtriebsträgheit J_out weiterzuleiten.
Zu Beginn des Wechsels ist die vierte Gangstufe eingelegt und es gilt:

S_A> 0; S_D = S_ε; S_E < 0; S_F = S_ε, wobei D und F ein Moment übertragen.

Nach der ersten Schaltphase ε1 gilt:

S_A> 0; S_D> 0; S_E < 0; S_F > 0, wobei D und E ein Moment übertragen.

Nach der zweiten Schaltphase ε2 gilt:

S_A = - S_ε; S_D > 0_ε; S_E = - S_ε; S_F < 0, wobei D und E ein Moment übertragen.

Nach der dritten Schaltphase ε3, am Ende des Wechsels, ist die fünfte Gangstufe eingelegt und es gilt:

S_A = - S_ε; S_D > 0; S_E = - S_ε; S_F < 0, wobei A und E ein Moment übertragen.

Dabei bezeichnet S_A bis S_F jeweils den Schlupf einer Kupplung A bis F.
Die in 3 dargestellten Drehmomente können zu Betätigungsgraden korrespondieren, wobei die Verläufe zu Betätigungstrajektorien korrespondieren können. Es ist zu sehen, wie die Verläufe der Momente in 3 stückweise linear, insgesamt aber nichtlinear sind.
Bezugszeichenliste

100: Getriebe
105: Eingangswelle
110: Ausgangswelle
115: erste Getriebegruppe (Splitter)
120: zweite Getriebegruppe (Gruppe)
125: Zwischenwelle
i1 - i6: Untersetzung
A-F: Kupplung
200: Verfahren
205: Abtasten Betriebszustandsgröße
210: Modell
215: Bestimmen Vorgaben
220: Optimierungsroutine
225: Steuern
250: Antriebsmotor
255: Fahrzeugantriebsstrang
260: Fahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011075913 A1 [0004, 0027]

Claims

Verfahren (200) zum Steuern eines Gangstufenwechsels von einer ersten in eine zweite Gangstufe in einem Getriebe (100), wobei das Getriebe (100) folgendes umfasst: - eine Eingangswelle (105) und eine Ausgangswelle (110); - eine erste und eine zweite Untersetzungseinrichtung (i1-i6), zur Bereitstellung unterschiedlicher Untersetzungen; - wobei der ersten Untersetzungseinrichtung (i1-i6) eine erste Kupplung (A-F) und der zweiten Untersetzungseinrichtung (i1-i6) eine zweite Kupplung (A-F) zugeordnet ist, um die jeweilige Untersetzungseinrichtung (i1-i6) drehmomentschlüssig zwischen die Eingangswelle (105) und die Ausgangswelle (110) zu verbinden; - wobei die erste Gangstufe durch Betätigen einer ersten Kupplung (A-F) und die zweite Gangstufe durch Aktivieren der zweiten Kupplung (A-F) realisiert werden kann; und wobei das Verfahren (200) folgende Schritte umfasst: - Bestimmen (205) von Betriebszustandsgrößen des Getriebes (100); - Bestimmen (215) von optimierten Betätigungsgraden der Kupplungen mittels eines Suchverfahrens (200) bezüglich eines Getriebemodells (210), das die Betätigungsgrade auf der Basis von Betriebszustandsgrößen bezüglich eines vorbestimmten Optimierungskriteriums bestimmt; dadurch gekennzeichnet, dass - das Getriebemodell (210) schlupfbasiert ist.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl Betätigungsgrade für eine Abfolge zukünftiger Zeitpunkte bestimmt wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 2, wobei ein Endzeitpunkt, zu dem der Gangstufenwechsel abgeschlossen ist, vorbestimmt ist, und das Verfahren (200) periodisch ausgeführt wird, um jeweils optimierte Vielzahlen von Betätigungsgraden für die bis zum Endzeitpunkt verbleibende Zeit bereitzustellen.
Verfahren (200) nach Anspruch 2 oder 3, wobei auf der Basis der Betätigungsgrade Betätigungstrajektorien für die Kupplungen bestimmt werden.
Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Steuern der Kupplungen (A-F).
Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (100) zwei miteinander in Serie geschaltete Getriebegruppen (100) umfasst.
Steuervorrichtung (200) zur Steuerung eines Gangstufenwechsels von einer ersten in eine zweite Gangstufe in einem Getriebe (100), wobei das Getriebe (100) folgendes umfasst: - eine Eingangswelle (105) und eine Ausgangswelle (110); - eine erste und eine zweite Untersetzungseinrichtung (i1-i6), zur Bereitstellung unterschiedlicher Untersetzungen; - wobei der ersten Untersetzungseinrichtung (i1-i6) eine erste Kupplung (A-F) und der zweiten Untersetzungseinrichtung (i1-i6) eine zweite Kupplung (A-F) zugeordnet ist, um die jeweilige Untersetzungseinrichtung (i1-i6) drehmomentschlüssig zwischen die Eingangswelle (105) und die Ausgangswelle (110) zu verbinden; - wobei die erste Gangstufe durch Betätigen einer ersten Kupplung (A-F) und die zweite Gangstufe durch Aktivieren der zweiten Kupplung (A-F) realisiert werden kann; und wobei die Steuervorrichtung (200) folgendes umfasst: - eine Schnittstelle (205) zur Erfassung von Betriebszustandsgrößen des Getriebes (100); - eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, optimierte Betätigungsgrade der Kupplungen mittels eines Suchverfahrens (220) bezüglich eines Getriebemodells (210) zu bestimmen, das die Betätigungsgrade auf der Basis der Betriebszustandsgrößen bezüglich eines vorbestimmten Optimierungskriteriums bestimmt; dadurch gekennzeichnet, dass - das Getriebemodell (210) schlupfbasiert ist.