DE4328537C2 - Getriebeprüfstand und Verfahren zum Prüfen eines Getriebes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Getriebeprüfstand mit einem ersten hochdynamischen Servomotor, der mindestens als Antriebsmotor dient und der über eine drehsteife Kupplung mit der Antriebswelle eines Getriebes verbunden ist, und mit einem PC und mit einer an den PC angeschlossenen Steuereinheit, die zur Drehzahlsteuerung mindestens des ersten hochdynamischen Servomotors dient, wobei mit dem PC beliebige Drehzahlverläufe simulierbar sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Prüfen eines Getriebes auf einem Getriebeprüfstand, bei dem ein über eine drehsteife Kupplung mit der Antriebswelle des Getriebes verbundener erster hochdynamischer Servomotor mindestens als Antriebsmotor dient und von einer Steuereinheit angesteuert wird, wobei mittels eines PCs beliebige Drehzahlverläufe simulierbar sind.

Ein solcher Getriebeprüfstand und ein solches Verfahren zum Prüfen eines Getriebes sind aus ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 92 (1990)6, S. 320-326 bekannt. In diesem Artikel geht es um "Klapper- und Rasselgeräusche in Fahrzeuggetrieben, Simulation auf Prüfstand und Rechner".

Auch die Verwendung eines hochdynamischen Servomotors, der mit beliebigen Drehzahlverläufen angesteuert werden kann, ist als Antrieb aus der o. g. ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 92 (1990), Heft 6, Seiten 320 bis 326 bekannt. Dieser ist mit einer drehsteifen Kupplung zur Kompensation kleiner Achsversätze bis zu 0,5 mm mit der Antriebswelle des Getriebes verbunden.

Im Industrie-Anzeiger, Essen, 87. Jahrgang, Nr. 17, 26.02.65, S. 309 bis 314, geht es um "Geräuschuntersuchungen als Hilfsmittel der Fertigungskontrolle". Mit Hilfe zweier Gleichstrommaschinen, die von einem Leonardsatz gespeist werden und sich im Motor- bzw. Generatorzustand fahren lassen, ist es möglich, Schub- und Zugrichtung zu wechseln und damit die Betriebszustände eines PKW-Getriebes, wie Berg- und Talfahrt, zu simulieren.

Aus Computer-Praxis, Heft 5, 1972, S. 135 bis 139, ist ein Getriebeprüfstand bekannt, bei dem als Antrieb der Original- Verbrennungsmotor oder ein tyristorgesteuerter Gleichstrommotor eingesetzt wird. Für die Bremsung des automatischen Prüfgetriebes werden eine Gleichstrommaschine mit Widerstandsbremsung oder eine Wirbelstrombremsung eingesetzt. Durch eine zusätzliche Schwungmasse kann die Fahrzeugmasse simuliert werden. Drehzahlmesseinrichtungen an der ein- und austreibenden Seite des Prüflings sowie Druckmessgeräte gestatten die erforderlichen Kontrollen.

In VDI-Berichte Nr. 681, 1988, S. 207, sind Messungen an einem kontinuierlich verstellbaren Automatikgetriebe im Prüfstands- und Fahrbetrieb beschrieben. Im Prüfstandsbetrieb wird ein Schlupfmessgerät zur Ermittlung der kritischen Belastungszustände eingesetzt. Im Fahrbetrieb wird ein Messgerät zur Aufnahme und grafischen Anzeige der Regelkennlinie bei verschiedenen Betriebszuständen eingesetzt.

In der ATZ Automobiltechnischen Zeitschrift 93 (1991) 12, S. 754 bis 759, sind konventionelle Getriebeprüfstände beschrieben. Diese konventionellen Getriebeprüfstände, die über einen elektromotorischen Antrieb verfügen, können Drehzahlverläufe von Teststrecken, wie bspw. dem Nürburgring, die real erfasst wurden, in Echtzeit nachfahren. Dabei bilden sie "nur" die Belastung eines Antriebsstrangs mit entsprechender Drehzahl und Drehmoment einer Teststrecke nach.

Getriebe als Elemente des Antriebs- oder Triebstrangs, bspw. bei Kraftfahrzeugen, sind hinreichend bekannt. Ihre Aufgabe ist es, das Motordrehmoment zu wandeln und zu übertragen, die Motordrehzahl zu wandeln, den Leerlauf des Motors bei stehendem Fahrzeug zu ermöglichen und gegebenenfalls den Drehsinn der Antriebsräder umzukehren. Dies gilt insbesondere für Verbrennungsmotoren, da sie nur zwischen einer Mindest- und einer Höchstdrehzahl arbeiten und in diesem Drehzahlbereich nur ein begrenztes Drehmoment abgeben können. Bei Kraftfahrzeugen muss dieses vom Motor abgegebene Drehmoment vom Getriebe und gegebenenfalls vom Achsantrieb so gewandelt werden, dass alle gewünschten Fahrzustände, wie z. B. Anfahren, Beschleunigen, Bergfahren, Fahrtrichtungswechsel, erreicht werden können.

Getriebe in Kraftfahrzeugen, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, sind ungleichförmigen Drehzahlen und Drehmomenten ausgesetzt. Diese kommen antriebsseitig z. B. durch Gasstoßkräfte des Verbrennungsmotors und abtriebsseitig vor allem durch bestimmte Fahrzustände, bspw. Anfahren, Beschleunigen, Bremsen, Durchdrehen der Räder, und Fahrbahnbeschaffenheiten, bspw. gut haftende Fahrbahn, Rollsplitt, Eis, usw. zustande.

Funktionsbedingt befinden sich in jedem Getriebe spielbehaftete Bauteile, wie z. B. Zahnräder, Synchronringe, Synchronkörper, Lamellenkupplungsscheiben und Wellen, die zu Schwingungen angeregt werden können. Außerdem können im An- bzw. Abtriebsstrang vor allem Torsionsschwingungen auftreten. Grund für diese Schwingungen sind unter anderem die oben genannten Ungleichförmigkeiten der Drehzahlen und Drehmomente. Die Bauteile führen durch die Anregung aufgrund dieser Drehzahl- und Drehmomentungleichförmigkeiten innerhalb ihrer funktions- und/oder fertigungsbedingten Spiele und Toleranzen Schwingungen aus, die oft unentdeckt bleiben. Störend und zum Teil die Lebensdauer verringernd werden diese Schwingungen, wenn durch sie Teile an anderen Teilen der Paarung anschlagen. Bei Synchronringen und Lamellen führt dieses Anschlagen oft zu Verschleiss an den Anschlagnoppen oder gar zu deren Bruch. Bei Zahnrädern, Synchronisierungsbauteilen, Wellen oder Fügestellen führt dieses Anschlagen zu unangenehmen Klapper- und Rasselgeräuschen, durch die der Fahrer möglicherweise Schäden am Triebstrang des Fahrzeugs vermutet und Anlass zu kostspieligen Reklamationen gibt.

Gerade dieses Klappern und Rasseln tritt in letzter Zeit verstärkt in Erscheinung, da bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren modernes Motormanagement zur optimalen Steuerung von Emission und Kraftstoffverbrauch einen zunehmend ungleichförmigeren Drehzahlverlauf des Motors bedingt. Außerdem werden die Kraftfahrzeuge immer leiser, so dass die früher unerkannt gebliebenen Klapper- und Rasselgeräusche immer mehr in den Vordergrund treten und als störend empfunden werden.

Um derartige Drehzahlungleichförmigkeiten zur Prüfung von Fahrzeuggetrieben außerhalb aber auch innerhalb des Fahrzeugs zu erzeugen, sind durch Ersatz der Verbrennungskraftmaschine mechanische Methoden bekannt. Die einfachste Methode ist die Ausnutzung des Winkelfehlers eines Kardangelenkes. Damit kann bspw. ein sinusförmiger Drehzahlverlauf erzeugt werden, der jedoch nur in seiner Amplitude und nicht in Form und Frequenz manipulierbar ist.

Eine Weiterentwicklung hiervon ist die Verwendung von aufwendigeren Getrieben, insbesondere Überlagerungsgetrieben. Durch sie sind auch andere Drehzahlfunktionen darstellbar. Zur Änderung der Funktion ist aber jeweils der Einbau neuer Komponenten, z. B. Kurvenscheiben, notwendig. Ferner sind sehr aufwendige und teuere hydraulische Ansteuerungen bekannt, welche den Nachteil einer begrenzten Dynamik besitzen.

Nachteil der bekannten Prüfvorrichtungen ist, dass die Simulation des echten Fahr- bzw. Belastungszustandes nur annäherungsweise durchgeführt werden kann. Die Simulation ist somit für manche Fahrzustände nicht realistisch.

Ausgehend von einem Getriebeprüfstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Prüfen eines Getriebes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, diesen Getriebeprüfstand und dieses Verfahren zum Prüfen eines Getriebes derart weiterzubilden, dass auf möglichst einfache Weise eine wesentlich größere Anzahl von Betriebszuständen eines Fahrzeuggetriebes realistisch simuliert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei dem Getriebeprüfstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zweiter hochdynamischer Servomotor vorhanden ist, der über eine drehsteife Kupplung mit der Abtriebswelle des Getriebes verbunden ist, der mindestens als Bremsmotor eingesetzt wird und dessen Drehzahl durch die Steuereinheit gesteuert wird, und dass die durch den PC simulierten Drehzahlverläufe in realen Fahrversuchen gemessene Drehzahlverläufe sind.

Bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein über eine drehsteife Kupplung mit der Antriebswelle des Getriebes verbundener zweiter hochdynamischer Servomotor mindestens als Bremsmotor dient und von der Steuereinheit angesteuert wird, und dass die durch den PC simulierten Drehzahlverläufe zuvor in realen Fahrversuchen gemessen weiden. Die hochdynamischen Elektromotoren sind leise, so dass sich hierbei die Nebengeräusche nicht störend auf die Untersuchung auswirken. Dadurch, dass Drehzahlverläufe, die denen von Verbrennungsmotoren entsprechen, mittels eines PCs beliebig vorgegeben werden, können Versuche im Freien entfallen und die Versuche selbst werden reproduzierbar.

Durch die Verwendung zweier hochdynamischer Servomotoren wird bspw. eine Simulation des Übergangs von Beschleunigen auf Bremsen durch den Verbrennungsmotor bzw. in der Prüfvorrichtung durch den Antriebsmotor mit beliebig vorgegebenen Abbremsvorgängen erst möglich. Bei der Verwendung des zweiten hochdynamischen Servomotors als Bremsmotor können z. B. Anfahrvorgänge auf ebener und ansteigender Straße, beliebige Beschleunigungs- und Schaltvorgänge, Fahrzustände bei Gegenwind und bei verschiedenen Zuladungen usw. exakt reproduzierbar simuliert werden. Mittels des PC können die Drehzahl und das Moment sowohl des Antriebs- als auch des Bremsmotors angesteuert werden.

Wird gemäß dem Anspruch 2 der zweite hochdynamische Servomotor als Antriebsmotor verwendet, können z. B. Talfahrten simuliert werden, bei denen das Getriebe über die Abtriebswelle angetrieben wird. Dabei wird der erste hochdynamische Servomotor als Bremsmotor eingesetzt.

Die Überprüfung erfolgt vorzugsweise bei Nutzfahrzeuggetrieben, doch die Untersuchung anderer Getriebe z. B. von Motorrad-, Personenkraftwagen- und Lastkraftwagengetriebe sowie Schiffsgetriebe, Getriebe von Werkzeugmaschinen, Zahnradpumpen, Servomotoren mit integrierten Getrieben, Sitzverstellungen, Fensterheber usw. mit dem erfindungsgemäßen Getriebeprüfstand ist ebenfalls denkbar.

Vereinfacht wird der Aufbau und die Auswertung durch die Verwendung zweier identischer Elektromotoren.

Vorteilhaft für eine realistische Simulation ist die Verwendung eines beheizbaren oder kühlfähigen Ölbehälters, mit dem das Getriebeöl und somit auch das Getriebe schneller auf eine realistische Betriebstemperatur aufgeheizt oder abgekühlt werden können. Für stationäre Betriebstemperaturen während der Messungen kann das durch Ölzirkulation beheizte Getriebe zusätzlich mittels Infrarot-Lampen zur Verlängerung der Messzyklen angestrahlt werden.

Ferner kann mit dieser Vorrichtung der Einfluss der spielbehafteten Mitnehmerverzahnung von Schaltkupplungen sowie die Schwingungstilgung der Schaltkupplung auf das Getriebeklappern und -rasseln untersucht werden, was in der Regel sonst nur im Fahrzeug bei einem realen zeitaufwendigen oder kostspieligen Versuch durchführbar ist.

Mit dieser Vorrichtung kann das heute bekannte, aber teuere und gewichtsbehaftete Zweimassenschwungrad zur Minimierung der Drehungleichförmigkeiten zwischen Motor und Getriebe mittels der PC-Steuerung in seiner Wirkungsweise simuliert und optimiert werden. Dabei lässt sich für jedes spezielle Getriebe durch optimale Auslegung des Zweimassenschwungrades in kurzer Zeit ein getriebegeräuschminimierter Antriebsstrang entwickeln.

Durch Iterationsschleifen der PC-Ansteuerung der Servomotoren und durch integrierte Geräuschbewertung lässt sich eine optimale Schaltkupplungskennlinie und damit eine Kupplungsauslegung erzielen. Es können Kennlinien erzeugt werden, bei denen ohne ein Zweimassenschwungrad ein akzeptables minimiertes Getriebeklappern erreicht wird, das in seiner Intensität dem des Antriebsstranges mit Zweimassenschwungrad entspricht oder sogar geringer ist.

Die Erfindung wird in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Getriebeprüfstand nach der Erfindung mit zwei gleichen Elektromotoren zur Simulation von Zug- oder Schubbetrieb; und

Fig. 2 den Aufbau eines Versuchstandes gemäß dem Stand der Technik.

Die Fig. 2 zeigt einen Getriebeprüfstand gemäß dem Stand der Technik mit einem Antriebsmotor 1 und einem Getriebe 3. Der Antriebsmotor 1 ist ein hochdynamischer Elektromotor, der mit einer drehsteifen Kupplung 2 mit der Antriebswelle des Getriebes 3 verbunden ist. Für realistische Betriebstemperaturen wird das Getriebeöl extern in einem Ölbehälter 4 aufgeheizt oder abgekühlt und durch das Getriebe 3 gepumpt. Die Drehzahlvorgabe erfolgt mit einem handelsüblichen PC 5, an den eine Steuereinheit 6 angeschlossen ist, die den Elektromotor ansteuert. Die Drehzahlvorgabe des PC 5 ist entweder eine Simulation einer Teststrecke oder erfolgt nach einfachen Simulationsmodellen zur Ermittlung der maßgeblichen, rasselgeräuschbeein­ flussenden, Parameter.

Fig. 1 zeigt einen Getriebeprüfstand nach der Erfindung mit einem Antriebsmotor 1, der mit der Antriebswelle 7 des Getriebes 3 über eine drehsteife Kupplung 2 verbunden ist. Mit der Abtriebswelle 8 des Getriebes 3 ist über eine zweite drehsteife Kupplung 2' ein weiterer, im Ausführungsbeispiel mit dem Antriebsmotor 1 gleich ausgebildeter Motor 1' verbunden. Beide Motoren 1 und 1' werden durch die Steuereinheit 6 und den PC 5 entsprechend dem Getriebeprüfstand der Fig. 2 gesteuert.

Im Normalbetrieb leitet der Antriebsmotor 1 das Drehmoment in das Getriebe 3 ein und der Motor 1' bremst mit einem Moment, das gerade ausreicht, damit die geschalteten Verzahnungen am Abheben gehindert werden. Dies entspricht z. B. einer konstanten Fahrt auf ebener Straße. Erfindungsgemäß kann aber auch der weitere Motor 1' als Antriebsmotor dienen, wobei nun der Motor 1 so angesteuert wird, dass dieser das Getriebe 3 bremst. Auf diese Weise können Schubbetriebe z. B. bei Talfahrten, allgemeiner Schubbetrieb bei Gaswegnahme oder beim Schalten simuliert werden.

Mit diesem Getriebeprüfstand können auf einfachste Weise beliebige Drehzahlverläufe simuliert werden, indem die Elektromotoren von dem handelsüblichen PC 5 oder einem Frequenzgenerator angesteuert werden. Die bei realen Versuchen an Fahrzeugen gemessenen Drehzahlverläufe können hier exakt wiedergegeben werden. Die Laufgeräusche des Getriebeprüfstandes sind so gering, dass die zu prüfenden Klappergeräusche praktisch ohne Nebengeräusche reproduzierbar gemessen und beurteilt werden können. Die erzeugbaren Drehungleichförmigkeiten können je nach Zug- oder Schubbetrieb bis zu 5000 l/min betragen. Die erreichbaren Winkelbeschleunigungsamplituden hängen insbesondere von den reduzierten Trägheitsmomenten der einzelnen Gangstufen ab und können bis zu 3000 rad/s² betragen.

Von Vorteil ist außerdem, dass der Getriebeprüfstand hoch flexible Adaptionsmöglichkeiten aufweist, die ein rasches Montieren von Motorrad-, Personenkraft-, Nutzkraft- und Lastenkraftwagengetrieben erlauben, was den Einsatz des Prüfstandes in der Qualitätskontrolle, z. B. bei der Ermittlung der Serienstreuung des Grund- bzw. Rasselgeräusches ermöglicht.

Claims (6)

1. Getriebeprüfstand mit einem ersten hochdynamischen Servomotor, der mindestens als Antriebsmotor (1) dient und der über eine drehsteife Kupplung (2) mit der Antriebswelle eines Getriebes (3) verbunden ist, und mit einem PC (5) und mit einer an den PC (5) angeschlossenen Steuereinheit (6), die zur Drehzahlsteuerung mindestens des ersten hochdynamischen Servomotors (1) dient, wobei mit dem PC (5) beliebige Drehzahlverläufe simulierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter hochdynamischer Servomotor (1') vorhanden ist, der über eine drehsteife Kupplung (2') mit der Abtriebswelle des Getriebes (3) verbunden ist, der mindestens als Bremsmotor eingesetzt wird und dessen Drehzahl durch die Steuereinheit (6) gesteuert wird, und dass die durch den PC (5) simulierten Drehzahlverläufe in realen Fahrversuchen gemessene Drehzahlverläufe sind.

2. Getriebeprüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste hochdynamische Servomotor (1) als Bremsmotor und der zweite hochdynamische Servomotor (1') dann als Antriebsmotor eingesetzt wird.

3. Getriebeprüfstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite hochdynamische Servomotor zwei gleiche Elektromotoren sind.

4. Getriebeprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ölbehälter (4) zur Beheizung des Getriebes (3) vorgesehen ist.

5. Verfahren zum Prüfen eines Getriebes (3) auf einem Getriebeprüfstand, bei dem ein über eine drehsteife Kupplung (2) mit der Antriebswelle des Getriebes (3) verbundener erster hochdynamischer Servomotor mindestens als Antriebsmotor (1) dient und von einer Steuereinheit (6) angesteuert wird, wobei mittels eines PCs (5) beliebige Drehzahlverläufe simulierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein über eine drehsteife Kupplung (2') mit der Antriebswelle des Getriebes (3) verbundener zweiter hochdynamischer Servomotor (1') mindestens als Bremsmotor dient und von der Steuereinheit (6) angesteuert wird, und dass die durch den PC (5) simulierten Drehzahlverläufe zuvor in realen Fahrversuchen gemessen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite hochdynamische Servomotor (1') vom PC (5) mit zuvor in realen Fahrversuchen gemessenen Drehzahlverläufen angesteuert wird.