DE60214383T2

DE60214383T2 - Verschleisserkennungsverfahren in einem Fahrzeuggetriebe und Getriebesteuerung zum Ermitteln dessen Verschleisses

Info

Publication number: DE60214383T2
Application number: DE2002614383
Authority: DE
Inventors: Pär Freudenthaler; Per Mattson; Fredrik Höök
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: DE60214383D1; EP1408259B1; EP1408259A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen des Verschleißes mindestens eines vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteils in einem Motorfahrzeuggetriebe mit einer elektronischen Steuereinheit, wobei Signale in der Steuereinheit verfügbar sind, welche zumindest das ausgewählte Gangverhältnis, das Getriebeantriebswellendrehmoment und die Antriebswellendrehzahl darstellen.
Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Motorfahrzeuggetriebe mit einer elektronischen Steuereinheit, wobei Signale in der elektronischen Steuereinheit verfügbar sind, die zumindest das ausgewählte Gangverhältnis, das Getriebeantriebswellendrehmoment und die Antriebswellendrehzahl darstellen.
Motorfahrzeuggetriebe werden normalerweise für diejenige spezifische Art von Fahrzeug, in welchem sie verwendet werden, und zum Übertragen von Drehmoments von dem Motor, mit welchem das Getriebe verbunden ist, über eine berechnete Lebensdauer des Fahrzeugs basierend auf einem normalen Fahrerverhalten und normalen Fahrbedingungen dimensioniert. Allerdings variieren ein „normales" Fahrerverhalten und die Antriebsbedingungen üblicherweise in Abhängigkeit von der Art des Fahrzeugs. Beispielsweise wird ein normaler Personenwagen kaum wie ein Hochleistungssportwagen und umgekehrt gefahren, und keiner von diesen wird jemals off-road in grobem Gelände gefahren. Ein off-road Fahren erfordert Motorfahrzeuge, die speziell für solche Bedingungen entworfen worden sind, und sie besitzen Schwerlastantriebsstränge, die dimensioniert sind, über die berechnete Lebensdauer des Fahrzeugs zu halten, selbst wenn ein erheblicher Anteil des Fahrens off-road ist.
In den letzten Jahren ist eine neue Art von Personenwagen sehr populär geworden, nämlich ein sogenanntes sports utility vehicle (SUV). Einige von diesen sind dazu ausgelegt und besitzen Schwerlastantriebsstränge, die speziell zum off-road Fahren in grobem Gelände dimensioniert sind, während andere dazu ausgelegt sind, primär auf der Strasse oder gelegentlich im Gelände gefahren zu werden, das allerdings nicht grob sein muss. Nicht nur wenn ein Fahrzeug off-road gefahren wird, sondern beispielsweise auch wenn es als Zugfahrzeug gefahren wird oder wenn ein wesentlicher Anteil des Fahren im schweren Verkehr mit vielen Starts und Stopps gefahren wird, wird es schweren Lasten unterworfen.
Aus Erfahrung ist es bekannt, dass ein große Mehrheit aller SUV-Kunden ein solches Fahrzeug nicht aufgrund seiner Fähigkeit kauft, off-road Fahrbedingungen zu widerstehen, sondern eher weil sie Vierrad betrieben sind und als sicherer betrachtet werden als ein herkömmlicher Personenwagen in einem Unfall. Sie werden ebenso nachgefragt, da sie üblicherweise schwerere Lasten tragen können als ein vergleichbarer Kombi, der üblicherweise leichtgewichtiger ist. Als Konsequenz hieraus werden viele dieser heute laufender SUVs, die niemals oder zumindest sehr selten off-road gefahren werden, mehr oder weniger überdimensioniert, insbesondere im Hinblick auf das Getriebe. Falls das Getriebe für den schlechtesten Fall von off-road Fahrbedingungen dimensioniert werden muss, wird es in einem SUV überdimensioniert, dass niemals off-road gefahren wird. Da das Getriebe ein teures Bauteil der Antriebsstranges eines Fahrzeugs ist, können Kosten eingespart werden, falls es nicht überdimensioniert werden muss.
Es ist allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen eines Verschleißes in einem Motorfahrzeuggetriebe der eingangs beschriebenen Art derart bereitzustellen, um den Einsatz annähernd derselben Getriebespezifikationen für einen breiten Bereich von Motoren und Fahrzeugarten zu ermöglichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen von Verschleiß bereitzustellen, das verwendet werden kann, um die Notwendigkeit einer Überdimensionierung von Getrieben für diese Art von SUVs zu beseitigen, bei denen erwartet werden kann, dass sie niemals oder nur gelegentlich off-road gefahren werden.
Dies wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren erzielt, umfassend die Schritte des Akkumulierens eines gemessenen Betriebszyklus, der repräsentativ ist für die Umdrehungen und das zugehörige, durch das Bauteil übertragene Drehmoment beim Laufen, und Berechnen des Verschleißes des Bauteils durch Vergleichen des akkumulierten gemessenen Betriebszyklus mit einem Gesamtbetriebszyklus, der ein vorbestimmtes Verschleißniveau des Bauteils repräsentiert.
Bevorzugt wird der vorbestimmte Gesamtbetriebszyklus auf einem Wöhler Diagramm basiert, das aus Tests des vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteils erhalten ist. Insbesondere wird ein Bauteil ausgewählt, von welchem erwartet wird, dass es am wahrscheinlichsten zuerst versagt. Ein solches Bauteil könnte ein Zahnrad eines drehmomentübertragenden Zahnradsatzes mit dem höchsten Gangverhältnis (Übersetzungsverhältnis) zu den Antriebsrädern des Fahrzeugs sein. Allerdings kann es Fälle geben, in denen es vorteilhaft sein wird, mehr als ein Drehmomentübertragungsbauteil auszuwählen und den gemessenen Betriebszyklus hiervon zu akkumulieren. Ein einzelner Gesamtbetriebszyklus für jedes solches Bauteil wird vorbestimmt. Der akkumulierte gemessene Betriebszyklus jedes Bauteils wird dann mit dem einzelnen vorbestimmten Gesamtbetriebszyklus verglichen, der sich auf das betreffende Bauteil bezieht.
Das Verschleißniveau des vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteils wird bevorzugt als akkumulierter gemessener Betriebszyklus geteilt durch den vorbestimmten Gesamtbetriebszyklus definiert. Ein diese Zyklusbeziehung repräsentierendes Signal kann entweder als Eingabesignal zu einer externen Testausrüstung verwendet werden, und der Verschleiß kann dann in regelmäßigen Abständen in Verbindung mit regelmäßigen Wartungen des Fahrzeugs erfasst werden, oder als Eingabesignal zu einem Computer in dem Fahrzeug verwendet werden, dass ein Fahrerdisplay besitzt, wodurch eine on-board Erfassung ermöglicht wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Motorfahrzeuggetriebe der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, das mit einer Einrichtung zum Erfassen möglicher Benutzersituationen ausgestattet ist, welche die Lebensdauer des Getriebes vermindern können.
Dies wird gemäß der Erfindung mittels der Tatsache erzielt, dass die elektronische Steuereinheit angeordnet ist, um den Verschleiß des vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteils des Getriebes durch Akkumulieren eines gemessenen Betriebszyklus, der für die Umdrehungen und das zugehörige, durch das Bauteil übertragene Drehmoment beim Laufen repräsentativ ist, und durch Vergleichen des akkumulierten gemessenen Betriebszyklus mit einem vorbestimmten Gesamtbetriebszyklus, welcher ein vorbestimmtes Verschleißniveau des Bauteils repräsentiert, zu berechnen.
In einem Getriebe mit einem Planetengetriebe ist bevorzugt das Sonnenrad eines drehmomentübertragenden Planetengetriebesatzes mit dem höchsten Gangverhältnis das vorausgewählte Drehmomentübertragungsbauteil.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele beschrieben, wobei
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Motor- und Getriebeanordnung für ein Motorfahrzeug,
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Automatikgetriebes, und
3 zeigt ein Wöhler Diagramm.
In 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 für ein Fahrzeug gezeigt, dessen Kurbelwelle (nicht gezeigt) über einen Drehmomentwandler (nicht gezeigt) antriebsmäßig mit einer Antriebswelle 2 (2) eines Automatikgetriebes 3 verbunden ist. Der Motor 1 wird durch eine elektronische Steuereinheit 4 in Antwort auf Signale gesteuert, welche verschiedene Steuerparameter darstellen, von denen einer das geforderte Drehmoment, beispielsweise die Position eines Gaspedals 5 ist. Die Motorsteuereinheit 4 kommuniziert mit einer elektronischen Steuereinheit 6, die mit einem manuellen Gangwähler 7 verbunden ist, mittels dessen der Fahrer entweder ein automatisches oder ein manuelles Schalten des Getriebes 3 auswählen kann. Wenn ein automatisches Schalten ausgewählt ist, steuert die Steuereinheit 6 das Schalten in Antwort zumindest auf die Fahrzeuggeschwindigkeit, das Getriebeantriebsdrehmoment und die Antriebswellendrehzahl. Die Motorsteuerfunktion und die Getriebesteuerfunktion können selbstverständlich in einer einzelnen Steuereinheit integriert sein.
Das Getriebe ist ein weitreichend bekanntes Automatikgetriebe, das seit einigen Jahren auf den Markt gewesen ist. Daher wird es hier nur kurz beschrieben. Es umfasst drei Planetenradsätze, nämlich einen Antriebsradsatz 10, einen Reaktionsradsatz 11 und einen abschließendes Antriebszahnradsatz 12. Im ersten Gang, d.h. in dem Gang mit dem höchsten Gangverhältnis, wird das Drehmoment von der Antriebswelle 2 über das Sonnenrad 13 des Antriebsradsatzes 10 zu der Antriebswelle 14 übertragen, die mit dem Planetenträger 15 des abschließenden Abtriebszahnradsatzes 12 verbunden ist.
Um eine mögliche Benutzersituation zu erfassen, welche die Lebensdauer des Getriebes vermindern kann, ist zumindest ein kritisches Drehmomentübertragungsbauteil vorausgewählt, z.B. dasjenige Bauteil des Getriebes, das mit größter Wahrscheinlichkeit zuerst erheblich beschädigt wird. Dieses Bauteil könnte das Sonnenrad 13 des Antriebsradsatzes 10 sein. Mittels von Tests wird ein Wöhler Diagramm für das vorausgewählte Bauteil erstellt. Ein Beispiel eines solchen Diagramm ist in 3 gezeigt, wobei T das Drehmoment und n die Anzahl von Umdrehungen ist. Das Wöhler Diagramm wird in der Getriebesteuereinheit 6 in eine 2D-Nachschautabelle aufgezeichnet, beispielsweise mit zwanzig Mustern. Die Tabelle wird mit echtem Getriebeantriebsdrehmoment und ausgelesene Anzahl von Rotationen indiziert. Eine Gesamtbetriebszyklusgröße DC_tot wird eingestelt. DC ist definiert als:
wobei w der Wöhler Exponent ist.
Bei Drehmomentniveaus oberhalb eines kalibrierten, niedrigsten Drehmoments T_low werden, vorausgesetzt dass ein Gang entweder manuell oder automatisch derart ausgewählt ist, dass ein Drehmoment über das vorausgewählte Bauteil übertragen wird, beispielsweise das Sonnenrad 13, das Getriebeantriebsdrehmoment T_i und die Antriebsgeschwindigkeit in regelmäßigen Abständen gesampelt, beispielsweise alle 25 ms. Die Antriebsgeschwindigkeit wird dann in einer Anzahl von Rotationen n₁ durch Multiplizieren mit der Sampelzeit neu berechnet. Als eine Alternative zum Sampeln in regelmäßigen Abständen kann die Anzahl von Umdrehungen n₁ bei Drehmomentniveaus oberhalb T_low kontinuierlich gezählt und akkumuliert werden. Der akkumulierte, gemessene Betriebszyklus wird in der Steuereinheit jedes Mal gespeichert, wenn die Fahrzeugzündung abgestellt wird.
Die Wöhler Zahl von Umdrehungen N_i wird von der Nachschautabelle ausgelesen, die durch das die mit dem Antriebsmoment indiziert ist. Die Steuereinheit 6 berechnet die akkumulierte Beschädigung entsprechend:
wobei DC_tot ein vorbestimmtes Beschädigungsniveau ist. N_i und n_i können normalisiert werden, um eine bessere Berechnungsgenauigkeit beim Addieren kleiner Zahlen n_i/N_i miteinander zu erreichen.
Wenn die Beziehung DC/DC_tot 1 (oder einen Einheitswert) überschreitet, erzeugt die Steuereinheit 6 ein Ausgabewarnsignal. Dieses Signal kann als Eingabesignal zu einer Anzeige 20 an dem Armaturenbrett des Fahrzeugs verwendet werden, wie in 1 gezeigt, um direkt den Fahrer zu warnen, dass das Getriebe eine Wartung benötigt. Als ein Alternative wird keine Anzeige des Zustands des Getriebes in dem Fahrzeug vorgesehen. Stattdessen wird der Zustand des Getriebes beispielsweise in Verbindung mit regelmäßigen Wartungen des Fahrzeugs durch Anschließen eines Testinstruments 21 an die Steuereinheit 6 überprüft.
Innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung kann die Belastungssituation aller Drehmomentübertragenden Zahnradsätze eines Getriebes, d.h. in diesem Falle auch des Reaktionsplanetenzahnradsatzes 11 und des abschließenden Antriebszahnradsatzes 12 überwacht und der geschätzte Verschleiß akkumuliert werden, in welchem Falle Wöhler Diagramme für das Sonnenrad 16 des Radsatzes 11 und das Sonnenrad 17 des Radsatzes 12 erzeugt und in Tabellenform in der Steuereinheit 6 wie oben beschrieben hinterlegt werden. Die akkumulierte Beschädigung jedes Sonnenrades wird wie oben beschrieben berechnet. Die gemessenen Betriebszyklen für die Sonnenräder werden aus praktischen Gründen ausgewählt. Diese werden dann mit der statistischen Lebensdauer der jeweiligen Planetenradsätze korreliert.
Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf ein Automatikgetriebe beschrieben, jedoch kann sie selbstverständlich auch in einem Fahrzeug mit einem manuellen Getriebe und einer Motorsteuereinheit umgesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen des Verschleißes mindestens eines vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteils in einem Fahrzeuggetriebe mit einer elektronischen Steuereinheit, wobei Signale in der Steuereinheit verfügbar sind, die zumindest das ausgewählte Gangverhältnis, das Getriebeantriebswellendrehmoment und die Antriebswellendrehzahl repräsentieren, gekennzeichnet durch – Akkumulieren eines gemessenen Betriebszyklus, der für die Umdrehungen und das zugehörige, durch das Bauteil beim Laufen übertragene Drehmoment repräsentativ ist, – Berechnen des Verschleißes des Bauteils durch Vergleichen des akkumulierten, gemessenen Betriebszyklus mit einem vorbestimmten Gesamtbetriebszyklus, der ein vorbestimmtes Niveau des Verschleißes des Bauteils repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Basieren des vorbestimmten Gesamtbetriebszyklus auf ein Wöhler Diagramm, das aus Tests an dem vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteil erhalten ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Akkumulieren eines gemessenen Betriebszyklus nur, wenn das vorausgewählte Drehmomentübertragungsbauteil dabei ist, Drehmoment zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Akkumulieren eines gemessenen Betriebszyklus nur bei Drehmomentniveaus oberhalb eines vorbestimmten Drehmomentniveaus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, gekennzeichnet durch Erzeugen eines Ausgabesignals, das den akkumulierten Betriebszyklus geteilt durch den vorbestimmten Gesamtbetriebszyklus repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwenden des Ausgabesignals als Eingabesignal zu einer Anzeigeeinrichtung, die in einem Fahrzeug ablesbar ist, um einen Verschleiß eines in dem Fahrzeug eingebauten Getriebes anzuzeigen.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwenden des Ausgabesignals als Eingabesignal zu einer außerhalb eines Fahrzeugs lesbaren Anzeigeeinrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, zum Erfassen des Verschleißes zumindest eines vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteils in einem Automatikfahrzeuggetriebe mit einem Planetengetriebe, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (13) eines Planetenradsatzes das vorausgewählte Drehmomentübertragungsbauteil ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad eines drehmomentübertragenden Planetenradsatzes mit dem höchsten Gangverhältnis das vorausgewählte Drehmomentübertragungsbauteil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleiß von mehr als einem Drehmomentübertragungsbauteil erfasst wird.
Motorfahrzeuggetriebe (3) mit einer elektronischen Steuereinhit (6), wobei Signale in der elektronischen Steuereinheit verfügbar sind, die zumindest das ausgewählte Gangverhältnis, das Getriebeantriebswellendrehmoment und die Antriebswellendrehzahl repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (6) angeordnet ist, um den Verschleiß eines vorausgewählten Drehmomentübertragungsbauteils des Getriebes durch Akkumulieren eines gemessenen Betriebszyklus (DC), der für Umdrehungen und das zugehörige, durch das Bauteil beim Laufen übertragene Drehmoment repräsentativ ist, und durch Vergleichen des akkumulierten, gemessenen Betriebszyklus mit einem vorbestimmten Gesamtbetriebszyklus (DC_tot), der ein vorbestimmtes Niveau von Verschleiß des Bauteils repräsentiert, zu berechnen.
Getriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (6) in Tabellenform eines Wöhler Diagramms gespeichert ist, das aus Tests des Drehmomentübertragungsbauteils erhalten ist, wobei der vorbestimmte Gesamtbetriebszyklus auf dem Diagramm basiert.
Getriebe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (6) angeordnet ist, um einen gemessenen Betriebszyklus (DC) nur zu akkumulieren, wenn das vorausgewählte Drehmomentübertragungsbauteil dabei ist, Drehmoment zu übertragen.
Getriebe nach Anspruch 11–12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (6) angeordnet ist, einen gemessenen Betriebszyklus (DC) nur bei Drehmomentniveaus oberhalb eines bestimmten Drehmomentniveaus (T_low) zu akkumulieren.
Getriebe nach einem der Ansprüche 11–14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinhit (6) angeordnet ist, den Verschleiß von mehr als einem Drehmomentübertragungsbauteil zu erfassen.
Getriebe nach einem der Ansprüche 11–15 und mit einem Planetengetriebe (10, 11, 12), dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (13, 16, 17) mindestens eines Planetenradsatzes des Planetengetriebes das vorausgewählte Drehmomentübertragungsbauteil ist.
Getriebe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (13) eines Planetenradsatzes (10), das Drehmoment mit dem höchsten Gangverhältnis überträgt, das vorausgewählte Drehmomentübertragungsbauteil ist.