Vorlage Diplomarbeit - Hochschule Ravensburg

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Hochschule Ravensburg-Weingarten
FACHBEREICH MASCHINENBAU
Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper
Ralf Mustermann
Untersuchungen
2004
zur
Schaltzeitoptimierung
automatisierten Schaltgetrieben
an
Diplomarbeit
Referent:
Prof. Dr.-Ing. Tim Nosper
Korreferent:
Diplomarbeit eingereicht am:
 2004
Fachhochschule Ravensburg -Weingarten
Universit y of Applied Sciences
Alle Rechte vorbehalten
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Diplomand bei
der
Mustermann
AG
in
Ravensburg
in
enger
Kooperation
mit
der
Fachhochschule Ravensburg-Weingarten
Besonders danke ich meinem akademischen Lehrer , Herrn Prof. Dr. -Ing. X.
Y., für seine stete Unterstützung und Förderung zum Gelingen der Arbeit
sowie das mir entgegengebrachte große Vertrauen.
Danken möchte ich zudem allen Mitarbeitern der Abteilung XX und YY der
Firma Mustermann AG, insbesondere Herrn Dr. Test, Herrn Muster, die mir
bei der Durchführung der Arbeit sehr behilflich waren.
Gewidmet sei diese Arbeit schließlich meinen Eltern, die mir das Studium
ermöglichten,….
Weingarten, im März 2004
Ralf Mustermann
Kurzfassung
Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit liefert die Ergebnisse einer Untersuchung zur
Schaltzeitoptimierung
von
automatisierten
Schaltgetrieben.
Die
Beurteilungskriterien sind die Schaltzeit und der Schaltkom fort.
Die Arbeit befasst sich zunächst mit der Anal yse des Schaltungsablaufs eines
konventionellen
mechanischen
Definition
für
einer
brechungszeit,
die
den
PKW -Handschaltgetriebes
Fahrer
aufgrund
von
als
ideal
dauernden
Messergebni ssen
sowie
der
Zugkraftunter -
sowie
subjektiven
Fahreindrücken gewonnen wurde.
Danach
werden
mit
Hilfe
der
ermittelten
Rückschlüsse bezüglich des mechanischen
Zugkraftunterbrechungszeit
Aufbaus des
automatisierten
Getriebes gemacht. Die den Schaltablauf beeinflussenden Massenträg heitsmomente des Motors werden dargestellt und verschiedene Motor - und
Getriebebremsen auf ihre Tauglichkeit untersucht.
Im nächsten Teil der Arbeit wird ein unsynchronisiertes Getriebe im Hinblick
auf die am Anfang ermittelten Schaltzeiten im Modell, am Prüfstand und im
Fahrzeug untersucht, um den mechanischen Gangwechsel zu beschleunigen.
Als
Abschluss
der
Schaltzeitoptimierung
Arbeit
in
ein
werden
sämtliche
Simulationsmodell
simulierte Schaltzeit auf ihre Zielsetzun g überprüft.
Maßnahmen
eingearbeitet
und
der
die
Summary
Summary
The present doctoral thesis shows the results of an investigation for the
optimisation of the gear change time of automated gearboxes. The evaluation
criteria are the shift time and the shift comfort.
This thesis starts with the an al ysis of the gear change of a conventional
passenger car with a traditional manual transmission. A definition of the ideal
time length during gearshift where the acceleration of the vehicle is zero will
be discussed. The aim of the report is to find this time length for optimum
driver comfort. These measurements have been obtained using theoretical
calculations and by performing subjective vehicle tests.
With the results of the vehicle zero acceleration time found, conclusions may
be drawn discussing the mechanical structure of the automated gearbox. The
shift flow influencing moments of inertia of the engine are represented and
different engine and transmission braking and their suitabilit y are examined.
In the next section of the thesis, an automated ge arbox with dog clutches was
examined to study the shift times in the model, the test bench and in the
vehicle in order to decrease the mechanical gear change time.
In the last part of the thesis all variables for the shift time optimisation are
implemented into a simulation model and the simulated shift time is compared
against its objective.
Inhalt
I
Inhalt
Seite
1
Einleitung
1
2
Stand der Entwicklung
2
2.1
2.2
2.3
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
4
4.1
4.2
4.3
5
5.1
5.2
5.3
6
6.1
6.2
6.3
7
7.1
7.2
7.3
7.4
Automatisierte Kupplungen und Schaltgetriebe
Eigenschaften automatisierter Schaltgetriebe
Steuerung automatisierter Schaltsysteme
2
2
3
Schaltgetriebe
4
Begriffsdefinition
6
Phasen eines Gangwechsels
Error! Bookmark not defined.
Schaltstrategien eines Handschalters
Error! Bookmark not defined.
Vergleichsmessungen an Handschaltgetrieben Error! Bookmark not defined.
Verfahren zur Bestimmung der Schaltqualität und Schaltzeit
6
Erkenntnisse für die Steuerung automatisierter Schaltget riebeError! Bookmark not
Zugkraftunterbrechungszeit
6
Schwingungsverhalten des Menschen
Error! Bookmark not defined.
Festlegung der optimal en Zugkraftunterbrechungszeit Error! Bookmark not defined.
Maximale Zugkraftunterbrechungszeit Error! Bookmark not defined.
Motor- und Getriebebremsen
Herleitung der Bremsmomente
Motorbremsen
Getriebebremsen
Unsynchronisierte Getriebe
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
Error! Bookmark not defined.
Unsynchronisierte Getriebe mit Klauenkupplungen Error! Bookmark not defined.
Prinzipvers uche im Fahrzeug
Error! Bookmark not defined.
Einspuruntersuchungen am Prüfstand
Error! Bookmark not defined.
Modellbildung
Aufbau von Schwingungssystemen
Modellbildung des Antriebstrangs
Validierung des Modells
Simulationsergebnisse
Error! Bookmark not defined.
Error!
Error!
Error!
Error!
Bookmark
Book mark
Bookmark
Bookmark
not
not
not
not
defined.
defined.
defined.
defined.
8
Zusammenfassung und Ausblick
6
9
Formelzeichen und Abkürzungen
7
10 Literatur
10
11 Anhang
11
Einleitung
1
1
Einleitung
In Personenkraftwagen findet man heutzutage nahezu ausschließlich zwei
Bauarten von Fahrzeuggetrieben: Schaltgetriebe mit fünf bis sechs Gängen
und Einscheiben trockenkupplung sowie Automatikgetriebe mit Planetenrädern
und Drehmomentwandler.
Ein Blick auf die großen Automobilherstellerländer zeigt deutlich, wie groß
die Nachfrage nach einer Automatisierung bei Fahrzeuggetrieben ist: In den
USA haben bereits 90 % , in Japan 70% aller Fahrzeuge ein automatisches
Getriebe. Der Marktanteil in Westeuropa stagniert bei etwas weniger als zehn
Prozent. Es handelt sich dabei jedoch um Fahrzeuge mit konventionellen
Automatikgetrieben und Drehmomentwandlern.
In Westeuropa findet man in 60% aller Fahrzeuge der Oberklasse mit mehr als
2,5 Liter Hubraum (~ 4% der produzierten PKW) automatische Getriebe,
während die Kompaktwagen und Mittelklassewagen (~ 96 % der produzierten
Pkw) nur über einen Automatikanteil von weniger als 6 % verfügen [K1]. Es
wird damit gerechnet, dass dieser Anteil in den nächsten fünf bis zehn Jahren
deutlich ansteigen wird.
Gründe für diesen Trend zur Automatisierung des Getriebes sind:
• Durch
Flottenverbrauch,
strengere
Abgasvorschriften
und
Geräusch -
minimierungsmaßnahmen werden die Automobilhersteller zur Entwicklung
eines modernen Motor - und Getriebemanagements gezwungen.
• Durch die ständig zunehmende Verkehrsdichte verliert der Fahrer den
„Fahrspaß“ an konventionellen Handschaltgetrieben.
• Fahrzeuge mit automatischem Getriebe sind deutlich seltener an Unfällen
beteiligt als von Hand geschaltete Getriebe: In Europa verfügen aber nur 10
% aller Unfallfahrzeuge über Automatikgetriebe.
Stand der Entwicklung
2
2
Stand der Entwicklung
Das folgende Kapitel gibt einen Überblick üb er den aktuellen Stand der
Technik bezüglich der diese Arbeit betreffenden Themen. Die Literatur übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, deckt jedoch den
wesentlichen
Teil
der
Entwicklung
automatisierter
Kupplungen
und
Schaltgetriebe ab. Bei den automatisierten Getrieben werden ausschließlich
Stirnradgetriebe mit Trockenkupplung betrachtet.
2.1 Automatisierte Kupplungen und Schaltgetriebe
Der Wunsch nach einer Automatisierung des Kupplungs - oder Schaltvorgangs
wird bereits Anfang des vergangenen Jahrhunderts geäußert [M2,N2]. Damals
stand sowohl der Schutz der Getriebemechanik vor dem Fahrer sowie eine
Komforterhöhung im Vordergrund. Gerade für den weniger versierten Fahrer
sollte
die
neue
Art
der
Getriebebetätigung
eine
deutliche
Entlastung
darstellen.
2.2 Eigenschaften automatisierter Schaltgetriebe
ASG ® -S ysteme bestehen aus den Komponenten Schaltgetriebe, Kupplung,
Aktuatorik, Sensorik und Steuergerät Error! Reference source not found. .
Die heute auf dem Markt befin dlichen Systeme stellen fast ausschließlich
sogenannte
„add-on“
Lösungen
dar,
d.h.
an
ein
bereits
vorhandenes
Schaltgetriebe wird eine Aktuatorik angebaut, die mittels Elektromotoren
oder
Hydraulik
die
bisher
vom
Fahrer
ausgeführten
Schalt -
und
Kupplungsvorgänge durchführen. Sämtliche Schaltabläufe werden von einem
Steuergerät geregelt und überwacht.
Stand der Entwicklung
3
2.3 Steuerung automatisierter Schaltsysteme
Bild 2.1 zeigt die S ystemstruktur eines t ypischen ASG ® in „add-on“ Bauweise
mit den einzelnen Komponenten. Man unterte ilt dabei das S ystem in die vier
Hauptgruppen
Sensorik,
Aktuatorik,
Steuerung
und
Aktivierung.
Hauptgruppen sind dabei mit der zentralen Steuerung verbunden.
Sensorik zur Gangund Drehzahlerkennung
Konventionelles
Getriebe
Kupplung
Schaltaktuatorik
ECU
Betätigungselement
Motor-ECU, ESP, CC,
EHB, Kombiinstrument
Bild 2.1: S ystemstruktur t ypischer ASG ® „add-on“ Lösungen
Alle
Schaltgetriebe
3
4
Schaltgetriebe
Kraftfahrzeuge
werden
heutzutage
Verbrennungskraftmaschinen
mit
nicht
nahezu
ausschließlich
kontinuierlicher
von
Verbrennung
angetrieben, die entweder nach dem Diesel - oder Ottoprinzip arbeiten. Dies
ist begründet in den viele n Vorteilen, die der Verbrennungsmotor gegenüber
anderen Antriebsquellen besitzt:

Niedriges Leistungsgewicht

Hohe Energiedichte  geringes Gewicht

Guter Wirkungsgrad

Ausgereifte Technologie
Schaltgetriebe
5
Mit der maximal zur Verfügung stehenden Motorleistung P ma x und der
Fahrgeschwindigkeit v erhält man die ideale und effektive Zugkraft - bzw.
Leitungshyperbel.
FZugkraft, ideal 
Pmax
v
(3.1)
Pmax
 Triebstrang
v
(3.2)
bzw.
FZugkraft, effektiv 
Die dargestellte Zugkrafthyperbel (Bild 3.1) bezieht sich auf die theoretische
Volllast-/Maximalleistung
P max
des
Motors
über
den
gesamten
Drehzahlbereich. Die maximal übertragbare Zugkraft ist dabei durch den
Kraftschlußbeiwert zwischen Reifen und Fahrbahn be grenzt. Der schraffierte
Bereich unterhalb der Zugkrafthyperbel stellt somit den theoretisch nutzbaren
Arbeitsbereich des Verbrennungsmotors dar, der aufgrund des begrenzten
Zugkraftangebots der Verbrennungsmaschine
FZugkraft, Motor 
P ( n)
v
(3.3)
ohne zusätzliche Drehzahl - oder Drehmomentwandler nicht optimal genutzt
werden.
Zugkraft Fz
Kraftschlußgrenze
ideale
Zugkrafthyperbel
FZugkraft,ideal
effektive
Zugkrafthyperbel
FZugkraft,effektiv
Zugkraftangebot FZugkraft,Motor
des Verbrennungsmotors
Geschwindigkeit v
Bild 3.1: Zugkrafthyperbel
Schaltgetriebe
6
3.1 Begriffsdefinition
3.2 Verfahren zur Bestimmung der Schaltqualit ät und Schaltzeit
Hochschaltung
ai
Gew i ch tu ng
Rückschaltung
ai
Gew i ch tu ng
M erk ma l
M erk ma l
7 ,4 4
K
8 ,7 5
K
-0 ,7 9 4
axArea
1 ,8 0 2
axArea
-0 ,4 3 7
axEndabs
1 ,8 5 5
a xEndabs
-1 ,1 3 3
axGoAbs
-4 ,8 5 6
a x A r e a /t 4
-0 ,0 0 3 8
(a xMaxAbs/axMi nAbs)
1 ,1 4 5
axGoAbs
-0 ,8 2 0
axMaxRel
-1 ,7 8 6
axMaxAbs
-3 ,2 6 6
axMinRel
-0 ,0 9 4 8
axMaxAbs/axMi nAbs
+0 ,2 2 9
( ( r x M a x +r x M i n ) /r x A r e a )
1 ,1 1 8
axMaxRel
-0 ,1 8 8
r xMax
-1 ,0 6 8
r xArea
+0 ,2 3 5
r xMi n
1 ,8 9 4
( r x M a x +r x M i n )/r x A r e a
-0 ,2 6 7
r xMax
Tabelle 3.1: Merkmale und Gewichtungsfaktoren zur Bestimmung der
Schaltqualität
4
Zugkraftunterbrechungszeit
5
Zusammenfassung und Ausblick
Die
vorliegende
moderner
Menschen
Arbeit
beschäftigt
automatisierter
„ersetzen“
Testpersonen
Schaltgetriebe.
soll,
Messungen
sich
werden
des
mit
Da
der
die
zunächs t
Schaltablaufs
Schaltzeitverkürzung
Automatisierung
anhand
an
den
verschiedener
Fahrzeugen
mit
konventionellem Handschaltgetriebe vorgenommen, um daraus Erkenntnisse
bezüglich
des
Testpersonen
Ablaufs
eines
vorgenommenen
Gangwechsels
Gangwechsel
zu
gewinnen.
we rden
Schaltqualität und Schaltzeit untersucht und bewertet.
Die
hinsichtlich
von
ihrer
Schaltgetriebe
6
7
Formelzeichen und Abkürzungen
Verwendete Formelzeichen
Vektoren werden durch einen Pfeil über der Bezeichnung, Matrizen durch
einen Balken oberhalb des Namens gekennzeichnet . Die Dimension (Zeile x
Spalte) des Formelzeichens wird unter Einheit bei Vektoren und Matrizen
angegeben. Ist die Dimension nicht eindeutig, so wird ( -) angegeben.
Die Angabe der Einheit bezieht sich bei Vektoren und Matrizen auf ein
Element. Hat ein Formelzeichen keine oder keine eindeutige Einheit, so wird
(-) bzw. 1 angegeben.
Formelzeichen
Einheit
Beschreibung
a
m
Zahnbreite
a
m
Zahnbreite
aKlaue
m
Translatorische Beschleunigung Klauenkupplung
cSw
Nm/rad
Federkonstante Seitenwellen
cSchalt
Nm/rad
Federkonstante Klauenkupplung
cT
Nm/rad
Federkonstante Klauenkupplung Tangential richtung
di
Nms/rad Relativdämpfung der Übertragungselemente
dKup
Nms/rad Dämpferkonstante Kupplung
dn
Nms/rad Absolutdämpfung der Masse -Elemente
FSchalthebel
N
Schaltkraft am Schalthebel
KKup
1
Anzahl der Reibflächen der Kupplung
L
m
Relative Lage Schiebemuffe Kupplungskörper
lRs
m
Radstand, Abstand Vorderachse/Hinterachse
lS
m
Abstand Schwerpunkt/Hinterachse (x -Richtung)
ISollgang
1
Übersetzung Sollgang
Schaltgetriebe
p
(-)
Einspurwahrscheinlichkeit
P
W
Leistung
r
m
Radius
rdyn
m
Dynamischer Rollradius
tSynchron
s
Synchronisationsdauer Getriebe
T
s
Periodendauer
T0
s
Schaltungsbeginn
vS
m/s
Geschwindigkeit Satellitenrad
x
m
Weg
ZKup
(-)
Zustandsbit der Kupplung ( offen/geschlossen)

rad/s 2
Winkelbeschleunigung
Triebstrang
rad/s 2
Winkelbeschleunigung Fahrzeugtriebstrang

rad
Fahrbahnneigung

rad
Hinterschnittwinkel der Klauenkupplung
Δ
rad
Relative Verdrehwinkel
A
kgm 2
Massenträgheitsmoment Antriebsrad Differential
z
kgm 2
Massenträgheitsmoment um z -Achse

(-)
Schubstangenverhältnis

1
Gleitreibungszahl
i
1
Kraftschlußbeanspruchung

rad
Absolutwinkelkoordinate

rad
Phasenverschiebung
S
rad/s
Winkelgeschwindigkeit Satellitenrad
S m
rad/s
Winkelgeschwindigkeit Schiebemuffe
S w
rad/s
Winkelgeschwindigkeit Seitenwelle
8
Schaltgetriebe
Abkürzungen
ASG ®
Automatisiertes Schaltgetriebe
ATZ
Automobiltechnische Zeitschrift
BMW
Bayrische Motorenwerke
CAN
Control Area Network
CC
Cruise Control
CVT
Continuous Variable Transmission
DIN
Deutsche Industrie Norm
ECU
Electronic Control Unit
EHB
Elektrohydraulisches Bremssystem
EKS
Elektronisches Kupplungssystem
EPS
Elektro-Pneumatische Schaltung
ESP
Elektronisches Stabilitätsprogramm
FIA
Federation International Automobile
GKS
Ganzkörperschwingungen
HAG
Hinterachsgetriebe
HiL
Hardware in the Loop
Hz
Hertz
ISO
International Organization of Standardization
M
BMW M GmbH
NEFZ
Neuer euro päischer Fahrz yklus
Nfz
Nutzfahrzeug
PDK
Porsche Doppelkupplung
Pkw
Personenkraftwagen
SMG
Sequentielles M Getriebe
TKS
Teilkörperschwingungen
VDI
Verein deutscher Ingenieure
VTG
Variable Turbinengeometrie
VW
Volkswagen
9
Literatur
7
10
Literatur
[A1] Aigner, J.: Zur zuverlässigen Bewertung von Fahrzeugen. ATZ, Bd. 84
(1982), Nr. 19, S. 447 -450
B1 Becker, C-P.: In die Gänge gekommen. auto, motor & sport (1995) Heft
7, S. 98-100
B2 Bartsch, C.: Das sequentielle Schaltgetriebe von BMW. Krafthand,
Band 69 (1996) Heft 24, S. 1648 -1650
C1 Ciferrti, L.: Schalten wie Schumi. Automobil Revue. Heft 34, S.23,
(1996)
[D1] Dupius, H., Hartung, E.: Vergleich regelloser Schwingungen mit
sinusförmigen Schwingungen hinsichtlich der Einwirkung auf den
Menschen. Ergonomics 15 , S. 257-265, (1972)
[G1] Gebert, J.: Adaptive Parametervariation bei Getriebesteuerungen zur
Optimierung des Schaltkomforts. VDI Verlag, (2000)
[H1] Hafner, K.E., Maas, H.: Theorie der Triebwerksschwingung der
Verbrennungskraftmaschine. Wien, New York: Sp ringer Verlag, (1984)
K1 Krieg, M.: ECOTRONIC – Das Stufenlosgetriebe von ZF. VDI -Bericht
1170 (1994) S. 153 ff
K2 Koch, W., Salay, K.: EUROTRONIC eine neues Getriebe für schwere
Nutzfahrzeuge. VDI-Berichte 1341 (1997) S. 117 -135
N1 N.N.: Triebstrangautomatisierung. Krafthand, Band 71 (1998) Heft 11,
S. 42-45
N2 N.N.: Betätigung von Kupplung und Getriebe durch Saugluft. Das Auto,
Band 16 (1928) Nr.22, S. 607
W1 Westendorf H.: EKS – Das elektronische Kupplungssystem von Fichtel
& Sachs. VDI-Bericht 878 (1991) S. 117 -135
Z1
Zimmer, M.: Automatische Betätigung von Kraftfahrzeug -Kupplungen
unter Anwendung der Fuzz y Logik am Beispiel eines Hybridantriebs.
Technical report, VDI-Fortschrittberichte, Reihe 12, Nr. 194,
Düsseldorf, 1993
Schriftenreihe
8
11
Anhang
Inhaltsverzeichnis
Seite
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
Fahrzeug und Getriebedaten
Berechnung der S ynchronisationsdauer t s y n c h
Ersatzträgheitsmomente
Kräfteberechnung Zahn auf Zahn Position
Berechnung der maximalen Spannung an der Klauenkupplung
Messignale und Signalgüte der Fahrzeugmessungen
Technische Daten Prüfstand
Ersatzträgheitsmomente am Differentialgetriebe
Schlupf am Reifen
Kupplungsmoment beim Haften
Simulationsmodell
A
Fahrzeug und Getriebed aten
208
210
212
215
217
218
219
222
224
225
226
Tabelle 8.1 zeigt die Übersetzungsverhältnisse mit und ohne Konstante sowie
die Zähnezahl des verwendeten Getriebes.
Übersetzungsverhältnisse des Getriebes:
Übersetzungsverhältnis
Übersetzungsverhältnis
( Ga n gp a ar u n g o h ne Ko n st a nte)
(Ga n gp a ar u n g mi t Ko ns t an te)
1
3,214
4,459
45/14
2
1,885
2,614
49/26
3
1,242
1,723
41/33
4
0,897
1,245
35/39
5
1
1
-
6
0.604
0,838
29/48
R
2,929
4,062
41/14
Konstante
1,387
43/31
Gang
Tabelle 8.1: Übersetzungsverhältnisse Prüfgetriebe
Zähnezahl
Schriftenreihe
Berechnung der Synchronisationsdauer t s y n c h
Winkelgeschwindigkeit  [s-1]
B
12
1

Start
Motor
Getriebeeingang
 Mot
2
 Kup
tSynch
Zeit t [s]
Bild 8.1: Begriffsdefinition Winkelgeschwindigkeiten
Nach dem Drallsatz für den Abtrieb gilt:
TKup
Fzg
TK u p   r e d F z g   K u p
(8.1)
Aufgrund der konstant en Fahrzeugbeschleunigung nach Bild 3.29 gilt weiter:
TK u p   r e d F z g 
 K u p
ts yn ch
(8.2)
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