DIGITAL TORQUE SENSOR Drehmomentmessung auf Basis der Auswertung von Drehzahlsignalen Dipl.-Ing. Thomas KARER MAGNA Powertrain, Engineering Center Steyr GmbH & Co KG
Kurzfassung Aufgrund der immer höheren Nachfrage nach robusten und preiswerten Drehmomentsensoren wurde von MAGNA Powertrain ein Messverfahren entwickelt, das nur auf der technisch sehr robusten Messung von Drehzahlsignalen beruht. Dabei werden minimale Drehzahlunterschiede analysiert und in Echtzeit auf Drehmomentwerte umgerechnet.
ABS-Sensoren
Drehzahlsensor
Ergebnis Das universelle Messprinzip, kann in verschiedensten Fahrzeugen wie PKW, LKW und sonstiger Fahrzeugtypen, die hinterrad- vorderrad- oder allradgetrieben sind, angewendet werden. Je nach Applikation ist es möglich, Drehmomente in Längsrichtung (VA- oder HAKardanwellenmomente) als auch Quermomente bei Torque Vectoring Einheiten zu bestimmen. Weiters wird die Größe des mechanischen Spiels im Antriebsstrang ermittelt. Genauigkeit Der Messablauf sieht folgendermaßen aus: Nach dem Start des Fahrzeuges wird anhand von detektierten Fahrmanövern der Drehmomentwert bestimmt. Je nach erfolgtem Fahrmanöver kann eine Genauigkeitsklasse angegeben werden, die sich mit andauernder Fahrt immer verbessert. In den aufgebauten Testfahrzeugen wird nach durchschnittlich 30 Sekunden Fahrdauer eine Genauigkeit von ca. +/- 15 Nm erreicht. Vorteile • • • • • • • • •
Onlinemessung des Drehmomentes im Antriebsstrang Erkennung von lastlosen Zuständen zur Lösung von NVH Problemen Messung von Nebenabtriebsmomenten in LKWs Methode zur Optimierung der Schaltstrategien für alle Arten von automatisierten Getrieben Methode zur Plausibilisierung der Getriebefunktion Erkennung von Verschleiß und Antriebsstrangbelastung in allen Serienfahrzeugen Kein zusätzlicher Hardwareaufwand bei Getrieben mit Abtriebsdrehzahlsensor Kein eigenes Steuergerät notwendig Berührungslos, temperaturunabhängig
Abstract Because of a rising demand for robust and cheaper torque measurement sensors MAGNA POWERTRAIN developed a new measurement method based only on a reliable measurement with the help of rotational speed sensors. Hereby minimal speed differences are analysed and converted into real time torque values. Result The universal measurement principle can be applied to passenger cars, trucks and other vehicles that are driven by rear-wheel-, front-wheel- or all-wheel-drive. Depending on the application it is possible to analyse torque in longitudinal direction (front or rear torque at cardan shaft) as well as torque on lateral shafts at torque vectoring units. Further the size of the mechanical clearance will be measured. Accuracy The measurement is carried out as following: Having started the car the torque is specified by detected driving manoeuvres. Depending on the driving manoeuvre, we can specify an accuracy class which improves more and more during driving. In our test vehicles we reach an accuracy of about +/- 15 Nm after an average driving time of 30 sec.
Advantages • • • • • • • • • •
Online measurement of torque at powertrain Method to detect and solve acoustics problems, caused by torque free conditions Detection of power-take-off torque during the drive in trucks Optimization of gear shift strategy for all kinds of automated transmissions Method for plausibilisation of transmission functions (important at high safety integration level) Method to improve reliability and robustness of transmissions for the whole life time Detection of stress and wear of the powertrain components -> variable service intervals No additional hardware if transmission has output speed sensor No additional ECU Contactless , independent of temperature
1. Einleitung Magna Powertrain setzte sich das Ziel, mittels vorhandenen Sensoren in Fahrzeugen (zB. ABS Sensoren) die Drehmomente im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen zu messen. Dazu wurde das Entwicklungsprojekt TOMCAT (TOrque Measurement Control for All Transmission Types) geschaffen.
2. Anforderungen an eine serientaugliche Drehmomentmessung Kosten -
keine oder nur sehr preiswerte Standardteile Hardware durch Software ersetzen Kein eigenes Steuergerät
-
Genauigkeit: +/- 15 Nm für PKW Genauigkeit: +/- 50 Nm für LKW Temperaturunabhängigkeit Verschleißfreiheit Driftfreier Berechnungsalgorithmus
-
Drehmomentsignal mit garantierter Toleranzangabe Ermittlung der Spielgröße im Antriebsstrang
Funktion
Ergebnis
3. Messprinzip
ABS Sensoren
Lösungsansatz: Mittels 2 vorhandener ABS-Sensoren und einem zusätzlichem Drehzahlsensor im Schalt- oder Verteilergetriebe wird die Verdrehung relativ zueinander bestimmt. Die relative Verdrehung zueinander ist proportional dem übertragenen Drehmoment.
Drehzahlsensor
Herausforderungen: - Eliminierung der mech. Spiele - Umrechnung der relativen Verdrehung in einen Absolutwert in Nm.
Graphisch dargestellt äußern sich die beiden Haupteinflüsse im Messsignal wie folgt: 600 550 500
Vorderachsdrehmoment [Nm]
450 400 350
mech. Spiel
300 250 200 150
M d-V -gem essen Md-TOMCAT = Aberechnet Md-Referenz = gemessen M d-V A -berechnet
100 50 0
Offset
-50 -100 -150 -200 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Z eit [s]
4. Prototypaufbau BMW X3 Als Versuchsträger wurde ein BMW X3 gewählt. Beide angetriebenen Kardanwellenellen wurden mit Drehmomentmesstechnik basierend auf DMS ausgestattet. Weiters wurden an unterschiedlichen Punkten Drehzahlsensoren angebracht, um die am Besten geeigneten Positionen für die Sensoren zu finden.
20
Darstellung des Messaufbaues in Funktionsdarstellungsweise:
Md Referenzmessung (DMS) - vorne 4 Varianten
TOMCAT
Md (berechnet) vorne
Algorithmus ABS ESP DXC
4
Md (berechnet) hinten Md Referenzmessung (DMS) - hinten
5. Serienlösung Aufgrund der hohen Stückzahlen im Automobilbereich dürfen für die vorhandenen Sensoren aus Kostengründen keine eigenen Sensorleitungen verlegt werden. Deshalb müssen die Sensorsignale in den meisten Fällen über CAN-Bus übertragen werden. Eine Alternativvariante wäre die Datenübertragung über einen Flexray Bus oder bei kleinen Stückzahlen die Verlegung von Leitungen für die Sensorsignale.
CAN
Flexray
Raddrehzahlen
ABS
ABS Sensoren
Getriebe ECU + TOMCAT
Drehzahlsensor im Getriebe
Die ABS Sensoren sind normalerweise am ABS Steuergerät angeschlossen, der Drehzahlsensor für die Getriebeabtriebsdrehzahl am Getriebesteuergerät. In den meisten Fällen wird der Drehmomentberechnungsalgorithmus ins Getriebesteuergerät implementieren. Somit ist es notwendig die Informationen der ABS-Sensoren zum Getriebesteuergerät zu übertragen. Dazu werden die Raddrehzahlen mit Echtzeitinformationen vom ABS zum Getriebesteuergerät gesendet und dort mit der Information des Getriebedrehzahlsensors verknüpft.
6. Algorithmus Der Berechnungsalgorithmus, der aus den Sensorsignalen Drehmomentwerte berechnet, besteht im Wesentlichen aus 2 Blöcken. Im ersten Block werden aus den Rohsignalen nur relative Drehmomentänderungen berechnet, im zweiten Block werden durch Verknüpfung mit den Informationen vom Fahrzeug CANBus absolute Drehmomentwerte in [Nm] ermittelt.
Drehzahlsensoren
Winkeldifferenzberechnung
Relative Momentenänderung
Fahrzeugdaten über CAN
Absolutwertbildung
Mech. Spiel
Absoluter Drehmomentwert in [Nm]
Einflussfaktoren Der Algorithmus hat im Wesentlichen mit 2 Einflussfaktoren zu tun: a) Fahrzeugverformung Der Algorithmus berechnet aus der Verdrehung der Wellen im Antriebsstrang die übertragenen Drehmomentwerte. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Positionen der Sensoren nicht ändern. Aufgrund von Fahrzeugverformungen im reversiblen Bereich können somit Fahldrehmomente angezeigt werden, die von der Software erkannt und kompensiert werden müssen.
b) Jitter der Drehzahlsensoren Drehzahlsensoren (Hall- sowie auch Induktivgeber) haben die unangenehme Eigenschaft des Jittereinflusses. Dieser ist hauptsächlich vom Typ des Sensors, der Betriebstemperatur und vom Luftspalt des Sensors zum Geberrad abhängig. In den aufgebauten Testfahrzeugen, ist dieser Einfluss nicht erkennbar. Hier ist die Tatsache hilfreich, dass alle verwendeten Sensoren annähernd den selben Einflüssen unterliegen, und sich die Effekte größtenteils kompensieren.
7. Messergebnisse
Offsetkorrekturen Offsetk
Md-VA-berechnet Md-VA-gemessen VA-Status
In dieser Abbildung ist die Signalqualität ersichtlich. Das schwarz dargestellte Signal ist das mit DMS gemessene Referenzsignal. Das rote (hellere) Signal beschreibt das mit dem TOMCAT-Algorithmus errechnete Drehmoment. In den ersten Fahrsekunden kann eine Abweichung festgestellt werden, da noch keine Fahrsituationen vom Algorithmus erkannt wurden. Nach einigen Fahrsekunden ( im abgebildeten Fall nach ca. 2, ca 4 und nach 14,5 Sekunden) werden Fahrsituationen vom Algorithmus erkannt und die Toleranz des Drehmomentsignales kann stark verbessert werden. Die Variable VA-Status (Status Drehmomentsignal Vorderachse) wird bei detektierten Fahrmanövern erhöht und somit die Signalqualität verbessert.
Nach Auswertung von ca. 30.000 km mit den Testfahrzeugen wurde in über 95 Prozent der Fahrten eine Toleranz von: +/- 30 Nm: nach 5 – 25 Sekunden +/- 15 Nm: nach 5 – 80 Sekunden erreicht. Die Zeitdauer bis eine Offsetkorrektur ausgeführt wird, hängt im Wesentlichen von erkannten Fahrmanövern wie: - Schubbetrieb - Beschleunigung - Lastwechsel - Enge Kurve ab. Folgende Grafiken geben die Signalqualität bei verschiedenen Fahrerprobungen wieder.
Autobahnfahrt 100 km ohne Stopp
95%
15%
75%
98%
Überlandfahrt mit Stopps
Stadtgebiet mit ‚Stop and Go‘ Verkehr
Bei Autobahnfahrten ist die Toleranz zu 98 % bei +/- 15 Nm, bei Überlandfahrten mit Stopps ca. 95 %. Im Stadtgebiet mit ‚Stop and Go’ Verkehr +/- 15 Nm zu ca. 75 % und +/-30 Nm zu ca. 15 %. Bei längeren Fahrten verbessert sich die Toleranz des Messsignals kontinuierlich. Je mehr Stopps im Fahrbetrieb inkludiert sind, desto öfter muss der absolute Drehmomentwert neu gefunden werden. Je seltener sich das Fahrzeug im Stillstand befindet, desto besser ist die Toleranzangabe des Drehmomentsignals.
8. Anwendungsmöglichkeiten Aufgrund des einfachen Prinzips ist es möglich die TOMCAT Drehmomentmessmethode in verschiedensten Fahrzeugen wie PKW, LKW oder Sonderfahrzeuge zu integrieren. PKW (hinterrad-, vorderrad-, 2 x allradgetrieben)
Sensorposition
Messort
Getriebeausgangsmoment HA
Getriebeausgangsmoment VA
Getriebeausgangsmoment VA Getriebeausgangsmoment HA
Getriebeausgangsmoment VA
Hardwareaufwand 1 Drehzahlsensor im Schaltgetriebe oder Keine Hardware bei Getrieben mit Abtriebsdrehzahlsensor
1 Drehzahlsensor im Schaltgetriebe oder Keine Hardware bei Getrieben mit Abtriebsdrehzahlsensor
1 Drehzahlsensor im VG (starre Kopplung) oder im Schaltgetriebe oder Keine Hardware bei VG (starre Kopplung) in Verbindung mit Getrieben inkl. Abtriebsdrehzahlsensor
1 Drehzahlsensor im VG mit Lamellenkupplung
LKW (2 x), Torque Vectoring, Hybrid
Sensorposition
Messort
Hardwareaufwand
Getriebeausgangsmoment HA
Keine Hardware notwendig (Getriebeabtriebsdrehzahlsensor bei LKW vorhanden)
Getriebeausgangsmoment HA
Keine Hardware notwendig (Getriebeabtriebsdrehzahlsensor bei LKW vorhanden)
Drehmoment Seitenwelle links
2 Drehzahlsensoren in der Torque Vectoring Einheit
Drehmoment Seitenwelle rechts
Gesamtes Drehmoment von Verbrennungs- und Hybridantrieb
1 Drehzahlsensor im Schaltgetriebe oder Keine Hardware bei Getrieben mit Abtriebsdrehzahlsensor
9. Vorteile PKW, LKW Online Drehmomentmessung im Antriebsstrang Onlinemessung von Nebenabtriebsmomenten (LKW) - Somit können auch Drehmomente erfasst werden, die während der Fahrt in den Nebenabtrieb abgezweigt werden. (Wichtig für die Schaltstragegie von automatisierten Getrieben) Spielermittlung und Verschleißerkennung im Antriebsstrang Plausibilisierung von Stellgrößen, Sensorsignalen (Drehzahlsensoren) Abstimmung der Schaltpunkte von Automatikgetrieben, DSG, .. Ermittlung realer Lastkollektive über die gesamte Serie - Erkennung möglicher Überdimensionierungen Verbesserung der ESP-Funktionalität Verbesserung des VKM-Lastschlagverhaltens Erweiterte Diagnosemöglichkeiten - gewinnt an Bedeutung bei erhöhten Sicherheitslevel
10. Kontaktdaten
Dipl.-Ing. Thomas Karer Projektleitung TOMCAT Magna Powertrain Engineering Center Steyr GmbH & Co KG Steyrer Str. 32 A-4300 St. Valentin Tel.: +43/7435/501-621 Fax: +43/7435/501-9621 E-mail: Web: http://www.magnapowertrain.com