Energieeffiziente aktive Dämpfung von Torsionsschwingungen im KFZ-Antriebsstrang

214 Pages·2014·14.28 MB·German

by  Joachim Pfleghaar

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
Lehrstuhl für Regelungstechnik
Energieeffiziente aktive Dämpfung von
Torsionsschwingungen im KFZ-Antriebsstrang
Joachim Pfleghaar
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der
Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl
Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Boris Lohmann
2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Heinz Ulbrich (i.R.)
Die Dissertation wurde am 30.04.2014 bei der Technischen Universität München ein-
gereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 24.09.2014 angenommen.

Für meine lieben Eltern

KURZFASSUNG
In dieser Arbeit wird ein neuer aktiv geregelter Torsionsdämpfer zur Minderung der
Drehungleichförmigkeit von Verbrennungsmotoren beschrieben. Dieser Dämpfer er-
reicht durch die Regelung mit einer adaptiven Störgrößenaufschaltung eine hohe Wirk-
samkeit und durch eine neue Aktorplatzierung zudem eine hohe Energieeffizienz. Die
Effektivität und Energieeffizienz des neuen Dämpfers werden zunächst theoretisch be-
gründet und anschließend mit Hilfe eines Versuchsträgers am Prüfstand nachgewiesen.
ABSTRACT
This thesis describes a new actively controlled torsional damper, developed to reduce
oscillations caused by the nonuniform torque of internal combustion engines. With
the use of an adaptive feedforward control scheme this damper achieves a high effec-
tiveness. At the same time it is very energy-efficient due to a new way of placing the
actuator. The effectiveness and efficiency of the new damper are motivated theoreti-
cally and they are verified by test rig results obtained with a test carrier.

DANKSAGUNGEN
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Mitarbeit in einem Kooperations-
projekt der BMW Forschung und Technik GmbH sowie der Lehrstühle für Maschi-
nenelemente, für Angewandte Mechanik und für Regelungstechnik der Technischen
Universität München.
Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr.-Ing. habil. Boris Lohmann, Leiter des Lehrstuhls
für Regelungstechnik, für die Möglichkeit in einem spannenden Themengebiet promo-
vieren zu können. Vielen Dank für Ihre Unterstützung und das Vertrauen, welches
Sie mir während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an ihrem Lehrstuhl
entgegen gebracht haben.
Des Weiteren möchte ich mich bei Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Heinz Ulbrich (i.R.),
ehemaliger Leiter des Lehrstuhls für Angewandte Mechanik, für das Interesse an mei-
ner Arbeit und für die Übernahme des Zweitgutachtens herzlichst bedanken. Zudem
bedanke ich mich bei Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl, Leiter des Lehrstuhls für Maschi-
nenelemente, für den Vorsitz meines Prüfungskomitees.
Ein weiterer besonderer Dank gebührt der BMW Forschung und Technik GmbH, die
durch ihre Finanzierung das Forschungsprojekt überhaupt ermöglicht hat. In diesem
Zusammenhang möchte ich mich auch bei den beiden Projektleitern Dr. Patrick Kuhl
und Dr. Robert Huber, die durch ihr Engagement wesentlich zum erfolgreichen Pro-
jektabschluss beigetragen haben, auf das Herzlichste bedanken.
Ebenfalls in besonderer Weise danke ich den Kollegen Georg Meingaßner, Johannes
Mayet und Christian Mair, die seitens der Technischen Universität München am Pro-
jekt beteiligt waren. Es war mir eine Freude mit solch talentierten und inspirierenden
Menschen ein gemeinsames Ziel zu verfolgen.
Mein Dank gilt zudem weiteren Mitarbeitern des Lehrstuhls für Maschinenelemente.
Bei Dr. Hermann Pflaum bedanke ich mich für seine zahlreichen Ratschläge bei kon-
struktiven Fragestellungen. Zudem danke ich Ralf Kiepfer und Karl Maier, die durch
ihre tatkräftige und kompetente Unterstützung u.a. sehr zum erfolgreichen Aufbau
eines Prüfstands beigetragen haben.
Des Weiteren bedanke ich mich bei der Firma Hans Götz Engineering, namentlich bei
Hans Götz, Stefan Goldammer und Manuel Valier, für die stets zuverlässige Zusam-
menarbeit und die kreativen Lösungsansätze, die zum Aufbau des in dieser Arbeit
untersuchten Versuchsträgers führten.
Natürlich möchte ich mich auch bei all meinen Studenten bedanken, die im Rahmen
einer Studienarbeit oder einer Hilfstätigkeit sicher auch einen großen Beitrag zum Ge-
lingen dieser Arbeit geleistet haben. Namentlich sind dies Kristin Bussmann, Thomas
Lieb, Florian Pichler, Tobias Petersen und Shakib Hassan. Weiterhin danke ich allen
Kollegen und Freunden die mich durch die Durchsicht des Manuskripts unterstützt
haben.
Allen meinen Kollegen vom Lehrstuhl für Regelungstechnik danke ich ebenfalls von
ganzem Herzen. Ich habe es vom ersten Tag an als großes Glück empfunden, mit solch
freundlichen, hilfsbereiten und facettenreichen Menschen meinen Arbeitsalltag teilen
zu dürfen. Danke für die vielen tiefgehenden Gespräche und die heiteren Momente mit
der bösen Sieben. Es ist schön Euch alle kennengelernt zu haben und ich würde mir
wünschen, dass wir uns auch in Zukunft nicht aus den Augen verlieren.
EingroßerDankgiltabschließendmeinerFamilie.MeinenEltern,RitaundJosefPfleg-
haar, bin ich sehr dankbar, dass sie meine Ausbildung bis zu diesem Punkt unterstützt
haben.IchdankeEuchfürEuerVertrauenunddafür,dassIhrimmerfürmichdawart.
Schließlich möchte ich mich aus tiefstem Herzen bei meiner größten Unterstützerin,
meiner lieben Ehefrau Moni, bedanken. Durch Dich werden die schwierigen Momente
einfach und es erfüllt mich mit Glück gemeinsam mit Dir zu wachsen.
München, 27. April 2014
INHALTSVERZEICHNIS
Notation und Abkürzungen v
Kapitel 1: Einleitung 1
1.1 Problemstellung und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Steigende Anforderungen an Verbrauch und CO -Emissionen . . 3
2
1.1.2 Emissionssenkung durch Downsizing und Downspeeding . . . . 5
1.1.3 Negative Folgen von Downsizing und Downspeeding . . . . . . . 8
1.1.4 Existierende Lösungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Beitrag der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Kapitel 2: Das eZMS – ein neuer, hoch effizienter aktiver Torsions-
dämpfer 21
2.1 Ein neues aktives Dämpferkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.1 Verlustquellen eines verallgemeinerten aktiven Torsionsdämpfers 22
2.1.2 Das eZMS: Ein sehr energieeffizienter Torsionsdämpfer . . . . . 28
2.1.2.1 Aufbau des eZMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2.2 Funktionsweise des eZMS . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2.3 Energieeffizienz des eZMS . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3 Vergleich des eZMS mit alternativen Aktorplatzierungen . . . . 32
2.1.3.1 Zwei existierende Aktorplatzierungen . . . . . . . . . . 33
2.1.3.2 Annahmen und Randbedingungen des Vergleichs . . . 35
2.1.3.3 Ergebnisse des Vergleichs . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Aufbau eines eZMS-Versuchsträgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
i
2.2.2 Konzeptioneller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.3 Auswahl und Abstimmung der Hauptkomponenten . . . . . . . 49
2.2.4 Aufbau des realisierten Versuchsträgers . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.5 Versorgung und Ansteuerung des Versuchsträgers . . . . . . . . 58
Kapitel 3: Prüfstand 63
3.1 Aufbau des Prüfstands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2 Prüfstandssteuerung und Messdatenerfassung . . . . . . . . . . . . . . 65
Kapitel 4: Modellbildung und Identifikation 69
4.1 Modellierung des Antriebsstrangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 Modellierung der Lastmaschine und des Drehzahlreglers . . . . . . . . . 75
4.3 Modellierung des Verbrennungsmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4 Modellierung des eZMS-Aktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.1 ModellgleichungeneinermitVektorregelungbetriebenenperma-
nenterregten Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.2 Umsetzung der Vektorregelung durch die Leistungselektronik
des eZMS-Aktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.3 Resultierendes Modell des eZMS-Aktors und der Leistungselek-
tronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5 Identifikation der Steifigkeit und Dämpfung des eZMS-Versuchsträgers . 90
4.5.1 Zustandsschätzung mit erweitertem Kalman-Filter (EKF) . . . 90
4.5.2 Parameteridentifikation mit erweitertem Kalman-Filter . . . . . 92
4.5.3 Entwurf eines EKFs zur Identifikation der Steifigkeit c und der
1
Dämpfung d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
1
4.5.4 Ergebnisse der EKF-basierten Parameteridentifikation . . . . . . 98
4.6 Validierung des Prüfstandgesamtmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
ii