Mehrkriterielle Optimierung des Schaltablaufs von Automatikgetrieben

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1 Mehrkrierielle Opimierung des Schalablaufs von Auomaikgerieben Von der Fakulä für Maschinenbau, Elekroechnik und Wirschafsingenieurwesen der Brandenburgischen Technischen Universiä zur Erlangung des akademischen Grades eines Dokor-Ingenieurs genehmige Disseraion von Dipl.-Ing. Sebasian Kahlbau geboren am in Anklam Vorsizender: Prof. Dr.-Ing. Peer Seinberg Guacher: Prof. Dr.-Ing. habil. Dieer Besle Guacher: Prof. Dr.-Ing. Clemens Gühmann Tag der mündlichen Prüfung: 21. Februar 2013

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3 Danksagung Die vorliegende Arbei ensand in meiner Zei als wissenschaflicher Miarbeier am Lehrsuhl für Technische Mechanik und Fahrzeugdynamik der BTU Cobus in einem Kooperaionsprojek mi der IAV GmbH. Mein besonderer Dank gil Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Dieer Besle, welcher in seiner Rolle als Dokorvaer durch seine Anregungen und Förderung enscheidenden Einfluss auf das Gelingen dieser Arbei hae. Durch sein überdurchschnilich engagieres wissenschafliches Arbeien ha er mich ses moivier, in meiner Arbei eigene Grenzen auszuloen. Mein weierer Dank gil Prof. Dr.-Ing. Seinberg vom Lehrsuhl für Fahrzeugechnik und Anriebe der BTU Cobus für die Übernahme des Vorsizes der Prüfungskommission und Prof. Dr.-Ing. Clemens Gühmann vom Fachgebie für Mess- und Diagnoseechnik der TU-Berlin für das Zweiguachen. Prof. Gühmann seh mir ferner sei der Bereuung meiner Diplomarbei immer wieder mi guem Ra und milerweile auch als wissenschaflicher Kooperaionsparner zur Seie. Ohne die Einsich in die Nowendigkei der Sysemaisierung und Auomaisierung der Geriebeapplikaion wäre diese Arbei nich ensanden. Hier bedanke ich mich besonders bei Dr.-Ing. Thieß-Magnus Woler, Dr.-Ing. Klaus von Rüden und Prof. Dr.-Ing. Burghard Voß, welche die Kooperaion mi der BTU Cobus seiens der IAV GmbH eingeleie und ses geförder haben. All meinen ollen Kollegen in der IAV möche ich auch meinen Dank aussprechen. Dies beriff ganz besonders Dr.-Ing. Felix Mahies und Dr. Frank Merins. Es is mir eine Ehre, mi Euch zusammen arbeien zu dürfen. Ohne meine Sudenen Sven Roland, Rober Konsanz, Mirco Bonin, Rober Zidek und Andreas Wurm wäre diese Arbei ebenfalls kaum denkbar gewesen. Auch bei Euch möche ich mich rech herzlich bedanken. Zusammen haben wir es geschaff, Eure herausragenden Abschlussarbeien zu ermöglichen. Zu guer Lez bedanke ich mich bei meinen Elern für ihre Unersüzung und ihr Versändnis. Gleiches gil für meine Freunde, von denen ich meinen Korrekurlesern Simone und Sephan zu besonderem Dank verpfliche bin.

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5 Kurzfassung Die seigende Zahl von Moor-Geriebekombinaionen auf dem Fahrzeugmark und die wachsende Komplexiä und Vielfal von Funkionen in den Fahrzeugseuergeräen verursachen eine sändige Erhöhung des Aufwands für die Geriebeabsimmung. Bei diesem als Geriebeapplikaion bezeichneen Vorgang versell ein Versuchsingenieur die Parameer der Geriebeseuerung bis die subjekive Beureilung der Schalqualiä seinen Erwarungen ensprich. Dieser Prozess finde heue meis im aufwändigen Fahrversuch auf öffenlichen Sraßen uner kaum reproduzierbaren Bedingungen sa. Eine effiziene Möglichkei, den seigenden Applikaionsaufwand zu bewäligen, sell die Auomaisierung des Applikaionsprozesses dar. Die vorliegende Arbei leise durch die deailliere Analyse des Schalablaufs von Auomaikgerieben, die Feslegung neuer Beureilungskrierien und die Enwicklung eines effizienen, auomaisieren Applikaionsprozesses dazu einen Beirag. Herkömmlich wird die Schalqualiä anhand von zusammenfassenden, of subjekiven Noen beureil, wodurch allerdings der Bezug zu den Ursachen für Beeinrächigungen verloren geh. Daher wird in der Arbei ein mehrkrierieller Ansaz verfolg, bei dem verschiedene Phasen des Beschleunigungsübergangs idenifizier werden sowie Schalzei und Verschleiß als objekive Krierien eingehen. Insbesondere wird Diskomfor als Abweichung von einem idealen Beschleunigungsübergang definier, der sich aus einer einfachen Schwingungsberachung ableien läss. Basierend auf Diskomfor und Schalzei als zwei zu minimierenden Krierien wird ein bi-krierielles Opimierungsproblem formulier und mi Hilfe eines mehrkrieriellen geneischen Algorihmus gelös. Dabei wird die Widersprüchlichkei der beiden Krierien deulich, weshalb opimale Parameer der Geriebeseuerung nich eindeuig, sondern immer Kompromisslösungen sind. Es wird gezeig, dass die relevanen Schalablaufparameer mi einer Sensiiviäsanalyse gefunden werden können, um den Aufwand der Opimierung zu reduzieren. Eine weiere Effizienzseigerung wird durch die Anwendung eines ersazmodellgesüzen Opimierungsalgorihmus erziel. Am Ende der Arbei kann gezeig werden, dass sich Schalungen mi dem vorgeschlagenen auomaisieren Prozess eilweise besser absimmen lassen als durch eine klassische, manuelle Applikaion. Die Zukunf einer auomaisieren Applikaion am Prüfsand und am Simulaionsmodell erschein somi möglich.

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7 Absrac The increasing number of power rain varians and he growing complexiy and diversiy of funcions of conrol sofware for auomaic ransmissions lead o a rising calibraion effor. During ransmission calibraion, a es driver ypically adjuss parameers of he shif conrol algorihms unil his subjecive assessmen of he shif qualiy saisfies his requiremens. Today his process is mainly execued on he road under poorly reproducible condiions. An efficien way o cope wih he challenge of rising calibraion effors is o auomae he calibraion process. The presen hesis conribues o his by defining new shif qualiy crieria and developing an efficien auomaed calibraion process. Convenionally shif qualiy is assessed on he basis of summarized, subjecive grades. By his, however, he connecion beween cause and effec of poor shif qualiy is los. Therefore, in his hesis, a muli-objecive approach is applied, which idenifies differen phases of he shif even and considers shif ime and wear ou as addiional crieria. In paricular, discomfor is defined as a deviaion from an ideal acceleraion ransiion which can be derived from a simple vibraion analysis. Based on discomfor and shif ime a bi-crierion opimizaion problem is defined and solved by a muli-objecive geneic algorihm. Therefore he soluion of he problem is no unique bu always a se of rade-offs beween he wo conflicing crieria. I is shown ha relevan parameers of he shif conrol may be idenified by sensiiviy analysis in order o reduce he complexiy of he opimizaion problem. A furher increase of efficiency is achieved by using a surrogae model based opimizaion algorihm. A he end of his hesis i is shown ha resuls of he proposed auomaed process parly ouperform hose of he classic manual calibraion process. Fuure ransmission calibraion may herefore be carried ou auomaically on es rigs and wih simulaion models.

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9 I Inhalsverzeichnis Verzeichnis der wichigsen Formelzeichen und Abkürzungen IV 1 Einleiung Geriebeapplikaion in der Auomobilindusrie Ziel und Aufbau der Arbei Sand der Technik Grundlagen von Auomaikgerieben Klassifizierung von Schalungen im Auomaikgeriebe Sand der Technik der Schalqualiäsbeureilung Grundlagen der Mehrkrierienopimierung Mahemaische Ersazmodellierung in der Geriebeapplikaion Das Kriging-Verfahren zur Ersazmodellbildung Versuchsplanung mi dem Lain Hypercube Sampling Analyse von Überschneidungsschalungen in Auomaikgerieben Analyse von gemessenen Schalvorgängen Zug-Hoch-Schalung Zug-Rück-Schalung Minimalmodell zur Analyse von Schalvorgängen Geriebe- und Fahrzeugmodell Modellierung eines geseueren Schalablaufs Simulaion von Schalvorgängen mi einem Geriebeminimalmodell Zug-Hoch-Schalung Zug-Rück-Schalung Krierien zur objekiven Bewerung der Schalqualiä Komforkrierien...38

10 II Inhalsverzeichnis 4.2 Krierien für Sporlichkei Verschleiß und Kupplungsemperaur Implemenierung von Algorihmen zur Bewerung der Schalqualiä Vergleich verschiedener Krierien anhand von Messungen Enwicklung eines auomaisieren Applikaionsprozesses am Minimalmodell Formulierung des Applikaionsprozesses als mehrkrierielles Opimierungsproblem Mehrkrierielle Opimierung einer Zug-Hoch-Schalung Sensiiviäsanalyse zur Unersüzung der Auswahl geeigneer Enwurfsparameer Das Morris-Verfahren Parameerauswahl durch Sensiiviäsanalyse für die Opimierung einer Zug-Hoch-Schalung Ersazmodellgesüze Opimierung zur Redukion des Simulaionsaufwands Ersazmodellgesüzes Opimierungsverfahren EMMA Anwendung auf die Opimierung einer Zug-Hoch-Schalung Anwendung des Applikaionsprozesses auf ein deaillieres Fahrzeugmodell Modell des Gesamfahrzeugs mi Geriebeseuerung Paramerisierung des Schalablaufs mi Experenwissen Mehrkrierielle Opimierung einer 2-3 Zug-Hoch-Schalung Parameerauswahl mi Sensiiviäsanalyse für die Opimierung Opimierung mi Ersazmodell Auomaisiere Applikaion im Fahrzeug Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Berücksichigung von verrauschen Krierienweren...87

11 Inhalsverzeichnis III 7.3 Opimierungsergebnisse und Vergleich mi Daensand des Applikaeurs Opimaler Schalablauf Opimaler Beschleunigungsübergang Realisierung des opimalen Beschleunigungsübergangs am Minimalmodell Zusammenfassung und Ausblick 104 Anhang Erwaree Verbesserung eines normalvereilen Funkionsweres 107 Lieraurverzeichnis 110 Abbildungsverzeichnis 120 Tabellenverzeichnis 125

12 IV Verzeichnis der wichigsen Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen Laeinische Buchsaben Symbol Einhei Bedeuung a ms ² Längsbeschleunigung a j - Koeffizienen der Basisfunkionen des Kriging-Ansazes a I ms ² Δ a I ms ² A 2 m A d * 2 m Idealverlauf der Längsbeschleunigung Abweichung vom Idealverlauf der Längsbeschleunigung Reibfläche der Kupplung Oberfläche der Kupplungsscheiben B - Orienierungsmarix des Morris-Verfahrens J kg C Wärmekapaziä der Kupplung C d d - Absand zweier Punke D ms ³ Diskomfor e i - Elemenareffek E - Erwarungswer E Hi - Abschäzung des Haupeffekes durch das Morris-Verfahren E Vi - Varianz des Effekes beim Morris-Verfahren E - Marix möglicher Elemenareffeke beim Morris-Verfahren f - Vekorkrierium ˆf - Schäzung des Kriging-Modells f min - Minimum bisher gefundener Krierienwere R f - Prozenuales Verhälnis der Krierienwerspanne zum max. Wer F N N Anpresskraf in der Kupplung F Z N Zugkraf g - Vekor der Gleichungsnebenbedingungen g - Korrelaionsfunkion des Absandes zweier Punke des Kriging-Ansazes G cur - Isgang G ar - Zielgang h - Vekor der Ungleichungsnebenbedingungen i - Zählvariable der Ieraionsschrie

13 Verzeichnis der wichigsen Formelzeichen und Abkürzungen V i1, i 2 - Übersezungen der Gänge I - Verbesserung j neg ms ³ Negaiver Ruck während Momenenübergabe in ZHS j neg1 ms ³ Erser negaiver Ruck während Synchronisaionsphase in ZRS j neg2 ms ³ Zweier negaiver Ruck während Momenenübergabe in ZRS j pos ms ³ j sync ³ Posiiver Ruck während Synchronisaionsphase in ZHS bzw. während Momenenübergabe in ZRS ms Synchronschlag während Synchronisaionsphase in ZHS J I 2 kg m Moorrägheismomen J O 2 kg m Fahrzeugrägheismomen l j - Basisfunkionen des Kriging-Ansazes l - Anzahl der Ieraionen in jeweiliger Suche des EMMA-Verfahrens k - Anzahl der Parameer m kg Masse m d kg Masse der Kupplungsscheiben n - Drehzahl, Anzahl der Kupplungsscheiben, Anzahl der Sichproben n dr 1min Abriebsdrehzahl des Geriebes n eng 1min Moordrehzahl n u 1min Turbinendrehzahl des Wandlers nzhs, n ZRS 1min Maximale Schlupfdrehzahl des Flare p - Parameer p - Parameervekor u o p, p - Vekoren der uneren und oberen Parameerschranken p * - Unzulässige Parameersäze P - Parameerraum P W Leisung pcold, p Cnew bar Hydraulischer Druck der alen/ neuen Kupplung q - Anzahl von Parameerweren aus der Menge Q beim Morris- Verfahren, Parameer des Kriging-Modells Q - Menge der möglichen Parameer beim Morris-Verfahren r - Gewünsche Anzahl von Elemenareffeken beim Morris-Verfahren ra, r i m äußerer/ innerer Radius der Kupplung r i - Korrelaion zweier Fehlererme des Kriging-Ansazes r m m milerer Reibradius der Kupplung R - Korrelaionsmarix der Fehlererme des Kriging-Ansazes s - Weg

14 VI Verzeichnis der wichigsen Formelzeichen und Abkürzungen 2 s - Unsicherhei der Schäzung des Kriging-Modells S - Varianz s Zei (0) s Sarpunk der Schalung ( f 0) s Sarpunk des Flare ( pre) s Endpunk der Pre-Shif-Phase ( pos) s Ende der Pos-Shif-Phase ( T ) s Endpunk der Momenenübergabe ( v0) ( v1), s Beginn und Ende des Verspanners ( ) ω s Endpunk der Synchronisaion Δ del s Schalverzugszei Δ shif s Schalzei Δ TP s Dauer der Momenenübergabe Δ SP s Dauer der Synchronisaion TC1, T C2 Nm Kupplungsmomen der ersen/ zweien Kupplung T Cap Nm Kupplungskapaziä T eng Nm gemessenes Moormomen T ER Nm Mooreingriff T I Nm simulieres Moormomen T O Nm Fahrwidersandsmomen v ms Geschwindigkei V - Variaionskoeffizien WEI - Gewichee Erwaree Verbesserung WEI * - Ersazkrierium für WEI W dis J Dissipaionsenergie W F J Dissipaionsenergie während des Flare Griechische Buchsaben Symbol Einhei Bedeuung α - Wärmeübergangskoeffizien α, β, γ - Parameer der Gewichungsfunkion für EMMA Δ - Parameervariaion zur Berechnung eines Elemenareffeks ε - Fehlererm des Kriging-Ansazes ϑ C C Kupplungsemperaur

15 Verzeichnis der wichigsen Formelzeichen und Abkürzungen VII ϑ o C Temperaur des Ölkreislaufs im Geriebe θ - Parameer des Kriging-Modells κ - Maximaler Ruck des idealen Beschleunigungsübergangs μ - Mielwer, Reibbeiwer ξ - Übergangsparameer des idealen Beschleunigungsübergangs 2 σ - Varianz der Fehlererme beim Kriging σ i - Äußere Sraffunkion Φ - Vereilungsfunkion der Sandardnormalvereilung Φ - Ersazgüefunkion ω - Gewichungsfakor bzw. Gewichungsfunkion, Eigenfrequenz ωi, ω I rad s, rad s ² Geriebeeingangswinkelgeschwindigkei und - beschleunigung ωo, ω O rad s, rad s ² Geriebeausgangswinkelgeschwindigkei und - beschleunigung ω rad s Kupplungsschlupf Abkürzungen API ASG AT ATZ BIOS CAN DACE DoE DKG ECU EFAST EMMA HiL MDF MiL NAFTA NSGA-II OAT RBF SHS Applicaion Programming Inerface Auomaisieres Schalgeriebe Auomaic Transmission (Sufenauomageriebe) Auomobilechnische Zeischrif Basic Inpu Oupu Sysem Conroller Area Nework Design and Analysis of Compuer Experimens Design of Experimen Doppelkupplungsgeriebe Engine Conroller Uni Exended Fourier Ampliude Sensiiviy Tesing Enhanced Modelbased Muliobjecive Opimizaion Algorihm Hardware-in-he-Loop Measuremen Daa Forma Model-in-he-Loop Norh American Free Trade Agreemen Non Dominaed Soring Geneic Algorihm, 2nd Version One-a-a-Time Radiale Basis Funkionen Schub-Hoch-Schalung

16 VIII Verzeichnis der wichigsen Formelzeichen und Abkürzungen SiL SP SRS TP TCU VDI VDV Velodyn VKM ZF ZHS ZRS Sofware-in-he-Loop Synchronisaion Phase Schub-Rück-Schalung Torque Phase Transmission Conrol Uni Verein Deuscher Ingenieure Vibraion Dose Value Vehicle Longiudinal Dynamics Verbrennungskrafmaschine Zahnradfabrik Friedrichshafen Zug-Hoch-Schalung Zug-Rück-Schalung

17 1 1 Einleiung Die Gesamzahl von Auomobilen auf der Erde ha nach GEO (2011) im Jahre 2010 die Grenze von einer Milliarde überschrien. Angesichs einer Welbevölkerung von ca. sieben Milliarden Menschen wird der Drang des Individuums nach Mobiliä offensichlich. Diese Auomobiliä des modernen Menschen is heue überwiegend durch den Verbrennungsmoor im Verbund mi einem Geriebe gepräg. Auch in Zukunf wird das Geriebe an Bedeuung im klassischen Anriebssrang gewinnen. So geh die Sudie von IHS (2012) von einer signifikanen Seigerung der Verkaufszahlen von Personenkrafwagen mi Gerieben bis 2019 aus, siehe Abb Millionen Geriebe Jahr 2019 Abb. 1.1 Enwicklung der jährlichen Verkaufszahlen in Millionen von manuellen (weiß) und Auomaikgerieben (schwarz) bis 2019 nach IHS (2012) Die aufgeführen Zahlen erscheinen selbs dann noch realisisch, wenn die Wachsumsraen der Alernaive zum klassischen Anriebssrang, der Elekromobiliä (z.b. in Deuschland als Innovaionsmoor der Auomobilindusrie oder China als absazsärksem Mark), den gesecken Zielen ensprächen. So is man in Deuschland von dem Zwischenziel von zugelassenen Elekrofahrzeugen im Jahre 2014 mi gerade einmal 4541 Fahrzeugen am 01. Januar 2012 und einem Wachsum von 6,7% in 2011, wobei Hybridfahrzeuge mi berücksichig sind, noch sehr wei enfern, siehe KBA (2012). Für China prognosizier die Sudie von MCKINSEY (2012) eine Webewerbsfähigkei des Elekroauos ers für die Zei nach dem Jahre Des Weieren müssen die Prophezeiungen des unmielbar bevorsehenden Endes des Erdölzeialers und dami des klassischen Anriebssrangs sark bezweifel werden, da z.b. Experen der Bundesansal für Geowissenschafen und Rohsoffe die Überschreiung des Erdölfördermaximums (Peak Oil) weier in die Zukunf verschieben, weil sich immer neue Ölquellen erschließen lassen, siehe BUJALSKI (2012). Für die weiere Förderung aus z.b. Ölsanden wird dor bereis von Peak Oil 2 und einem Fördermaximum im Jahre 2030 gespro

18 2 Einleiung chen. Unabhängig von fossilen Rohsoffen kann Biospri aus nachwachsenden Ressourcen die Zukunf des klassischen Anriebssrangs weier sichern. Auch die welweie Finanzkrise im Jahre 2009 ha insbesondere die deusche Auomobilindusrie mi Rekordzahlen im Jahre 2011 bewälig, um nun roz Eurokrise weieres Wachsum in China und mielfrisig in Indien und weieren Schwellenländern zu generieren, siehe VDA (2012), KBA (2012). Insbesondere Indien is aufgrund der Enwicklung seines Bruoinlandsprodukes nach GEO (2011) kurz davor, ein sarkes Wachsum der Fahrzeugverkäufe zu erleben. Berache man also die Faken, so erschein der Siegeszug des Verbrennungsmoors mi Geriebe vor 2020 kein Ende zu nehmen. Falls sich dann die Elekromobiliä als Alernaive heraussell, so zeig z.b. WAGNER (2011), dass Geriebe auch im elekrifizieren Anriebssrang ihren Plaz finden werden, um dann Elekromooren in opimalen Beriebspunken zu bereiben. Seinen Aneil am wachsenden Gesamgeriebeaufkommen wird das Auomaikgeriebe dabei aufgrund der seigenden Kundenanforderungen bzgl. Effizienz und Sporlichkei bei gleichzeiigem Komfor des Anriebssrangs weier vereidigen, siehe Abb Durch die auomaische Wahl des Schalpunkes durch das Geriebe kann der Verbrennungsmoor häufiger und länger in effizienen Beriebspunken gefahren werden. Zusäzlich nimm das Auomaikgeriebe dem Fahrer den mühseligen manuellen Schalvorgang ab und führ diesen schneller und komforabler durch, als es selbs geübe Fahrer manuell vermögen. Ermöglich wird diese Überlegenhei von Auomaikgerieben gegenüber manuellen Gerieben heuzuage von einer komplexen Seuerung und Regelung durch das Geriebeseuergerä (TCU). Dieses besimm, wann und wie zwischen den Gangsufen gewechsel wird, siehe auch REIF (2007). Für eine opimale Funkionsweise der Geriebe und um das gewünsche Fahrverhalen zu erreichen muss dieselbe Geriebeseuerung für verschiedene Fahrzeugvarianen abgesimm werden. Dieser Vorgang der Absimmung bzw. Kalibrierung wird im deuschen Sprachraum häufig ewas missversändlich als Applikaion bezeichne. Der sogenanne Applikaionsingenieur bzw. Applikaeur leg dabei fes, wie sich das Geriebe innerhalb seiner konsrukiven Grenzen und innerhalb der Funkionsgrenzen der Geriebeseuerungssofware verhäl. Die Qualiä des Fahrzeugs is somi enscheidend vom Prozess der Applikaion abhängig.

19 Einleiung Geriebeapplikaion in der Auomobilindusrie Allgemein verseh man in der Auomobilindusrie uner dem Begriff Applikaion einen Vorgang, bei dem alle Parameer besimmer Funkionen für verschiedene Beriebspunke einer Fahrzeugvariane abgesimm und abschließend als Seriensand gespeicher werden. Neben der Schalablaufapplikaion, welche das Fahrzeugverhalen während des Schalvorgangs besimm, wird für die Absimmung von Auomaikgerieben zusäzlich eine Schalpunkauslegung vorgenommen. Hierbei werden die Schalpunke des Geriebes fesgeleg und somi, wann das Geriebe schale. Diese Schalzeipunke sind neben der grundlegenden Auslegung des Fahrzeugs (komforabel, sporlich, ec.) abhängig vom Momenenwunsch des Fahrers (Sellung des Fahrpedals), der Geschwindigkei und evl. von einem durch den Fahrer fesgelegen Schalprogramm. Zu diesen Schalprogrammen gehören z.b. Sporprogramme, bei denen der Schalpunk so ausgeleg wird, dass möglichs viel Leisung zur Verfügung seh, oder Schalprogramme, welche den Krafsoffverbrauch des Fahrzeuges senken, da sie den Verbrennungsmoor in verbrauchsopimalen Drehzahlbereichen bereiben. In der Schalablaufapplikaion werden alle für den Schalablauf relevanen Parameer der elekronischen Geriebeseuerung und Gerieberegelung angepass. Die zu applizierenden Parameer besimmen in Form von Kennweren, Kennlinien und Kennfeldern das Verhalen der Geriebefunkionen und somi, wie das Geriebe schale. Es exisieren für die Applikaion in der Regel bereis Daenbanken, aus denen dem zu applizierenden Fahrzeugypen verwande Daensäze ähnlicher oder älerer Fahrzeugvarianen ennommen werden können. Diese dienen als Basis für die fahrzeugspezifische Variaion der Seuerparameer. Für die weiere Absimmung fähr der Applikaeur im Fahrversuch Beriebspunke verschiedener Schalungen für unerschiedliche Temperauren, Drehzahlen und Drehmomene mi verschiedenen Schalprogrammen an. Anhand gemessener Zeiverläufe von u.a. Kupplungsdrücken und Drehzahlen und seiner subjekiven Bewerung jusier der Applikaeur dann die Parameer. In der Regel werden anschließend die Parameer für nich angefahrene Beriebspunke inerpolier. Dieser Vorgang wird so of wiederhol, bis die gesellen Anforderungen als erfüll angesehen werden. Somi läss sich der klassische Applikaionsprozess als Opimierungssraegie, wie in Abb. 1.2 dargesell, versehen. Hierbei wird die Abweichung der vom Applikaeur subjekiv bewereen Schalqualiä S von seiner Erwarung E über das Versellen der Parameer P der Geriebeseuerung minimier. Dem Applikaeur sehen dabei Applikaionssyseme zur Verfügung, welche ihm den schreibenden und lesenden Zugriff auf das Seuergerä ermöglichen. Die

20 4 Einleiung E S P Abb. 1.2 Applikaionsprozess im Sraßenversuch größe Herausforderung für Applikaionssyseme beseh in dem schreibenden Zugriff auf Parameer eines laufenden Programmcodes, siehe auch BORGEEST (2010) und ZIMMER- MANN u.a. (2007). Zusäzlich ermöglichen diese PC-Tools die visuelle Darsellung der relevanen Größen, die Verwalung von Daensäzen und den Download der Geriebefunkionen mi akueller Bedaung auf das Seuergerä (auch Flashen genann). Die Applikaion wird meis auf öffenlichen Sraßen im Prooyp oder im sogenannen Technikräger (ein äleres Fahrzeug oder eine älere Fahrzeugvariane mi abzusimmendem neuem Anriebssrang) durchgeführ. Diese manuelle Vorgehensweise der Absimmung einzelner Varianen in aufwändigen Sraßenversuchen verursach einen immensen Personal-, Zei- und somi Kosenaufwand. Der Erfolg des Prozesses is des Weieren fas vollsändig von der durch Erfahrung und Inuiion geprägen Arbei einzelner Applikaeure bzw. des Applikaionseams abhängig. Zusäzlich versärk sich der Aufwand durch die Schwierigkeien beim Transfer von Informaionen über die Geriebeseuerung vom Funkionsenwickler zum Applikaeur, siehe auch REIF (2007), welcher somi aufwändige Unersuchungen, häufig durch Versuch und Irrum gepräg, durchführen muss. Diese Probleme haben zu Besrebungen in Richung einer Auomaisierung des Applikaionsprozesses geführ. Der Fokus lieg hierbei meis auf der Schalablaufapplikaion, welche den höchsen Applikaionsaufwand erforder. Uner Anderem wurden von HAGERODT (2003) und späer von BAGOT (2008) erse Ansäze zur Auomaisierung dargeleg. Diese verläuf bei diesen beiden repräsenaiven Veröffenlichungen über eine Objekivierung der Schalqualiä, einer Paramerierung des Schalablaufs und einer Verbesserung der ermielen objekiven Krierien mi auomaischen Opimierungssraegien. Troz der zahlreichen weieren Be-

21 Einleiung 5 mühungen von z.b. BÖHL (2007) oder ALTENSTRASSER u.a. (2009) konne sich die auomaisiere Geriebeapplikaion noch nich in der Praxis durchsezen. Selbs die objekive Schalungsbewerung mi ensprechenden Werkzeugen als Vorsufe zum auomaisieren Prozess ha die subjekiven Bewerungen der Applikaeure noch nich abgelös, so dass die manuelle Applikaion noch immer den Sand der Technik darsell. 1.2 Ziel und Aufbau der Arbei Aus den vorangehenden Ausführungen gehen die zukünfigen Herausforderungen der Geriebeapplikaion in Form der seigenden Anzahl von Auomaikgerieben mi immer komplexer werdenden Seuerungen hervor. Zusäzlich seig der Applikaionsaufwand durch die forschreiende Individualisierung des Auomobils, welches in größer werdender Varianenvielfal angeboen wird, siehe z.b. WESTEN (2011). Der klassische Applikaionsprozess is diesen Herausforderungen aufgrund seiner vollsändigen Abhängigkei vom Applikaeur bereis kurz- bis mielfrisig nich mehr gewachsen und es ergib sich ein Handlungsbedarf bei der Weierenwicklung der Prozesse. Die Auomaisierung von Teilen der Schalablaufapplikaion und das Vorverlagern (Fronloading) der Aufwände vom Fahrzeug über den Rollen- und Geriebeprüfsand bis in Hardware-in-he-Loop- (HiL), Sofware-in-he-Loop- (SiL) und Modelin-he-Loop (MiL) Umgebungen können hierzu den enscheidenden Beirag leisen. Dabei werden schriweise die realen, euren Komponenen des Fahrzeuges durch viruelle Modelle ersez, welche mi sehr viel geringeren Kosen evaluier werden können. In dieser Arbei wird zunächs in Kap. 2 basierend auf dem Sand der Technik abgeleie, wo die Schwächen der besehenden Ansäze zur Auomaisierung liegen. Um eine gewisse Unabhängigkei von diesen Sraegien zu erlangen, wird ein grundlegendes physikalisches Versändnis des Schalvorgangs in Auomaikgerieben über die Analyse von Messungen und Simulaionen an einem ersellen Minimalmodell in Kap. 3 gewonnen. Aus dem Sysemversändnis lassen sich dann geeignee objekive, physikalische Krierien für die Schalqualiä in Kap. 4 ableien. Um diese erfolgreich zu idenifizieren und zu analysieren, wird das Werkzeug Evalshif enwickel. Mi einer Paramerierung des Schalablaufs des Minimalmodells aus Kap. 3 kann anschließend in Kap. 5 die Schalablaufapplikaion einer Zug-Hoch-Schalung als mehrkrierielles Opimierungsproblem formulier werden. Schalqualiä bilde dann basierend auf den hergeleieen Krierien immer einen Kompromiss zwischen Komfor und Sporlichkei. Die Lösung der Opimierungsaufgabe wird mi einem geneischen Algorihmus durchgeführ, welcher

22 6 Einleiung kaum Vorwissen, dafür aber sehr viele Sysemevaluaionen für die Konvergenz zu einem Opimum benöig. Um diese Anzahl von euren Sysemevaluaionen zu verringern, wird die Menge zu versellender Parameer durch Konzenraion auf relevane Parameer mi hohem Einfluss auf die Schalqualiä reduzier. Zur Idenifizierung dieser reichen das Wissen und die Erfahrung der Funkionsenwickler und Applikaeure of nich aus, so dass die Auswahl durch eine Sensiiviäsanalyse unersüz wird. Zusäzlich kann das fehlende Vorwissen im Opimierungsproblem durch ein mahemaisches Ersazmodell des Sysems ersez werden. An diesem können Opimierungen sehr schnell mi minimalen Kosen durchgeführ werden. Hierfür wird der exisierende Algorihmus EMMA zur dynamischen ersazmodellgesüzen Opimierung (siehe STÖCKER (2007)) weierenwickel und auf das besehende Problem angepass. Zur Validierung des so ensandenen Prozesses wird dieser auf ein reales Fahrzeug in Kap. 7 angewende und die Ergebnisse des auomaisieren Prozesses werden mi einer Applikaeursabsimmung anhand der in Kap. 4 definieren Krierien und des Zeiaufwands verglichen. Zuvor wird jedoch im Sinne des Fronloadings der gesame Prozess am deaillieren Modell des Fahrzeugs in Kap. 6 durchgeführ. So können vor euren Fahrzeugversuchen relevane Parameer über Sensiiviäsanalysen im Modell gefunden und der Ablauf der Opimierung geese werden, um zusäzlich die Effizienz der Mehoden zur Reduzierung der Sysemevaluaionen aufzuzeigen. Auch wenn man sich mi der Frage nach der opimalen Schalung u.a. bereis in NATUR- WISSENSCHAFTEN (1928) beschäfig ha, so seh doch eine befriedigende Anwor noch aus. Kap. 8 versuch daher, einen opimalen Beschleunigungsverlauf einer Schalung herzuleien und simulier diesen am Minimalmodell. Die Simulaion mach durch die einfache Vorgabe der Seuergrößen des Schalablaufs einen Vorschlag für eine opimale Vorseuerung des Schalablaufs von Auomaikgerieben, welche den Applikaionsaufwand weier senken kann.

23 7 2 Sand der Technik Im Folgenden werden Grundlagen zur Formulierung und Lösung von Opimierungsaufgaben in der auomaisieren Geriebeapplikaion dargeleg. Dazu gehören zunächs einige fundamenale Berachungen zu Gerieben im Allgemeinen und zu Auomaikgerieben im Besonderen. Anschließend wird der Sand der Technik bei der Schalqualiäsbeureilung besprochen und ein ensprechender Handlungsbedarf für die Enwicklung geeigneer Krierien benann. Nach den Grundlagen der mehrkrieriellen Opimierung und des in dieser Arbei verwendeen geneischen Opimierungsalgorihmus wird das Kapiel mi den in der Schalablaufapplikaion bekannen Mehoden zur Ersazmodellbildung abgeschlossen. 2.1 Grundlagen von Auomaikgerieben Zur Erweierung des beschränken Drehzahlbandes und Drehmomenenbereichs des Verbrennungsmoors is das Geriebe sei jeher Besandeil des Auomobils. In Abb. 2.1a is dies am Zugkrafdiagramm eines Verbrennungsmoors (VKM) dargesell. Das Geriebe approximier dabei die gewünsche Zugkrafhyperbel F ( v ) konsaner Leisung mi mehreren Gangsufen Z ensprechend Abb. 2.1b. Die Zugkrafhyperbel konsaner Leisung ergib sich nach der Krafschlussgrenze (bei Vernachlässigung der Triebsrangverluse) aus dem Zusammenhang zwischen der Zugkraf F Z, der Leisung P = FZ v = kons. und der Fahrzeuggeschwindigkei v : F Z a) b) Zugkrafangebo 1. Gang Zugkrafhyperbel 1. Zugkrafangebo VKM Anfahrbereich Gang v v Abb. 2.1 Approximaion der gewünschen Zugkrafhyperbel durch eine VKM a) ohne und b) mi 4-sufigem Geriebe nach BASSHUYSEN u.a. (2002)

24 8 Sand der Technik F Z P = (2.1) v Die Auslegung der Übersezungen riche sich nach der gewünschen Approximaion einer vorgegebenen Zugkraf. Maßgeblich für den Fahrkomfor in Auomobilen is somi auch immer das Geriebe. Exisieren bis in die 30er Jahre des 20. Jh. noch ausschließlich manuelle Geriebe, so wurde 1939 in den fahrkomfororienieren USA das erse Sufenauomageriebe (AT) mi vier Gängen von General Moors vorgesell, siehe NAUNHEIMER u.a. (2007). Grundlegend arbeien auch heuige Sufenauomaen noch nach demselben Prinzip: Als Anfahrelemen dien ein hydrodynamischer Drehmomenenwandler. Die Gangsufen werden über die Verschalung von Planeenradsäzen realisier. Zum Feshalen der einzelnen Sonnen, Planeen, Hohlräder und Sege dienen damals noch Bandbremsen. Den Sand der Technik bilden heue hydraulische Lamellenkupplungen und -bremsen. Zum Gangwechsel wird die Kupplung oder Bremse des alen Gangs abgeschale und die des neuen Gangs zugeschale. In Abb. 2.2 is der Aufbau und Kraffluss des 8-Gang Sufenauomaen 8HP von ZF nach dem Wandler schemaisch dargesell. Die Bremsen und Kupplungen A-E realisieren dabei je nach Zusand 8 Vorwärsgänge und einen Rückwärsgang mi den 4 verbauen Radsäzen RS1 bis RS4. Von den Radsäzen sind jeweils von unen nach oben die Sonne, die Planeen und das Hohlrad zu sehen. Im ersen Gang sind nach Tab. 2-1 die Bremsen A, B und die Kupplung C geschlossen. Über A und B werden Sonne und Hohlrad von Radsaz RS1 fixier und dami auch dessen Planeen, welcher das Hohlrad von RS4 feshäl. Gleichzeiig wird über C die Sonne von RS4 und dami auch dessen Plane angerieben, welcher den Abrieb bilde. Für eine Schalung in den zweien Gang wird dann Kupplung C geöffne und Kupplung E geschlossen, Tab. 2-1, wodurch die Sonne von RS4 seine Drehzahl änder. A B D E Abrieb Anrieb RS1 RS2 RS3 RS4 C Abb. 2.2 Schemaischer Aufbau und Kraffluss eines 8-Gang Sufenauomageriebes (ZF 8 HP) nach WAGNER u.a. (2007)

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