Alfes, Sebastian (2017)
Modell- und signalbasierte Fehlerdiagnose eines automatisierten Nutzfahrzeuggetriebes für den Off-Board und On-Board Einsatz.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In modernen Nutzfahrzeugen sind Schaltabläufe und Gangwechsel im Gruppengetriebe durch elektromechanische Aktuatoren automatisiert worden, sodass Schaltzeiten und Zugkraftunterbrechungen reduziert werden. Die automatisierten Gruppengetriebe verbessern das Fahrzeughandling, entlasten den Fahrer, steigern die passive Sicherheit und unterstützen eine wirtschaftliche, kraftstoffsparende und geräuscharme Fahrweise. Um diese Vorteile der modernen Getriebe zu gewährleisten, ist eine fehlerfreie Funktion der einzelnen Aktuatoren notwendig. Durch die Verbauung der zusätzlichen elektromechanischen Aktuatoren ist allerdings die Komplexität gestiegen, sodass Fehlerursachen immer differenzierter und komplizierter geworden sind, was den Einsatz von modernen Diagnosemethoden erforderlich macht.

In dieser Arbeit werden verschiedene Diagnosemethoden für das automatisierte Getriebe in schweren Nutzfahrzeugen beschrieben, implementiert und miteinander verglichen. Ein mögliches Anwendungsgebiet der Fehlererkennung des automatisierten Getriebes ist die interaktive und flexible Ferndiagnose. Im Gegensatz zur klassisch lesenden Ferndiagnose, handelt es sich hierbei um eine Telematik-Anbindung zum Fahrzeug, bei der aktive Systemeingriffe mittels Diagnoseroutinen durchführbar sind. Durch die Diagnoseroutinen können einzelne Systeme separat angesteuert und in einen einheitlichen Betriebszustand gebracht werden. Bezüglich der Diagnoseroutinen muss der Fahrer informiert werden, zudem ist eine Interaktion durch Unterstützung und Bestätigung des Fahrers zwingend erforderlich. Das gesamte Konzept der interaktiven und flexiblen Ferndiagnose und ein Prototyp ist zu Beginn dieser Arbeit beschrieben worden.

Eine Diagnosemethode für das automatisierte Nutzfahrzeuggetriebe ist die entwickelte modellbasierte Fehlererkennung für die elektromechanischen Getriebeaktuatoren, die den automatisierten Schaltvorgang und die Synchronisierung durchführen. Die modellbasierte Fehlererkennung bietet die Möglichkeit zu einer dynamischen Fehlererkennung während der Diagnoseroutinen, aber auch während der Fahrt. Dazu ist das dynamische Prozessverhalten der Getriebeaktuatoren, wie Kupplungsausrücker, Kupplung, Split- und Rangemodul mit Synchronisierungseinheiten, Gassen- und Gangaktuatoren, Getriebelamellenbremse und das eigentliche mechanische Getriebe mit Klauenmuffen in einem Simulationsmodell nachgebildet worden. Die Symptomgenerierung der modellbasierten Fehlererkennung erfolgt durch entwickelte Paritätsgleichungen oder einer Parameterschätzung. Die ermittelten Paritätsgleichungen für verschiedene Luftdruck-, Positions- und Drehzahlsignalen werden anhand einer Grenz- und Schwellwertüberwachung weiter verarbeitet. Innerhalb der Parameterschätzung sind mittels des Rekursiven Least Squares Algorithmus u.a. pneumatische Leitwert-, mechanische Reibungs-, Feder- und Dämpfungsparameter zur Fehlererkennung ermittelt worden.

Neben der modellbasierten Fehlererkennung ist eine signalbasierte Fehlererkennung speziell zur Auswertung der Diagnoseroutinen entwickelt worden. Für alle verbauten Getriebeaktuatoren des G281 Gruppengetriebes sind Diagnoseroutinen erstellt worden, die die einzelnen Systeme in einen reproduzierbaren Betriebszustand bringen, um vergleichbare Messsignalverläufe zu erzeugen. Die Auswertungen der Messdaten erfolgt über eine Berechnung der Flächen unterhalb der Signalverläufe. Die ermittelten Flächen dienen als Symptome und sind für alle Getriebekomponenten in Fehler-Symptom-Tabellen dargestellt. Indem die Fehler-Symptom Zusammenhänge durch Fuzzy-Mengen interpretiert werden, ist eine Auswertung mit Fuzzy-Logik im Anschluss der Flächenberechnung entwickelt worden.

Die signal- und modellbasierte Fehlererkennung ist anhand eines Prüfstandes des automatisierten Mercedes PowerShift-Gruppengetriebe G281 mit 12 Gängen für das schwere Nutzkraftfahrzeug Actros verifiziert und validiert worden. Verschiedene Fehlerarten wie beispielsweise Leckagen, Verstopfungen, poröse Zylinderkolbenmanschetten, gebrochene Federn oder verschlissene Bremslamellen sind gezielt am Getriebeprüfstand eingebaut und für die Diagnoseroutinen untersucht worden. Am Ende dieser Arbeit sind die umgesetzten Diagnosemethoden auch für den Fahrbetrieb evaluiert worden.

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