An Objective Evaluation of the Comfort during a Gearshift HIL...

Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica - Meccanica del Veicolo e Sistemi di sicurezza attiva

Transmissions and driveline dynamicsAn Objective Evaluation of the Comfort during a Gearshift

HIL test bench

Prof. Mauro [email protected]

Laboratorio di Meccanica del Veicolo e Sistemi di Sicurezza Attiva

Dipartimento di Meccanica Politecnico di Torino


IndexIndex

Objective Evaluation of the Comfort during a Gearshift

Transmission and driveline dynamics

Hardware-in-the-loop (HIL) transmission and driveline test bench


Objective Evaluation of the Comfort during a Gearshift -Introduction

Legend1 TCU2 Actuation Unit3 ECU4 Throttle Valve 5 Display Inserted Gear Ratio6/7 Buttons UP/DOWN8 Button City Mode9 Lever UP/DOWN10 Gas Pedal Sensor11 Brake Pedal Sensor

No Clutch Pedal

How can we evaluate the performance of these systems?

Driveline technology has achieved progress due to the introduction of automated manual transmission systems (based e.g. on the electro-mechanical or electro-hydraulic actuation of the clutch and the synchronizers, or on Dual Clutch systems, etc.)


Outline

• Experimental Tests

• Correlation between Subjective and Objective Evaluations: Definition of Indexes

• Development of Models – Automated Computation of the Indexes

• Conclusions

• Gearshift Quality Evaluation: State-of-the-Art


Gearshift Evaluation: State of the Art

Subjective Parameters

SAE SUBJECTIVE EVALUATION CHART (CLIENT ORIENTED)

NOT ACCEPTABLE ACCEPTABLEEvaluation Very Poor Poor Less than

mediocre Mediocre Limit / acceptable Acceptable Quite

good Good Very good Excellent

Kind of clients All clients Middle clients Critical clients Expert clients

Perceptibility Very High High Moderate Small Very small Null

Sensation Untolerable Significant annoyance Annoyance Slight

annoyance Small disturbance Little disturbance No disturbance

Reaction Refusal Protest Complaint Acceptance Appreciation EnthusiasmAlphanumerical

scale Score 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Necessary correctionsImmediate and

radical intervention

Remedial intervention To be improved It requires attention O. K.

Clie

nt's

poin

t of v

iew



•Acceleration Discontinuity (AD), which corresponds to the importance of the feeling of braking and consequent pitch motion that the passengers of the car perceive during the gear shift. A large acceleration discontinuity corresponds to an uncomfortable gearshift. It is significant in the case of a gearshift between low gears in conditions of a fully open gas throttle valve

•Acceleration Hole (AH), which corresponds to the duration of thephase in which traction is absent. It should express the perceived rate of the gearshift process. A good gearshift should be characterized by a low Acceleration Hole

•Upshift Sportiness (US), which corresponds to the perception of a fast variation of the inertial forces during the upshift

•A comfortable gearshift should be characterized by a good performance in terms of AD and AH

Subjective Parameters



ObjectiveParameters


Experimental Tests


gas pedal positiongas pedal position gear n.gear n.

[%][%]

1 1 --> 2> 2

20, 4020, 40 2 2 --> 3> 3

60, 10060, 100 3 3 --> 4> 4

4 4 --> 5> 5


[%][%]

1 1 --> 2> 2

20, 4020, 40 2 2 --> 3> 3

60, 10060, 100 3 3 --> 4> 4

4 4 --> 5> 5

Manual Mode: sequence of upshifts

Automated Mode: sequenceof upshifts


[%][%]

100100 5 5 --> 3> 3

4 4 --> 2> 2

Auto Kick down: sequence of double downshifts in the automated mode, withoutusing brakes


[%][%]

100100 5 5 --> 4> 4

4 4 --> 3> 3

Downshifts during Traction: sequence of downshifts in the manual mode, without using brakes

Experimental Tests


20 40 60 100

1->22->3

3->44->5

3

4

5

6

7

8

9

Score

Gas Pedal [%]

Manual Up - Test Driver

1->2

2->3

3->4

4->5

The performance decays at low gear ratios and significant gas pedal inputs

20 40 60 100

1->2

3->43

4

5

6

7

8

9

Score

Gas Pedal [%]

Manual Up - Front Passenger

1->2

2->3

3->4

4->5

This statement is true for the professional test driver, the front passenger (a vehicle engineer) and the rear passenger (a person without any specific knowledge about AMT)

ExperimentalExperimental TestsTests: : ResultsResults


Clutch Torque

Engine Torque

SynchronizerActuator

1st phase: torque release (clutchdisengagement)2nd phase: synchronization3rd phase: torque increase (clutch re-engagement)

Experimental Tests: Results


Engine Speed

Clutch Speed

On the basis of the parameters of the driveline,it is not straightforward to distinguishbetween a comfortable and an uncomfortablegearshift



A more evident proof of gearshiftquality is given by the diagrams of longitudinal acceleration: the qualityof the gearshift is directly perceived in terms of vehice longitudinal dynamics

The difference between a comfortable and anuncomfortable gearshift can be measured AFTER and NOT DURING the gearshift



There is not any significant change from the viewpoint of the peak values and also of the pitch rate during the first part of the maneuver

The difference is significant after the gearshift!



The Experimental Tests: Results of the Correlation

The score is higher if this rate is low (index 1)

The score is higher if these values are low (index 2)

The score is higher if this distance is short (index 3)

The score is higher if the sum of these three times is low (index 4)

The score is higher if area A is small(index 5)


The Experimental Tests: Results of the Correlation•The statistical significance of the physical parameters was evaluated through Fisher’s test

•Indexes 1-4 demonstratea good correlation for a fixed value of gas pedalactuation

•Index 5 (based on area A) is the only index whichdemonstrates a goodcorrelation whenconsidering the experimental data alltogether

•The statistical correlation was found (the detailed statistics related to this work will be the subject of a future paper)

Index 3

Index 5


The Model

Engine

Clutch

Synchronizer

Gearbox-differential

Axle shaft

Tyre/Wheel

Vehicle Inertia

•The model considers also vehicle pitchand vertical motions and suspensionsanti-dive/anti-lift dynamics


The The ExperimentalExperimental TestsTests: : ResultsResults

Validation of vehicle longitudinaldynamics

The model permits a precise evaluation of the indexes 1-5 previously defined


The Experimental Tests – Road Tests

The correspondence is good alsofrom the point of view of all the main parameters, like pitchangle and suspensions dynamics

Current research is devoted tounderstanding the effect of engine mounting system dynamics


Conclusions

• The comfort of the gearshift can be assessed by considering vehicle parameters (more than driveline parameters), in particular the time history of vehicle acceleration and the duration of the maneuver

• The correlation between the physical parameters and the subjective parameters permits to define an index (index 5 in this presentation), valid in all the considered maneuvers

• Jerk, a parameter usually considered fundamental, does not appear so important in a correlation with subjective scores

• Vehicle longitudinal acceleration, pitch angle and the duration of the gearshift are useful parameters when comparing gear changes carried out with the same boundary conditions (e.g. gas pedal travel)

• This index can be automatically computed by the conceived vehicle and driveline model, to carry out an automated analysis for the optimization of vehicle and driveline parameters


Dinamica di sistemi di trasmissione automobilisticiIn ordine di complessità crescente, una trasmissione può essere modellizzata con un

modello dinamico:• rigido• con comportamento elastico dei semiassi• con comportamento elastico dei semiassi e del parastrappi• con studio del comportamento dei pneumatici• con beccheggio della massa sospesa del motore• con beccheggio della massa sospesa motore e della massa sospesa veicolo• con beccheggio e con gli scuotimenti verticali delle masse sospese• con beccheggio e con gli scuotimenti verticali delle masse sospese e scuotimenti

verticali delle masse non sospese• con beccheggio e scuotimento verticale delle masse sospese con percentuale Anti - Lift• con masse sospese e non sospese con percentuale di Anti – Lift.• con rotazione motore intorno al suo centro di istantanea rotazione reale• con dinamica del veicolo con influenza della coppia resistente di rotolamento, del

momento di inerzia delle ruote e della coppia resistente aerodinamica• con dinamica del veicolo con influenza della pendenza longitudinale della strada• con dinamica del veicolo con studio lineare della sospensione motore e modello della

dinamica della trasmissione• con dinamica del veicolo con studio Lagrangiano della sospensione motore


Dinamica di una trasmissione Dinamica di una trasmissione


Dinamica di una trasmissione (esempio a un grado di libertDinamica di una trasmissione (esempio a un grado di libertàà))

Componenti della trasmissione: albero motore, volano, disco frizione, albero primario del cambio e sincronizzatori, albero secondario del cambio, differenziale, semiassi, mozzi ruota e pneumatici

Frizione chiusa – marcia innestataUn solo grado di libertà. La trasmissione della coppia motrice avviene rigidamente dall’albero motore fino alle ruote

L’equazione matematica che descrive il modello in questa configurazione di funzionamento ad un grado di libertà è

( )( ) qresqmotfssfsswfssffdiscopsmotfssfssv TTiiJJiJJJiiJ −=+++++ ηηϑηηη &&222


( ) ( )wffssfss

dwf

fssfss

dqmotfdiscofssmotfsspsfssss

ssss

ff

fssfss iid

iikTJiiJiiJiiJ

ii

Jii

ϑϑηη

ϑϑηη

ϑηηη

&&&& −−−−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++++1

Modello con rigidezza semiassiModello con rigidezza semiassi

[ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ }fTKDM =++ ϑϑϑ &&&

( ) ( ) qreswfdwfdwv TdkJ −−+−= ϑϑϑϑϑ &&&&

qres

qmot

w

f

w

f

w

f

TT

TKDM =++ϑϑ

ϑϑ

θϑ

&

&

&&

&&

[ ] [ ]( ) 0det 2 =− MK λ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ += 12

21

2 Ji

JJJ

kd

ηλ


Modello dinamico della trasmissione con studio del comportamento dei pneumatici

Il modello introduce l’influenza del pneumatico sui modi di vibrare della trasmissione.

Durante i nostri studi si è visto che i modelli precedentemente studiati in fase di simulazione presentano delle vibrazioni non coerenti con la realtà a causa delle semplificazioni che si effettuano abitualmente in merito all’effetto del modello del pneumatico sulla dinamica della trasmissione

Uno studio importante sulla modellizzazione dei pneumatici è stato effettuato, come ben noto, da H.B.Pacejka


Dinamica longitudinale di un veicoloDinamica longitudinale di un veicolo

msm

msm

msmmsv

Fr

∑=

−−−Δ−Δ−=2

1izimRmFrzbRzbFrmsvsv FFFFFZm &&

( )( ) ( ) ( )332211

2211

zGmsmGmsvxzGmsmGmsvxzGmsmGmsvx

zmsvxzmsvxmRsmFrsGtotGmsvaermsvmsv

lHHFlHHFlHHFFlFlFbFaHHFMJ

−+−−+−−++++−+−+= ϑϑ&&

∑=

=3

1iximsmsm FXm &&

∑=

=2

1iyimsmsm FYm &&

∑=

=2

1izimsmsm FZm &&

∑∑==

+−=2

1

2

1 iziyi

iyizimsmxmsm FlFlJ ϕ&&

di

zixii

xizimsmymsm TFlFlJ −−= ∑∑==

2

1

3

1ϑ&&

∑∑==

+−=2

1

3

1 iyixi

ixiyimsmzmsm FlFlJ ψ&&

zbFrmFrpFrnsFrmnsFr FFFmZ Δ++−=&&

zbRmRpRnsRmnsR FFFmZ Δ++−=&&

Massa sospesa del veicoloMassa sospesa del motoreMasse non sospese


Prova di tiro Prova di tiro –– rilascio. Modelli linearirilascio. Modelli lineari


PROVE DI CAMBIO MARCIA PROVE DI CAMBIO MARCIA


VALIDAZIONE MODELLO SIMULINK CON DATI SPERIMENTALIVALIDAZIONE MODELLO SIMULINK CON DATI SPERIMENTALI


Conclusioni analisi dinamica di una trasmissione

Il modello più semplice e efficace per descrivere il comportamento dinamico di una trasmissione deve considerare almeno l’elasticità dei semiassi e le caratteristiche elastiche e smorzanti dei pneumatico

La validazione sperimentale di modelli che abbiano almeno questo grado di complessità ne conferma l’efficacia nel ricostruire la dinamica della trasmissione e del veicolo duranteun cambio marcia

Sono stati presentati alcuni parametri di una trasmissione che incidono in misura apprezzabile sul comportamento dinamico di un cambio marcia


SperimentazioneSperimentazione con con bancobanco provaprova trasmissionitrasmissioni HILHIL

Layout del Banco TrasmissioniCambio marcia robotizzato Ruolo funzionale

Schema Hardware-in-the-loop (HIL) del sistemaModello Matlab/Simulink

Dinamica veicoloLogica cambio marcia

Modello LabViewProcedura SIT

Sperimentazione a bancoProva in condizioni stazionarieProva di cambio marciaProve di fault analysis


Layout del banco: Layout del banco: Ruolo FunzionaleRuolo Funzionale

BancoTrasmissioni

Trasmissione meccanicaTrasmissione meccanica

CoppiaCoppia Coppia

Veicolo

Vel

Forza

Vel

Forza

Resist. aerodin

Corrispondenza banco trasmissioni - Ruolo funionaleMotore

TVO

Motore sorgente(comandato in coppia)

RPM

RPM

PacejkaPacejka

RPM

Ruota motrice DXRuota motrice SX

RPM

Forza

PacejkaPacejka

RPM

Forza

Motoreruota SX

(comandatoin velocità)

Motoreruota DX

(comandatoin velocità)


Modello Modello MatlabMatlab//SimulinkSimulink

Ingressi segnali+

filtri, caratteristiche

Modelloveicolo

Cambio marcia

Inizializzazione

Comandimotori

Comandi pompaed elettrovalvole


Modello VeicoloModello Veicolo

Ingressi segnali Coppia erogataMotore controllato in coppiaDinamica veicolo

Velocità ruota DXMotore controllato

in velocità

Velocità ruota SXMotore controllato

in velocità


MappatureMappature e caratteristichee caratteristiche

Caratteristica motore(n,TVO -> RPM)

Comando motore(V -> Nm)

Torsiotachimetri(V -> RPM , V -> Nm)

Comandi ruote(V -> RPM)


Dinamica longitudinale veicoloDinamica longitudinale veicolo

3

Fz_R

2

Fz_F

1

vel_x1/m

calcolo acc_x

f(u)

calcolo Fz_R

f(u)

calcolo Fz_F

3.6Vel_veh_kmh

Memory

1s

v el_x Fx_aer

Forza resistente

Cassa veicolo

4

Fx_FR

3

Fx_RR

2

Fx_RL

1

Fx_FL

Fx_aer [N]

Fx_R [N]

Fx_F [N]

v el_x [km/h]

Resist. aerodin

Forza x,FLForza x,FR

Inerzia

Dinamica longitudinale della cassaDinamica longitudinale della cassaRipartizione del caricoRipartizione del caricoParametro di aderenzaParametro di aderenzaModello pneumatico di Modello pneumatico di PacejkaPacejka’’8989

Resistenzaaerodin

Accel.

Vel.Forza z


Modello PneumaticoModello Pneumatico

Forza x

Inerzia

Ruotamotrice

Coppia

Jf=1.07; %momento d'inerzia ruote anteriori [kg*m^2]

R0=0.3 raggio di rotolamento

2

Fx

1

w

pi/30

rpm -> rad/s1

pi/30

rpm -> rad/s

Rfront

raggio ruotaanteriore scarica [m]

30/pi

rad/s -> rpm

f(u)

condizioniiniziali

f(u)

calc Raggio

Sicurezzarpm

fondo scala torsiometri

Selector

Ruota FL

1sxo

1/Jr

1

Fx_FL

1

Cm_FL

vel_x

mu

Fz

w

R

Fx

Calcolo Fx

6

mu5

Fz

4

Vel_x 3

Cf

2

Cm

1

w_FL

Fx [N]RPM

Coppia [Nm]

1

Fx

f(u)

slip trazione

f(u)

slip frenata

f(u)

cond

f(u)

calcoloFx

1

Slip_FL

1/1000

N -> kN

1

(1/(2*2*pi))s+1

Fx_Filt

5

R

4

w

3

Fz

2

mu

1

vel_x

Forza x

PacejkaPacejka’’8989

ω

Vel.

Forza z

Slip

Vel.

Forza z

dω/dt

ω

ω

μ

μ

Coppia


Gestione Cambio MarciaGestione Cambio Marcia

9

En_EV2

8

En_EV1

7

EN_EV0

6

DC_EV0

5

Comando_EV3

4

Duty_Cycle_EV1

3

Duty_Cycle_EV2

2

Com_Pompa

1

Tau

i_up

i_dw

is_up

is_dw

sw_EV1

sw_EV2

temporal_logic

1

inn_up1

u1

u2

u3

u4

u5

if (..)

inn_up

1

inn_sel_up1

u1

u2

u3

u4

u5

if (..)

inn_sel_up

1

inn_sel_dw1

u1

u2

u3

u4

u5

if (..)

inn_sel_dw

1

inn_dw1

u1

u2

u3

u4

u5

if (..)

inn_dw

1

clt1

Out1

Out1

z

1

z

1

11

Switch

gear_pos

shif t_pos

marcia

Osservatore stato cambio

1

Marcia_

Mappa Tau

if { }Out1

if { }Out1

if { }Out1

if { }Out1

[is_dw][is_up]

[i_dw][i_up]

[marcia]

Goto5

[inn_sel_dw]

[inn_dw]

[clt]

[Target_clt]

[pulse]

[shift_pos]

[gear_pos]

[inn_sel_up]

[inn_up]

[inn_dw]

[marcia]

[inn_sel_up]

[inn_up]

[inn_sel_up]

[inn_up]

[marcia]

[Target_clt]

[Target_clt]

[marcia]

[clt]

[pulse]

[pulse]

[shift_pos]

[gear_pos]

[is_up]

[is_dw]

[i_dw]

[i_up]

[inn_sel_up]

[inn_sel_dw]

[inn_up]

[marcia]

[inn_sel_dw]

[inn_dw]

[inn_sel_up]

[inn_up]

[marcia]

[inn_sel_dw]

[inn_dw]

[inn_sel_dw]

[inn_dw]

[clt]

Out1

1

Enable_EV2

1

Enable_EV1

marcia

u_d

gear_pos

shif t_pos

error_clt_pos

inn_up

inn_sel_up

clt

inn_dw

inn_sel_dw

Controllore Logica

I_EV0_f b

error_pos_clt

DC_EV0

Enable_EV0

Conrollo frizione

SW_EV1

I_EV2_f b

I_EV1

SW_EV2

DC_EV2

DC_EV1

Comando_EV2_UP

Out3

Comando EV3 Out3

Comando EV3

U_D

UP

DOWN

Cloche_control

Add_error_pos

48-53 bar

8

I_EV2_fb

7

I_EV1

6

I_EV0_fb

5

clt_pos_fb

4

U_D

3

Shift_Pos

2

Gear_Pos

1

Hyd_press


Modello Modello LabViewLabView

ComandoTVO

RPM motore

Coppia motore

RPM ruote

Coppie ruote

Marcia


Modello Modello LabViewLabView

Inizializzazione

Cambio marcia

Logica cambio marciaLogica cambio marciaComandi Comandi elettrovalvoleelettrovalvole

Abilitazione comandiAbilitazione comandiPartenza modello HILPartenza modello HIL


Procedura SITProcedura SIT

PC Host

LabView

PC Target

Matlab / Simulink

Software Software realreal--timetime (1 (1 kHzkHz))PC PC HostHost: : SimulinkSimulink --> > compilato compilato .dll.dll --> PC Target> PC Target


Prove sperimentaliProve sperimentali

Test in condizioni stazionarieTest in condizioni stazionarie

Test di cambio marciaTest di cambio marcia

Test di fault Test di fault analysisanalysis

Comportamento del cambiorobotizzato “selespeed”

Prestazioni della trasmissione

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Tempo [s]

Cop

pia

[Nm

]

GBout

CDX+CSX

CSX

CDX

TVO


Prove sperimentali: Prove sperimentali: Condizioni StazionarieCondizioni Stazionarie

Comando TVO

Coppia erogata

Cinematicaveicolo

Dinamicaruota

Coppietrasmesse


Prove sperimentali: Prove sperimentali: Cambio MarciaCambio Marcia

Posizione selezione

Posizione innesto

Marcia Innestata

Posizione Reggispinta

Comando Cloche

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