DE10043157A1

DE10043157A1 - Allrad-Management-System

Info

Publication number: DE10043157A1
Application number: DE2000143157
Authority: DE
Inventors: Jesper Benedikt Petersen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Allrad-Management-System, insbesondere zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs auf die einzelnen Fahrzeugräder eines Kraftfahrzeuges, im Wesentlichen bestehend aus einer Steuer- und Auswerteeinheit sowie einem Sensorsystem, wobei das Sensorsystem jeweils an jedem einzelnen Fahrzeugreifen eines Fahrzeugrades mindestens einen Sensor aufweist, über den der Grip des Fahrzeugreifens messbar ist. DOLLAR A Verfahren zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs mit einem Allrad-Management-System auf die einzelnen Fahrzeugräder eines Kraftfahrzeuges, wobei die Kraftverteilung auf die einzelnen Fahrzeugräder über eine Steuer- und Auswerteeinheit in Abhängigkeit von dem Grip des jeweiligen Fahrzeugreifens erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Allrad-Management-System, insbesondere zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs auf die einzelnen Fahrzeugräder eines Kraftfahrzeuges, im wesentlichen bestehend aus einer Steuer- und Auswerteeinheit sowie einem Sensorsystem.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs mit einem Allrad-Management-System auf die einzelnen Fahrzeugräder eines Kraftfahrzeuges.

Allradantriebe werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Traktion, insbesondere auf nasser und glatter Fahrbahn sowie im Gelände zu verbessern. Dabei kommt es auf eine, je nach Fahrsituation, möglichst optimale Kraftverteilung auf die einzelnen angetriebenen Räder an. Zur Steuerung der Kraftverteilung über eine zentrales Verteilergetriebe kommen verschiedene Sensorsysteme in Betracht. Bekannt sind Drehmomentsensoren (Torque Sensing), Differenzdrehzahlsensoren (Visco- und Haldex-Kupplung) und Drehzahlgradientsensoren.

Zur weiteren Traktionsverbesserung und zur Sicherstellung der Richtungsstabilität (Spurtreue) kommen zusätzlich "intelligente" Management-Systeme, wie Antiblockiersysteme (ABS) und Antriebsschlupfregelung (ASR) zum Einsatz, die gezielte Bremseingriffe vornehmen, bzw. das Gaspedal elektronisch steuern (EGAS).

Beim Anfahren oder Beschleunigen, sowie beim Bremsen hängt die Kraftübertragung vom Schlupf zwischen Reifen und Fahrbahn ab. Bis zu einem bestimmten Maximalwert erhöht sich der Kraftschluss mit zunehmendem Schlupf. Bei weiterer Erhöhung verringert sich der Kraftschluss wieder, d. h. beim weiteren Beschleunigen erhöht sich schlagartig die Drehzahl der Räder durch das überschüssige Drehmoment und die Räder drehen durch, beim Bremsen hingegen blockieren die Räder. Diese unerwünschten Betriebszustände werden mit Hilfe der bekannten Sensorsysteme durch ASR, bzw. ABS möglichst verhindert. Eine Weiterentwicklung stellt das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) dar, dass über die Vorteile von ABS und ASR hinaus die Fahrstabilität im fahrdynamischen Grenzbereich regelt. Dazu werden zusätzlich Längs-, Quer-, und Giergeschwindigkeit mit Hilfe von Sensoren gemessen und der gewünschte Lenkeinschlag des Fahrers (Sollverhalten) mit dem Istverhalten verglichen. Zur Verringerung der Differenz zwischen Sollverhalten und Istverhalten müssen die Reifenkräfte entsprechen beeinflusst werden.

Eine weitere wichtige Berechnungsgröße für einen gezielten Brems- bzw. Antriebseingriff sowie für die Kraftverteilung auf die Antriebsräder ist die Haftreibungszahl zur Bestimmung des Grip, bzw. der Haftreibung, die in den bekannten Systemen bisher allenfalls über Kennfelder als Schätzgröße eingeht. Der Grip bestimmt das maximal auf die Reifenaufstandsfläche übertragbare Drehmoment ohne dass die Räder durchdrehen. Die bekannten, zur Kraftverteilung verwendeten Sensorsysteme liefern keine gemessenen Grip-Daten.

Aus der DE 195 48 759 A1 ist ein Sensorsystem für Steuervorgänge eines Kraftfahrzeuges bekannt, dass mit einem oder mehreren Einzelsensoren Zug- /Druckspannungen an einem Verbindungssteg zwischen Reifen und Achse misst. Die Sensoren sind als Dehnungsmessstreifen (DMS) ausgebildet, die an einem radialen Steg einer Felge befestigt sind und während der Umdrehung des Fahrzeugrades die Biegebelastung des Verbindungsstegs anhand ihrer elektrischen Widerstandsänderung durch reversible Ausdehnung infolge von Krafteinwirkungen, messen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des bekannten Sensorsystems ist an zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Verbindungsstegs, wovon eine in Drehrichtung und eine in Gegendrehrichtung weist, jeweils ein DMS befestigt und mit einer elektrischen Brücke verschaltet. Bei einer reinen Zug-/Druckbelastung heben sich die Signale auf, während sie sich bei reiner Biegebelastung addieren. Die Signale ergeben eine sinusförmige Belastungskurve. Aus der Amplitude lässt sich die Radlast, aus der Frequenz die Drehgeschwindigkeit des Rades, d. h. die Fahrzeuggeschwindigkeit, und aus der Nullinie die Beschleunigungskraft ermitteln. Die Vorrichtung stellt damit einen gemeinsamen Sensor für verschiedene Messgrößen dar. Die gemessenen Daten können an eine zentrale Steuereinheit weitergegeben werden. Der bekannte Sensor ist jedoch nicht in der Lage, die direkt auf einen Fahrzeugreifen einwirkenden Verformungskräfte, wie etwa Seitenkräfte, zu messen. Die Messung des Grip der einzelnen Fahrzeugreifen ist daher mit diesem Sensor nicht möglich.

Nachteilig bei den bekannten Allrad-Management-Systemen ist, dass sie in Hinblick auf die Traktion nicht optimal gesteuert werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Allrad-Management-System so zu entwickeln, dass die Traktion der einzelnen Fahrzeugreifen optimal gesteuert werden kann.

Die Aufgabe wir erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Sensorsystem jeweils an jedem einzelnen Fahrzeugreifen eines Fahrzeugrades mindestens einen Sensor aufweist, über den der Grip des Fahrzeugreifens messbar ist.

Ein in einem Fahrzeugreifen angeordneter Sensor kann die direkt von der Reifenaufstandsfläche auf den Reifen bei der Fahrt einwirkenden Kräfte messen. Diese Kräfte stehen in direktem Zusammenhang mit dem Grip des Reifens. Wird für jeden Reifen auf diese Weise der Grip bestimmt, steht ein Datensatz für ein Allrad- Management-System zur Verfügung, mit Hilfe dessen Hilfe die zur Verfügung stehende Antriebskraft entsprechend dem für jedes Fahrzeugrad auf die Fahrbahn aufgrund des Grips übertragbaren maximalen Drehmoment verteilt werden kann. Dadurch wird die Traktion des Allradantriebs optimiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von Sensoren in einer oder mehreren Reifenflanken radial angeordnet. Bei dieser Ausführung messen die Sensoren die Seitenkräfte, die auf die Reifen einwirken. Die Seitenkräfte stehen in direktem Zusammenhang mit dem Grip der Reifen, sodass über die Seitenkräfte der Grip messbar ist. Durch die Anordnung von mehreren Sensoren wird eine Mittelung der Messwerte je Reifen ermöglicht, wodurch eine höhere Messgenauigkeit erreichbar ist.

Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Sensoren in den Laufstreifen der Reifen anzuordnen. Über die, auf die Laufstreifen einwirkenden Kräfte kann ebenfalls der Grip gemessen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sensoren derart elektrisch verschaltet, dass eine Steuer- und Auswerteeinheit aus den gemessenen Kräften den Grip und damit das maximal übertragbare Drehmoment ermitteln kann. Mit einer geeigneten Schaltung, wie etwa einer Brückenschaltung, lassen sich Fehlerquellen, z. B. durch Temperatureinflüsse, kompensieren. Dadurch erhält die Steuer und Auswerteeinheit zuverlässige Signale, die dann weiterverarbeitet werden können.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sensoren als Dehnungsmessstreifen (DMS) ausgebildet. Dehnungsmessstreifen sind in besonderer Weise für die Messung von Verformungen wie sie bei Fahrzeugreifen durch Einwirkung äußerer mechanischer Kräfte auftreten, geeignet. Sie sind kostengünstig herstellbar und können einfach in Fahrzeugreifen integriert werden. Mit DMS aufgebaute Sensorsysteme haben zudem eine geringe Störanfälligkeit. Grundsätzlich können die Sensoren auch als magnetische Sensoren ausgebildet sein.

Die bekannten Verfahren zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs mit einem Allrad-Management-System nutzen Sensordaten bezüglich Beschleunigung, Drehzahl und Drehmoment. Diese Daten reichen jedoch zur Steuerung nicht aus, damit jedes einzelne Fahrzeugrad immer diejenige Kraft, die in der jeweiligen Fahrsituation zu einer optimalen Traktion führen würde, erhält.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs mit einem Allrad-Management-System zu finden, bei dem die Kraftverteilung auf die, einzelnen Fahrzeugräder derart gesteuert wird, dass in der jeweiligen Fahrsituation die optimale Traktion erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 6 dadurch gelöst, dass die Kraftverteilung auf die einzelnen Fahrzeugräder über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Grip des jeweiligen Fahrzeugreifens erfolgt.

Durch die Einbeziehung der gemessenen Grip-Daten in die Steuerung der Kraftverteilung erhält das Allrad-Management-System die notwendigen Informationen, um jeweils an das Fahrzeugrad dessen Reifen den besten Grip aufweist, den größten Kraftanteil zu übertragen. Das Kraftschlusspotential zwischen Reifen und Rad wird dadurch besser ausgenutzt und die Traktion optimiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Grip über die Seitenkräfte, die auf einen Fahrzeugreifen bei der Fahrt einwirken, gemessen. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, Informationen über den Grip zu gewinnen, da die Seitenkräfte mit diesem in direktem Zusammenhang stehen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Grip über Kräfte, die auf den Laufstreifen eines Fahrzeugreifens einwirken, gemessen. Diese Ausführungsform bietet die Möglichkeit Sensoren, die im Laufstreifen angeordnet werden, zu verwenden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird der Grip kontinuierlich gemessen. Damit können zu jedem Zeitpunkt der Steuer- und Auswerteeinrichtung Daten zur Regelung der Kraftverteilung zur Verfügung gestellt werden. Es ist grundsätzlich aber auch möglich, den Grip nur in bestimmten Betriebssituationen zu messen. Dadurch kann, wegen der Reduzierung der Datenmenge, die Steuer- und Auswerteeinheit weniger aufwendig realisiert werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Allrad-Management- System in Verbindung mit anderen Management-System koordiniert. Die Grip-Daten werden dabei mit anderen Sensordaten, wie z. B. aus dem Vergleich von Soll- und Ist- Lenkeinschlag des ESP abgeglichen, um neben der optimalen Traktion auch optimale Fahrstabilität zu erreichen, oder bestimmte Grenzwerte einzuhalten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines Fahrzeugreifens mit einem DMS- Sensor und

Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Allrad-Management-Systems.

Ein Allrad-Management-System 8 besteht im wesentlichen aus einem Grip-Sensor 9, der in einem Fahrzeugreifen 1 eines Fahrzeugrades 24 angeordnet ist, und einer Steuer- und Auswerteeinheit 3 für Grip-Messungen.

Der Sensor 9 ist in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform als Dehnungsmessstreifen 2 (DMS) ausgebildet. Dieser besteht aus einem elektrischen Leiter, der auf eine Folie aufgeklebt ist. Wird die Folie ausgedehnt, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Der DMS 2 ist radial in der Flanke 23 des Reifens 1 befestigt, sodass er sich bei der Einwirkung von Seitenkräften auf den Reifen 1 ausdehnt. Der DMS 2 ist mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 3 verbunden, über die eine Versorgungsspannung angelegt ist. Die Ausgangsspannung ändert sich entsprechend der Widerstandsänderung des DMS 2 und ist damit ein Maß für die einwirkenden Kräfte.

Die Kraft 7, die auf die Fahrbahn übertragen wird, steht mit dem Drehmoment 4 des Rades 24 mit dem Radius 5 über den Reibungskoeffizienten 13 gemäß M_RAD/r = µ_WEG-REIFEN.F_WEG in Verbindung. Der Grip des Reifens 1, ist umso höher, je größer die an ihm gemessene Krafteinwirkung ist. Daher läßt sich auch mit einem Sensorsystem, dass die Seitenkräfte misst, auf den Grip schließen. Umgekehrt kann dann mit dem Allrad- Management-System 8 demjenigen Rad, dass den besten Grip aufweist, der größte Kraftanteil des Antriebs zugewiesen werden.

In jedem angetriebenen Rad 24 sind mehrere DMS 2, in den Reifenflanken 23 angeordnet, die mit einer bekannten Brückenschaltung zusätzlich mit Kompensationsstreifen (nicht dargestellt) elektrisch verschaltet sind, sodass sich Temperatureinflüsse kompensieren lassen. Weiterhin ist die elektrische Schaltung derart ausgelegt, dass sich entgegengesetzte Kräfte an einem Reifen 1 zu sich auslöschenden Signalen überlagern, während sich addierende Kräfte zu sich addierenden Signalen führen. Die resultierenden Signale der DMS 2 jedes Reifens können dann von der Steuer- und Auswerteeinheit 3 als Maß für den Grip jedes Reifens an das Allrad- Management-System 8, 8' weitergegeben werden.

Ein Verfahren zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs mit einem Allrad- Management-System 8 auf die einzelnen Fahrzeugräder 24 eines Kraftfahrzeuges beruht im wesentlichen darauf, dass die Kraftverteilung auf die einzelnen Fahrzeugräder 24 über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 3 in Abhängigkeit von dem gemessenen Grip des jeweiligen Fahrzeugreifens 1 erfolgt.

Das Allrad-Management-System 8 ist die zentrale Komponente in der Regelung eines Allradantriebs. Es ermittelt das maximal über einen Reifen auf die Fahrbahn übertragbare Drehmoment, d. h. die Schlupfgrenze. Es erhält die Daten eines Grip- Sensors 9, sowie eines ESP-Sensors 10. Der ESP-Sensor 10 legt die Grenzen für die Drehmomentverteilung der einzelnen Räder untereinander fest, wobei die Fahrstabilität in Grenzbereichen, insbesondere bei extremen Lenkmanövern in einer Kurvenfahrt, berücksichtigt wird. Ermittelt der Grip-Sensor eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten (DMS 2 dehnt sich durch größere Krafteinwirkung mehr aus) 13, d. h. einen besseren Grip bei konstantem Drehmoment 4, erfolgt eine Drehmomenterhöhung 11. Entsprechend erfolgt eine Drehmomentreduzierung 12 bei niedrigerem Reibungskoeffizienten 14. Ist der Reibungskoeffizient 15 konstant, wird zunächst die Raddrehzahl 16 mit Hilfe eines Sensors gemessen. In Abhängigkeit vom Raddrehzahlgradienten 17 erfolgt eine Drehmomenterhöhung 11 bei sinkender Drehzahl 16 (besserer Grip), und eine Drehmomentreduzierung 12 bei steigender Drehzahl 16 (schlechterer Grip → Rad dreht durch) Die Drehmomentreduzierung 12 kann über eine steuerbare Kupplung oder durch einen Bremseingriff erfolgen. Die Drehmomenterhöhung 11 kann etwa durch Sperren einer sogenannten nHang-On"-Kupplung erfolgen. Ist die Drehzahl 16 konstant, kann mit Hilfe eines elektronisches Gaspedals (EGAS) 22 das Drehmoment 4 vergrößert werden, ebenso vergrößert sich das Drehmoment bei einem Kick-Down". Nach der erfolgten Regelung durch das Allrad-Management-System 8 erfolgt eine erneute Messung des Grip-Sensors 9, bzw. des ESP-Sensor 10, wodurch der Regelkreis von neuem beginnt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Fahrzeugreifen

2

Dehnungsmessstreifen

3

Steuer- und Auswerteeinheit

4

Raddrehmoment

5

Reifenradius

6

Radkraft in Drehrichtung

7

Kraft in Wegrichtung

8

,

8

' Allrad-Management-System

9

Grip-Sensor

10

ESP-Sensor

11

Drehmomenterhöhung

12

Drehmomentreduzierung

13

Reibungskoeffizienterhöhung

14

Reibungskoeffizientreduzierung

15

Unveränderter Reibungskoeffizient

16

Raddrehzahl

17

Raddrehzahlgradient

18

Raddrehzahlverringung

19

Raddrehzahlerhöhung

20

Unveränderte Raddrehzahl

21

"Kick-Down"

22

"Elektronisches Gaspedal" (EGAS)

23

Reifenflanke

24

Fahrzeugrad

Claims

1. Allrad-Management-System (8), insbesondere zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs auf die einzelnen Fahrzeugräder (24) eines Kraftfahrzeuges, im wesentlichen bestehend aus einer Steuer- und Auswerteeinheit (3) sowie einem Sensorsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem jeweils an jedem einzelnen Fahrzeugreifen (1) eines Fahrzeugrades (24) mindestens einen Sensor (9) aufweist, über den der Grip des Fahrzeugreifens (1) messbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren (9) in mindestens einer Reifenflanke (23) radial angeordnet ist, sodass die Sensoren (9) bei Einwirkung von Seitenkräften auf den Fahrzeugreifen (1) ein vom Grip abhängiges Messing erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren (9) im Bereich des Laufstreifens des Fahrzeugreifens (1) angeordnet ist, sodass die Sensoren (9) bei Einwirkung von Kräften auf den Laufstreifen ein vom Grip abhängiges Signal erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (9) derart elektrisch verschaltet sind, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (3) aus den Messstangen der Sensoren (9) für jeden Fahrzeugreifen (1) das maximal auf eine Fahrzeugreifenaufstandsfläche übertragbare Drehmoment ermitteln kann.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren als Dehnungsmessstreifen (2), deren elektrischer Widerstand sich bei ihrer Ausdehnung ändert, ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren als magnetische Sensoren ausgebildet sind.

7. Verfahren zur Steuerung der Kraftverteilung eines Allradantriebs mit einem Allrad- Management-System (8) auf die einzelnen Fahrzeugräder (24) eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftverteilung auf die einzelnen Fahrzeugräder (24) über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) in Abhängigkeit von dem Grip des jeweiligen Fahrzeugreifens (1) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grip durch Messung der Seitenkräfte auf den Fahrzeugreifen (1) mit Hilfe von Sensoren (9) in den Reifenflanken (23) bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grip durch Messung der Kräfte auf den Laufstreifen des Fahrzeugreifens (1) mit Hilfe µon Sensoren (9) im Laufstreifen des Fahrzeugreifens (1) bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grip-Messung kontinuierlich erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grip-Messung nur in vorgegebenen Betriebssituationen erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Allrad-Management-System (8) zur Ermittlung des maximal übertragbaren Drehmomentes eines Fahrzeugreifens (1) auf eine Reifenaufstandsfläche in Verbindung mit anderen Management-Systemen, die die Kraftverteilung auf die einzelnen Fahrzeugräder (24) anhand bestimmter Betriebsdaten steuern, koordiniert ist.