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Die
Erfindung befasst sich mit der aktiven Steuerung der Drehmomentverteilung
zwischen Rädern
eines Kraftfahrzeugs.
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Ausgleichsgetriebe
(Differentiale) werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um unterschiedliche Drehzahlen
zwischen verschiedenen Rädern
des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Dabei wird gemeinhin zwischen Querdifferentialen (Achsdifferentialen)
und Zentraldifferentialen unterschieden. Querdifferentiale ermöglichen
Drehzahlunterschiede zwischen Rädern einer
Achse des Fahrzeugs, während
Zentraldifferentiale derartige Unterschiede zwischen Rädern verschiedener
Achsen ermöglichen.
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Differentialsperren
wirken der Ausgleichswirkung des Differentials entgegen. Es sind
passive Differentialsperren bekannt, bei denen die Sperrwirkung von
einer Drehzahldifferenz abhängt.
Ein Beispiel einer solcher drehzahldifferenzabhängigen Differentialsperre ist
eine Visco-Kupplung. Die Sperrwirkung der Visco-Kupplung beruht
auf Flüssigkeitsreibung. Es
gibt auch drehmomentabhängige
Differentialsperren, beispielsweise das sogenannte Torsen-Differential.
Eine gezielte Beeinflussung der Sperrwirkung ist bei passiven Systemen
nicht möglich.
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Im
Unterschied zu passiven Systemen kann bei aktiven Differentialsperren
die Sperrwirkung definiert eingestellt werden. Als aktive Differentialsperren finden
steuerbare Kupplungen Anwendung, die zumeist stufenlos zwischen
einem vollständig
geöffneten
Zustand, in dem sie kein Drehmoment übertragen und dementsprechend
keine Sperrwirkung entfalten, und einem vollständig geschlossenen Zustand
verstellt werden können,
in dem sie einen maximalen Anteil des durch das Differential aufzuteilenden
Antriebsmoments übertragen
und entsprechend eine maximale Sperrwirkung entfalten. Ein Beispiel
einer für
aktive Differentialsperren verwendeten Kupplung ist eine Lamellenkupplung,
bei der die Sperrwirkung auf der Reibung von Reiblamellen aneinander
beruht.
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Bei
Allrad-Fahrzeugen ist der Allradantrieb oftmals nicht permanent,
sondern als sogenanntes "On
Demand"-Konzept
verwirklicht. Bei Fahrzeugen mit dieser Technik enthält der Antriebsstrang
eine primär
angetriebene Achse, wobei durch Schließen einer Kupplung eine sekundäre Achse
zugeschaltet werden kann. Derartige Kupplungen werden nachfolgend
Verteilerkupplungen genannt. Ist die Verteilerkupplung offen, erhält die sekundäre Achse
kein Antriebsmoment, ist sie dagegen zumindest teilweise geschlossen,
wird ein Teil des vom Antriebsmotor des Fahrzeugs zur Verfügung gestellten
Motormoments zur sekundären
Achse geleitet.
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Auch
bei Verteilerkupplungen wird zwischen passiven und aktiven Lösungen unterschieden.
Für passive
Lösungen
werden beispielweise wiederum Visco-Kupplungen eingesetzt, die auf
das Auftreten eines Schlupfes (Drehzahldifferenz) zwischen primärer und
sekundärer
Achse ansprechen und selbsttätig
schließen,
wobei der Grad des Schließens schlupfabhängig ist.
Aktive Lösungen
umfassen eine aktiv steuerbare Kupplung, beispielsweise wiederum eine
Lamellenkupplung.
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Verteilerkupplungen
wie auch Sperrkupplungen (d.h. Kupplungen für Differentialsperren) sind demnach
Komponenten, die durch ihren Kupplungszustand die Verteilung eines
Moments (Antriebsmoment oder Bremsmoment, je nachdem, ob der Fahrzeugmotor
antreibend oder bremsend wirkt) auf verschiedene Räder – oder allgemein
Radanordnungen – des
Fahrzeugs bestimmen. Der Begriff "Radanordnung" ist hier so zu verstehen, dass er sowohl
ein einzelnes Rad als auch zwei oder mehr Räder umfasst. Beispielsweise
bestimmt eine zentral in den Antriebsstrang zwischen einer Vorder-
und einer Hinterachse geschaltete Verteilerkupplung das Verhältnis, in
dem Moment zwischen den (jeweils mehreren) Rädern dieser beiden Achsen aufgeteilt
wird. Eine Sperrkupplung eines Querdifferentials bestimmt dagegen das
Verhältnis,
in dem ein der betreffenden Achse zur Verfügung gestelltes Antriebsmoment
auf das (mindestens eine) linke und das (mindestens eine) rechte Rad
dieser Achse aufgeteilt wird.
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Bei
gesteuerten Kupplungen zur Steuerung der Drehmomentverteilung in
einem Fahrzeug, seien es Verteilerkupplungen oder seien es Sperrkupplungen,
erfolgt bisher eine Aktivierung der Kupplung erst dann und nur dann,
wenn eine bestimmte minimale Drehzahldifferenz zwischen Rädern des
Fahrzeugs erfasst wird. Hierzu wird die Raddrehzahl der einzelnen
Räder sensorisch
erfasst und an eine elektronische Steuereinheit geliefert, die daraus
den Schlupf ermittelt. Ein bestimmter Bereich kleiner Drehzahldifferenzen
wird oftmals zugelassen, um beispielsweise solche Drehzahldifferenzen
außer
Acht zu lassen, die allein schon durch unterschiedlich starke Abnutzung der
Reifen hervorgerufen werden. Auch ist es bekannt, die Regelschwelle
mit zunehmender Geschwindigkeit und zunehmendem Lenkwinkel des Fahrzeugs
zu erhöhen.
Sobald jedoch die detektierte Drehzahldifferenz die Regelschwelle überschreitet, sendet
die Steuereinheit einen entsprechenden elektronischen Befehl an
die Kupplung. Abhängig
davon, wie stark die erfasste Drehzahldifferenz ist, wird die Kupplung
mehr oder weniger stark geschlossen, um so dem Schlupf entgegenzuwirken.
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Immer
wieder kommt es vor, dass während des
Fahrens fahrdynamisch kritische Situationen auftreten, beispielsweise
ein Lastwechselübersteuern bei
Kurvenfahrt. Letzteres wird durch eine plötzliche Gaswegnahme seitens
des Fahrers hervorgerufen. Die Gaswegnahme hat eine Lastwechselreaktion
des Fahrzeugs zur Folge, bei der eine erhebliche dynamische Gewichtsverlagerung
von hinten nach vorne auftreten kann. Dabei verringern sich vorübergehend die
Seitenführungskräfte der
Hinterräder,
während sie
gleichzeitig an den Vorderrädern
zunehmen. Dies kann das fahrdynamische Verhalten des Fahrzeugs hin
zu einem merklich übersteuernden
Verhalten ändern.
Wenn eine Kurve mit relativ großer
Geschwindigkeit durchfahren wird, kann dies sogar zu einem Ausbrechen
des Fahrzeughecks führen.
Weil die meisten Fahrer mit plötzlichen
Veränderungen
des fahrdynamischen Verhaltens des Fahrzeugs aufgrund mangelnder Übung überfordert
sind, können solche Änderungen
im Fahrverhalten erhebliche Sicherheitsprobleme bedeuten.
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Ein
anderes Beispiel für
eine fahrdynamisch kritische Situation ist das Beschleunigen in
der Kurve. Auch hierbei kann es zu einem mehr oder weniger starken Übersteuern
des Fahrzeugs bis hin zu einem Ausbrechen des Fahrzeughecks kommen.
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Herkömmliche
Systeme zur Steuerung von aktiven Verteiler- oder Sperrkupplungen
sind nicht dazu vorbereitet, mit solchen fahrdynamisch kritischen
Situationen umzugehen, da sie allein auf Drehzahldifferenzen ansprechen,
solche Drehzahldifferenzen jedoch bei Lastwechselreaktionen oder
bei Beschleunigung in der Kurve nicht notwendigerweise verstärkt auftreten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, bei einem mit mindestens einer aktiv
steuerbaren Sperr- oder Verteilerkupplung ausgestatteten Fahrzeug
für ein
sichereres und stabileres Fahrverhalten zu sorgen.
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Bei
der Lösung
dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Steuerung
einer Kraftfahrzeug-Drehmomentübertragungskupplung, deren
Kupplungszustand das Verteilungsverhältnis eines Moments zwischen
einer ersten und einer zweiten Radanordnung des Fahrzeugs beeinflusst.
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Erfindungsgemäß ist dabei
vorgesehen, dass der Kupplungszustand der Kupplung abhängig von
einer Abweichung eines Istwerts einer für das Gierverhalten des Fahrzeugs
repräsentativen
Giergröße von einem
Sollwert dieser Giergröße gesteuert wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung kann durch
Minimierung der Abweichung des Istwerts der Giergröße von dem
Sollwert das tatsächliche
Gierverhalten des Fahrzeugs an ein gewünschtes, vorgegebenes Gierverhalten
angenähert
werden. Dieses gewünschte
Gierverhalten entspricht zweckmäßigerweise
einem stabilen Fahrverhalten des Fahrzeugs. Abhängig von der Größe der Abweichung
des Istwerts vom Sollwert der Giergröße wird dabei die Kupplung
mehr oder weniger stark geschlossen. Kommt es zu einer fahrdynamisch
kritischen Situation, wie beispielsweise einem übermäßig starken Untersteuern oder
einem übermäßig starken Übersteuern,
ergibt sich eine Abweichung des Istwerts der Giergröße vom Sollwert.
Durch entsprechende Ansteuerung der Kupplung kann das auf die beiden Radanordnungen
zu verteilende Moment so umverteilt werden, dass sich der Istwert
der Giergröße wieder
dem gewünschten
Wert annähert.
Auf diese Weise kann ein geschlossener Regelkreis gebildet werden,
der Differenzen zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Giergröße ausregelt.
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Der
Sollwert der Giergröße kann
auf Grundlage eines theoretischen Fahrzeugmodells ermittelt werden,
das für
verschiedene Werte einer oder mehrerer Eingangsgrößen jeweils
einen geeigneten Sollwert für
die Giergröße bereitstellt.
Da es von der Fahrsituation abhängt,
welcher Sollwert für
die Giergröße geeignet
ist, werden bevorzugt ein oder mehrere Betriebsparameter des Fahrzeugs
als Eingangsgrößen für die Ermittlung
des Sollwerts der Giergröße herangezogen.
Zweckmäßigerweise
wird dabei der Sollwert der Giergröße abhängig von einem aktuellen Wert
eines Lenkwinkels des Fahrzeugs ermittelt, da abhängig von
der Kurvenkrümmung
ein unterschiedlich starkes Gieren des Fahrzeugs notwendig ist.
Da auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs beim Durchfahren einer
Kurve bestimmend dafür
ist, wie stark das Fahrzeug giert, wird der Sollwert der Giergröße vorteilhafterweise
abhängig
von einem aktuellen Wert der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt.
Daneben kann das der Ermittlung des Sollwerts der Giergröße zugrunde
liegende Fahrzeugmodell konstruktive bzw. geometrische Gegebenheiten
des Fahrzeugs in Betracht ziehen, so beispielsweise die Lenkgeometrie
oder/und den Radstand des Fahrzeugs. Der Zusammenhang zwischen dem
Giergrößen-Sollwert
und den variablen Eingangsgrößen kann
in einer Steuereinheit des Fahrzeugs beispielsweise in Form einer
tabellarischen Datenbasis oder in Form eines Algorithmus implementiert
sein, welcher zur Ermittlung des Sollwerts der Giergröße eine mathematische
Gleichung oder einen Satz solcher Gleichungen berechnet.
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Als
Giergröße kommt
zweckmäßigerweise zumindest
die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs in Frage. Diese kann beispielsweise
mit einem Gierratensensor unmittelbar ermittelt werden. Im Übrigen ist
es nicht ausgeschlossen, alternativ oder zusätzlich eine zweite zeitliche
Ableitung des Gierwinkels des Fahrzeugs (also die Gierbeschleunigung)
als Giergröße heranzuziehen.
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Wie
bereits weiter oben angedeutet, können die beiden Radanordnungen
an einer gemeinsamen Achse angeordnet sein und die Kupplung als
steuerbare Sperrkupplung eines Querdifferentials dieser Achse dienen.
Ebenso können
die beiden Radanordnungen an verschiedenen Achsen des Fahrzeugs angeordnet
sein und die Kupplung als steuerbare Sperrkupplung eines Zentraldifferentials
eines das Moment auf die beiden Achsen verteilenden Verteilergetriebes
des Fahrzeugs dienen. Auch können
die beiden Radanordnungen an verschiedenen Achsen des Fahrzeugs
angeordnet sein und die Kupplung als steuerbare Verteilerkupplung
zur Verteilung des Moments auf die beiden Radanordnungen dienen.
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Vorzugsweise
umfasst die Kupplung eine elektromotorische Stelleinheit, welche
zur Verstellung des Kupplungszustands der Kupplung elektrisch angesteuert
wird. Grundsätzlich
sind beliebige Stellprinzipien vorstellbar. Eine Möglichkeit
besteht in einem Stellmechanismus mit zwei axial gegenüberliegenden,
relativ zueinander verdrehbaren Scheibenteilen, die zwischen sich
eine Kugelanordnung aufnehmen, wobei diese Kugelanordnung an mindestens
einer Rampenbahn mindestens eines der Scheibenteile geführt ist.
Durch relatives Verdrehen der beiden Scheibenteile kann dabei eine
Verlagerung der Kugelanordnung entlang der mindestens einen Rampenbahn
herbeigeführt
werden, was den axialen Abstand zwischen den beiden Scheibenteilen
beeinflusst.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Steuerung einer Kraftfahrzeug-Drehmomentübertragungskupplung,
deren Kupplungszustand das Verteilungsverhältnis eines Moments zwischen
einer ersten und einer zweiten Radanordnung des Fahrzeugs beeinflusst.
Erfindungsgemäß umfasst
diese Anordnung eine die Kupplung steuernde elektronische Steuereinheit,
welche dazu eingerichtet ist, den Kupplungszustand der Kupplung
abhängig
von einer Abweichung eines Istwerts einer für das Gierverhalten des Fahrzeugs
repräsentativen
Giergröße von einem
Sollwert dieser Giergröße zu steuern.
Die Anordnung kann weitere der zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beschriebenen Merkmale aufweisen.
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Außerdem betrifft
die Erfindung einen Programmcode, der dazu bestimmt und ausgelegt
ist, bei Ausführung
auf einem programmgesteuerten Rechner eines Fahrzeugs die Durchführung des
Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art zu bewirken. Ein solcher
Programmcode kann auf einem digitalen Speichermedium, etwa einer
magnetisch oder optisch lesbaren Informationsträgerscheibe, bereitgestellt
werden, weshalb sich die Erfindung auch auf ein solches Speichermedium
mit darauf gespeichertem maschinenlesbaren Programmcode zur Ausführung des
Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art erstreckt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
stellen dar:
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1 schematisch
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines mechanischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit für die Steuerung
von Sperrkupplungen des Antriebsstrangs benötigten elektrischen und elektronischen
Komponenten,
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2 schematisch
ein zweites Ausführungsbeispiel
eines mechanischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit für die Steuerung
einer Verteilerkupplung des Antriebsstrangs benötigten elektrischen und elektronischen
Komponenten,
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3 ein
beispielhaftes Zeitdiagramm, das für ein Allradfahrzeug mit Verteilergetriebe
die Wirkung der Erfindung bei einem Lastwechselvorgang in der Kurve
veranschaulicht,
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4 ein
beispielhaftes Zeitdiagramm, das für ein Fahrzeug mit Frontantrieb
die Wirkung der Erfindung bei einem Lastwechselvorgang in der Kurve veranschaulicht,
und
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5a und 5b beispielhafte
Zeitdiagramme, die für
ein Allradfahrzeug mit bedarfsweise aktivierbarer Verteilerkupplung
die Wirkung der Erfindung bei einem Spurwechselmanöver veranschaulichen.
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In 1 ist
ein mechanischer Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs gezeigt, der
allgemein mit 10 bezeichnet ist. Der Antriebsstrang 10 enthält einen Antriebsmotor 12,
von dem für
den Vortrieb des Fahrzeugs nutzbares Motormoment bereitgestellt wird. Der
Antriebsmotor 12 kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine
oder ein elektromotorisches Antriebsaggregat sein. Dem Antriebsmotor 12 nachgeschaltet
ist ein Wechselgetriebe 14, welches beispielsweise ein
handschaltbares Getriebe oder ein lastabhängig schaltendes Automatikgetriebe
sein kann. Zwischen dem Antriebsmotor 12 und dem Wechselgetriebe 14 kann
eine in 1 nicht näher dargestellte Schaltkupplung
angeordnet sein. Das von dem Wechselgetriebe 14 gewandelte
Motormoment des Antriebsmotors 12 wird mittels eines Verteilergetriebes 16 in
einem vorbestimmten symmetrischen oder unsymmetrischen Verhältnis auf
eine Vorderachse 18 und eine Hinterachse 20 des
Fahrzeugs aufgeteilt. Der zur Vorderachse 18 geleitete Teil
des Motormoments wird mittels eines ersten Ausgleichsgetriebes (Differential) 22 auf
ein linkes und ein rechtes gelenktes Vorderrad 24 bzw. 26 des
Fahrzeugs aufgeteilt. Das durch das Differential 22 bewirkte
Verteilungsverhältnis
des an der Vorderachse 18 verfügbaren Antriebsmoments beträgt im ungesperrten
Fall 50%:50%. Ähnlich
wird der von dem Verteilergetriebe 16 der Hinterachse 20 zugeteilte Anteil
des Motormoments mittels eines zweiten Differentials 28 zu
gleichen Teilen auf ein linkes und ein rechtes Hinterrad 30 bzw. 32 des
Fahrzeugs aufgeteilt.
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Dem
Verteilergetriebe 16 ist eine stufenlos steuerbare Sperrkupplung 34 zugeordnet,
mittels der ein Zentraldifferential des Verteilergetriebes 16 teilweise
oder vollständig
sperrbar ist. Auch den Achsdifferentialen (Querdifferentialen) 22, 28 ist
je eine stufenlos steuerbare Sperrkupplung 36 bzw. 38 zugeordnet,
die eine teilweise oder vollständige
Sperrung des betreffenden Differentials ermöglicht. Die Sperrkupplungen 34, 36, 38 sind
jeweils mit einer elektromotorischen Stelleinheit 40 mechanisch
gekoppelt, durch die ein gewünschter
Kupplungszustand der jeweiligen Sperrkupplung eingestellt werden
kann. Die Stelleinheiten 40 werden von einer elektronischen
Steuereinheit 42 gesteuert, die entsprechende elektrische
Steuersignale an die Stelleinheiten 40 liefert. Es versteht
sich, dass jede der Stelleinheiten 40 und damit jede der
Sperrkupplungen 34, 36, 38 individuell
steuerbar ist.
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Zur
elektrischen Signalübertragung
von und zu der Steuereinheit 42 dient eine serielle Busanordnung 43,
die beispielsweise als CAN-(Controller Area Network) Bus ausgebildet
sein kann. Schnittstellen, Protokolle und elektrische Schaltungstechnik
für die Signalübertragung
auf einem CAN-Bus sind weithin bekannt und müssen nicht näher erläutert werden.
Es versteht sich, dass alternativ zu einer Busanordnung auch eine
individuelle Verdrahtung der verschiedenen elektrischen Komponenten
des Fahrzeugs mit der Steuereinheit 42 gegeben sein kann.
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Die
Steuereinheit 42 weist einen programmgesteuerten Mikroprozessor 44 auf
welcher nach Maßgabe
eines in einem elektronischen Speicher 46 der Steuereinheit 42 abgelegten
Steuerprogramms geeignete Steuersignale für die Stelleinheiten 40 erzeugt.
Das Steuerprogramm ist schematisch in 1 bei 48 angedeutet.
Zur Erzeugung geeigneter Steuersignale für die Stelleinheiten 40 ist
die Steuereinheit 42 auf Informationen über verschiedene Betriebsparameter
des Fahrzeugs angewiesen. Zu diesem Zweck kann sie über die
Busanordnung 43 auf verschiedene Signale zugreifen, die
für diese
Betriebsparameter repräsentativ
sind. Beispielsweise stellen Drehzahlsensoren 50 Informationen über die
Drehzahl jedes der Räder 24, 26, 30, 32 bereit.
Aus den gemessenen Raddrehzahlen kann die Steuereinheit 42 etwaige
Drehzahldifferenzen zwischen den Rädern der Vorderachse 18,
zwischen den Rädern
der Hinterachse 20 sowie zwischen den Achsen 18, 20 berechnen.
Außerdem
kann die Steuereinheit 42 nach in der Fachwelt an sich
bekannten Methoden eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermitteln.
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Die
Steuereinheit 42 kann bei Bedarf auch auf ein Motormomentensignal
zugreifen, welches für das
bereitgestellte Motormoment des Antriebsmotors 12 repräsentativ
ist und von einem schematisch angedeuteten Momentensensor 52 auf
die Busanordnung 43 ausgegeben wird. Ferner kann die Steuereinheit 42 über die
Busanordnung 43 gegegenenfalls Zugriff auf ein Pedalstellungssignal
haben, welches die Stellung eines Gaspedals 54 des Fahrers
angibt. Die Pedalstellung kann von einem Pedalstellungssensor 56,
der beispielsweise ein Potentiometersensor sein kann, erfasst werden.
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Über die
Busanordnung 43 kann die Steuereinheit 42 zudem
auf ein Lenkwinkelsignal und gewünschtenfalls
auf ein Gangstellungssignal zugreifen. Das Gangstellungssignal kann
von einem Gangstellungssensor 58 bereitgestellt werden,
welcher die Gangstellung des Wechselgetriebes 14 erfasst.
Aus dem Gangstellungssignal kann die Steuereinheit 42 erkennen,
ob und welcher Gang eingelegt ist. Das Lenkwinkelsignal wird von
einem Drehwinkelsensor 60 geliefert, welcher die Drehstellung
eines Lenkrads 62 des Fahrzeugs bzw. einer das Lenkrad 62 tragenden
Lenksäule
erfasst. Die Drehstellung des Lenkrads 62 bzw. der Lenksäule ist
ein Maß für den in 1 mit α beizeichneten
Lenkwinkel des Fahrzeugs, d.h. die Winkelabweichung der Vorderräder 24, 26 von
einer Geradeausstellung.
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Darüber hinaus
erhält
die Steuereinheit 42 (über
die Busanordnung 43) von einem Gierratensensor 64 ein
die Gierrate (Gierbeschleunigung) des Fahrzeugs angebendes Gierratensignal.
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Während 1 den
Fall eines Fahrzeugs mit permanentem Allradantrieb betrifft, zeigt 2 den Antriebsstrang
eines Fahrzeugs mit bedarfsweise zuschaltbarem Allradantrieb. Dieses
Konzept ist auch unter der Bezeichnung "On Demand"-Technik bekannt. In 2 sind
gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen
wie in 1 versehen, jedoch ergänzt um einen Kleinbuchstaben.
Um unnötige
Wiederholungen zu vermeiden, wird nachfolgend lediglich auf Unterschiede
zum Ausführungsbeispiel
der 1 eingegangen. Bei dem Fahrzeug mit dem in 2 gezeigten
Antriebsstrang handelt es sich um ein Fahrzeug mit Vorderachsantrieb,
bei dem die Hinterachse mittels einer stufenlos steuerbaren Verteilerkupplung 66a antriebsmäßig zuschaltbar
ist. Die Verteilerkupplung 66a ist zwischen die Achsdifferentiale 22a, 28a der Vorderachse 18a bzw.
der Hinterachse 20a geschaltet. Sie ersetzt das Verteilergetriebe 16 des
Ausführungsbeispiels
der 1 und erlaubt eine beliebige Aufteilung des vom
Antriebsmotor 12a bereitgestellten Motormoments auf die
beiden Achsen 18a, 20a. Der Kupplungszustand der
Verteilerkupplung 66a kann durch eine von der Steuereinheit 42a steuerbare
elektromotorische Stelleinheit 40a nach Wunsch eingestellt
werden.
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Die 1 und 2 stellen
lediglich Beispiele von Antriebsstrangkonfigurationen dar, bei denen
die Erfindung eingesetzt werden kann. Es versteht sich, dass verschiedene
andere Konfigurationen des Antriebsstrangs vorstellbar sind. Beispielsweise
kann bei dem "On
Demand"-Konzept
der 2 die Hinterachse 20a die primär angetriebene Achse
bilden, während
die Vorderachse 18a als sekundäre Achse bei Bedarf zuschaltbar
ist. In diesem Fall muss die Verteilerkupplung 64a an eine
Stelle zwischen dem Wechselgetriebe 14a und dem Vorderachsdifferential 22a verlegt
werden. Ebenso kann es sich um ein Fahrzeug mit reinem Vorderachsantrieb
oder Hinterachsantrieb handeln, wo stets nur eine Achse angetrieben
ist. Auch muss die Bestückung
der Differentiale mit aktiv steuerbaren Sperrkupplungen nicht so
sein, wie in den 1 und 2 dargestellt.
Beispielsweise kann in 1 die aktiv steuerbare Kupplung 36 des
Vorderachsdifferentials 22 oder/und die aktiv steuerbare
Kupplung 38 des Hinterachsdifferentials 28 weggelassen
oder durch eine passive, drehzahldifferenz- oder drehmomentfühlende Sperrkupplung
ersetzt werden. Umgekehrt können
in 2 eines oder beide der Differentiale 22a, 28a mit
einer aktiv steuerbaren Sperrkupplung versehen werden. Unabhängig von
der konkreten Antriebsstrangkonfiguration kann die Erfindung bei jeder
aktiv steuerbaren Verteiler- oder Sperrkupplung Anwendung finden,
durch deren Kupplungszustand sich das Verteilungsverhältnis eines
Antriebsmoments auf verschiedene Räder des Fahrzeugs beeinflussen
lässt.
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Nachfolgend
wird ein Steuerkonzept für
die Vorderachs-Sperrkupplung 36 der 1 erläutert. Dieses
Steuerkonzept ist sinngemäß auf die
beiden anderen Sperrkupplungen 34, 38 der 1,
auf die Verteilerkupplung 66a der 2 und generell
auf jede andere Sperr- und Verteilerkupplung übertragbar, die die Drehmomentverteilung
in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs beeinflusst. Normalerweise
ist die Sperrkupplung 36 offen, d.h. sie überträgt kein
Kupplungsmoment. Das Vorderachs-Differential 22 wirkt
dann als offenes Differential. Die Steuereinheit 42 spricht
auf Drehzahldifferenzen zwischen den Vorderrädern 24, 26 an.
Sobald sie eine solche Drehzahldifferenz erfasst, gibt sie ein Steuersignal
an die entsprechende Stelleinheit 40 aus, durch das bewirkt
wird, dass die Sperrkupplung 36 zumindest teilweise geschlossen
wird. Das wenigstens teilweise Schließen der Sperrkupplung 36 legt ein
Sperrmoment an das Differential 22 an, das der Ausgleichswirkung
des Differentials 22 entgegenwirkt.
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Die
Steuereinheit 42 ist Teil eines Regelkreises, der Drehzahldifferenzen
zwischen den Vorderrädern 24, 26 auf
einen minimalen Wert gleich oder nahe Null einzuregeln versucht.
Die Steuereinheit 42 enthält hierzu einen in Software
oder/und Hardware implementierten Regler, dem die erfasste Drehzahldifferenz
als Regeldifferenz zugeführt
wird. Das von dem Drehzahldifferenz-Regler ausgegebene Signal wird
sodann in ein entsprechendes Steuersignal für die betreffende Stelleinheit 40 umgesetzt.
Da allein schon durch unterschiedliche Abnutzung der Vorderräder 24, 26 oder
andere Unsymmetrien eine geringe Drehzahldifferenz auftreten kann,
ist zweckmäßigerweise
eine Regelschwelle festgelegt, unterhalb der die Steuereinheit 42 nicht
auf Drehzahldifferenzen anspricht.
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Für die Steuerung
des Kupplungszustands der Vorderachs-Sperrkupplung 36 reagiert
die Steuereinheit 42 jedoch nicht nur auf Drehzahldifferenzen zwischen
den Vorderrädern 24, 26 sondern
auch auf Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Gierverhalten des
Fahrzeugs und einem theoretischen, stabilen Gierverhalten. Erkennt
die Steuereinheit 42 eine solche Abweichung im Gierverhalten,
so steuert sie die der Sperrkupplung 36 zugeordnete Stelleinheit 40 so
an, dass sich das tatsächliche
Gierverhalten des Fahrzeugs dem gewünschten Soll-Gierverhalten
annähert.
Hierzu wertet die Steuereinheit 42 das von dem Gierratensensor 64 gelieferte
Gierratensignal aus. Fortlaufend oder in periodischen Abständen vergleicht
die Steuereinheit 42 den jeweils aktuellen Wert der Gierbeschleunigung
mit einem Sollwert für
die Gierbeschleunigung, den sie abhängig von aktuellen Werten des
Lenkwinkels α und
der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Die aus diesem Vergleich
ermittelte Giergeschwindigkeitsdifferenz wird in ein Regelsignal
umgesetzt, das für
die Ansteuerung der betreffenden Stelleinheit 40 verwendet wird.
Durch das teilweise oder vollständige
Schließen der
Sperrkupplung 36 abhängig
von der Giergeschwindigkeitsdifferenz wird eine Umverteilung des auf
die Vorderräder 24, 26 verteilten
Moments (antreibendes Moment im Motorbetrieb des Antriebsmotors 12 oder
Schlepp- bzw. Bremsmoment im Bremsbetrieb des Antriebsmotors 12)
bewirkt, die der Abweichung des tatsächlichen Gierverhaltens des
Fahrzeugs vom gewünschten
Gierverhalten und damit einer etwaigen Instabilität entgegenwirkt.
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Beispielsweise
bewirkt bei einem Fahrzeug mit einer in der erfindungsgemäßen Weise
gesteuerten Sperrkupplung in der Vorderachse oder/und in der Hinterachse
die Betätigung
der Sperrkupplung im Fall eines Lastwechselübersteuerns während einer Kurvenfahrt,
dass die Längskräfte an den
Rädern
der betreffenden Achse umverteilt werden, nämlich so, dass sich am kurvenäußeren Rad
eine größere Bremskraft
als am kurveninneren Rad einstellt. Das ungleiche Kräftepaar
an der betreffenden Achse bewirkt ein untersteuerndes Giermoment,
welches dem Lastwechselübersteuern
entgegenwirkt.
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Auch
eine Sperrkupplung im Verteilergetriebe eines Fahrzeugs mit permanentem
Allradantrieb oder eine bedarfsweise aktivierbare Verteilerkupplung
(On-Demand-Kupplung)
kann in der erfindungsgemäßen Weise
gesteuert werden, um fahrdynamisch kritische Manöver deutlich unkritischer zu
gestalten. Beispielsweise kann es bei einem vorderachsgetriebenen
Fahrzeug, dessen Hinterachse mittels einer Verteilerkupplung bedarfsweise
zuschaltbar ist, bei einem Spurwechsel auf glatter Fahrbahn dazu
kommen, dass im Schiebebetrieb (bei weggenommenem Gas) hohe Motorschleppmomente
auf die Vorderräder
wirken und deshalb ein vergleichsweise starker Bremsschlupf an den
Vorderrädern auftritt.
Hierbei nehmen die Seitenführungskräfte an den
Vorderrädern
so weit ab, dass das Fahrzeug den Lenkbewegungen der Räder nicht
mehr folgen kann. Es rutscht – in
höchstem
Maße untersteuernd – geradeaus.
Die Erfindung dagegen ermöglicht
eine rechtzeitige Erkennung dieses instabilen Verhaltens über die
entstehende Giergeschwindigkeitsdifferenz. Indem die Verteilerkupplung
abhängig
von der Giergeschwindigkeitsdifferenz aktiviert wird, wird das Motorschleppmoment
teilweise von der Vorderachse zur Hinterachse umgeleitet, so dass
sich das Seitenführungspotential
der (gelenkten) Vorderräder
erhöht. Das
Fahrzeug kann dann dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel folgen.
Auch wird die durchschnittliche Fahrzeugverzögerung verbessert, weil das
Motorschleppmoment nunmehr über
alle vier Räder
(unter der Annahme eines zweiachsigen Fahrzeugs mit zwei Rädern pro
Achse) übertragen
wird.
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Das
erfindungsgemäße Steuerkonzept
ist zudem unempfindlich gegenüber
Einflussparametern wie dem Fahrbahnreibwert, dem Beladungszustand des
Fahrzeugs und der Reifenart. Da die geregelte Größe bei dem hier betrachteten
Ausführungsbeispiel
die Giergeschwindigkeitsdifferenz ist, kann die stabilisierende,
das fahrdynamische Verhalten verbessernde Wirkung der Erfindung
im Wesentlichen in gleicher Weise auf allen Fahrbahnbelägen erzielt werden.
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Das
Diagramm der 3 zeigt beispielhafte Resultate
für ein
Allradfahrzeug mit Verteilergetriebe bei einem Lastwechselvorgang
in der Kurve. Das Fahrzeug weist drei Differentiale auf, nämlich ein
Vorderachsdifferential, ein Hinterachsdifferential sowie ein Mittendifferential
im Verteilergetriebe. Jedem dieser Differentiale ist eine Sperrkupplung
zugeordnet, durch die das betreffende Differential teilweise oder vollständig gesperrt
werden kann. Eine Kurve 102 zeigt den zeitlichen Verlauf
der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs für den Fall, dass alle drei
Differentiale während
des Lastwechselvorgangs offen, d.h. ungesperrt, bleiben. Man erkennt
einen starken Anstieg der Giergeschwindigkeit nach dem zum Zeitpunkt
t = 0 stattfindenden Lastwechsel (plötzliche Gaswegnahme durch den
Fahrer). Dieser Anstieg bedeutet eine deutliche Instabilität im fahrdynamischen
Verhalten des Fahrzeugs, die sich in einem sehr schwierig zu beherrschenden Übersteuern äußert.
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Eine
Kurve 104 stellt den Fall dar, dass alle drei Sperrkupplungen
zum Zeitpunkt des Lastwechsels vollständig geschlossen werden. Dadurch
wird ein etwas untersteuerndes Fahrverhalten realisiert, das an
der Abnahme der Giergeschwindigkeit erkennbar ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung kann durch
geeignete Abstimmung ein beliebiger Zeitverlauf der Giergeschwindigkeit
innerhalb des durch die Kurven 102, 104 abgedeckten
Bereichs eingestellt werden. Ein möglicher bei Anwendung der Erfindung erzielbarer
Zeitverlauf der Giergeschwindigkeit beim Lastwechselvorgang ist
durch eine Kurve 106 dargestellt. Je nachdem, wie stark
die einzelnen Sperrkupplungen des Fahrzeugs beim Lastwechsel geschlossen
werden, kann sich die Lage und Form der Kurve 106 verändern. Die übrigen Kurven 108, 110, 112 und 114 zeigen
beispielhafte Zeitverläufe
der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs, wenn zum Zeitpunkt des Lastwechsels
nur ein Teil der Sperrkupplungen – unabhängig von auftretenden Giergeschwindigkeitsdifferenzen – geschlossen
wird. Die Kurve 108 betrifft dabei den Fall, dass nur die
Vorderachs-Sperrkupplung geschlossen wird, die Kurve 110 den
Fall, dass nur die Hinterachs-Sperrkupplung geschlossen wird, die
Kurve 112 den Fall, dass allein das Mittendifferential
gesperrt wird, und die Kurve 114 den Fall, dass das Mittendifferential
und das Hinterachsdifferential gesperrt werden.
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Das
beispielhafte Zeitdiagramm der 4 wurde
für ein
frontangetriebenes Fahrzeug erstellt, das mit einem elektronischen
Stabilitätsprogramm (ESP)
ausgerüstet
ist. Das elektronische Stabilitätsprogramm
bewirkt abhängig
von den Drehzahlen der Räder,
dem Lenkeinschlag und der Querbeschleunigung sowie dem Giermoment
des Fahrzeugs Bremseingriffe an den Rädern sowie leistungsverringernde Eingriffe
am Antriebsmotor des Fahrzeugs. Eine Kurve 202 zeigt beispielhaft
den zeitlichen Verlauf der Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs, wenn
bei einem Lastwechselvorgang in der Kurve das Vorderachsdifferential
offen bleibt und das elektronische Stabilitätsprogramm ausgeschaltet ist.
Es stellt sich ein Anstieg der Giergeschwindigkeit nach dem Lastwechsel
(t = 0) ein, das Fahrzeug übersteuert
also. Wird das Vorderachsdifferential bzw. die diesem zugeordnete Sperrkupplung
in der erfindungsgemäßen Weise
abhängig
von Giergeschwindigkeitsdifferenzen gesteuert und bleibt gleichzeitig
das elektronische Stabilitätsprogramm
ausgeschaltet, stellt sich eine Kurve 204 ein. An der weniger
stark zunehmenden Giergeschwindigkeit ist die gewünschte Abschwächung des Lastwechselübersteuerns
deutlich erkennbar. Eine ähnlich
Abschwächung
des Lastwechselübersteuerns
wird auch durch das elektronische Stabilitätsprogramm bei offenem Differential
erreicht, wie durch eine Kurve 206 dargestellt. Man erkennt
jedoch, dass erst eine gewisse Zeit verstreichen muss, bevor das elektronische
Stabilitätsprogramm
anspricht. Insgesamt ist der Regelvorgang auch "rauher", was an den vergleichsweise starken
Schwankungen der Giergeschwindigkeit erkennbar ist.
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Im
unteren Teil des Diagramms der 4 sind zugehörige Zeitverläufe der
Längsbeschleunigung
des Fahrzeugs gezeigt. Eine Kurve 212 betrifft dabei den
Fall des offenen Differentials bei abgeschaltetem elektronischen
Stabilitätsprogramm,
während
eine Kurve 214 den Fall des offenen Differentials, jedoch
bei eingeschaltetem elektronischen Stabilitätsprogramm darstellt und eine
Kurve 216 den Fall darstellt, dass die Vorderachs-Sperrkupplung
des Fahrzeugs in der erfindungsgemäßen Weise abhängig von
Giergeschwindigkeitsdifferenzen geregelt wird. Da beim elektronischen
Stabilitätsprogramm die
Korrektur unter anderem dadurch erreicht wird, dass einzelne Räder abgebremst
werden, können unkomfortable
Verzögerungsspitzen
auftreten, die deutlich bei der Kurve 214 zu erkennen sind.
Die erfindungsgemäße Kupplungsregelung
greift dagegen früher
ein als das elektronische Stabilitätsprogramm und führt zu einem
gleichmäßigeren
Verlauf der Giergeschwindigkeit, wobei auch bei der Fahrzeugverzögerung keine
wesentlichen Sprünge
oder Unregelmäßigkeiten
auftreten. Wären
im hier betrachteten Beispielfall sowohl das erfindungsgemäße Steuer konzept
als auch das elektronische Stabilitätsprogramm aktiviert, wäre an sich
gar kein Eingreifen des elektronischen Stabilitätsprogramms erforderlich, da allein
durch die Steuerung der Vorderachs-Sperrkupplung abhängig von
Giergeschwindigkeitsdifferenzen das Lastwechselübersteuern weitestgehend eliminiert
werden kann.
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Die
Diagramme der 5a und 5b betreffen
schließlich
den Fall, dass ein Fahrzeug mit einer primär angetriebenen Vorderachse
und einer über
eine Verteilerkupplung bedarfsweise zuschaltbaren Hinterachse zum
Zeitpunkt t = 0 ein Spurwechselmanöver bei weggenommenem Gas ("Overrun") einleitet. 5a zeigt
beispielhafte Zeitverläufe
des Lenkradwinkels (strichpunktierte Kurve), der theoretischen Giergeschwindigkeit
(gestrichelte Kurve) sowie der tatsächlichen Giergeschwindigkeit
(punktierte Kurve) bei offener Verteilerkupplung. 5b dagegen
zeigt beispielhafte Zeitverläufe
dieser Parameter für
den Fall, dass die Verteilerkupplung des Fahrzeugs abhängig von
Giergeschwindigkeitsdifferenzen (Differenz zwischen theoretischer
Giergeschwindigkeit und tatsächlicher
Giergeschwindigkeit) gesteuert wird.
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Bei
offener Verteilerkupplung stellt sich trotz sehr großer Lenkradwinkel
und entsprechend großer theoretischer
bzw. Soll-Giergeschwindigkeit nur ein recht flacher Verlauf der
tatsächlichen
Giergeschwindigkeit ein. Das Fahrzeug kann den Lenkbefehlen des
Fahrers demnach nur sehr eingeschränkt folgen (5a).
Wird die Verteilerkupplung dagegen bei auftretenden Abweichungen
zwischen theoretischer und tatsächlicher
Giergeschwindigkeit wenigstens teilweise geschlossen, bleibt die
Giergeschwindigkeitsdifferenz gering. Dies führt dazu, dass das Fahrzeug
den Lenkbefehlen folgen kann (5b). Dementsprechend
sind nur kleinere Lenkradwinkel notwendig, um das gleiche Spurwechselmanöver wie bei
offener Verteilerkupplung durchzuführen.