DE102005047094A1

DE102005047094A1 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung einer Steuergröße zur Steuerung einer Drehmomentübertragungskupplung in einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102005047094A1
Application number: DE200510047094
Authority: DE
Inventors: Manfred Steding; Stefan Fries; Klaus MÄTZSCHKER; Uwe Wunschelmeier; Heinrich Huchtkötter; Frank Discher; Stephan Leven
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-10-01
Also published as: DE102005047094A8; DE102005047094B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Steuergröße (k) zur Steuerung einer Drehmomentübertragungskupplung in einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei bei diesem Verfahren zur Ermittlung der Steuergröße (k) ein von einer Ist-Gierrate DOLLAR I1 des Fahrzeugs abhängiger erster Teilfaktor (k¶1¶) multiplikativ mit einem zweiten Teilfaktor (k¶2¶) verknüpft wird. Der zweite Teilfaktor (k¶2¶) ist von einer bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs für die Drehzahldifferenz zwischen einem kurveninneren und einem kurvenäußeren Rad der Achse repräsentativen Kurven-Drehzahldifferenz (DELTAeta¶ACS¶) abhängig und besitzt zumindest näherungsweise ab Drehzahlgleichheit zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad hin zu größeren Drehzahlen des kurveninneren Rads gegenüber dem kurvenäußeren Rad einen von Null verschiedenen Wert. Hat bei beschleunigter Kurvenfahrt des Fahrzeugs das kurveninnere Rad so viel Schlupf, dass es schneller dreht als das kurvenäußere, ermöglicht das Verfahren die Erzeugung eines zusätzlichen Giermoments, durch das der Schräglauf des Fahrzeugs verbessert wird.

Description

Die Erfindung befasst sich mit der aktiven Steuerung der Antriebsmomentzufuhr zu den Rädern einer angetriebenen Achse eines straßengängigen Kraftfahrzeugs.

Ausgleichsgetriebe, häufig Differentiale genannt, werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um unterschiedliche Drehzahlen zwischen verschiedenen Rädern des Fahrzeugs zu ermöglichen. Dabei wird gemeinhin zwischen Querdifferentialen (Achsdifferentialen) und Mittendifferentialen unterschieden. Querdifferentiale ermöglichen Drehzahlunterschiede zwischen Rädern einer Achse des Fahrzeugs, Mittendifferentiale ermöglichen Drehzahlunterschiede zwischen Rädern verschiedener Achsen.

Bei offenem (ungesperrtem) Querdifferential richtet sich die insgesamt von der mit dem Querdifferential bestückten Achse auf den Untergrund übertragbare Antriebskraft nach dem Rad, an dem das geringere Kraftschlusspotential herrscht. Das Verhältnis der den Rädern der Achse zugeteilten Antriebsmomente lässt sich mittels einer sogenannten Differential- oder Ausgleichssperre verändern. Das ist üblicherweise eine passive oder eine aktiv gesteuerte Kupplung, die entweder zwischen das Gehäuse des Differentials und eine der Achsantriebswellen der Achse oder zwischen beide Achsantriebswellen der Achse geschaltet ist. Je nach Schließgrad der Sperrkupplung wird das angebotene Antriebsmoment in unterschiedlichem Verhältnis auf die Räder aufgeteilt.

Es ist bekannt, eine Sperrkupplung für ein Achsdifferential einer angetriebenen Vorder- oder Hinterachse beispielsweise abhängig von der Abweichung zwischen der tatsächlichen Drehzahldifferenz der Räder der Achse und einer Soll-Drehzahldifferenz zu aktivieren. Zur Ermittlung der Ist-Drehzahldifferenz werden die Raddrehzahlen der Räder sensorisch erfasst und in einer elektronischen Steuereinheit die Differenz ermittelt. Die Soll-Drehzahldifferenz wird beispielsweise abhängig von der aktuellen Gierrate (Giergeschwindigkeit) des Fahrzeugs festgelegt, die mittels eines am Fahrzeug angeordneten Giergeschwindigkeitssensors gemessen werden kann. Stellt die Steuereinheit eine Abweichung zwischen der Ist-Drehzahldifferenz und der Soll-Drehzahldifferenz fest, stellt sie ein Steuersignal bereit, das ein Schließen der Sperrkupplung entsprechend der Signalhöhe bewirkt.

Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Regelung zuverlässig und zufriedenstellend arbeitet, um unter normalen Fahrbedingungen unvermeidlich auftretende Abweichungen der Ist-Drehzahldifferenz von der Soll-Drehzahldifferenz der Räder einer angetriebenen Achse auszuregeln. Sie hat sich jedoch als unzureichend herausgestellt, um rasch und zuverlässig den Einbussen an Schräglaufstabilität und Beschleunigungsfähigkeit des Fahrzeugs entgegenwirken zu können, die oftmals bei beschleunigter Kurvenfahrt beobachtet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das dynamische Fahrverhalten eines Fahrzeugs beim beschleunigten Durchfahren einer Kurve zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Ermittlung einer Steuergröße zur Steuerung einer Drehmomentübertragungskupplung in einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Zur Ermittlung der Steuergröße wird bei diesem Verfahren ein von einer Ist-Gierrate des Fahrzeugs abhängiger erster Teilfaktor multiplikativ mit einem zweiten Teilfaktor verknüpft. Dieser zweite Teilfaktor wird abhängig von einer bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs für die Drehzahldifferenz zwischen einem kurveninneren und einem kurvenäußeren Rad der angetriebenen Achse repräsentativen Kurven-Drehzahldifferenz dieser Räder gewählt und besitzt zumindest näherungsweise ab Drehzahlgleichheit zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad hin zu größeren Drehzahlen des kurveninneren Rads gegenüber dem kurvenäußeren Rad einen von Null verschiedenen Wert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in einer Situation, in der die Drehzahl des kurveninneren Rads der betrachteten Achse des Fahrzeugs diejenige des kurvenäußeren Rads übersteigt, das dem kurveninneren Rad zugeführte Antriebsmoment zu verringern. Insbesondere kann die Verringerung des dem kurveninneren Rad zugeführten Antriebsmoments mit einer Umverteilung des insgesamt der Achse zugeführten Antriebsmoments zu Gunsten des kurvenäußeren Rads einhergehen, so dass sich das Verteilungsverhältnis des an der Achse anliegenden Antriebsmoments zugunsten des kurvenäußeren Rads verändert. Die Erfindung kann so eine Kurvenfahrtunterstützung erzielen und die Beschleunigungsfähigkeit des Fahrzeugs bei Kurvenfahrt erhalten. Die Veränderung des Antriebsmoment-Verteilungsverhältnisses zugunsten des kurvenäußeren Rads erzeugt ein gewisses Giermoment, das den Schräglauf des Fahrzeugs unterstützt und das Fahrverhalten insgesamt stabilisieren kann. Bei Fahrzeugen mit Vorderachsantrieb kann zudem oftmals ein untersteuerndes Verhalten bei beschleunigter Kurvenfahrt beobachtet werden. Durch die Erfin dung kann hier ein zusätzliches Giermoment aufgebracht werden, das vorteilhaft dem Untersteuern des Fahrzeugs entgegenwirken kann. Das Fahrzeug kann so besser dem durch den Lenkeinschlag der Räder vorgegebenen Fahrverlauf folgen. Damit sinkt die Gefahr von Falschreaktionen des Fahrers; die Sicherheit wird erhöht.

Die Erfindung kann nicht nur bei der Steuerung von Sperrkupplungen für Querdifferentiale angewendet werden. Sie kann grundsätzlich auch bei Achskonfigurationen eingesetzt werden, bei denen die mit den Rädern einer angetriebenen Achse verbundenen Achswellen über je eine Kupplung mit einer Antriebsmoment anliefernden Antriebsstrangkomponente koppelbar sind. Bei solchen Achskonfigurationen ist kein Achsdifferential vorhanden; das Verhältnis der den Rädern der Achse zugeführten Antriebsmomente wird durch den Kupplungszustand der beiden Kupplungen bestimmt. In einer Situation, in der die Drehzahl des kurveninneren Rads der Achse diejenige des kurvenäußeren Rads übersteigt, kann beispielsweise allein die dem kurveninneren Rad zugeordnete Kupplung etwas geöffnet werden oder es kann gleichzeitig auch die dem kurvenäußeren Rad zugeordnete Kupplung etwas geschlossen werden, um das Verhältnis der den beiden Rädern zugeführten Antriebsmomente zugunsten des kurvenäußeren Rads zu verändern.

Bei einer Sperrkupplung für ein Achsdifferential kann dem kurvenäußeren Rad nur dann durch Schließen der Sperrkupplung ein größerer Anteil des insgesamt an der betreffenden Achse anliegenden Antriebsmoments als dem kurveninneren Rad zugeteilt werden, wenn das kurveninnere Rad schneller als das kurvenäußere Rad dreht. Deshalb besitzt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der zweite Teilfaktor vorzugsweise erst zumindest ab Drehzahlgleichheit zwischen kurveninnerem und kurvenäußerem Rad einen von Null verschiedenen Wert. Solange der zweite Teilfaktor Null ist, ist aufgrund der multiplikativen Verknüpfung des ersten Teilfaktors mit dem zweiten Teilfaktor auch die Steuergröße Null.

Wenn hier davon die Rede ist, dass der zweite Teilfaktor zumindest näherungsweise ab Drehzahlgleichheit zwischen kurveninnerem und kurvenäußerem Rad von Null verschieden ist, so soll hierdurch die Möglichkeit miteinbezogen werden, dass der zweite Teilfaktor auch schon dann einen von Null verschiedenen Wert hat, wenn zwar das kurveninnere Rad noch etwas langsamer als das kurvenäußere Rad dreht, aber angesichts weiterer Umstände vernünftigerweise darauf geschlossen werden kann, dass die Drehzahl des kurveninneren Rads die des kurvenäußeren Rads in Kürze übersteigen wird. Solche Umstände können beispielsweise aus dem zeitlichen Verlauf der Ist-Drehzahldifferenz der beiden Räder geschlossen werden. Insbesondere ist es denkbar, hierbei den zeitlichen Gradienten der Drehzahldifferenz zu betrachten. Ist beispielsweise der zeitliche Gradient der Drehzahldifferenz kurz vor Erreichen der Drehzahlgleichheit zwischen kurveninnerem und kurvenäußerem Rad hinreichend groß, kann erwartet werden, dass bald die Drehzahl des kurveninneren Rads die des kurvenäußeren Rads übersteigen wird. Dann kann auch schon kurz vor exakter Drehzahlgleichheit der beiden Räder dem zweiten Teilfaktor ein von Null verschiedener Wert zugewiesen werden, um eine rasche Fahrzeugreaktion zu erhalten, wenn das kurveninnere Rad schneller als das kurvenäußere wird.

Der erste Teilfaktor wird beim erfindungsgemäßen Verfahren abhängig von der Ist-Gierrate des Fahrzeugs gewählt. Die Berücksichtigung der Ist-Gierrate erlaubt auf einfache Weise eine Erkennung, ob das Fahrzeug eine Kurve durchfährt oder nicht. Denn bei Geradeausfahrt ist ebenfalls im wesentlichen Drehzahlgleichheit der Räder zu beobachten, ohne dass freilich Bedarf bestünde für einen steuernden Eingriff in die Verteilung des Antriebsmoments. Auch erlaubt die Abhängigkeit des ersten Teilfaktors von der Ist-Gierrate, den Grad der Änderung der Antriebsmomentverhältnisse an den Rädern der betreffenden Achse von der Stärke des Gierens des Fahrzeugs abhängig zu machen. Je stärker das Fahrzeug giert, umso mehr zusätzliches Antriebsmoment am kurvenäußeren Rad kann erforderlich sein, um die gewünschte Fahrzeugreaktion zu erzielen. Bevorzugt wird deshalb der erste Teilfaktor direkt proportional zur Ist-Gierrate gewählt. Insbesondere kann der erste Teilfaktor so gewählt werden, dass er für den Betrag einer von der Ist-Gierrate abhängigen Soll-Drehzahldifferenz zwischen den beiden Rädern der betreffenden Achse repräsentativ ist, welche sich gemäß der Formel

berechnet, wobei Δn_Soll die Soll-Drehzahldifferenz bezeichnet, Ψ . die Ist-Gierrate bezeichnet, b die Spurweite der Räder bezeichnet, r_dyn den dynamischen Radhalbmesser der Räder bezeichnet und |.| den Betrag des zwischen den beiden Strichen angegebenen Ausdrucks bezeichnet.

Die Kurven-Drehzahldifferenz (hier mit Δn_ACS bezeichnet) der beiden Räder der betreffenden angetriebenen Achse wird vorzugsweise anhand des Differenzausdrucks ΔnACS = |Δn12 – ΔnSoll| – |ΔnSoll| ermittelt. Dabei bezeichnet Δn₁₂ die Ist-Drehzahldifferenz eines ersten der beiden Räder gegenüber dem zweiten Rad, Δn_Soll die obige Soll-Drehzahldifferenz zwischen den beiden Rädern und |.| wiederum den Betrag des jeweils zwischen den beiden Strichen angegebenen Ausdrucks. Dieser Differenzausdruck liefert automatisch den bei einer Kurvenfahrt auftretenden tatsächlichen Drehzahlunterschied zwischen dem kurveninneren Rad und dem kurvenäußeren, ohne dass zuvor ermittelt werden muss, welches der Räder das kurveninnere ist und welches das kurvenäußere. Ist nämlich der Wert von Δn_ACS negativ, dreht das kurveninnere Rad um den errechneten Wert von Δn_ACS langsamer als das kurvenäußere, ist dagegen der Wert von Δn_ACS positiv, so dreht das kurveninnere Rad um diesen Wert schneller als das kurvenäußere Rad. Anhand des Vorzeichens von Δn_ACS ist somit erkennbar, ob das kurveninnere oder das kurvenäußere Rad der betreffenden Achse schneller dreht. Mit anderen Worten genügt es, die aktuellen Drehzahlen jedes der Räder der betreffenden angetriebenen Achse sowie die Ist-Gierrate zu erfassen, um eine Aussage darüber treffen zu können, ob das kurveninnere Rad schneller dreht als das kurvenäußere.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Ermittlung der Steuergröße der erste Teilfaktor, der zweite Teilfaktor und ferner ein von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängiger dritter Teilfaktor oder/und ein vom Einschlag eines Lenkrads des Fahrzeugs abhängiger vierter Teilfaktor multiplikativ verknüpft werden. Über den dritten oder/und vierten Teilfaktor kann in einfacher Weise eine gewünschte Geschwindigkeits- oder/und Lenkwinkelabhängigkeit der Momentenumverteilung berücksichtigt werden.

Gemäß einem Vorrichtungsaspekt betrifft die Erfindung ferner eine Anordnung zur Ermittlung einer Steuergröße zur Steuerung einer Drehmomentübertragungskupplung in einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeugs, wobei diese Anordnung durch eine die Kupplung steuernde elektronische Steuereinheit gekennzeichnet ist, welche dazu eingerichtet ist, das Verfahren der vorstehend beschriebenen Art durchzuführen.

Ferner betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Informationsträgermedium mit darin gespeicherten Programmcodemitteln, welche dazu ausgelegt sind, bei Ausführung durch einen Rechner das Verfahren der vorstehend beschriebenen Art durchzuführen. Gleichermaßen erstreckt sich die Erfindung auf ein elektrisches oder/und elektromagnetisches Signal, welches Programmcodemittel repräsentiert, die dazu ausgelegt sind, bei Ausführung durch einen Rechner das Verfahren der vorstehend beschriebenen Art durchzuführen. Schließlich soll auch noch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln in den Umfang der Erfindung fallen, wobei die Programmcodemittel dazu ausgelegt sind, bei Ausführung durch einen Rechner das Verfahren der bevorstehend beschriebenen Art durchzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
1 in schematischer Blockdarstellung Komponenten eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestalteten Kraftfahrzeugs mit Frontantrieb gemäß einer beispielhaften Ausführungsform,
2 in Blockdarstellung ein Beispiel eines Regelkreises zur Regelung einer Vorderachs-Sperrkupplung des Fahrzeugs der 1,
3 eine beispielhafte qualitative Kennlinie eines in dem Regelkreis verwendeten zweiten Teilfaktors,
4 einen beispielhaften Zeitverlauf der Ist-Drehzahldifferenz zwischen den Vorderrädern des Fahrzeugs der 1 sowie einen resultierenden beispielhaften zeitlichen Verlauf einer von dem Regelkreis ausgegebenen Steuersignals,
5 eine beispielhafte qualitative Kennlinie eines in dem Regelkreis verwendeten, von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängigen dritten Teilfaktors und
6 eine beispielhafte qualitative Kennlinie eines in dem Regelkreis verwendeten, vom Lenkeinschlag eines Lenkrads des Fahrzeugs abhängigen vierten Teilfaktors.
Das in 1 schematisch dargestellte, allgemein mit 10 bezeichnete straßengängige Kraftfahrzeug ist ein Fahrzeug mit permanentem Vorderachsantrieb. Es umfasst einen mechanischen Antriebsstrang mit einem Antriebsmotor 12, von dem für den Vortrieb des Fahrzeugs nutzbares Motormoment bereitgestellt wird. Der Antriebsmotor 12 wird typischerweise eine Brennkraftmaschine sein, kann aber alternativ auch ein elektromotorisches Antriebsaggregat oder eine Kombination von beidem sein. Dem Antriebsmotor 12 nachgeschaltet enthält der Antriebsstrang eine Schaltkupplung 14 sowie ein Drehzahl-Wechselgetriebe 16, von dem das gewandelte Motormoment des Antriebsmotors 12 auf eine Antriebswelle 18 ausgegeben wird. Über ein Ausgleichsgetriebe 20 wird das von der Antriebswelle 18 angelieferte Antriebsmo ment auf eine rechte Achswelle 22 sowie eine linke Achswelle 24 aufgeteilt und über diese Achswellen auf ein rechtes Vorderrad 26 sowie ein linkes Vorderrad 28 übertragen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Schaltkupplung 14 weggelassen werden und das Wechselgetriebe 16 als z.B. lastabhängig schaltendes Automatikgetriebe ausgeführt sein.
Dem Vorderachs-Ausgleichsgetriebe 20 ist eine Sperrkupplung 30 zugeordnet, welche im gezeigten Beispielfall zwischen die Achswelle 24 und ein nicht näher dargestelltes Gehäuse des Ausgleichsgetriebes 20 geschaltet ist. Die Sperrkupplung 30 ist mittels einer Stelleinheit 32 stufenlos zwischen einem vollständig geöffneten Zustand und einem vollständig geschlossenen Zustand verstellbar. Je nach ihrem Schließgrad bewirkt die Sperrkupplung 30 eine mehr oder weniger starke Sperrung des Ausgleichsgetriebes 20. Die Stelleinheit 32 kann beispielsweise eine elektromotorische, hydraulische oder pneumatische Stelleinheit sein. Sie wird von einer elektronischen Steuereinheit 34 gesteuert, welche hierzu auf einer elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Steuerleitung 36 ein entsprechendes Steuersignal an die Stelleinheit 32 liefert.
Wenngleich das Fahrzeug in 1 als Fahrzeug mit reinem Frontantrieb dargestellt ist, versteht es sich, dass die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt ist. Ganz im Gegenteil ist die Erfindung an jeder angetriebenen Achse eines straßengängigen Fahrzeugs anwendbar, wobei der Begriff der angetriebenen Achse im Rahmen der Erfindung eine permanent angetriebene Achse und auch eine bedarfsweise zuschaltbare Achse umfasst. Die bedarfsweise Zuschaltung einer Achse, sei es die Vorderachse oder sei es die Hinterachse, kann über eine zwischen den Achsen angeordnete steuerbare Verteilerkupplung erfolgen. Solche Konzepte mit Verteilerkupplung sind in der Fachwelt auch unter dem Begriff „On Demand" bekannt. Eine angetriebene Achse im Sinne der Erfindung ist auch eine, bei der die mit den Rädern der Achse verbundenen Achswellen über je eine steuerbare Kupplung an eine Antriebswelle des Fahrzeugs gekoppelt sind. Beispielsweise könnten bei der Ausführungsform der 1 das Differential 20 und die Sperrkupplung 30 durch zwei drehmomentübertragende Kupplungen ersetzt sein, die jeweils zwischen eine der Achswellen 22, 24 und die Antriebswelle 18 geschaltet sind.
Die Erfindung ist also nicht nur bei Fahrzeugen mit reinem Frontantrieb anwendbar, sondern z.B. auch bei Fahrzeugen mit reinem Heckantrieb, Fahrzeugen mit permanentem Allradantrieb (d.h. Vorder- und Hinterachse sind permanent angetrieben), Fahrzeugen mit primär angetriebener Vorderachse und bedarfsweise zuschaltbarer (sekundär angetriebener) Hinterachse und Fahrzeugen mit primär angetriebener Hinterachse und bedarfsweise zuschaltbarer Vorderachse.
Die Steuereinheit 34 enthält einen programmgesteuerten Mikroprozessor, welcher nach Maßgabe eines Steuerprogramms einen geeigneten Wert für das an die Stelleinheit 32 gelieferte Steuersignal ermittelt. Bei der Erzeugung des Steuersignals berücksichtigt die Steuereinheit 34 aktuelle Werte verschiedener Betriebsparameter des Fahrzeugs. Insbesondere berücksichtigt die Steuereinheit 34 die aktuelle Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs 10, die sie von einem Giergeschwindigkeitssensor 38 erhält. Ferner berücksichtigt die Steuereinheit 34 die aktuellen Drehzahlen der Vorderräder 26, 28. Diese Drehzahlen werden der Steuereinheit 34 von Drehzahlsensoren 40, 42 mitgeteilt. Aus den mitgeteilten Drehzahlen der Vorderräder 26, 28 kann die Steuereinheit 34 eine Ist-Drehzahldifferenz der Vorderräder 26, 28 berechnen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform berücksichtigt die Steuereinheit 34 bei der Erzeugung des Steuersignals für die Stelleinheit 32 auch die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 sowie den an einem Lenkrad 44 des Fahrzeugs aktuell eingestellten Lenkwinkel δ. Zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit greift die Steuereinheit 34 zusätzlich zu den Informationen von den Sensoren 40, 42 auf Drehzahlinformationen von Sensoren 46, 48 zu, welche die aktuellen Drehzahlen zweier Hinterräder 50, 52 des Fahrzeugs 10 erfassen. Methoden zur Ermittlung eines aktuellen Werts der Fahrzeuggeschwindigkeit anhand der von den Drehzahlsensoren aller vier Räder gelieferten Drehzahlen sind in der Fachwelt an sich bekannt. Insbesondere kann die Steuereinheit 34 hierbei eine Mittelung der verschiedenen Drehzahlen vornehmen. Der Lenkwinkel δ wird der Steuereinheit 34 von einem an der Lenksäule des Fahrzeugs 10 angeordneten Lenkwinkelsensor 54 mitgeteilt.
Ferner kann die Steuereinheit 34 bei einer bevorzugten Ausführungsform noch auf Informationen über die aktuellen Gangstellung des Getriebes 16 zugreifen, die von einem die Gangstellung des Getriebes 16 erfassenden Gangstellungssensor 56 bereitgestellt werden. Zudem kann ein weiterer Sensor 58 vorgesehen sein, der an die Steuereinheit 34 Informationen über das aktuell vom Antriebsmotor 12 bereitgestellte Motormoment liefert. Beispielsweise kann der Sensor 58 hierzu die Stellung einer Drosselklappe des Motors 12 detektieren. Alternativ oder zusätzlich kann ein nicht näher dargestellter Pedalstellungssensor vorgesehen sein, der die Stellung eines Fahrpedals des Fahrzeugs 10 erfasst und ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 34 liefert. Ein Potentiometersensor ist ein einfaches Beispiel für einen solchen Pedalstellungssensor.
Der Signalverkehr zwischen der Steuereinheit 34 und den verschiedenen Sensoren sowie der Stelleinheit 32 kann zumindest teilweise über einen fahrzeuginternen Bus, beispielsweise einen CAN-Bus, abgewickelt werden.
In der Steuereinheit 34 ist ein Regelalgorithmus implementiert, der ein teilweises Schließen der Sperrkupplung 30 bewirken kann, wenn während einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs 10 die Drehzahl des kurveninneren Vorderrads die des kurvenäußeren Vorderrads übersteigt. Eine solche Situation kann insbesondere bei beschleunigter Kurvenfahrt auftreten, wenn die Kurvenfahrtbedingungen (Kurvenradius, Fahrzeuggeschwindigkeit) zu einer Lastverschiebung zur kurvenäußeren Fahrzeugseite hin und somit zu einer Entlastung des kurveninneren Vorderrads führen. Ein entsprechendes Antriebskraftangebot kann dann bewirken, dass sich der Schlupf an dem kurveninneren Vorderrad wesentlich erhöht, möglicherweise bis zum Durchdrehen dieses Rads.
Vorderachsgetriebene Fahrzeuge zeigen besonders bei beschleunigter Kurvenfahrt oftmals eine vergleichsweise starke Tendenz zum Untersteuern. Indem die Sperrkupplung 30 geschlossen wird, sobald das kurveninnere Vorderrad schneller dreht als das kurvenäußere, kann ein dem Untersteuern entgegenwirkendes Giermoment erzeugt werden, das das Fahrverhalten des Fahrzeugs 10 in der Kurve in Richtung neutral stabilisiert.
Anhand des Regelkreises der 2 wird nun die Arbeitsweise der Steuereinheit 34 bei einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Aus der von dem Giergeschwindigkeitssensor 38 gemessenen aktuellen Giergeschwindigkeit – in 2 mit Ψ . bezeichnet – berechnet die Steuereinheit 34 eine Soll-Drehzahldifferenz Δn_Soll für die Vorderräder 26, 28 des Fahrzeugs 10. Der funktionale Zusammenhang, nach dem die Steuereinheit 34 die Soll-Drehzahldifferenz Δn_Soll aus der Ist-Gierrate Ψ . berechnet, ist in 2 mit f₁ bezeichnet, wobei
In vorstehender Gleichung bezeichnen b die Spurweite und r_dyn den dynamischen Radhalbmesser der Vorderräder 26, 28. Dabei ist die Konvention getroffen, dass Ψ . bei Vorwärtsfahrt positiv ist für ein Gieren des Fahrzeugs 10 nach links, also im Gegenuhrzeigersinn um die Hochachse des Fahrzeugs, und dass Δn_Soll die Soll-Drehzahldifferenz des linken Vorderrads 28 als erstem Vorderrad gegenüber dem rechten Vorderrad 26 als zweitem Vorderrad bezeichnet. Gemäß dieser Konvention ist danach Δn_Soll negativ, wenn das Fahrzeug 10 eine Linkskurve durchfährt, da bei Linkskurven eine geringere Drehzahl des linken Vorderrads 28 als des rechten Vorderrads 26 als Soll-Zustand angestrebt wird. Bei Rechtskurven dagegen ist nach dieser Konvention Ψ . negativ, während Δn_Soll positiv ist.
An einer Summationsstelle 60 wird gemäß dem Regelkreis der 2 die so ermittelte Soll-Drehzahldifferenz Δn_Soll mit einer Ist-Drehzahldifferenz Δn₁₂ der Vorderräder 26, 28 verglichen. Die Ist-Drehzahldifferenz Δn₁₂ ermittelt die Steuereinheit 34 nach Maßgabe eines funktionalen Zusammenhangs f₃ aus den von den Radsensoren 40, 42 gemessenen aktuellen Drehzahlen n₁, n₂ der Vorderräder 26, 28. n₁ bezeichnet dabei die Ist-Drehzahl des linken (ersten) Vorderrads 28, während n₂ die Ist-Drehzahl des rechten (zweiten) Vorderrads 26 bezeichnet. Der funktionale Zusammenhang f₃ stellt sich wie folgt dar: f3 = Δn12(n1, n2) = n1 – n2 (2)
An der Summationsstelle 60 wird die Abweichung der Ist-Drehzahldifferenz Δn₁₂ von der Soll-Drehzahldifferenz Δn_Soll ermittelt. Von der so erhaltenen Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert der Drehzahldifferenz der Vorderräder 26, 28 wird anschließend der Betrag ermittelt, wie in 2 durch einen Funktionsblock 62 angedeutet. Die resultierende Größe ist als Δn_TCM bezeichnet und repräsentiert folglich den Betrag der Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert der Drehzahldifferenz der Vorderräder 26, 28.
In einem zu der Summationsstelle 60 und dem Funktionsblock 62 parallelen Zweig des Regelkreises wird der Betrag der Soll-Drehzahldifferenz Δn_Soll ermittelt, wie durch einen Funktionsblock 64 angedeutet. Der so erhaltene Betrag der Soll-Drehzahldifferenz wird anschließend einer weiteren Summationsstelle 66 zugeführt, an der durch Subtraktion des Betrags von Δn_Soll von der Größe Δn_TCM eine Größe Δn_ACS ermittelt wird, welche den vorzeichenbehafteten Drehzahlunterschied zwischen dem kurveninneren Vorderrad und dem kurvenäußeren Vorderrad angibt. Mathematisch formuliert, ergibt sich die Größe Δn_ACS demnach aus folgender Gleichung: ΔnACS = ΔnTCM – |ΔnSoll| = |Δn12 – ΔnSoll| – |ΔnSoll| (3)
Gleichgültig, ob das Fahrzeug 10 eine Rechtskurve oder eine Linkskurve befährt, liefert vorstehende Gleichung einen positiven Wert für Δn_ACS, wenn das kurveninnere Vorderrad schneller als das kurvenäußere Vorderrad dreht, und einen negativen Wert, wenn das kurveninnere Rad langsamer als das kurvenäußere Rad dreht, zumindest solange das kurvenäußere Rad nicht durchdreht.
Der in 2 abgebildete Regelkreis enthält des weiteren eine Multiplikationsstelle 68, an der durch Multiplikation zumindest eines ersten Teilfaktors k₁ und eines zweiten Teilfaktors k₂ eine Steuergröße k ermittelt wird, die von der Steuereinheit 34 an eine unter anderem die Stelleinheit 32 und die Sperrkupplung 30 umfassende Prozessstrecke 70 ausgegeben wird. Am Ende der Prozessstrecke 70 treten die aktuellen Drehzahlen n₁, n₂ der Vorderräder 26, 28 auf. Der erste Teilfaktor k₁ entspricht dem Betrag der Soll-Drehzahldifferenz Δn_Soll. Gewünschtenfalls kann der erste Teilfaktor k₁ noch durch einen proportionierenden funktionalen Zusammenhang mit Δn_Soll verknüpft sein.
Der zweite Teilfaktor k₂ ist über einen funktionalen Zusammenhang f₂ mit der Größe Δn_ACS verknüpft. Ein Beispiel dieses funktionalen Zusammenhangs f₂ ist in 3 gezeigt. Gemäß der dort gezeigten Kennlinie ist der zweite Teilfaktor k₂ für negative Werte von Δn_ACS Null und nimmt für positive Werte von Δn_ACS einen von Null verschiedenen Wert an. Insbesondere ist die Kennlinie f₂ so ausgestaltet, dass sie an dem Punkt, an dem Drehzahlgleichheit zwischen dem kurveninneren Vorderrad und dem kurvenäußeren Vorderrad herrscht (Δn_ACS = 0) näherungsweise sprunghaft ansteigt. Auf diese Weise wird bereits bei sehr kleinen positiven Werten von Δn_ACS ein signifikantes Steuersignal für die Stelleinheit 32 erzeugt, sodass eine rasche Reaktion bei durchdrehendem kurveninneren Vorderrad möglich ist. Nach dem sprunghaften Anstieg kann die Kennlinie f₂ näherungsweise auf konstanter Höhe verharren oder, wie in 3 angedeutet, mit unterschiedlichen Steigungen weiterlaufen.
Die multiplikative Verknüpfung der beiden Teilfaktoren k₁ und k₂ bedeutet, dass die Steuergröße k dann einen von Null verschiedenen Wert hat, wenn das Fahrzeug 10 in einer Kurve fährt (Ψ ≠ 0 und dementsprechend Δn_Soll ≠ 0) und wenn gleichzeitig das kurveninnere Vorderrad schneller als das kurvenäußere Vorderrad dreht (Δn_ACS > 0). Die weiteren Teilfaktoren k₃, k₄, die vorzugsweise ebenfalls multiplikativ in die Steuergröße k einfließen, erlauben es, den Wert der Steuergröße k abhängig von bestimmten Fahrsituationen und Randbedingungen zu modifizieren. Beispielsweise ist zu berücksichtigen, dass das infolge des Schließens der Sperrkupplung 30 erzeugte Giermoment die erwartungsgemäße Lenkungsrückstellung der Vorderräder 26, 28 bei Kurvenfahrt verlangsamen oder sogar unterdrücken kann. Da sehr große Lenkwinkel üblicherweise nur in Fahrsituationen zu erwarten sind, bei denen ein zu hoher Schlupf am kurveninneren Vorderrad als nicht kritisch angesehen wird, beispielsweise beim Abbiegen mit geringer Geschwindigkeit, kann der Wert der Steuergröße k zu größeren Lenkwinkeln δ hin abgesenkt werden. Dies kann durch eine Kennlinie erreicht werden, wie sie in 6 für den Teilfaktor k₄ schematisch angedeutet ist. Bis zu einem ersten Grenzlenkwinkel δ₁ kann der Teilfaktor k₄ beispielsweise so bemessen sein, dass er keine lenkwinkelabhängige Schwächung der Steuergröße k bewirkt. In einem Bereich zwischen dem ersten Grenzlenkwinkel δ₁ und einem zweiten Grenzlenkwinkel δ₂ kann der Teilfaktor k₄ mit zunehmend größer werdendem Lenkwinkel δ absinken, insbesondere proportional absinken. Vorzugsweise sinkt der Teilfaktor k₄ nicht auf Null ab, sondern bleibt ab dem zweiten Grenzlenkwinkel δ₂ auf einem von Null verschiedenen Wert, sodass selbst bei großen Lenkwinkeln ein (wenn auch schwaches) Schließen der Sperrkupplung 30 stattfinden kann.
Ebenso kann es erforderlich sein, die durch Schließen der Sperrkupplung 30 erzeugte Gierreaktion abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit zu justieren. Hierzu ist der Teilfaktor k₃ vorgesehen, für den eine beispielhafte Kennlinie in 5 dargestellt ist. Diese Kennlinie bewirkt bei kleinen Werten der mit v bezeichneten Fahrzeuggeschwindigkeit bis zu einer ersten Grenzgeschwindigkeit v₁ und auch bei hohen Werten der Fahrzeuggeschwindigkeit v ab einem zweiten Grenzwert v₂ eine signifikante Schwächung der Steuergröße k. Bei geringen Geschwindigkeiten kann beispielsweise der Wunsch bestehen, die Lenkungsrückstellung nicht durch das Schließen der Sperrkupplung 30 zu beeinträchtigen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann dagegen eine Schräglaufunterstützung durch das erzeugte Giermoment entbehrlich sein. Dies führt zu der Kennlinienform der 5, gemäß der der Teilfaktor k₃ in einem mittleren Geschwindigkeitsbereich maximal ist und zu beiden Seiten hin abfällt. Unterhalb der ersten Grenzgeschwindigkeit v₁ und oberhalb der zweiten Grenzgeschwindigkeit v₂ besitzt der Teilfaktor k₃ vorzugsweise einen zwar kleinen, jedoch von Null verschiedenen Wert, sodass ein geringfügiges Schließen der Sperrkupplung 30 auch in diesen randseitigen Geschwindigkeitsbereichen möglich ist. Es ist freilich nicht ausgeschlossen, dass die Kennlinie des Teilfaktors k₃ unterhalb von v₁ und oberhalb von v₂ Null ist.
4 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf der Steuergröße k, wenn bei einer Linkskurve des Fahrzeugs 10 die Ist-Drehzahldifferenz Δn₁₂ den in dieser Figur gezeigten zeitlichen Verlauf besitzt. Bis zu einem Zeitpunkt t₁ dreht dabei das linke Vorderrad 28 langsamer als das rechte Vorderrad 26, sodass Δn₁₂ < 0. Solange dieser Zustand anhält, ist Δn_ACS negativ und k₂ entsprechend Null. Ab dem Zeitpunkt t₁ übersteigt die Drehzahl des linken Vorderrads 28 die des rechten Vorderrads 26, d.h. Δn₁₂ > 0. Der Wert der Steuergröße k steigt sehr rasch ab Drehzahlgleichheit der beiden Vorderräder an und bleibt auf einem hohen Niveau, bis Δn₁₂ wieder abfällt. Nachdem das kurveninnere Vorderrad 28 ab einem Zeitpunkt t₂ wieder langsamer dreht als das kurvenäußere Vorderrad 26, ist der Wert der Steuergröße k wieder Null.
Anhand des Gradienten des Verlaufs von Δn₁₂ ist es möglich, schon vor Erreichen der Drehzahlgleichheit zwischen beiden Vorderrädern abzuschätzen, ob erwartet werden kann, dass die Drehzahl des kurveninneren Vorderrads die des kurvenäußeren Vorderrads übersteigen wird. In 4 beispielsweise ist zu einem Zeitpunkt t* der Drehzahlunterschied zwischen den beiden Vorderrädern nur noch vergleichsweise gering, gleichzeitig verläuft die Δn₁₂ – Kurve relativ steil. Es kann daher die Vermutung getroffen werden, dass die Δn₁₂ – Kurve mit hoher Wahrscheinlichkeit bald den Punkt der Drehzahlgleichheit zwischen den Vorderrädern durchstoßen wird. Diese Vorhersage kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung genutzt werden, um schon kurz vor Erreichen der Drehzahlgleichheit zwischen den Vorderrädern 26, 28 die gewünschte Gegenmaßnahme einzuleiten. Beispielsweise ist es denkbar, in der obigen Gleichung (3) auf der rechten Seite zusätzlich noch einen additiven Term einzufügen, der vom Gradienten der Δn₁₂ – Kurve abhängig ist. So kann Δn_ACS schon einen kleinen positiven Wert haben, noch bevor Δn_TCM – |Δn_Soll| positiv wird. Ein derartiger Offset ändert jedoch nichts an der grundlegenden Bestimmung, dass der zweite Teilfaktor k₂ zumindest näherungsweise ab Drehzahlgleichheit zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Vorderrad einen von Null verschiedenen Wert besitzt. Zusätzlich oder alternativ kann ein solcher Offset abhängig von einem aktuell bereitgestellten oder angeforderten Motormoment oder/und abhängig von der zeitlichen Änderung des bereitgestellten oder angeforderten Motormoments gebildet werden.
Um unerwünschten Aktivierungen der Sperrkupplung 30 vorzubeugen, sollte das kurvenäußere Vorderrad in Schlupf geraten, ist die Steuereinheit 34 bei einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich dazu eingerichtet, zu prüfen, ob das Vorzeichen der gemessenen Giergeschwindigkeit gleich dem Vorzeichen der Ist-Drehzahldifferenz der Räder 26, 28 ist, ob also sign(Ψ .) = sign(Δn₁₂), und ob die Ist-Drehzahldifferenz der Räder 26, 28 die Soll-Drehzahldifferenz betragsmäßig um mehr als einen vorbestimmten Faktor, insbesondere um mehr als das Doppelte übersteigt, d.h. ob |Δn₁₂| > 2|Δn_Soll|. Sind beide Bedingungen erfüllt, unterbindet die Steuereinheit 34 eine Aktivierung der Sperrkupplung 30, selbst wenn Δn_ACS einen positiven Wert zeigt.
Der Wert der Steuergröße k kann darüber hinaus abhängig von der mittels des Gangstellungssensors 56 ermittelten Gangstellung des Getriebes 16 oder/und von dem mittels des Sensors 58 detektierten Motormoment modifiziert werden. Sowohl die Gangstellung des Getriebes 16 als auch das vom Antriebsmotor 12 bereitgestellte Motormoment beeinflussen die Höhe des an den Rädern 26, 28 anliegenden Radmoments. Gleichzeitig beeinflussen die Gangstellung und das Motormoment das zur Erzielung einer gewünschten Gierreaktion des Fahrzeugs 10 benötigte maximale Sperrmoment an der Sperrkupplung 30. Je geringer das gelieferte Motormoment ist und je geringer das Radmoment ist, um so weniger Sperrmoment wird benötigt. Durch Berücksichtigung des Motormoments oder/und der Gangstellung lässt sich der Aktivierungsbedarf der Stelleinheit 32 signifikant senken, wenn bei niedrigerem Motormoment oder höherem Gang die Sperrkupplung 30 entsprechend weniger stark geschlossen wird. Angesichts der großen Zahl elektrischer Verbraucher in modernen Kraftfahrzeugen ist ein geringer Energiebedarf der einzelnen Verbraucher von hoher Bedeutung.
Die Regelkreisstruktur gemäß 2 sowie die in den 3, 5 und 6 dargestellten Kennlinien können entsprechend für die Steuerung einer Hinterachs-Sperrkupplung oder einer zwischen eine Achswelle und eine Antriebswelle geschalteten Drehmomentübertragungskupplung verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Steuergröße (k) zur Steuerung einer Drehmomentübertragungskupplung (30) in einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeugs (10), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Steuergröße (k) ein von einer Ist-Gierrate (Ψ .) des Fahrzeugs abhängiger erster Teilfaktor (k₁) multiplikativ mit einem zweiten Teilfaktor (k₂) verknüpft wird, wobei der zweite Teilfaktor von einer bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs für die Drehzahldifferenz zwischen einem kurveninneren und einem kurvenäußeren Rad der angetriebenen Achse repräsentativen Kurven-Drehzahldifferenz (Δn_ACS) dieser Räder abhängig ist und zumindest näherungsweise ab Drehzahlgleichheit zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad hin zu größeren Drehzahlen des kurveninneren Rads gegenüber dem kurvenäußeren Rad einen von Null verschiedenen Wert besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilfaktor (k₁) direkt proportional zur Ist-Gierrate (Ψ .) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilfaktor (k₁) für den Betrag einer von der Ist-Gierrate (Ψ .) abhängigen Soll-Drehzahldifferenz (Δn_Soll) zwischen den beiden Rädern (26, 28) der angetriebenen Achse repräsentativ ist, welche sich gemäß der Formel
berechnet, wobei Δn_Soll die Soll-Drehzahldifferenz bezeichnet, Ψ . die Ist-Gierrate bezeichnet, b die Spurweite der Räder bezeichnet, r_dyn den dynamischen Radhalbmesser der Räder bezeichnet und |.| den Betrag des zwischen den beiden Strichen angegebenen Ausdrucks bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurven-Drehzahldifferenz (Δn_ACS) der beiden Räder (26, 28) der angetriebenen Achse aus dem Differenzausdruck ΔnACS = |Δn12 – ΔnSoll| – |ΔnSoll| ermittelt wird, wobei Δn_ACS die Kurven-Drehzahldifferenz bezeichnet, Δn₁₂ die Ist-Drehzahldifferenz eines ersten (28) der beiden Räder (26, 28) gegenüber dem zweiten Rad (26) bezeichnet, Δn_Soll eine von der Ist-Gierrate (Ψ .) des Fahrzeugs abhängige Soll-Drehzahldifferenz des ersten Rads gegenüber dem zweiten Rad bezeichnet und |.| den Betrag des jeweils zwischen den beiden Strichen angegebenen Ausdrucks bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Steuergröße (k) der erste Teilfaktor (k₁), der zweite Teilfaktor (k₂) und ferner ein von der Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs (10) abhängiger dritter Teilfaktor (k₃) oder/und ein vom Einschlag (δ) eines Lenkrads (44) des Fahrzeugs abhängiger vierter Teilfaktor (k₄) multiplikativ verknüpft werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilfaktor (k₂) ferner abhängig vom Gradient des zeitlichen Verhaltens der Ist-Drehzahldifferenz (Δn₁₂) zwischen den beiden Rädern (26, 28) der angetriebenen Achse ermittelt wird.
Anordnung zur Ermittlung einer Steuergröße (k) zur Steuerung einer Drehmomentübertragungskupplung (30) in einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch eine die Kupplung (30) steuernde elektronische Steuereinheit (34), welche dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Maschinenlesbares Informationsträgermedium mit darin gespeicherten Programmcodemitteln, welche dazu ausgelegt sind, bei Ausführung durch einen Rechner das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Elektrisches oder/und elektromagnetisches Signal, welches Programmcodemittel repräsentiert, die dazu ausgelegt sind, bei Ausführung durch einen Rechner das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche dazu ausgelegt sind, bei Ausführung durch einen Rechner das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.