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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verteilen von Antriebsmoment
auf die Räder einer
angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges.
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Ein
Differential bzw. Ausgleichsgetriebe dient zum Ausgleich unterschiedlicher
Drehbewegungen von Rädern
eines Kraftfahrzeuges. Ein solches Differential ist daher an jeder
angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, um insbesondere
in Kurvenfahrten unterschiedliche Drehzahlen des kurveninneren und
des kurvenäußeren Rades
auszugleichen. Differentiale, die einer angetriebenen Achse zugeordnet
sind, sind herkömmlicherweise als
so genannte offene Differentiale ausgebildet. Sie haben die Funktion
einer Drehmomentwaage und stellen generell ein Drehmomentgleichgewicht
zwischen dem linken und dem rechten Antriebsrad her. Liegen an den
Antriebsrädern
Fahrbahnverhältnisse
mit unterschiedlichen Reibwerten vor ("μ-split"), so ist die übertragbare
Vortriebskraft des Fahrzeuges wegen des Waageneffektes begrenzt
durch den doppelten Wert der Vortriebskraft des Rades mit dem niedrigeren
Reibwert. Bei einem Antriebsmomentüberschuss dreht dieses Rad
dann durch.
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Es
ist ferner bekannt (Bosch – Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch, 24. Auflage, Vieweg Verlag, Seite 668), den oben genannten
unerwünschten
Effekt durch form- oder kraftschlüssiges Sperren des Differentials
zu vermeiden bzw. zu verringern. Formschlüssige Sperren werden vom Fahrer
zugeschaltet. Wegen der hierbei auftretenden Verspannung des Antriebsstranges
werden formschlüssige
Sperren in der Regel nur bei Allradfahrzeugen im Gelände zugeschaltet.
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Bei
den kraftschlüssigen
Sperrdifferentialen kennt man solche mit festem Sperrgrad, Drehmoment
fühlende
Sperrdifferentiale (z.B. Torsen-Differential) und Drehzahl fühlende Sperrdifferentiale
(z.B. Viskokupplungen). Diese Differentiale sind sämtlich passive
Sperrdifferentiale.
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Bekannt
sind auch elektronisch gesteuerte Sperrdifferentiale (so genannte
aktive Sperrdifferentiale), bei denen der Sperrgrad von einem Fahrdynamik-Regler
im Fahrzeug gesteuert wird.
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Passive
Sperrdifferentiale können
das Fahrverhalten bei Kurvenfahrt positiv, aber auch negativ beeinflussen.
Grundsätzlich
erzeugt ein Sperrdifferential bei querkraftfreier Kurvenfahrt aufgrund
seiner Sperrfunktion ein Untersteuermoment. Dieses Untersteuermoment
beruht auf der Verspannung (durch die Sperrfunktion erzeugt) zwischen
dem langsamer laufenden kurveninneren Rad und dem schneller laufenden
kurvenäußeren Rad
und der Kopplung beider Räder über die
Fahrbahn. Das Verspannmoment wirkt am kurveninneren Rad positiv
und am kurvenäußeren Rad
negativ und erzeugt damit das Untersteuermoment. Bei Kurvenfahrten
mit geringen Querbeschleunigungen wird dieses Verhalten als negativ angesehen.
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Wenn
das Fahrzeug mit höherer
Querbeschleunigung eine Kurvenfahrt durchfährt, wird das kurveninnere
Rad entlastet und das kurvenäußere Rad
belastet. Mit zunehmender Entlastung des kurveninneren Rades kann
das Verspannmoment nicht mehr voll abgestützt werden, da das Kraftschlusspotential
des kurveninneren Rades reduziert ist. Analog hierzu steigt die
Antriebskraft am kurvenäußeren Rad
an. Diese Kraft erzeugt nun ein Giermoment, das ein Drehen des Fahrzeuges
in die Kurve hinein unterstützt.
Ein Untersteuern wird reduziert, und es kann im Vergleich zu einem
Fahrzeug mit offenem Differential eine höhere Querbeschleunigung erzielt werden,
da das Kraftschlusspotential des kurvenäußeren Rades besser ausgenutzt
werden kann.
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Bei
elektronisch gesteuerten Sperrdifferentialen ist es bislang bekannt,
den Sperrgrad im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Traktion zu
erhöhen.
Derartige aktive Sperrdifferentiale werden daher vorwiegend in Geländewagen
verwendet. Jedoch finden elek tronische Sperrdifferentiale auch zur
Verbesserung des Handling in Sportfahrzeugen Verwendung (beispielsweise
Ferrari F 430).
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Aus
dem Dokument
DE 197
33 674 A1 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Fahrstabilität eines Kraftfahrzeuges
bekannt, wobei bei einer Kurvenfahrt das Motorantriebsmoment erhöht wird
und gleichzeitig eines der angetriebenen Räder abgebremst wird, um so
auf ein Soll-Giermoment zu regeln.
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Aus
der
DE 199 54 131
A1 ist es bekannt, einen virtuellen Kurvenradius aus Raddrehzahlen
zu berechnen, einen Sollradius aus dem Lenkeinschlag zu berechnen,
und in Abhängigkeit
hiervon eine zugeordnete Bremse oder Differentialsperre eines Differentialgetriebes
zu aktivieren.
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Es
ist ferner aus dem Dokument
DE 196 37 193 A1 bekannt, ein spezielles
Differential vorzusehen, das zwischen den angetriebenen Rädern unterschiedliche Übersetzungen
einrichtet.
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Aus
der
DE 10 2005
018 069 A1 ist eine Steuerung für eine aktive Radlenkung bekannt,
und aus dem Dokument
DE
196 01 795 A1 ist es bekannt, durch Abbremsen des kurveninneren
Hinterrades das Giermoment zu erhöhen.
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Ferner
zeigt die
DE 102 36
734 A1 einen Lenk-Aktuator, mittels dessen neben oder anstelle der
Einstellung eines Lenkeinschlagwinkels an zumindest ein Fahrzeugrad
eine Längskraft
angelegt werden kann, um eine gewünschte Kurvenbahn zu befahren.
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Schließlich offenbart
die Offenlegungsschrift
DE
198 13 736 A1 ein Steuersystem zur Regelung der Fahrstabilität, und zwar
durch selektives Einbremsen einzelner Räder, wobei ein Untersteuern verhindert
werden soll.
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Aus
dem Dokument
DE
10 2004 046 008 A1 ist ein Antriebsstrang bekannt, bei
dem das Antriebsmoment auf die angetriebenen Räder einer Achse mittels einer
so genannten Twin-Kupplung verteilt wird. Die Twin-Kupplung weist
zwei Einzelkupplungen auf, deren Eingangsglieder miteinander verbunden
sind und Antriebsmoment aufnehmen. Die Ausgangsglieder sind jeweils
mit einem der angetriebenen Räder
verbunden. Eine solche Twin-Kupplung ermöglicht eine gezielte Drehmomentverteilung
und ersetzt zudem ein herkömmliches
Querdifferential.
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Ferner
ist aus dem Dokument
US-A-6,120,407 eine
angetriebene Achse bekannt, die ein herkömmliches offenes Querdifferential
aufweist. Ferner ist jeder Antriebswelle eine Planetenradsatzanordnung
und eine ansteuerbare Kupplung zugeordnet. Die Radsatzanordnungen
wirken jeweils zwischen dem Differentialkorb und der Antriebswelle und
ermöglichen,
bei Bedarf (beispielsweise bei Kurvenfahrt) einen Drehzahlunterschied
zwischen den Rädern
einzurichten.
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Es
ist generell eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum Verteilen von Antriebsmoment auf die Räder einer angetriebenen Achse
eines Kraftfahrzeuges anzugeben.
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Insbesondere
ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines
variablen, in der Regel elektronisch gesteuerten Sperrdifferentials
anzugeben, mit dem sich eine Un tersteuerwirkung bei niedrigen Querbeschleunigungen
verringern lässt.
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Diese
Aufgabe wird in allgemeiner Form durch ein Verfahren zum Verteilen
von Antriebsmoment auf die Räder
einer angetriebenen Achse eines Kraftfahrzeuges gelöst, mit
den Schritten:
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- – den
Kurvenschlupf zwischen einem kurveninneren und einem kurvenäußeren Rad
einer Achse des Kraftfahrzeuges zu berechnen,
- – den
inneren Antriebsschlupf zwischen dem kurveninneren angetriebenen
Rad und dem kurveninneren nicht angetriebenen Rad zu berechnen, und
- – das
Antriebsmoment in Abhängigkeit
von einer mit einem Skalierungsfaktor multiplizierten Differenz
zwischen dem inneren Antriebsschlupf und dem Kurvenschlupf zu verteilen,
wobei der Skalierungsfaktor ein vorbestimmter oder ein während der
Fahrt variabler Wert ist, der das Fahrverhalten einstellt.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird ermöglicht,
das Antriebsmoment auf die Räder
der angetriebenen Achse nicht nur in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz
zwischen diesen Rädern
zu verteilen. Vielmehr wird bei der Berechnung der Verteilung des
Antriebsmomentes auch die Drehzahl von wenigstens einem Rad einer
weiteren, insbesondere nicht angetriebenen Achse mit einbezogen. Hierdurch
kann die Bewertung der Schlupfsituation an der angetriebenen Achse
sozusagen auf eine "neutralere
Basis" gestellt
werden.
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Von
besonderem Vorzug ist es, wenn dem kurvenäußeren angetriebenen Rad mehr
Antriebsmoment zugeteilt wird, wenn der innere Antriebsschlupf größer oder
gleich dem Kurvenschlupf multipliziert mit einem Skalierungsfaktor
ist.
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Wenn
demzufolge das kurveninnere angetriebene Rad in den Schlupf gerät, kann
durch das erfindungsgemäße Verfahren
dem kurvenäußeren Rad mehr
Drehmoment zugeteilt werden.
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Hierdurch
kann insbesondere eine Untersteuerungstendenz verringert werden.
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Der
Skalierungsfaktor, mit dem der Kurvenschlupf skaliert wird, ist
im einfachsten Falle 1. In diesem Fall erfolgt eine Verteilung
des Antriebsmomentes hin zu dem kurvenäußeren angetriebenen Rad dann,
wenn der innere Antriebsschlupf größer oder gleich dem Kurvenschlupf
ist.
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Wenn
dem kurvenäußeren angetriebenen Rad
bereits frühzeitig
(antizipierend) mehr Antriebsmoment zugeteilt werden soll, kann
auch ein Skalierungsfaktor von beispielsweise 0,8 verwendet werden.
Wenn andererseits diese Reaktion spät einsetzen soll, kann auch
ein Skalierungsfaktor von 1,2 verwendet werden.
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Generell
kann der erfindungsgemäße Skalierungsfaktor
im Bereich von etwa 0,2 bis 1,5 liegen.
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Es
versteht sich, dass der Skalierungsfaktor bei Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
entweder fest eingestellt sein kann oder während der Fahrt variabel sein
kann, beispielsweise in Abhängigkeit
von einem gewünschten
Fahrmodus (sportlich, normal, komfortabel, um ein Beispiel zu nennen).
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das Antriebsmoment durch Ansteuern eines variablen Sperrdifferentials
der angetriebenen Achse verteilt.
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Variable
Sperrdifferentiale basieren in der Regel auf herkömmlichen
Querdifferentialen und sind daher zu vergleichsweise geringen Kosten
verfügbar und
können
auf einfache modulare Weise Teil einer Palette unterschiedlicher
Antriebsstränge
sein.
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Dabei
ist es von besonderem Vorteil, wenn das Sperrdifferential auf einen
Sperrwert von mehr als einem vorbestimmten Grundsperrwert nur bei
der Sperrbedingung angesteuert wird, dass der innere Antriebsschlupf
größer oder
gleich dem Kurvenschlupf multipliziert mit einem Skalierungsfaktor
ist.
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Generell
erfolgt die Antriebsmomentverteilung so, dass der innere Antriebsschlupf,
also im Wesentlichen der Antriebsschlupf am kurveninnen laufenden
Rad, berechnet wird und ab einer bestimmten Schwelle ein Sperrmoment
gemäß dem Sperrwert
erzeugt wird.
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Um
eine zu frühe
Betätigung
des Sperrdifferentials zu vermeiden, ist hierbei eine variable Schlupfschwelle
ideal, bei der das Sperrdifferential erst dann auf einen Sperrwert
von mehr als einem vorbestimmten Grundsperrwert angesteuert wird, wenn
das kurveninnere angetriebene Rad einen gleichen oder größeren Schlupf
aufweist als der Kurvenschlupf.
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Hierdurch
kann eine vom Kurvenradius abhängige
Schlupfschwelle realisiert werden. Insbesondere kann verhindert
werden, dass das Sperrdifferential in sehr engen Kurven auch bei
geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten angesteuert wird, was zu den
eingangs beschriebenen Verspannungen im Antriebsstrang führen könnte.
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Generell
ist es bevorzugt, wenn das Sperrdifferential im Normalfall auf einen
Sperrwert von 0 % geregelt ist. In manchen Fällen weisen derartige Sperrdifferentiale
jedoch auch im Normalfall einen gewissen Basissperrwert auf, der
vorliegend als Grundsperrwert bezeichnet wird. Wie gesagt, kann der
Grundsperrwert jedoch im einfachen Fall auch 0 % betragen.
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Insgesamt
kann durch das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren
eine verbesserte Traktion des Kraftfahrzeuges realisiert werden,
sowie insbesondere ein verbessertes Fahrverhalten bei Kurvenfahrt sowie
eine erhöhte
Fahrsicherheit im Kurvengrenzbereich.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn das Sperrdifferential bei der Sperrbedingung
so angesteuert wird, dass der Sperrwert umso größer ist, je größer der
innere Antriebsschlupf ist. Mit anderen Worten wird mit zunehmendem
Schlupf das Sperrmoment, das von dem Sperrdifferential erzeugt wird, erhöht.
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Die
Berechnung des Sperrwertes kann beispielsweise mittels eines Reglers
erfolgen, insbesondere eines P-, eines PI- oder eines PID-Reglers.
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Hierbei
versteht sich, dass es das Ziel der Antriebsmomentverteilung ist,
den inneren Antriebsschlupf so gering wie möglich zu halten. Daher wird ein
derartiger auftretender innerer Antriebsschlupf vorzugsweise sofort
(d.h. nahezu in Echtzeit) ausgeregelt. Man könnte also auch sagen, dass
der Sperrgrad umso größer ist,
je größer ein
innerer Antriebsschlupf ohne Sperrwirkung des Differentials wäre.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Grundsperrwert ein minimaler Sperrwert des Sperrdifferentials.
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Wie
oben bereits erläutert,
besitzen manche Sperrdifferentiale einen gewissen Grundsperrwert als
minimaler Sperrwert, so dass das Sperrdifferential immer eine gewisse
Sperrwirkung erzeugt.
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Vorzugsweise
ist der Grundsperrwert jedoch kleiner als 10 %, und ist vorzugsweise
im Bereich von 0 %, da hierdurch der Wirkungsgrad optimiert werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die angetriebene Achse eine Twin-Kupplung mit zwei Einzelkupplungen
auf, deren Eingangsglieder das Antriebsmoment aufnehmen und deren
Ausgangsglieder jeweils mit einem Rad der angetriebenen Achse verbunden
sind, wobei das Antriebsmoment durch Ansteuern der Twin-Kupplung verteilt
wird.
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Eine
derartige Twin-Kupplung ersetzt ein herkömmliches Differential. Durch Öffnen oder Schließen der
Einzelkupplungen (bzw. durch schlupfendes Ansteuern der Einzelkupplungen)
kann das Antriebsmoment weitgehend unabhängig auf die zwei angetriebenen
Räder verteilt
werden. Wenn beide Einzelkupplungen geschlossen sind, ist sozusagen
eine hundertprozentige Quersperre realisiert.
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Gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
weist die angetriebene Achse ein Querdifferential sowie kupplungsgesteuerte
Drehzahlbeeinflussungsmittel auf, um die Relativdrehzahlen der angetriebenen
Räder zu
beeinflussen, wobei das Antriebsmoment durch Ansteuern der Drehzahlbeeinflussungsmittel
verteilt wird.
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Eine
solche angetriebene Achse mit kupplungsgesteuerten Drehzahlbeeinflussungsmitteln
ist beispielsweise bekannt aus der
US 6,120,407 A .
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Bei
einer derartigen angetriebenen Achse kann beispielsweise ein Differentialkorb
eines Querdifferentials kupplungsgesteuert über jeweilige Radsätze mit
den zwei Antriebswellen verbunden werden. Dies erfolgt alternativ
und ermöglicht,
durch geeignete Übersetzung
der Radsätze
eine Drehzahldifferenz zwischen den angetriebenen Rädern einzurichten.
Insbesondere in Kurvenfahrten kann dies zur Erhöhung der Fahrdynamik verwendet
werden.
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Auch
bei dieser Art von angetriebener Achse kann folglich Antriebsmoment
auf die angetriebenen Räder
verteilt werden.
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Bei
den zwei zuletzt genannten Ausführungsformen
ist es genauso wie bei Ansteuerung eines variablen Sperrdifferentials
möglich,
das Antriebsmoment in Abhängigkeit
von einer Differenz zwischen dem inneren Antriebsschlupf und dem
Kurvenschlupf (beispielsweise multipliziert mit einem Skalierungsfaktor)
zu verteilen.
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Insgesamt
kann so ein deutlich verbessertes Ansprechverhalten erzielt werden,
da in die Berechnung der Verteilung des Antriebsmomentes auch die Drehzahl
wenigstens eines nicht angetriebenen Rades mit eingeht. Der Kurvenschlupf
wird vorzugsweise auf der Grundlage des Schlupfes zwischen dem kurveninneren
und dem kurvenäußeren Rad
einer nicht angetriebenen Achse des Kraftfahrzeuges berechnet.
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Auf
diese Weise kann ausgeschlossen werden, dass das Ergebnis der Kurvenschlupf-Berechnung
aufgrund von Antriebsschlupf verfälscht wird.
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Von
besonderem Vorteil ist es dabei, wenn der Kurvenschlupf berechnet
wird, indem der Schlupf zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad
der nicht angetriebenen Achse des Kraftfahrzeuges über eine
(in der Regel fahrzeugspezifische) erste Kennlinie in den Kurvenschlupf
zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad der angetriebenen
Achse des Kraftfahrzeugs umgerechnet wird.
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Durch
diese Maßnahme
ist es vergleichsweise einfach, den Kurvenschlupf der angetriebenen Achse
zu errechnen und in Bezug zu dem Antriebsschlupf zu setzen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird in entsprechender Weise der innere Antriebsschlupf berechnet,
indem die Drehzahl des nicht angetriebenen kurveninneren Rades über eine (in
der Regel fahrzeugspezifische) zweite Kennlinie in eine Solldrehzahl
des angetriebenen kurveninneren Rades umgerechnet wird, mit der
die Istdrehzahl des angetriebenen kurveninneren Rades verglichen wird.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die erste und/oder die zweite Kennlinie
abhängig
ist von dem Winkel eines Lenkrades des Kraftfahrzeuges.
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Durch
diese Maßnahme
kann der Kurvenschlupf bzw. der innere Antriebsschlupf jeweils sehr exakt
berechnet werden, da der jeweilige Kurvenradius in die Berechnung
mit einbezogen werden kann.
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Alternativ
oder zusätzlich
hierzu ist es auch möglich,
den Kurvenschlupf und/oder den inneren Antriebsschlupf in Abhängigkeit
von dem tatsächlich eingeschlagenen
Lenkwinkel zu berechnen, also dem Winkel der Fahrzeugräder (der
in der Regel direkt proportional ist zu dem Lenkradwinkel).
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn der äußere Antriebsschlupf
zwischen dem kurvenäußeren angetriebenen
Rad und dem kurvenäußeren nicht-angetriebenen
Rad berechnet wird und wenn das Antriebsmoment so verteilt wird,
dass der äußere Antriebsschlupf
einen einstellbaren Maximalschlupf nicht überschreitet. Durch diese Maßnahme kann
die Fahrstabilität
im Kurvengrenzbereich verbessert werden.
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Insbesondere
kann so verhindert werden, dass das Kraftschlusspotential am kurvenäußeren angetriebenen
Rad überschritten
wird. Denn dann könnte
das kurvenäußere angetriebene
Rad keine ausreichende Seitenführung
mehr gewährleisten, und
das Fahrzeug würde
instabil.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
das Antriebsmoment durch Ansteuern eines variablen Sperrdifferentials
der ange triebenen Achse verteilt, wobei das Sperrdifferential so
angesteuert wird, dass der Sperrwert verringert wird, wenn der äußere Antriebsschlupf
einen einstellbaren Maximalschlupf überschreitet.
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Generell
ist es jedoch auch denkbar, das Antriebsmoment hierbei mittels einer
Twin-Kupplung oder mittels Drehzahlbeeinflussungsmitteln zu verteilen,
wie in den oben genannten alternativen Ausführungsformen erwähnt.
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Der
Gedanke, den äußeren Antriebsschlupf zu
berechnen und ein vorhandenes, variables Sperrdifferential so anzusteuern,
dass der Sperrwert verringert wird, wenn der Antriebsschlupf einen
einstellbaren Maximalschlupf überschreitet,
wird als eigene Erfindung betrachtet.
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Vorzugsweise
ist die Überwachung
des einstellbaren Maximalschlupfes priorisiert gegenüber einer
Antriebsmomentverteilung zum Zwecke eines Unterdrückens des
Untersteuerns (z.B. der Betätigung
des Sperrdifferentials bei gegebener Sperrbedingung).
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Im
einfachsten Fall wird bspw. der Sperrwert bei Überschreiten des einstellbaren
Maximalschlupfes auf den minimalen Sperrwert eingestellt.
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Es
ist alternativ jedoch auch möglich,
dass das Sperrdifferential so angesteuert wird, dass der Sperrgrad
umso kleiner ist, je größer der äußere Antriebsschlupf
ist, wenn der äußere Antriebsschlupf den
Maximalschlupf überschreitet.
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Der
einstellbare Maximalschlupf kann insbesondere von der Geschwindigkeit
des Kraftfahrzeuges abhängig
sein.
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Der
einstellbare Maximalschlupf kann jedoch daneben von einer Reihe
weiterer Parameter abhängig
sein, wie beispielsweise dem Lenkwinkel, der Querbeschleunigung,
der Giergeschwindigkeit, dem Motormoment und/oder der Drosselklappenstellung.
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Ferner
ist es möglich,
die Aufhebung oder Verringerung des Sperrgrades dann auszusetzen, wenn
die Querbeschleunigung sehr gering ist. Denn auch bei Geradeausfahrt
kann ein äußerer Antriebsschlupf
gemessen werden, beispielsweise auf Fahrbahnen mit generell niedrigem
Haftreibbeiwert oder bei unterschiedlichem Haftreibbeiwert auf der
linken bzw. der rechten Seite des Fahrzeugs ("μ-split"). In solchen Fällen soll
die Sperrwirkung natürlich
aufrecht erhalten werden, um den Vortrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten.
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Die
Querbeschleunigung lässt
sich entweder messen oder errechnen, beispielsweise durch die Formel
Querbeschleunigung = v2/r, wobei v = Fahrzeuggeschwindigkeit
und r = Kurvenradius.
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Insgesamt
ist es ferner bevorzugt, wenn der äußere Antriebsschlupf berechnet
wird, indem die Drehzahl des nicht angetriebenen kurvenäußeren Rades über eine
(in der Regel fahrzeugspezifische) dritte Kennlinie in eine Solldrehzahl
des angetriebenen kurvenäußeren Rades
umgerechnet wird, mit der die Istdrehzahl des angetriebenen kurvenäußeren Rades
verglichen wird.
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Hierbei
ist insbesondere vorteilhaft, wenn die dritte Kennlinie abhängig ist
von dem Winkel des Lenkrades des Kraftfahrzeuges und/oder vom tatsächlich vorhandenen
Lenkwinkel.
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Obgleich
eingangs beschrieben wurde, dass sich der Kurvenschlupf beispielsweise
auf der Grundlage des Schlupfes zwischen dem kurveninneren und den
kurvenäußeren Rad
einer nicht angetriebenen Achse des Kraftfahrzeuges berechnen lässt, ist
es auch möglich,
den Kurvenschlupf anhand des Lenkwinkels zu berechnen. Hierbei ist
der Kurvenschlupf in der Regel proportional zum Lenkwinkel und lässt sich
fahrzeugspezifisch berechnen.
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Alternativ
ist es jedoch auch möglich,
den Lenkwinkel des Kraftfahrzeuges auf der Grundlage des Kurvenschlupfes
zwischen einem kurveninneren Rad und einem kurvenäußeren Rad
zu berechnen.
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Auf
diese Weise kann der Kurvenschlupf auch zur Berechnung des Lenkwinkels
herangezogen werden, beispielsweise für den Fall, dass ein Lenkwinkelsensor
ausfällt
oder kein Sensor verwendet wird.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit Vorderradantrieb
und aktivem Sperrdifferential an der Vorderachse, das erfindungsgemäß ansteuerbar
ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit Hinterradantrieb,
wobei an der Hinterachse ein aktives Sperrdifferential vorgesehen ist,
das erfindungsgemäß angesteuert
werden kann;
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3 ein
Diagramm mit einer vergleichenden Darstellung von Lenkwinkel über Fahrzeuggeschwindigkeit
bei einem Fahrzeug mit offenem Differential an der angetriebenen
Achse, mit passivem Sperrdifferential an der angetriebenen Achse
und mit einem aktiven Sperrdifferential, das erfindungsgemäß angesteuert
wird;
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4 ein
Diagramm des Lenk- bzw. Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeuges, das
mit einem passivem Sperrdifferential gemäß dem Stand der Technik an
der angetriebenen Achse ausgestattet ist;
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5 ein
Diagramm des Lenk- bzw. Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeuges, an
dessen angetriebener Achse ein Sperrdifferential vorgesehen ist, das
erfindungsgemäß angesteuert
wird;
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6 eine
schematische Darstellung eines alternativen Kraftfahrzeuges, das
erfindungsgemäß ansteuerbar
ist;
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7 eine
schematische Darstellung eines weiteren alternativen Kraftfahrzeuges,
das erfindungsgemäß ansteuerbar
ist; und
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8 ein
Flussdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren darstellt.
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In 1 ist
ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug generell mit 10 bezeichnet.
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Das
Kraftfahrzeug 10 ist ein einachsgetriebenes Fahrzeug mit
einer angetriebenen Vorderachse 12 und einer nicht angetriebenen
Hinterachse 14.
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Die
Vorderräder
sind mit VL bzw. VR bezeichnet, die Hinterräder mit HL bzw. HR.
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Im
Bereich der Vorderachse 12 weist das Kraftfahrzeug 10 einen
quer eingebauten Motor 16 (Verbrennungsmotor) auf, dessen
Ausgang mit einem Getriebe 18 verbunden ist.
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Das
Getriebe 18 ist über
einen Final-Drive-Radsatz 20 mit einem Eingangsglied eines
Querdifferentials 22 verbunden. Ein erstes Ausgangsglied des
Querdifferentials 22 ist mit einer linken Antriebswelle 24 verbunden,
die mit dem linken Vorderrad VL verbunden ist. Ein zweites Ausgangsglied
des Querdifferentials 22 ist mit einer rechten Antriebswelle 26 verbunden,
die mit dem rechten Vorderrad VR gekoppelt ist.
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Das
Querdifferential 22 ist Teil einer Sperrdifferentialanordnung 28,
die eine schematisch dargestellte Sperrkupplung 30, eine
Steuereinrichtung 32 und einen Aktuator 34 beinhaltet.
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Ein
erstes Glied der Sperrkupplung 30 ist über einen Hohlwellenabschnitt
mit dem Eingangsglied des Querdifferentials 22 verbunden.
Ein zweites Glied der Sperrkupplung 30 ist mit einer der
Antriebswellen (im vorliegenden Fall die rechte Antriebswelle 26)
verbunden.
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Die
Sperrkupplung 30 kann mittels des Aktuators 34 entweder
vollständig
geöffnet
werden, so dass die Sperrdifferentialanordnung 28 einen
Sperrwert (Sperrgrad) von 0 % aufweist.
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Ferner
kann die Sperrkupplung 30 mittels des Aktuators 34 so
angesteuert werden, dass das Eingangsglied des Querdifferentials 22 und
die rechte Antriebswelle 26 kraftschlüssig miteinander verbunden
sind, was einen Sperrwert von 100 % einrichtet (die Vorderräder VL,
VR sind dann quasi starr miteinander gekoppelt).
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Durch
Ansteuern des Aktuators 34 der Sperrkupplung 30 lässt sich
folglich Antriebsmoment auf die angetriebenen Räder VL, VR verteilen.
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Ferner
lässt sich
durch den Aktuator 34, angesteuert durch die Steuereinrichtung 32,
jeder beliebige Schlupfzustand der Sperrkupplung 30 einrichten,
so dass der Sperrwert generell zwischen 0 % und 100 % frei regelbar
ist.
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Die
Sperrkupplung 30 kann beispielsweise eine trockene Reibkupplung
sein, eine nasse Reibkupplung, und insbesondere eine trocken- oder
nasslaufende Lamellenkupplung.
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Der
Aktuator 34 kann ein hydraulischer Aktuator sein, ist jedoch
vorzugsweise ein elektromechanischer oder elektromagnetischer Aktuator.
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Die
Steuereinrichtung 32 dient zur Ansteuerung der Sperrdifferentialanordnung 28 und
ist ferner mit einer Vielzahl von Sensoren sowie mit einer übergeordneten
Steuereinrichtung des Kraftfahrzeuges 10 gekoppelt.
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In
Abhängigkeit
von den diversen erfassten oder berechneten Parametern berechnet
die Steuereinrichtung 32 für die jeweilige Fahrsituation
einen optimalen Sperrwert der Sperrdifferentialanordnung 28,
um so insgesamt ein optimiertes Fahrverhalten zur Verfügung zu
stellen.
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In 1 ist
bei 36 ferner ein Lenkrad gezeigt, das über einen nicht näher dargestellten
Lenkmechanismus auf die Vorderräder
VL, VR wirkt. Insbesondere lässt
sich mittels des Lenkrades 36 ein Lenkwinkel α einstellen,
der in 1 ebenfalls dargestellt ist.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Kraftfahrzeuges 10'.
Das Kraftfahrzeug 10' entspricht
hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Kraftfahrzeug 10 der 1.
Gleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugsziffern angegeben.
Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede erläutert.
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So
ist das Kraftfahrzeug 10 ein hinterradgetriebenes Fahrzeug,
bei dem ein Ausgang des Getriebes 18 über ein Winkelgetriebe 40 (bei
Quereinbau des Motors) und eine Kardanwelle 42 mit einer Sperrdifferentialanordnung 28' im Bereich
der Hinterachse 14' verbunden
ist.
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Die
Funktionsweise der Sperrdifferentialanordnung 28' im Bereich
der Hinterachse 14' ist
identisch zu der Funktionsweise der Sperrdifferentialanordnung 28 an
der Vorderachse 12 des Kraftfahrzeuges 10 der 1.
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Bei
einachsgetriebenen Kraftfahrzeugen, wie den Kraftfahrzeugen 10, 10' der 1 und 2,
liefert die nicht angetriebene Achse über Raddrehzahlsensoren eine
Geschwindigkeitsinformation. Die Geschwindigkeitsinformation kann
dazu benutzt werden, um folgende Parameter zu ermitteln:
- – die
Solldrehzahl der angetriebenen Räder
kurveninnen und kurvenaußen,
und zwar ohne Antriebsschlupf;
- – den
aufgrund von Kurvenfahrten auftretenden Kurvenschlupf an der angetriebenen
und an der nicht angetriebenen Achse; und
- – die
Erkennung einer Kurvenfahrt als solcher (und zwar auch gegebenenfalls
in welche Richtung).
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Ferner
ist es möglich,
die mit Vorzeichen behafteten Größen Lenkwinkel,
Querbeschleunigung und Gierwinkelgeschwindigkeit zu ermitteln.
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Im
Folgenden wird als Kurvenschlupf ein Kennwert bezeichnet, der der
Drehzahldifferenz der angetriebenen Räder bei einer Kurvenfahrt entspricht.
Der innere Antriebsschlupf ist ein Kennwert, der der Drehzahldifferenz
der kurveninneren Räder bei
einer Kurvenfahrt entspricht, also im Wesentlichen der Schlupf des
angetriebenen kurveninneren Rades (in der Regel aufgrund von Entlastung
des kurveninneren Rades bei Kurvenfahrt).
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Der äußere Antriebsschlupf
ist ein Kennwert, der der Drehzahldifferenz der kurvenäußeren Räder bei
einer Kurvenfahrt entspricht, also im Wesentlichen der Schlupf des
angetriebenen kurvenäußeren Rades
(wenn der äußere Antriebsschlupf
zu groß wird,
beispielsweise aufgrund zu hoher Querbeschleunigung, wird die maximale
Seitenführungskraft des
Rades überschritten,
das Fahrzeug wird also instabil und kann folglich nach außen ausbrechen).
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Der
Sperrwert oder Sperrgrad ist ein Wert im Bereich von 0 % bis 100
% und berechnet sich in der Regel nach der Formel ABS (ML – MR)/MGES,
wobei ML das vom linken angetriebenen Rad übertragene Drehmoment ist,
wobei MR das vom rechten angetriebenen Rad übertragene Drehmoment ist,
und wobei MGES das zur Verfügung
stehende gesamte Antriebsmoment ist.
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Als
Schlupf zwischen zwei Rädern
wird generell die Drehzahldifferenz zwischen diesen Rädern angesehen.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sperrkupplung 30 auf
einen Sperrwert größer 0 %
(oder größer als
ein vorbestimmter Grenzsperrwert) dann angesteuert wird, wenn der
innere Antriebsschlupf größer oder
gleich dem Kurvenschlupf ist.
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Hierdurch
kann eine Untersteuerverstärkung bei
niedrigen Querbeschleunigungen verhindert werden.
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Zum
zweiten wird die Sperrkupplung 30 vorzugsweise so angesteuert,
dass der Sperrwert verringert wird (vorzugsweise auf 0 % gesetzt
wird), wenn der äußere Antriebsschlupf
einen einstellbaren Maximalschlupf überschreitet. Der Maximalschlupf ist
so gewählt
(und ist gegebenenfalls von aktuellen Fahrzeugparametern abhängig), dass
gewährleistet wird,
dass an dem kurvenäußeren angetriebenen Rad
die Seitenführungskräfte nicht
abreißen.
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In 3 ist
das Fahrverhalten bei einer konstanten Kurvenfahrt für ein Fahrzeug
gezeigt, das mit einem variablen Sperrdifferential ausgerüstet ist,
das erfindungsgemäß angesteuert
wird, und zwar im Vergleich zu einem Fahrzeug, dessen Querdifferential an
der angetriebenen Achse offen ist, und einem Fahrzeug, dessen Querdifferential
an der angetriebenen Achse ein passives Sperrdifferential ist.
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Das
in 3 gezeigte Diagramm 50 stellt dabei den
Lenkwinkel über
der Fahrzeuggeschwindigkeit dar.
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Die
Charakteristik des Fahrzeugs mit offenem Differential ist bei 52 gezeigt,
die Charakteristik des Kraftfahrzeugs mit passivem Sperrdifferential
ist bei 54 gezeigt, und die erfindungsgemäße Charakteristik
ist bei 56 gezeigt.
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Man
erkennt, dass beispielsweise bei einem Lenkwinkel von 70° mit den
bekannten Differentialen Kurvengeschwindigkeiten im Bereich von
ca. 90 bzw. 92 km/h erzielbar sind. Mit dem erfindungsgemäß angesteuerten
Sperrdifferential lässt
sich eine Kurvengeschwindigkeit von ca. 95 km/h realisieren.
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In 4 ist
das Fahrverhalten eines Fahrzeuges des Standes der Technik gezeigt,
das mit einem passiven Sperrdifferential in der angetriebenen Achse
ausgestattet ist.
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In
dem Diagramm 60 der 4 sind dabei über der
Zeit aufgetragen das vom kurveninneren Rad übertragene Drehmoment (Kurve 62),
das vom kurvenäußeren Rad übertragene
Drehmoment (Kurve 64), die Drehzahldifferenz der angetriebenen
Räder (Kurve 66)
und die erzielte Querbeschleunigung (Kurve 68).
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Im
Vergleich hierzu zeigt 5 die entsprechenden Kennwerte
in einem Diagramm 70 für
ein Fahrzeug, das mit einem aktiven Sperrdifferential ausgestattet
ist, das erfindungsgemäß angesteuert wird.
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In 5 bezeichnet 72 das
vom kurveninneren Rad übertragene
Drehmoment, die Kurve 74 bezeichnet das vom kurvenäußeren Rad übertragene Drehmoment,
die Kurve 76 bezeichnet die Drehzahldifferenz der angetriebenen
Räder,
die Kurve 78 bezeichnet die Querbeschleunigung.
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Ferner
ist in 5 die Aktivität
des Sperrdifferentials bei 80 gezeigt. Man erkennt, dass
bei zunehmender Querbeschleunigung der Sperrwert immer weiter ansteigt,
bis auf einen Maximalwert, derart, dass die Drehzahldifferenz zwischen
den ange triebenen Rädern,
also der Kurvenschlupf, im Wesentlichen auf 0 % geregelt wird.
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Man
erkennt, dass bei niedrigen Querbeschleunigungen die Drehmomente
von kurveninnerem Rad und kurvenäußerem Rad
identisch sind, wobei keine Sperrwirkung erzielt wird.
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Im
Gegensatz hierzu ist in 4 zu erkennen, dass die Drehmomente
von kurveninnerem Rad und kurvenäußerem Rad
auseinanderfallen. Genauer ist das Drehmoment am kurveninneren Rad
größer, so
dass eine Untersteuerungsverstärkung
auftritt. Dies kann erfindungsgemäß vermieden werden.
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Hingegen
tritt erfindungsgemäß bei höheren Querbeschleunigungen
eine noch größere Verringerung
der Untersteuerungsneigung auf.
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Mit
anderen Worten kann bei zunehmendem Sperrwert an dem kurvenäußeren Rad
ein deutlich höheres
Moment übertragen
werden als an dem kurveninneren Rad.
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6 zeigt
in schematischer Form eine alternative Form eines Kraftfahrzeuges 10''. Das Kraftfahrzeug 10'' weist einen Antriebsmotor 16 und
ein Getriebe 18 mit dazwischengeschalteter Anfahr- und Trennkupplung
auf. Ein Ausgang des Getriebes ist über eine Kardanwelle 42 mit
der angetriebenen Achse 14'' verbunden.
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Zur
Verteilung des Antriebsmomentes auf die angetriebenen Räder HR,
HL ist eine Twin-Kupplung 44 vorgesehen. Die Twin-Kupplung 44 weist zwei
Einzelkupplungen 46A, 46B auf. Deren Eingangsglieder
sind mit der Kardanwelle 42 verbunden. Die Ausgangs glieder
der Einzelkupplungen 46A, 46B sind mit den Antriebswellen 24'' bzw. 26'' verbunden.
Durch Ansteuern der Einzelkupplungen 46A, 46B auf
unabhängige
Art voneinander kann das Drehmoment erfindungsgemäß auf die
angetriebenen Räder
HL, HR verteilt werden.
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7 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
eines Antriebsstranges
10''. Der Antriebsstrang
10'' ist genauso aufgebaut wie der
Antriebsstrang
10'' der
6,
wobei jedoch im Bereich der angetriebenen Achse Drehzahlbeeinflussungsmittel
48A,
48B vorgesehen
sind. Diese Drehzahlbeeinflussungsmittel können ähnlich oder identisch aufgebaut sein,
wie es in dem
US-Patent 6,120,407 gezeigt
ist. Generell ist zwischen den angetriebenen Rädern HL, HR ein offenes Querdifferential
22 vorgesehen.
Ein Differentialkorb des Querdifferentials
22 ist jeweils über eine
Anordnung aus einer Reibkupplung und einer Radsatzanordnung mit
der jeweiligen Abtriebswelle verbunden. Durch Öffnen bzw. Schließen der Reibkupplungen
kann dann ein Drehzahlunterschied zwischen den Antriebswellen
24''',
26''' eingerichtet werden.
Durch Steuern der Reibkupplungen der Drehzahlbeeinflussungsmittel
48A,
48B kann
demzufolge das Drehmoment auf die angetriebenen Räder HL,
HR verteilt werden.
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In 8 ist
in schematischer Form eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Ansteuerung eines Sperrdifferentials mit 90 bezeichnet.
In entsprechender Weise lässt
sich die dargestellte Ausführungsform
auch auf die Ansteuerung einer angetriebenen Achse mit Twin-Kupplung 44 bzw.
mit Drehzahlbeeinflussungsmitteln 48 anwenden.
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Das
Verfahren 90 ist im Kraftfahrzeug in einer Steuereinrichtung
in Form von Software realisiert (obgleich es sich auch in Hardware
realisieren lässt), und
wird in Form einer Schleife immer wieder neu abgearbeitet.
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Zu
Beginn des Verfahrens erfolgt in einem Block 92 eine Erkennung
der Raddrehzahlen, wobei die erforderlichen Fahrzeugparameter über einen CAN-Bus
zugeführt
werden. Neben den Raddrehzahlen der Räder des Kraftfahrzeuges können im Block 92 auch
Lenkradwinkel, Querbeschleunigung und Gierrate eingelesen oder berechnet
werden.
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In
einem Block 94 erfolgt zunächst eine Berechnung des Kurvenschlupfes.
Parallel hierzu oder unmittelbar hiernach (unabhängig) erfolgt eine Berechnung
des inneren Antriebsschlupfes (Block 96).
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Im
Block 98 werden der Kurvenschlupf und der innere Antriebsschlupf
miteinander verglichen.
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Sofern
der innere Antriebsschlupf nicht größer ist als der Kurvenschlupf
(N im Block 98), wird der Sperrwert auf den minimalen Sperrwert
eingestellt (Block 100), und die Schleife endet bei 102.
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Falls
hingegen der innere Antriebsschlupf größer oder gleich dem Kurvenschlupf
ist, wird der Sperrwert im Block 104 in Abhängigkeit
von der ermittelten Schlupfdifferenz eingestellt. Es versteht sich,
dass hierbei noch diverse Skalierungswerte eine Rolle spielen können, um
die Empfindlichkeit des Reglers einzustellen und/oder den Verstärkungsfaktor
für die
Berechnung des Soll-Sperrwertes einzustellen.