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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines eine Brennkraftmaschine und eine Kupplung enthaltenden Fahrzeugantriebsstrangs
während
einer Betriebsphase, in der die Kupplung ausgehend von einem Schlupfzustand zunehmend
geschlossen wird, insbesondere während
des Anfahrens, derart, dass ein Antriebsschlupf eines angetriebenen
Rades vermieden wird.
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Moderne
Fahrzeuge sind zunehmend mit Traktionskontrollsystemen ausgerüstet, um
ein Durchdrehen angetriebener Räder
infolge eines zu hohen Antriebsmoments zu verhindern. Wenn ein Antriebsschlupf,
d.h. ein Schlupf an einem angetriebenen Rad festgestellt wird, wird
das Antriebsmoment vermindert, indem beispielsweise ein Laststellglied
eines Antriebsmotors, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, in
Richtung einer Verminderung der Last verstellt wird.
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Weiter
sind moderne Fahrzeuge zunehmend mit von einem Aktor betätigten automatischen
Kupplungen versehen, die entsprechend vorbestimmten Programmen betätigt werden.
Beim Anfahren oder in anderen Fahrsituationen, in denen die Kupplung
mit Schlupf betrieben wird, entspricht das an den Rädern wirksame
Antriebsmoment unmittelbar dem von der schlupfenden Kupplung übertragenen
Moment. Wenn das übertragbare
Kupplungsmoment kleiner ist als das vom Motor abgegebene Moment,
erhöht
der Motor seine Drehzahl und das überschüssige Moment wird in Form von
kinetischer Energie gespeichert. Beim Schließen der Kupplung wird diese
gespeicherte Energie durch Abnahme der Motordrehzahl plötzlich frei
und kann zu einem unerwünschten Beschleunigungsruck
führen.
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Wenn
ein Fahrzeug mit einem Traktionskontrollsystemen ausgerüstet ist,
bei dem nur das Motormoment beeinflusst wird, dann wird das Motormoment
vermindert, wenn beim Anfahren Antriebsschlupf festgestellt wird.
Wenn das Kupplungsmoment beim Auftreten von Antriebsschlupf nicht
vermindert wird, führt
eine Rücknahme
lediglich des Motormoments nicht zwangsläufig dazu, dass der Antriebsschlupf
des oder der angetriebenen Räder
abnimmt. Es wird lediglich die Motordrehzahl reduziert. Wenn eine
solche Situation fortdauert, dann könnte die Kupplung den Synchronisationspunkt
(Schlupffreiheit der Kupplung) bei niederer Motordrehzahl und durchdrehenden
Rädern
erreichen. Beim Synchronisationspunkt, d.h. bei Schlupffreiheit
der Kupplung, wird das vom Motor her wirksame Moment unmittelbar
auf die angetriebenen Räder übertragen. Wenn
das Motormoment vom Traktionskontrollsystemen herabgesetzt wurde,
besteht die Möglichkeit, dass
das Motormoment geringer ist als das vorher übertragene Kupplungsmoment,
wodurch ein Ruck in Fahrzeuglängsrichtung
ausgelöst
werden kann. Weiter besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Fahrzeugräder infolge
des geringeren Moments wieder greifen, d.h. frei von Antriebsschlupf
sind, wodurch die Motordrehzahl rasch abnimmt, was zu einem weiteren
Ruck in Fahrzeuglängsrichtung
führt.
Insgesamt ergibt sich eine sehr ungleichmäßige, unkomfortable Beschleunigung
und ein schlechtes Anfahrverhalten.
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Aus
der
DE 43 16 421 A1 ,
von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist ein Steuerverfahren
bekannt, bei dem bei einer beginnenden Antriebsschlupfsituation
ein Steuersignal erzeugt wird, auf das hin die Kupplungssteuerung
den Stellantrieb der Kupplung in der bei Beginn der Antriebsschlupfssituation
bestehenden Kupplungsstellung hält
und/oder die Stellrate des Stellantriebs vermindert, während die
Motorsteuerung zur Beseitigung des Antriebsschlupfes das vom Motor
erzeugte Moment verringert. Auf diese Weise wird eine gegenseitige
Beeinflussung der Kupplungssteuerung bzw. -regelung und der Motorsteuerung
bzw. -regelung vermieden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren
derart weiter zu bilden, dass Antriebsschlupfszustände, wie
sie insbesondere beim Anfahren auftreten können, rasch beseitigt werden
und dennoch ein komfortables und rasches Anfahren möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren zum Steuern eines einen Antriebsmotor und eine Kupplung
enthaltenden Fahrzeugantriebsstrangs während einer Betriebsphase,
in der die Kupplung ausgehend von einem Schlupfzustand zunehmend geschlossen
wird, insbesondere während
des Anfahrens, derart, dass ein Antriebsschlupf eines angetriebenen
Rades vermieden wird, bei welchem Verfahren das von der Kupplung übertragbare
Kupplungsmoment und die Last der Brennkraftmaschine unabhängig voneinander
einstellbar sind, wobei beim Auftreten von Antriebsschlupf an einem
Antriebsrad das von der Kupplung übertragbare Moment zum Beseitigen
des Antriebsschlupfes vermindert wird und nach Beseitigen des Antriebsschlupfes
erhöht
wird und die Last der Brennkraftmaschine zumindest beim Beginn des
Auftretens des Antriebsschlupfes nicht vermindert wird.
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Vorteilhafterweise
wird ein von der Kupplung am Ende der Betriebsphase übertragbares
Kupplungsmoment derart eingestellt, dass es dem von den angetriebenen
Rädern
maximal antriebsschlupffrei übertragbarem
Moment entspricht.
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Ein
von der Kupplung am Ende der Betriebsphase übertragbares Kupplungsmoment
kann derart eingestellt werden, dass es dem von den angetriebenen
Rädern
maximal antriebsschlupffrei übertragbarem
Moment entspricht.
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Ein
Laststellglied des Antriebsmotors kann derart eingestellt werden,
dass das von dem Antriebsmotor bei konstanter Drehzahl erzeugte
Moment dem von dem angetriebenen Rädern maximal antriebsschlupffrei übertragbaren
Moment entspricht.
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Alternativ
kann ein Laststellglied des Antriebsmotors derart eingestellt werden,
dass die Drehzahl des Antriebsmotors einen vorbestimmten konstanten
Wert hat.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, dass ein Laststellglied des Antriebsmotors derart
eingestellt wird, dass das Drehmoment des Antriebsmotors während einer
Betriebsphase zunimmt.
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Bei
dem letztgenannten Verfahren kann das Laststellglied des Antriebsmotors
derart eingestellt werden, dass das Drehmoment der Brennkraftmaschine
während
der Betriebsphase zunimmt.
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Eine
Vorrichtung zum Steuern eines einen Antriebsmotor und eine Kupplung
enthaltenden Fahrzeugantriebsstrangs während einer Betriebsphase, in
der die Kupplung ausgehend von einem Schlupfzustand zunehmend geschlossen
wird, insbesondere während
des Anfahrens, derart, dass ein Antriebsschlupf eines angetriebenen
Rades vermieden wird, enthält
einen Laststellaktor zum Betätigen
eines Laststellgliedes des Antriebsmotors, einen Kupplungsaktor
zum Betätigen
der Kupplung, Sensoren zum Erfassen eines Antriebsschlupfes eines
angetriebenen Fahrzeugrades, Sensoren zum Erfassen eines Schlupfes
der Kupplung sowie gegebenenfalls weitere Sensoren zum Erfassen
von weiteren Betriebsparametern des Antriebsstrangs und eine elektronische
Steuereinrichtung, in der Programme abgelegt sind, entsprechend
denen die Aktoren abhängig von
vorbestimmten Betriebszuständen
des Antriebsstrangs gesteuert werden, enthält, wobei die elektronische
Steuereinrichtung die Aktoren nach einem der vorgenannten Verfahren
steuert.
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Die
Erfindung kann überall
eingesetzt werden, wo in Kraftfahrzeugen, bei denen das Laststellglied
des Antriebsmotors und die Kupplung von Aktoren gesteuert werden
und Antriebsschlupf infolge eines zu hohen vom Antriebsmotor her
wirkenden Drehmoments vermieden werden soll.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es
stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild eines Fahrzeugantriebsstrangs und
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2 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung
eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der
Begriff „Steuern" wird im Folgenden
nicht im strengen Wortsinn gebraucht. Tatsächlich handelt es sich meist
um Regelvorgänge,
da ein Stellglied derart betätigt
wird, dass ein Antriebsschlupf beseitigt wird, d.h. das Stellglied
unter Rückkoppelung
des augenblicklichen Antriebsschlupfs betätigt wird.
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Gemäß 1 enthält ein Fahrzeugantriebsstrang
einen Antriebsmotor 10, vorzugsweise in Form einer Brennkraftmaschine,
die über
eine Kupplung 12 mit einem Getriebe 14 verbunden
ist, das im dargestellten Beispiel über eine Welle 16 und
ein Differenzial 18 Räder 20 eines
Fahrzeugs antreibt.
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Im
dargestellten Beispiel ist das Getriebe 14 ein automatisches
Getriebe, das über
einen Wählhebel 22 gesteuert
werden kann. Das Getriebe 14 könnte auch ein Handschaltgetriebe
sein.
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Zur
Steuerung des Antriebsstrangs dient eine elektronische Steuereinrichtung 24,
deren Eingänge 26 die
von Sensoren erfassten Ausgangssignale von Betriebsparametern des
Antriebsstrangs sowie die Fahrwünsche
erfassen. Solche Sensoren sind beispielsweise ein Sensor 28 zur
Erfassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine, ein Sensor 30 zur Erfassung
der Drehzahl der Ausgangswelle der Kupplung 12, ein Sensor 32 zur
Erfassung der Drehzahl der Getriebeausgangswelle, ein Sensor 34 zur Erfassung
der Drehzahl eines angetriebenen Rades, ein Sensor 36 zur
Erfassung der Stellung des Wählhebels 22 sowie
ein Sensor 38 zur Erfassung der Stellung eines Fahrpedals 40.
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Von
Ausgängen 42 der
elektronischen Steuereinrichtung 24 wird ein Aktor 44 zum
Betätigen
eines Laststellgliedes 46 der Brennkraftmaschine 10, ein
Aktor 48 zur Steuerung des von der Kupplung 12 übertragbaren
Moments sowie, wenn das Getriebe 14 ein automatisches Getriebe
ist, ein Aktor 50 zum Einstellen der Übersetzung des Getriebes gesteuert.
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Aufbau
und Funktion der bisher beschriebenen Umfänge sind an sich bekannt und
werden daher nicht erläutert.
Die elektronische Steuereinrichtung 24 kann auf mehrere
Steuergeräte
verteilt sein, die über
ein Bussystem verbunden sind, und von denen ein Steuergerät beispielsweise
ein Motorsteuergerät zur
Steuerung der Brennkraftmaschine 10 ist, ein Steuergerät zur Steuerung
der Kupplung 12 dient und ein weiteres Steuergerät zur Steuerung
des Getriebes 14 dient. Das Kupplungssteuergerät und das Getriebesteuergerät sind meistens
zu einer Einheit zusammengefasst.
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In
der Steuereinrichtung 24 sind Programme abgelegt, die bei
Vorliegen vorbestimmter Betriebszustände aktiviert werden, beispielsweise
ein Anfahrprogramm, entsprechend dem beim Anfahren die Kupplung 48 abhängig von
der Betätigung
des Fahrpedals 40 geschlossen wird. Dazu ist in der Steuereinrichtung 24 eine
Kennlinie abgelegt, die das von der Kupplung 12 übertragbare
Moment in Abhängigkeit
von der Stellung eines vom Aktor 48 betätigten Stellgliedes angibt.
Die Betätigung
der Kupplung kann gesteuert erfolgen oder erfolgt vorteilhaft geregelt,
indem das Kupplungselement anhand des vom Antriebsmotor 10 abgegebenen
Moments, das aus dessen stationärem
Moment und dessen Trägheitsmoment
(bei einer Drehzahländerung
des Antriebsmotors 10) zusammengesetzt ist, gemessen wird und
mit dem Sollmoment der Kupplung verglichen wird. Bei einer Abweichung
zwischen dem Sollmoment der Kupplung und dem vom Motor abgegebenen
Moment wird die Kupplung entsprechend nachgestellt.
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Weiter
sind in der Steuereinrichtung 24 Schaltprogramme abgelegt,
mit denen der Betrieb der Kupplung 12 und des Getriebes 14 bei
Gangschaltungen gesteuert wird, und so weiter.
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Erfindungsgemäß sind in
der Steuereinrichtung 24 Antischlupfprogramme bzw. Traktionskontrollprogramme
abgelegt, die aktiviert werden, wenn ein oder die Antriebsräder beim
Beschleunigen oder insbesondere beim Anfahren infolge von einem
auf sie vom Motor her einwirkenden Antriebsmoment, das das Haftmoment
des Rades auf dem Untergrund überschreitet,
rutschen (Antriebsschlupf).
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Im
Folgenden werden vier verschieden Programme erläutert, mit denen Antriebsschlupf,
falls er beim Anfahren auftritt, rasch unterdrückt wird, wobei das Anfahren
dennoch möglichst
ruckfrei und mit möglichst
guter, auf dem jeweiligen Untergrund möglicher Beschleunigung erfolgt.
Dabei besteht eine in der Praxis nicht immer mögliche Situation darin, dass das
maximal mögliche
Radmoment bekannt ist, bei dem noch kein Antriebsschlupf auftritt.
Dieses Radmoment kann ermittelt werden, indem Schlupf des Rades
beispielsweise aus dem Vergleich der Drehzahlen nicht angetriebener
und angetriebener Räder ermittelt
wird, das Antriebsmoment aus den Informationen der Motorsensorik
ermittelt wird, wobei das maximal zulässige Antriebsmoment (Antriebsschlupffreiheit)
das Antriebsmoment ist, bei dem gerade noch kein Radschlupf auftritt.
In einem Anfahrprogramm würde
für die
Kupplung als übertragbares Zielmoment
dieses maximal mögliche
Antriebsmoment eingestellt. Es versteht sich, dass das Motormoment
und die Summe der Antriebsradmomente über die jeweiligen Übersetzungen
bzw. Drehzahlen ineinander umgerechnet werden müssen.
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a) Drehmomentangleichung
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Für einen
Anfahrvorgang wird das Drehmoment des Antriebsmotors auf das maximal
mögliche, antriebsschlupffreie
Antriebsmoment eingestellt. Wenn die Kupplung beim Anfahren unter
schlupffreien Bedingungen soweit geschlossen ist, das sie dieses
maximal mögliche
Antriebsmoment überträgt, besteht
im Synchronisationspunkt der Kupplung (Schlupffreiheit der Kupplung)
Gleichheit zwischen dem Kupplungsmoment und dem motorischen Antriebsmoment,
sodass dann kein Ruck auftritt.
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Das
Verfahren wird anhand der 2 erläutert:
Im
Schritt 60 wird ein Anfahrprogramm aktiviert, was beispielsweise
geschieht, wenn das Fahrzeug steht, ein Gang eingelegt wird und
das Fahrpedal betätigt wird.
Vom Schritt 60 springt das Programm zum Schritt 62,
in dem ein Betätigungsprogramm
für die Kupplung
aktiviert wird, das das Kupplungsmoment NK als Funktion des Betätigungswinkels α des Fahrpedals,
der Zeitdauer ab Programmbeginn (Schritt 60) und des eingestellten
Kupplungszielmoments NKZ angibt, wobei das Kupplungszielmoment NKZ das
Moment ist, bei dem ein antriebsschlupffreier Antrieb noch möglich ist.
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Im
Schritt 64 wird gleichzeitig der Antriebsmotor 10 auf
ein Moment Mn eingestellt, das gleich einem Motorsollmoment NmS
ist, das gleich dem Kupplungszielmoment NKZ ist.
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Wenn
im Schritt 66 Anfahrtsschlupf festgestellt wird, wird im
Schritt 68 das Kupplungszielmoment um einen Betrag Δ vermindert
und das Programm springt zum Schritt 62 zurück. Solange
Anfahrtsschlupf festgestellt wird, befindet sich das Programm somit
in einer Schleife. Wenn kein Anfahrtsschlupf mehr festgestellt wird,
springt das Programm zum Schritt 70, in dem das Kupplungszielmoment
um einen Betrag Δ vergrößert wird.
Das im Schritt 70 maximal erreichbare Kupplungszielmoment
entspricht dem zum Beginn des Anfahrprogramms festgelegten Kupplungszielmoment.
Solange dieser Startwert nicht erreicht ist (Überprüfung im Schritt 72)
springt das Programm jeweils zurück
zum Schritt 62. Wenn der anfängliche Kupplungsmomentzielwert
erreicht ist, springt das Programm zum Schritt 74, in dem überprüft wird,
ob der im Schritt 62 errechnete und durch den Aktor 48 eingestellte
Wert des übertragenen
Kupplungsmoments den anfänglich
festgesetzten Zielwert erreicht hat. Ist dies der Fall, so wird
das Anfahrprogramm beendet und im Schritt 76 ein Fahrprogramm
aktiviert. Solange der Zielwert des übertragbaren Kupplungsmoments
noch nicht erreicht ist, d.h. die Kupplung vom Aktor noch weiter
geöffnet
ist als dem Zielwert entspricht, kehrt das Programm vom Schritt 74 zum
Schritt 62 zurück.
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In
der beschriebenen Ausführungsform
wird das Motormoment Nm während
der gesamten Kupplungssteuerung zum Anfahren auf den im Schritt 64 eingestellten
Wert konstant gehalten und erst nach Aktivierung des Fahrprogramms
im Schritt 76 geändert.
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Eine
Abänderung
des Verfahrens gemäß 2 kann
darin bestehen, dass das Motormoment Nm jeweils auf den Wert eingestellt
wird, der in den Schritten 68 bzw. 70 berechnet
wird und der Anfahrvorgang zeitgesteuert beendet wird.
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b) Konstante Motordrehzahl
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Während des
Schließens
der Kupplung beim Anfahren wird die Motordrehzahl durch entsprechende
Einstellung des Laststellgliedes 44 konstant gehalten und
wird die Kupplung derart geschlossen, dass Anfahrtsschlupf vermieden
wird, d.h. beim Auftreten von Anfahrtsschlupf wird der programmierte Schließvorgang
der Kupplung unterbrochen bzw. die Kupplung geöffnet, bis der Anfahrtsschlupf
aufhört, um
dann erneut weiter geschlossen zu werden. Der Vorteil der Konstanthaltung
der Motordrehzahl liegt darin, dass der Fahrer vom Auftreten eines
Antriebsschlupfes praktisch nichts spürt. Nach Erreichen des Synchronisationspunktes
der Kupplung (Schlupffreiheit der Kupplung) kann der Antriebsmotor
weiterhin auf der gleichen Drehzahl gehalten werden, bis die nicht
angetriebenen Räder
sich entsprechend der Motordrehzahl drehen. Auf diese Weise kann
das Motormoment automatisch von der Motorsteuerung erhöht werden,
um eine Situation zu vermeiden, bei der die Räder plötzlich greifen (Antriebsschlupf
= 0), was zu einem Beschleunigungsstoß führt.
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c) Motorträgheitsenergiezunahme
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Während des
Beschleunigens und Auftreten von Antriebsschlupf wird das Motormoment
in keiner Weise zurückgenommen.
Wenn das Kupplungsmoment zur Vermeidung des Antriebsschlupfes vermindert
wird, nimmt in diesem Fall die Motordrehzahl zu, da das stationäre Motormoment über dem
Kupplungsmoment liegt. Die Motordrehzahl kann unter Umständen bis
zum Erreichen der Drehzahlgrenze zunehmen. Sobald Traktion bzw.
die Antriebsschlupffreiheit erreicht wird und über die Kupplungssteuerung
das Antriebsmoment des Fahrzeugrades vergrößert wird, kann das übertragbare
Kupplungsmoment rasch auf einen Wert zunehmen, der größer ist als
das stationäre
Motormoment. Dies führt
dann dazu, dass die Motordrehzahl auf eine gewünschtes Maß abnimmt und das infolge der
Massenträgheit
frei werdende dynamische Motormoment auf die Räder übertragen wird. Diese Strategie
ermöglicht
ein hohes Beschleunigen während
des Anfahrens. Die Kupplung wird jedoch unter Umständen stärker belastet.
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d) Modifizierte Trägheitsbegrenzung
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Während des
Anfahrens wird bei auftretendem Antriebsschlupf die Drehzahlgrenze
des Motors zeitweilig herabgesetzt. Ansonsten folgt die Strategie der
vorstehend unter c) erläuterten
Strategie. Die Strategie ist somit eine Kombination der Strategien
b) und c), um einerseits ein hohes Beschleunigungsvermögen zu liefern
und andererseits die Kupplung vor unzulässig hohen Energieeintrag zu
schützen.
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Mit
allen vorstehend erläuterten
Strategien ist es möglich,
den Übergang
zwischen Kupplungsmoment und Motormoment zu steuern, wenn beim Anfahren
die Kupplungssynchronisation (schlupffreie Kupplung) erreicht wird.
Auf diese Weise ist es möglich,
eine Situation zu vermeiden, bei der bei der Kupplungssynchronisation
der Antriebsschlupf plötzlich
aufgrund einer fehlerhaften Abstimmung zwischen dem Motormoment
und dem Kupplungsmoment zunimmt.
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Während Antriebsschlupfsituationen,
bei denen die Kupplung geschlossen ist, kann diesem Antriebsschlupf
in üblicher
Weise durch Verminderung des Motormoments begegnet werden.
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Bei
einem System ohne Traktionskontrolle durch Herabsetzung des Motormoments
kann die Kupplungssteuerung die Traktionskontrolle übernehmen.
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Es
versteht sich, dass die anhand des Flussdiagramms der 2 erläuterte Kupplungssteuerung auch
derart erfolgen kann, dass die Kupplung beim Anfahren rampenförmig geschlossen
wird und das zunehmende Schließen
der Kupplung jeweils beendet wird, wenn Antriebsschlupf auftritt
bzw. zurückgenommen
wird, bis der Antriebsschlupf aufhört und anschließend versucht
wird, das rampenförmige
Schließen
der Kupplung fortzusetzen. Die Beendigung des Anfahrvorgangs ist
dann dadurch definiert, dass Schlupffreiheit der Kupplung erreicht
wird. Das Motormoment Nm kann in diesem Fall auf einen von der Stellung
des Fahrpedals abhängigen
Wert festgelegt werden, der, falls zum Beenden von Antriebsschlupf das übertragbare
Kupplungsmoment sehr weit vermindert werden muss, herabgesetzt werden
kann.
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Die
Erfindung kann nicht nur zur Antriebsschlupfkontrolle während des
Anfahrens verwendet werden, sondern immer dann, wenn das Fahrzeug beschleunigt
wird.
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- 10
- Antriebsmotor
- 12
- Kupplung
- 14
- Getriebe
- 16
- Welle
- 18
- Differenzial
- 20
- Räder
- 22
- Wählhebel
- 24
- elektronische
Steuereinrichtung
- 26
- Eingänge
- 28
- Sensor
- 30
- Sensor
- 32
- Sensor
- 34
- Sensor
- 36
- Sensor
- 38
- Sensor
- 40
- Fahrpedal
- 42
- Ausgänge
- 44
- Aktor
- 46
- Laststellglied
- 48
- Aktor
- 50
- Aktor