DE102008050278A1

DE102008050278A1 - Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb

Info

Publication number: DE102008050278A1
Application number: DE200810050278
Authority: DE
Inventors: Franz Gratzer
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs besitzt eine Antriebseinheit zur Erzeugung eines Antriebsmoments und ein mit der Antriebseinheit gekoppeltes Hauptgetriebe, das eine Ausgangsstufe aufweist. Die Ausgangsstufe des Hauptgetriebes ist entlang eines Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts zumindest über ein Hinterachs-Differentialgetriebe und zwei Achswellen mit den Rädern einer Hinterachse permanent unmittelbar drehwirksam gekoppelt. Die Ausgangsstufe des Hauptgetriebes ist ferner entlang eines Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts zumindest über ein Vorderachs-Differentialgetriebe und zwei Achswellen mit den Rädern einer Vorderachse wahlweise unmittelbar drehwirksam koppelbar. Entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts ist eine Kupplung vorgesehen, der eine Steuereinheit zugeordnet ist. Das Vorderachs-Übersetzungsverhältnis ist geringer gewählt als das Hinterachs-Übersetzungsverhältnis.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb. Ein derartiger Antriebsstrang besitzt üblicherweise eine Antriebseinheit (z. B. Verbrennungsmotor) zur Erzeugung eines Antriebsmoments und ein mit der Antriebseinheit gekoppeltes Hauptgetriebe (z. B. Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe), das eine Ausgangsstufe aufweist. Bei dem hier betrachteten Antriebsstrang ist die Ausgangsstufe des Hauptgetriebes zum einen entlang eines Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts zumindest über ein Hinterachs-Differentialgetriebe und zwei Achswellen mit den Rädern der Hinterachse permanent unmittelbar drehwirksam gekoppelt. Zum anderen ist die Ausgangsstufe des Hauptgetriebes entlang eines Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts zumindest über ein Vorderachs-Differentialgetriebe und zwei Achswellen mit den Rädern der Vorderachse wahlweise unmittelbar drehwirksam koppelbar. Entlang dieses Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts ist eine Kupplung vorgesehen, um einen variablen Teil des Antriebsmoments auf die Räder der Vorderachse zu übermitteln, wobei der Kupplung eine Steuereinheit zum Steuern der Kupplung bzw. der Drehmomentübertragung zugeordnet ist. Bei der Kupplung handelt es sich beispielsweise um eine Reibungskupplung (z. B. Lamellenkupplung), eine hydrostatische Kupplung oder eine sonstige Kupplung für eine kontinuierlich variable Drehmomentübertragung.
Sofern in diesem Zusammenhang und nachfolgend auf eine ”unmittelbar drehwirksame” Kopplung Bezug genommen wird, bedeutet dies, dass die Ausgangsstufe des Hauptgetriebes mit dem Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt und dem Vorderachs-Antriebsstrangabschnitt ohne zwischenge schaltetes Längsdifferentialgetriebe (Zentraldifferential) gekoppelt ist. Mit anderen Worten steht die mittlere Drehzahl der beiden Räder der Hinterachse in einem vorbestimmten Verhältnis zu der Drehzahl der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes, und auch die mittlere Drehzahl der beiden Räder der Vorderachse steht – sofern die genannte Kupplung gesperrt ist – in einem vorbestimmten Verhältnis zu der Drehzahl der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes. Es handelt sich hier also um einen Allradantrieb mit einer permanent angetriebenen Hinterachse und einer wahlweise zuschaltbaren Vorderachse.
Ein Vorteil eines derartigen Antriebsstrangs besteht darin, dass die dynamische Fahrcharakteristik eines Heckantriebs eingestellt werden kann, die von vielen Fahrern bevorzugt wird (Neigung zu einem übersteuernden Fahrverhalten durch Erzeugung hoher Antriebsmomente, Freiheit des Lenksystems von direkten Antriebseinflüssen). Diesem Vorteil steht jedoch der Nachteil gegenüber, dass die Übertragung des Antriebsmoments auf die Räder der Hinterachse mit vergleichsweise hohen Verlusten der Antriebsleistung verbunden ist, insbesondere an dem Hinterachs-Winkelgetriebe (Winkelgetriebe zwischen der Kardanwelle und dem Hinterachs-Differentialgetriebe), so dass ein solcher Antriebsstrang einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad besitzt. Noch gravierender ist dieses Problem bei Antriebssträngen, bei denen die Antriebseinheit in einer so genannten Front-Quer-Anordnung vorgesehen ist, da in diesem Fall ein zusätzliches Verzweigungsgetriebe an der Vorderachse erforderlich ist (Vorderachs-Winkelgetriebe; so genannte power take-off unit, PTU), um das Antriebsmoment von der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes auf die Kardanwelle zu übertragen. Hierbei geht also ein weiterer Teil der Antriebsleistung verloren. Es ist deshalb üblich, für Fahrzeuge mit einer Antriebseinheit in Front-Quer-Anordnung eine permanent angetriebene Vorderachse vorzusehen und den Allradantrieb mittels einer so genannten ”Hang-On”-Kupplung zu realisieren, die an dem Hinterachs-Differentialgetriebe angeordnet ist, um einen Teil des Antriebsmoments wahlweise auf die Räder der Hinterachse zu übertragen. Hierdurch ist es allerdings wiederum schwierig, eine erwünschte sportliche Fahrcharakteristik des Fahrzeugs darzustellen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Allradantrieb zu schaffen, der das Einstellen wahlweise einer dynamischen Fahrcharakteristik oder eines vergleichsweise ökonomischen Fahrbetriebs ermöglicht, insbesondere für eine Front-Quer-Anordnung der Antriebseinheit.
Diese Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes und der mittleren Umfangsgeschwindigkeit der Räder der Hinterachse ein Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA vorgesehen ist und zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes und der mittleren Umfangsgeschwindigkeit der Räder der Vorderachse ein Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA vorgesehen ist, wobei das Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA geringer ist als das Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA.
Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang ist für den Vorderachs-Antriebsstrangabschnitt also eine längere Übersetzung vorgesehen als für den Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt, so dass die Räder der Vorderachse zu einer schnelleren Drehbewegung angetrieben würden als die Räder der Hinterachse, falls die Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts geschlossen wäre und die Räder frei drehbar wären (d. h. ohne Kontakt zum Untergrund). Mit anderen Worten ist zwischen dem Vorderachs-Antriebsstrangabschnitt und dem Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt ein Übersetzungsfehler realisiert. Das jeweilige Übersetzungsverhältnis der beiden Antriebsstrangabschnitte entspricht dem Verhältnis (Quotient) der Drehzahl der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes zu der mittleren Drehzahl der beiden Räder der betreffenden Achse (entsprechend der Drehzahl des Vorderachs- bzw. Hinterachs-Differentialgetriebes), wobei zusätzlich ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen ist, falls der Durchmesser der Räder der Hinterachse von dem Durchmesser der Räder der Vorderachse abweicht. Das genannte Übersetzungsverhältnis des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts bzw. des Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts umfasst in diesem Zusammenhang also das Produkt der Einzelübersetzungen sämtlicher Komponenten des jeweiligen Antriebsstrangabschnitts, wobei zusätzlich der Durchmesser der Räder berücksichtigt wird, falls die Räder der Vorderachse und die Räder der Hinterachse unterschiedliche Durchmesser besitzen (z. B. jeweiliger Korrekturfaktor in Form eines Quotienten aus Durchmesser der Ausgangsstufe zu Durchmesser der Räder der betreffenden Achse).
Beispielsweise kann der Quotient aus der Drehzahl der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes zu der mittleren Drehzahl der beiden Räder der Vorderachse genau den Wert eins besitzen (d. h. zwischen der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes und dem Vorderachs-Differentialgetriebe erfolgt keine Veränderung der Drehzahl), während das Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA geringer ist als das Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA. Dies kann zum Beispiel aufgrund einer entsprechenden Ausbildung des Hinterachs-Winkelgetriebes erreicht werden. Alternativ hierzu kann der Quotient aus der Drehzahl der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes zu der mittleren Drehzahl der beiden Räder der Hinterachse genau den Wert eins besitzen. Dies kann zum Beispiel aufgrund eines unterschiedlichen Durchmessers der Räder der Vorderachse und der Räder der Hinterachse erreicht werden. In beiden Fällen erfolgt in zumindest einem der beiden Antriebsstrangabschnitte keine Veränderung der Drehzahl zwischen der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes und dem jeweiligen Achsdifferential.
Die Differenz zwischen dem Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA und dem Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA kann typischerweise einen Wert Δi im Bereich von 0,1% bis 5% besitzen.
Aufgrund der erläuterten unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse der beiden Antriebsstrangabschnitte kann wahlweise ein überwiegender Teil des Antriebsmoments der Antriebseinheit auf die Räder der Vorderachse übertragen werden, nämlich indem ein entsprechendes Kupplungsmoment an der Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts eingestellt wird. Hierdurch wird der bessere Wirkungsgrad der Kopplung zwischen der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes und dem Vorderachs-Differentialgetriebe ausgenutzt, was insbesondere für Antriebsstränge mit einer Front-Quer-Anordnung der Antriebseinheit von Bedeutung ist. Oder es wird wahlweise das dynamische Fahrverhalten eines Hecktrieblers eingestellt, nämlich durch weitestgehendes oder vollständiges Öffnen der Kupplung, so dass ein überwiegender Teil oder die Gesamtheit des Antriebsmoments auf die Räder der Hinterachse übertragen wird. Dieser Betriebsmodus braucht jedoch nur eingestellt zu werden, wenn die hierdurch ermöglichte sportliche Fahrcharakteristik für den Fahrer tatsächlich spürbar ist oder von diesem beispielsweise durch entsprechende Betätigung des Fahrpedals angefordert wird. Insgesamt ermöglicht der erfindungsgemäße Antriebsstrang somit einen wirtschaftlichen Fahrbetrieb.
Obwohl der erfindungsgemäße Antriebsstrang auf eine permanente Kopplung der Räder der Hinterachse mit der Antriebseinheit bzw. der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes ausgelegt ist, kann also wahlweise ein überwiegender Teil des Antriebsmoments auf die Räder der Vorderachse übertragen werden. Dies ist auf das bezüglich des Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts relativ geringe Übersetzungsverhältnis des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts zurückzuführen: Da die (den beiden Antriebsstrangabschnitten gemeinsame) Ausgangsstufe des Hauptgetriebes die Räder der Vorderachse – je nach Ansteuerung der Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts – zu einer schnelleren Drehbewegung antreibt als die Räder der Hinterachse, kann durch entsprechende Einstellung des Kupplungsmoments mittels der Steuereinheit der Kupplung ein wesentlicher Teil des Antriebsmoments auch auf die Räder der Vorderachse übertragen werden. Durch das an der Kupplung eingestellte Kupplungsmoment wird also die Verteilung des Antriebsmoments auf die Vorderachse und die Hinterachse eingestellt. Die Kupplung muss hierfür nicht vollständig gesperrt sein, sondern wird gewöhnlich mit Schlupf betrieben. Falls hierbei an der Kupplung eine Drehzahldifferenz entsprechend dem Übersetzungsfehler, d. h. entsprechend dem Unterschied zwischen dem Hinterachs-Übersetzungsverhältnis und dem Vorderachs-Übersetzungsverhältnis, eingeregelt wird, drehen die Räder der beiden Achsen mit denselben Umfangsgeschwindigkeiten, was letztlich einem herkömmlichen gesperrten Allradantrieb mit einer Verteilung des Antriebsmoments gemäß den Achslasten entspricht.
Der Unterschied zwischen dem Hinterachs-Übersetzungsverhältnis und dem Vorderachs-Übersetzungsverhältnis ist insbesondere derart gewählt, dass dieser Unterschied im Wesentlichen den Radschlupf der Räder der Vorderachse kompensiert, welcher bei den höchsten Antriebsmomenten auftritt, die gemäß dem Fahrbetrieb des ”New European Driving Cycle” (NEDC) vorgesehen sind. Hierdurch wird also bis zu den höchsten Antriebsmomenten, die bei dem NEDC auftreten, ein überwiegender Teil des Antriebsmoments auf die Räder der Vorderachse übertragen, wobei bei den höchsten Antriebsmomenten des NEDC die Räder der Hinterachse im Wesentlichen frei von Antriebsmomenten sind. Somit wird bei einer dem NEDC entsprechenden Fahrweise ein besonders Kraftstoffökonomischer Fahrbetrieb erzielt.
Der erläuterte Schlupf der Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts erzeugt zwar eine gewisse Verlustleistung. Wie die folgende Überlegung zeigt, ist diese Verlustleistung jedoch zumindest bei eine Front-Quer-Einbau mit einem Verzweigungsgetriebe (Winkelgetriebe) an der Vorderachse geringer als bei einem permanenten Allradantrieb und kann deshalb in Kauf genommen werden: Bei einem permanenten Allradantrieb unter Verwendung eines Längsdifferentialgetriebes mit einer Verteilung des Antriebsmoments (Vorderachse:Hinterachse) von 50:50 erreichen 50% des Antriebsmoments das Vorderachs-Differentialgetriebe, während aufgrund der Verluste an dem Verzweigungsgetriebe und dem Hinterachs-Winkelgetriebe lediglich ca. 47% (nämlich 50% – (6% × 0,5)) des Antriebsmoments das Hinterachs-Differentialgetriebe erreichen. Hierbei wird angenommen, dass in dem Verzweigungsgetriebe und dem Hinterachs-Winkelgetriebe 6% des tatsächlich übertragenen Drehmoments verloren gehen. Außerdem werden identische Verluste der beiden Vergleichsbeispiele hier nicht betrachtet, und auch Schleppverluste werden vernachlässigt. Maximal werden bei diesem Beispiel also 97% des Antriebsmoments übertragen. Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang hingegen ergibt sich bei 0,5% Kupplungsschlupf (entsprechend dem Übersetzungsfehler) und einer eingestellten Momentenverteilung von 90:10 ein Wert von 89,5% des Antriebsmoments, der das Vorderachs-Differentialgetriebe erreicht, wobei aufgrund der Verluste in dem Verzweigungsgetriebe und dem Hinterachs-Winkelgetriebe 9,4% des Antriebsmoments das Hinterachs-Differentialgetriebe erreichen (10% – (6% × 0,1)). Bei diesem Beispiel werden insgesamt also 98,9% des Antriebsmoments übertragen, was gegenüber dem erstgenannten Beispiel einer Verbesserung um fast 2% des Antriebsmoments entspricht, obwohl die Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts unter Schlupf läuft.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs besteht darin, dass die Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts auf eine vergleichsweise geringe Kapazität ausgelegt sein kann, so dass sich ein Vorderachsantrieb ergibt, der klein baut und leicht ist. Beispielsweise kann die Kupplungskapazität maximal die Hälfte oder ein Drittel des Antriebsmoments in der geringsten Übersetzungsstufe des Hauptgetriebes betragen. Falls nämlich beispielsweise aufgrund einer entsprechenden Fahrpedalbetätigung die Antriebseinheit in Zusammenwirken mit dem Hauptgetriebe ein sehr hohes Antriebsmoment bereitstellt, soll dieses ohnehin zu einem überwiegenden Teil auf die Räder der Hinterachse übertragen werden, da bei einer entsprechend hohen Drehmomentanforderung durch den Fahrer davon ausgegangen wird, dass dieser den Übergang zu der dynamischen Fahrcharakteristik eines Hecktrieblers wünscht. Die Kupplung braucht für den Fall einer derartig hohen Drehmomentanforderung also nicht dafür ausgelegt sein, einen wesentlichen Anteil des Antriebsmoments auf die Räder der Vorderachse zu übertragen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt und werden nachfolgend erläutert.
Vorzugsweise ist die der Kupplung zugeordnete Steuereinheit dazu ausgebildet, die Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts in Abhängigkeit von Sensorsignalen derart anzusteuern, dass für jeweils gleiche Fahrzustände des Fahrzeugs (d. h. bei gleicher Fahrgeschwindigkeit, gleicher Beschleunigung und gleichem Gesamt-Antriebsmoment) unterschiedliche Kupplungsmomente auf die Räder der Vorderachse übertragen werden. Hierbei berücksichtigt die Steuereinheit die Signale von Sensoren, die auf den Wunsch des Fahrers nach einer dynamischen Fahrcharakteristik schließen lassen, z. B. ein Signal, das die Fahrpedalbetätigungsgeschwindigkeit repräsentiert, oder ein Signal, das die Gierrate des Fahrzeugs repräsentiert. In Abhängigkeit von derartigen Signalen wird die Verteilung des Antriebsmoments auf die Räder der Vorderachse und die Räder der Hinterachse variiert, um eher eine Fahrcharakteristik eines Frontantriebs oder eher eine Fahrcharakteristik eines Heckantriebs darzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die der Kupplung zugeordnete Steuereinheit dazu ausgebildet, wahlweise zumindest einen Normalbetriebsmodus oder einen Dynamikbetriebsmodus einzustellen. In dem Normalbetriebsmodus wird die Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts derart mit Schlupf betrieben oder gesperrt, dass ein so genanntes Normalbetriebs-Kupplungsmoment auf die Räder der Vorderachse übertragen wird. In dem Dynamikbetriebsmodus hingegen wird die Kupplung derart mit Schlupf betrieben oder geöffnet, dass ein Dynamikbetriebs-Kupplungsmoment auf die Räder der Vorderachse übertragen wird, wobei dieses Dynamikbetriebs-Kupplungsmoment geringer ist als das Normalbetriebs-Kupplungsmoment bei einem entsprechenden Fahrzustand des Fahrzeugs, d. h. bei gleicher Fahrgeschwindigkeit, gleicher Beschleunigung und gleichem Gesamt-Antriebsmoment. Mit anderen Worten stellt die Steuereinheit in dem Normalbetriebsmodus ein höheres Kupplungsmoment ein, um einen höheren Anteil des Antriebsmoments auf die Räder der Vorderachse zu übertragen, wobei – wie bereits erläutert – ein Kupplungsschlupf in Kauf genommen wird.
Der genannte Normalbetriebsmodus und der Dynamikbetriebsmodus müssen nicht die einzigen Betriebsmodi sein. Vorzugsweise ist ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem Normalbetriebsmodus und dem Dynamikbetriebsmodus vorgesehen, um die Verteilung des Antriebsmoments entsprechend kontinuierlich zu variieren. Insbesondere kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, wahlweise wenigstens einen Übergangsbetriebsmodus einzustellen, in dem die Kupplung derart mit Schlupf betrieben wird, dass ein Übergangsbetriebs-Kupplungsmoment auf die Räder der Vorderachse übertragen wird, wobei das Übergangsbetriebs-Kupplungsmoment größer ist als das Dynamikbetriebs-Kupplungsmoment und geringer als das Normalbetriebs-Kupplungsmoment bei einem entsprechenden Fahrzustand des Fahrzeugs.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts derart zu steuern, dass in dem genannten Normalbetriebsmodus der auf die Räder der Vorderachse übertragene Teil des Antriebsmoments des Fahrzeugs größer ist als der auf die Räder der Hinterachse übertragene Teil des Antriebsmoments oder dass in dem genannten Normalbetriebsmodus der auf die Räder der Vorderachse übertragene Teil des Antriebsmoments der Kupplungskapazität entspricht. Mit anderen Worten wird in dem Normalbetriebsmodus grundsätzlich ein überwiegender Teil des Antriebsmoments auf die Räder der Vorderachse übertragen, um eine verbesserte Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Sofern die Kupplungskapazität (also das von der Kupplung maximal übertragbare Drehmoment) ausgeschöpft ist, wird in dem Normalbetriebsmodus jedoch der verbleibende Teil des Antriebsmoments auf die Räder der Hinterachse übertragen. D. h. auch in dem Normalbetriebsmodus wird ein überwiegender Teil des Antriebsmoments auf die Räder der Hinterachse übertragen, falls das Gesamt-Antriebsmoment größer ist als die doppelte Kapazität der Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts. Ferner kann eine Ausnahme beispielsweise für den Fall einer Kurvenfahrt vorgesehen sein, d. h. zur Vermeidung von Verspannungen im Antriebsstrang im Falle einer Kurvenfahrt kann auch in dem genannten Normalbetriebsmodus ein überwiegender Teil des Antriebsmoments auf die Räder der Hinterachse übertragen werden (Kupplung teilweise oder vollständig geöffnet).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts derart zu steuern, dass in dem genannten Dynamikbetriebsmodus der auf die Räder der Hinterachse übertragene Teil des Antriebsmoments grundsätzlich signifikant größer ist als der auf die Räder der Vorderachse übertragene Teil des Antriebsmoments. Hierdurch wird die erwünschte dynamische Fahrcharakteristik eines Hecktrieblers herbeigeführt.
Was die Auswahl des jeweiligen Betriebsmodus betrifft, so können unterschiedliche Kriterien vorgesehen sein, um mit unterschiedlicher Priorisierung und/oder in Kombination miteinander ein automatisches Aktivieren des Normalbetriebsmodus oder des Dynamikbetriebsmodus auszulösen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass grundsätzlich der Normalbetriebsmodus aktiviert ist, wobei automatisch der Dynamikbetriebsmodus eingestellt wird, falls:

– ein an dem Fahrzeug eingestellter Lenkwinkel einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet, und/oder
– das Antriebsmoment der Antriebseinheit einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet, und/oder
– eine Fahrpedalbetätigungsgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet, und/oder
– eine Gierrate des Fahrzeugs einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.

Das Einstellen des Dynamikbetriebsmodus bei Erreichen eines vorbestimmten Lenkwinkels kann Verspannungen im Antriebsstrang vorbeugen. Das Auslösen des Dynamikbetriebsmodus bei Erreichen eines vorbestimmten Antriebsmoments, einer vorbestimmten Fahrpedalbetätigungsgeschwindigkeit oder einer vorbestimmten Gierrate lässt auf den Wunsch des Fahrers nach einer dynamischen Fahrcharakteristik schließen. Die genannten Parameter kann die Steuereinheit insbesondere aus den über einen Datenbus (beispielsweise CAN-Bus) verfügbaren Daten bestimmen oder errechnen. Beispielsweise kann die Steuereinheit das von der Antriebseinheit im Zusammenwirken mit dem Hauptgetriebe abgegebene Antriebsmoment aus dem aktuellen Motormoment, den Raddrehzahlen und – sofern über den Datenbus verfügbar – der eingelegten Gangstufe errechnen. Die der Kupplung des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts zugeordnete Steuereinheit kann ein fahrzeugseitiger Fahrdynamikregler oder ein aktuatorseitiges Steuergerät sein.
Die vorgenannten Bedingungen bilden voneinander unabhängige hinreichende (jedoch nicht notwendige) Kriterien für das Auslösen des Dynamikbetriebsmodus, d. h. das Vorliegen eines der genannten Kriterien ist bereits ausreichend, um den Dynamikbetriebsmodus auszulösen. Es müssen nicht sämtliche der genannten Kriterien berücksichtigt werden, und es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Kriterien in Kombination miteinander (optional unterschiedlich gewichtet) betrachtet werden.
Alternativ zu dem automatischen Einstellen des Normalbetriebsmodus oder des Dynamikbetriebsmodus kann eine manuelle Aktivierung mittels eines Wahlschalters vorgesehen sein, wobei optional für bestimmte Fahrzustände (z. B. großer Lenkwinkel) die Wahlschalterstellung zumindest zeitweise übergangen werden kann.
Was die Anordnung der Kupplung entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts betrifft, so kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform die Kupplung zwischen der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes und dem Vorderachs-Differentialgetriebe angeordnet sein. Alternativ hierzu kann die Kupplung auch an einer der beiden Achswellen der Vorderachse angeordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Antriebsstranges.
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines Antriebsstranges.
Der in 1 gezeigte Antriebsstrang besitzt eine Antriebseinheit 11 (z. B. Verbrennungsmotor) und ein Hauptgetriebe 13 (z. B. Schaltgetriebe oder Automatikgetriebe) in einer Front-Quer-Anordnung. Eine Ausgangsstufe 15 des Hauptgetriebes 13 ist durch ein Final-Drive-Stirnrad gebildet, welches mit einem Antriebsstirnrad 17 kämmt. Das Antriebsstirnrad 17 ist sowohl einem Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt 19 als auch einem Vorderachs-Antriebsstrangabschnitt 21 zugeordnet.
Der Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt 19 besitzt ein als Winkelgetriebe ausgebildetes Verzweigungsgetriebe 23 (so genannte power take-off unit), die eingangsseitig drehfest mit dem Antriebsstirnrad 17 und ausgangsseitig über eine Kardanwelle 25 mit dem Eingang eines Hinterachs-Winkelgetriebes 27 gekoppelt ist. Das Hinterachs-Winkelgetriebe 27 ist ausgangsseitig mit dem Eingang eines in Querrichtung wirksamen Hinterachs-Differentialgetriebes 29 drehfest gekoppelt. Die beiden Ausgänge des Hinterachs-Differentialgetriebes 29 sind durch zwei Achswellen 31 gebildet, die mit den Rädern 33 der Hinterachse 35 drehfest gekoppelt sind. Die Räder 33 der Hinterachse 35 sind somit permanent mit der Ausgangsstufe 15 des Hauptgetriebes 13 gekoppelt, und zwar unmittelbar drehwirksam, d. h. eine Drehbewegung der Ausgangsstufe 15 des Hauptgetriebes 13 bewirkt stets eine entsprechende mittlere Drehbewegung der beiden Räder 33 der Hinterachse 35. Hierbei ist zwischen der Ausgangsstufe 15 des Hauptgetriebes 13 und den Rädern 33 der Hinterachse 35 ein Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA eingestellt.
Der vorgenannte Vorderachs-Antriebsstrangabschnitt 21 umfasst eine Reibungskupplung 37, wobei alternativ beispielsweise auch eine hydrostatische Kupplung oder sonstige Kupplung zum Einsatz gelangen könnte. Eine Kupplungsnabe 39 ist mit dem Antriebsstirnrad 17 drehfest verbunden. Ein Kupplungskorb 41 ist mit dem Eingang eines in Querrichtung wirksamen Vorderachs-Differentialgetriebes 43 drehfest gekoppelt. Die beiden Ausgänge des Vorderachs-Differentialgetriebes 43 sind durch zwei Achswellen 45 gebildet, die mit den Rädern 47 der Vorderachse 49 drehfest gekoppelt sind. Zwischen der Ausgangsstufe 15 des Hauptgetriebes 13 und den Rädern 47 der Vorderachse 49 ist ein Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA eingestellt. Da die Räder 33 der Hinterachse 35 und die Räder 47 der Vorderachse 49 bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel denselben Umfang besitzen, kann ein Korrekturfaktor zur Berücksichtigung unterschiedlicher Radumfänge entfallen, und das jeweilige Übersetzungsverhältnis der beiden Antriebsstrangabschnitte 19 und 21 kann vereinfachend auf die jeweilige Drehzahl (und nicht etwa die Umfangsgeschwindigkeit) bezogen werden.
Das Antriebsstirnrad 17 und die Reibungskupplung 37 sind koaxial zu der Vorderachse 49 angeordnet. Der Reibungskupplung 37 ist eine Steuereinheit 51 zugeordnet. Die Reibungskupplung 37 kann beispielsweise hydraulisch oder elektromechanisch betätigt werden. Hierfür ist eine Steuerleitung 53 zwischen der Steuereinheit 51 und der Reibungskupplung 37 vorgesehen. Die entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts 21 in Serie angeordnete Reibungskupplung 37 ermöglicht es, wahlweise einen Teil des von der Antriebseinheit 11 erzeugten Antriebsmoments auf die Räder 47 der Vorderachse 49 zu übertragen (nämlich indem die Reibungskupplung 37 zumindest teilweise gesperrt wird), oder die Momentenübertragung entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts 21 im Wesentlichen zu unterbrechen (nämlich indem die Reibungskupplung 37 geöffnet wird).
Der in 1 gezeigte Antriebsstrang ermöglicht somit einen Hinterradantrieb mit optionalem Allradantrieb. Der Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass das genannte Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA geringer ist als das genannte Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA.
Beispielsweise kann durch entsprechende Ausbildung des Verzweigungsgetriebes 23 oder des Hinterachs-Winkelgetriebes 27 für den Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt 19 ein größeres Übersetzungsverhältnis i_HA eingestellt sein als das Übersetzungsverhältnis i_VA des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts 21. Mit anderen Worten werden bei einer gegebenen Drehbewegung der Ausgangsstufe 15 des Hauptgetriebes 13 die Räder 47 der Vorderachse 49 – bezogen auf eine vollständig gesperrte Reibungskupplung 37 – zu einer etwas schnelleren Umfangsgeschwindigkeit angetrieben als die Räder 33 der Hinterachse 35. Hierdurch kann durch teilweises oder vollständiges Schließen der Reibungskupplung 37 ein überwiegender Teil des von der Antriebseinheit 11 bereit gestellten Antriebsmoments auf die Räder 47 der Vorderachse 49 übertragen werden.
Somit kann die Steuereinheit 51 einen Kraftstoff-ökonomischen Normalbetriebsmodus einstellen, in dem die Reibungskupplung 37 ein hohes Kupplungsmoment überträgt und mit Schlupf oder sogar vollständig gesperrt betrieben wird. Da in diesem Fall nur ein geringer Teil des Antriebsmoments entlang des Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts 19 geleitet wird und dort an dem Verzweigungsgetriebe 23 und dem Hinterachs-Winkelgetriebe 27 verloren geht, ergibt sich insgesamt – trotz des auftretenden Kupplungsschlupfes – ein verbesserter Wirkungsgrad des Antriebsstranges. Der genannte Normalbetriebsmodus wird beispielsweise grundsätzlich für niedrige Antriebsmomente der Antriebseinheit 11 eingestellt.
Optional kann die Steuereinheit 51 jedoch auch einen Dynamikbetriebsmodus einstellen, in dem die Reibungskupplung 37 an die Vorderachse 49 ein signifikant geringeres Drehmoment überträgt als das an die Hinterachse 35 geleitete Antriebsmoment, oder in dem die Reibungskupp lung 37 überhaupt kein Kupplungsmoment überträgt. Mit anderen Worten wird die Reibungskupplung 37 in diesem Fall mit Schlupf betrieben oder vollständig geöffnet. Entsprechend dem eingestellten Kupplungsmoment wird allenfalls ein geringer Teil des von der Antriebseinheit 11 bereit gestellten Antriebsmoments auf die Räder 47 der Vorderachse 49 geleitet. Hierdurch ist ein dynamisches Fahrverhalten eines Hinterradantriebs eingestellt. Dieser Dynamikbetriebsmodus wird insbesondere bei Erreichen solcher Kriterien eingestellt, die auf den Wunsch des Fahrers nach einer dynamischen Fahrcharakteristik schließen lassen (z. B. hohe Fahrpedalbetätigungsgeschwindigkeit, hohe Gierrate).
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Antriebsstranges. Gleichartige Elemente wie in 1 sind hier mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Auch in 2 ist für den Vorderachs-Antriebsstrangabschnitt 21 ein geringeres Übersetzungsverhältnis i_VA eingestellt als das Übersetzungsverhältnis i_HA des Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts 19. Ferner ist auch hier eine Reibungskupplung 37 entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts 21 in Serie angeordnet. Somit kann auch bei dem Antriebsstrang gemäß 2 wahlweise ein überwiegender Teil des Antriebsmoments auf die Räder 47 der Vorderachse 49 übertragen werden, oder die Momentenübertragung entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts 21 wird weitestgehend unterbrochen.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist die Reibungskupplung 37 hier jedoch an einer Achswelle 45 der Vorderachse 49 angeordnet, d. h. bezüglich der Momentenübertragungsrichtung nach dem Vorderachs-Differentialgetriebe 43. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Reibungskupplung 37 für ein noch geringeres Kupplungsmoment ausgelegt sein kann als die Reibungskupplung 37 gemäß 1, nämlich für die Hälfte hiervon. Alternativ zu der in 2 gezeigten Anordnung kann die Reibungskupplung 37 auch an der rechten Achswelle 45 der Vorderachse 49 angeordnet sein, was bei der hier dargestellten Front-Quer-Anordnung Bauraumvorteile erbringen kann.

11: Antriebseinheit
13: Hauptgetriebe
15: Ausgangsstufe
17: Antriebsstirnrad
19: Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt
21: Vorderachs-Antriebsstrangabschnitt
23: Verzweigungsgetriebe
25: Kardanwelle
27: Hinterachs-Winkelgetriebe
29: Hinterachs-Differentialgetriebe
31: Achswelle
33: Rad
35: Hinterachse
37: Reibungskupplung
39: Kupplungsnabe
41: Kupplungskorb
43: Vorderachs-Differentialgetriebe
45: Achswelle
47: Rad
49: Vorderachse
51: Steuereinheit
53: Steuerleitung
i_HA: Hinterachs-Übersetzungsverhältnis
i_VA: Vorderachs-Übersetzungsverhältnis

Claims

Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, zumindest mit einer Antriebseinheit (11) zur Erzeugung eines Antriebsmoments und einem mit der Antriebseinheit gekoppelten Hauptgetriebe (13), das eine Ausgangsstufe (15) aufweist, wobei die Ausgangsstufe (15) des Hauptgetriebes entlang eines Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts (19) zumindest über ein Hinterachs-Differentialgetriebe (29) und zwei Achswellen (31) mit den Rädern (33) einer Hinterachse (35) permanent unmittelbar drehwirksam gekoppelt ist, wobei die Ausgangsstufe (15) des Hauptgetriebes ferner entlang eines Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts (21) zumindest über ein Vorderachs-Differentialgetriebe (43) und zwei Achswellen (45) mit den Rädern (47) einer Vorderachse (49) wahlweise unmittelbar drehwirksam koppelbar ist, wobei entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts (21) eine Kupplung (37) vorgesehen ist, der eine Steuereinheit (51) zugeordnet ist, wobei zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Ausgangsstufe (15) des Hauptgetriebes und der mittleren Umfangsgeschwindigkeit der Räder (33) der Hinterachse (35) ein Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA vorgesehen ist und zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Ausgangsstufe (15) des Hauptgetriebes und der mittleren Umfangsgeschwindigkeit der Räder (47) der Vorderachse (49) ein Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA vorgesehen ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA geringer ist als das Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, die Kupplung (37) in Abhängigkeit von Sensorsignalen derart anzusteuern, dass für gleiche Fahrzustände des Fahrzeugs unterschiedliche Kupplungsmomente auf die Räder (47) der Vorderachse (49) übertragen werden.
Antriebsstrang nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, wahlweise zumindest – einen Normalbetriebsmodus einzustellen, in dem die Kupplung (37) derart mit Schlupf betrieben oder gesperrt wird, dass ein Normalbetriebs-Kupplungsmoment auf die Räder (47) der Vorderachse (49) übertragen wird; oder – einen Dynamikbetriebsmodus einzustellen, in dem die Kupplung (37) derart mit Schlupf betrieben oder geöffnet wird, dass ein Dynamikbetriebs-Kupplungsmoment auf die Räder (47) der Vorderachse (49) übertragen wird, wobei das Dynamikbetriebs-Kupplungsmoment geringer ist als das Normalbetriebs-Kupplungsmoment bei einem entsprechenden Fahrzustand des Fahrzeugs.
Antriebsstrang nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, die Kupplung (37) derart zu steuern, dass in dem Normalbetriebsmodus der auf die Räder (47) der Vorderachse (49) übertragene Teil des Antriebsmoments zumindest bei Geradeausfahrt des Fahrzeugs – größer ist als der auf die Räder (33) der Hinterachse (35) übertragene Teil des Antriebsmoments oder – der Kupplungskapazität entspricht.
Antriebsstrang nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, die Kupplung (37) derart zu steuern, dass in dem Dynamikbetriebsmodus der auf die Räder (33) der Hinterachse (35) übertragene Teil des Antriebsmoments größer ist als der auf die Räder (47) der Vorderachse (49) übertragene Teil des Antriebsmoments.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, wahlweise einen Übergangsbetriebsmodus einzustellen, in dem die Kupplung (37) derart mit Schlupf betrieben wird, dass ein Übergangsbetriebs-Kupplungsmoment auf die Räder (47) der Vorderachse (49) übertragen wird, wobei das Übergangsbetriebs-Kupplungsmoment größer ist als das Dynamikbetriebs-Kupplungsmoment und geringer als das Normalbetriebs-Kupplungsmoment bei einem entsprechenden Fahrzustand des Fahrzeugs.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, den Dynamikbetriebsmodus einzustellen, wenn ein an dem Fahrzeug eingestellter Lenkwinkel einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, den Dynamikbetriebsmodus einzustellen, wenn das Antriebsmoment der Antriebseinheit einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, den Dynamikbetriebsmodus einzustellen, wenn eine Fahrpedalbetätigungsgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, den Dynamikbetriebsmodus einzustellen, wenn eine Gierrate des Fahrzeugs einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Steuereinheit (51) dazu ausgebildet ist, den jeweiligen Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer Betätigung eines Wahlschalters einzustellen.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quotient aus der Drehzahl der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes zu der mittleren Drehzahl der beiden Räder der Vorderachse eins ist oder wobei der Quotient aus der Drehzahl der Ausgangsstufe des Hauptgetriebes zu der mittleren Drehzahl der beiden Räder der Hinterachse eins ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenz Δi zwischen dem Hinterachs-Übersetzungsverhältnis i_HA und dem Vorderachs-Übersetzungsverhältnis i_VA einen Wert in einem Bereich von 0,1% bis 5% besitzt.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplung (37) zwischen der Ausgangsstufe (15) des Hauptgetriebes und dem Vorderachs-Differentialgetriebe (43) angeordnet ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Kupplung (37) an einer Achswelle (45) der Vorderachse (49) angeordnet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplung (37) entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts (21) in Serie angeordnet ist, so dass die Momentenübertragung entlang des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts durch Öffnen der Kupplung unterbrochen werden kann.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (11) in einer Front-Quer-Anordnung vorgesehen ist, wobei der Hinterachs-Antriebsstrangabschnitt (19) zwischen der Ausgangsstufe (15) des Hauptgetriebes (13) und dem Hinterachs-Differentialgetriebe (29) ferner ein Verzweigungsgetriebe (23), eine Kardanwelle (25) und ein Hinterachs-Winkelgetriebe (27) aufweist, wobei die Ausgangsstufe (15) des Hauptgetriebes (13) über eine Stirnverzahnung mit dem Vorderachs-Differentialgetriebe (43) des Vorderachs-Antriebsstrangabschnitts (21) und mit dem Verzweigungsgetriebe (23) des Hinterachs-Antriebsstrangabschnitts (19) zusammenwirkt.