DE102009005378A1

DE102009005378A1 - Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009005378A1
Application number: DE102009005378A
Authority: DE
Inventors: Johannes Quehenberger; Simon Kaimer; Martin Parigger
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: US20130260959A1; JP5462577B2; US9272619B2; US20100094519A1; US10071628B2; US20160236568A1; DE102009005378B4; DE102009005378C5; JP2010100280A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer permanent angetriebenen Primärachse, umfassend: eine Antriebseinheit zum Erzeugen eines Antriebsmoments; eine erste Kupplung zum Übertragen eines variablen Teils des Antriebsmoments an eine Sekundärachse des Kraftfahrzeugs; eine zweite Kupplung zum Stilllegen eines zwischen der ersten Kupplung und der zweiten Kupplung angeordneten Drehmomentübertragungsabschnitts des Antriebsstrangs, wenn die erste Kupplung geöffnet ist; und eine Steuereinheit zum automatischen Steuern der ersten Kupplung, wobei die Steuereinheit mit wenigstens einem Sensor zur Detektion eines Radschlupfs an der Primärachse verbunden ist; wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ausgehend von einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts in Abhängigkeit von einem detektierten Radschlupf an der Primärachse die zweite Kupplung zu schließen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer permanent angetriebenen Primärachse, welche eine Antriebseinheit zum Erzeugen eines Antriebsmoments, eine erste Kupplung zum Übertragen eines variablen Teils des Antriebsmoments an eine Sekundärachse des Kraftfahrzeugs, eine zweite Kupplung zum Stilllegen eines zwischen der ersten Kupplung und der zweiten Kupplung angeordneten Drehmomentübertragungsabschnitts des Antriebsstrangs, wenn die erste Kupplung geöffnet ist, und eine Steuereinheit zum automatischen Steuern der ersten Kupplung umfasst, wobei die Steuereinheit mit wenigstens einem Sensor zur Detektion eines Radschlupfs an der Primärachse verbunden ist.
Ein derartiger Antriebsstrang ist beispielsweise aus der US 5,411,110 bekannt. Er bietet dem Fahrer des Kraftfahrzeugs die Möglichkeit, zwischen einem permanenten Zweiradantriebsmodus, bei welchem der Antrieb des Fahrzeugs ausschließlich über die Primärachse erfolgt, und einem automatischen Vierradantriebsmodus, einem sogenannten ”On-Demand Drive Mode”, zu wählen, bei welchem unter bestimmten Fahrbedingungen, beispielsweise wenn die durch die Primärachse angetriebenen Räder durchdrehen, automatisch ein gewisser Anteil des Antriebsmomentes auf die Räder der Sekundärachse übertragen wird, um einen zeitweisen Vierradantrieb bereitzustellen.
Um zu verhindern, dass im permanenten Zweiradantriebsmodus nicht benötigte Teile des Antriebsstrangs, insbesondere unnötige Massen, mitbewegt werden, ist bei dem Antriebsstrang der US 5,411,110 eine Stillle gung des zur Sekundärachse führenden Drehmomentübertragungsabschnitts vorgesehen, indem die zweite Kupplung ausgerückt wird.
Sobald der Fahrer des Kraftfahrzeugs den automatischen Vierradantriebsmodus auswählt, wird die zweite Kupplung geschlossen. Der Drehmomentübertragungsabschnitt ist nun drehfest mit der Sekundärachse verbunden, damit bei Bedarf möglichst schnell Antriebsmoment an die Sekundärachse übertragen werden kann. Im automatischem Vierradantriebsmodus dreht sich der Drehmomentübertragungsabschnitt während der Fahrt also ständig mit, da er bei geschlossener erster Kupplung durch die Antriebseinheit und bei geöffneter erster Kupplung durch die Sekundärachse angetrieben wird. Dies geht letztlich zu Lasten der Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang zu schaffen, der bei verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit eine schnelle bedarfsabhängige Übertragung von Antriebsmoment an die Sekundärachse ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ausgehend von einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts in Abhängigkeit von einem detektierten Radschlupf einer Primärachse die zweite Kupplung zu schließen.
Der Erfindung liegt also der allgemeine Gedanke zugrunde, den Drehmomentübertragungsabschnitt auch in einem automatischen Vierradantriebsmodus grundsätzlich in einem stillgelegten Zustand zu halten und nur dann durch Schließen der zweiten Kupplung drehfest mit der Sekundärachse zu koppeln, wenn an der Primärachse ein Radschlupf detektiert wird, d. h. wenn die gemittelte Drehzahl der Räder der Primärachse die gemittelte Drehzahl der Räder der Sekundärachse um einen vorbestimmten (optional vom Lenkwinkel abhängigen) Betrag übersteigt.
Somit wird in dem Automatischen Vierradantriebsmodus nicht nur die erste Kupplung, sondern auch die zweite Kupplung in Abhängigkeit von der Detektion eines Radschlupfs an der Primärachse gesteuert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Drehmomentübertragungsabschnitt z. B. mit der Sekundärachse bereits drehfest verbunden ist, wenn die erste Kupplung beginnt, den gewünschten Teil des Antriebsmoments an die Sekundärachse zu übertragen.
Erfindungsgemäß ist der Drehmomentübertragungsabschnitt unter normalen Fahrbedingungen auch im automatischen Vierradantriebsmodus überwiegend stillgelegt, wodurch das Fahrzeug über einen längeren Zeitraum bzw. über größere Strecken in einem Zweirad-Modus (2WD) fährt als bei herkömmlichen Systemen und somit eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit erreicht wird. Gleichzeitig kann durch das Schließen der zweiten Kupplung in Abhängigkeit von der Detektion eines Radschlupfes an der Primärachse sichergestellt werden, dass der Drehmomentübertragungsabschnitt innerhalb kürzester Zeit, beispielsweise innerhalb weniger 100 Millisekunden, z. B. innerhalb von 200 bis 300 Millisekunden, drehfest mit der Sekundärachse verbunden wird, sodass die erste Kupplung bei durch die Steuereinheit ermitteltem Bedarf nahezu verzögerungsfrei einen gewünschten Anteil des Antriebsmoments an die Sekundärachse übertragen kann. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß nicht nur eine erhöhte Kraftstoffwirtschaftlichkeit, sondern auch eine erhöhte Fahrsicherheit und verbesserte Fahrleistungen erreicht.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der ersten Kupplung um eine nasse oder trockene Lamellenkupplung. Dabei kann die erste Kupplung Teil eines Verteilergetriebes oder einer Drehmomentabzweigungseinrichtung (Power Take-Off Unit) sein, welches bzw. welche beispielsweise einem Wechselgetriebe des Kraftfahrzeugs nachgelagert ist. Bei der zweiten Kupplung handelt es sich vorzugsweise um eine Klauenkupplung, die elektromechanisch oder hydraulisch betätigbar sein kann.
Um ein möglichst weiches, d. h. für einen Fahrzeuginsassen nicht spürbares, und gleichzeitig materialschonendes Einrücken der zweiten Kupplung sicherzustellen, ist vorzugsweise eine, insbesondere durch die Steuereinheit gesteuerte, Synchronisiereinrichtung vorgesehen, durch welche der stillgelegte Drehmomentübertragungsabschnitt vor einem Einrücken der zweiten Kupplung beschleunigbar ist, beispielsweise zumindest annähernd auf die Drehzahl der Sekundärachse beschleunigbar ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Synchronisiereinrichtung durch die erste Kupplung gebildet. Auf diese Weise erfüllt die erste Kupplung eine Doppelfunktion, indem sie nicht nur zur Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts mit der Sekundärachse, sondern auch zur anschließenden Übertragung von Antriebsmoment von der Antriebseinheit an die Sekundärachse dient. Eine zusätzliche Synchronisiereinrichtung ist somit grundsätzlich nicht erforderlich, wodurch eine kompaktere und leichtere Bauform des Antriebsstrangs erreicht wird, was letztlich einer noch besseren Kraftstoffwirtschaftlichkeit zugute kommt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Synchronisiereinrichtung aber auch eine von der ersten Kupplung unabhängige Synchronisiervorrichtung umfassen, die zum Beispiel zusätzlich zu der ersten Kupplung vorgesehen ist. Eine derartige Synchronisiervorrichtung kann beispielsweise in die zweite Kupplung, d. h. die Klauenkupplung integriert sein, so dass die Klauenkupplung gewissermaßen selbst als Synchronisiereinrichtung wirkt. In diesem Fall würden die erste und die zweite Kupplung beide so angesteuert, dass sie gemeinsam zu einer Synchronisierung beitragen.
Denkbar ist außerdem eine Ausführungsform, bei welcher die Beschleunigung des stillgelegten Drehmomentübertragungsabschnitts zumindest annähernd ausschließlich durch die von der ersten Kupplung unabhängige Synchronisiervorrichtung erfolgt, beispielsweise durch die zweite Kupplung, d. h. die Klauenkupplung. Diese Variante erweist sich z. B. in einem Antriebsstrang als besonderes vorteilhaft, bei dem aus Platzgründen die erste Kupplung an der Sekundärachse und die zweite Kupplung an der Primärachse angeordnet ist. In diesem Fall wird der stillgelegte Drehmomentübertragungsabschnitt durch die z. B. in die zweite Klauenkupplung integrierte Synchronisiervorrichtung also zumindest annähernd auf die Drehzahl der Primärachse beschleunigt. Die zweite Kupplung kann hierzu eine Synchronisiervorrichtung ohne Sperreinrichtung aufweisen, so dass sie sich auch dann einrücken lässt, wenn keine Drehzahlidentität zwischen den in Eingriff zu bringenden Kupplungsteilen herrscht.
Entsprechend kann die Steuereinheit bei dieser Variante dazu ausgebildet sein, ausgehend von einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts in Abhängigkeit von einem detektierten Radschlupf einer Primärachse zuerst die zweite Kupplung zu schließen und danach die erste Kupplung zu schließen.
Grundsätzlich ist die Steuereinheit vorteilhafterweise dazu ausgebildet, den Drehmomentübertragungsabschnitt so zu beschleunigen, dass eine aus der Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts resultierende Längsbeschleunigung des Fahrzeugs für einen Fahrzeuginsassen zumindest kaum spürbar ist und einen Beschleunigungsgrenzwert, der die Wahrnehmungsschwelle nicht oder kaum überschreitet, aber möglichst nahe daran liegt, nicht übersteigt.
Der Beschleunigungsgrenzwert kann in Abhängigkeit von Umgebungsfaktoren vorgegeben sein, wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeugbeschleunigung, dem Rauschen in einem Fahrzeuggeschwindigkeits- und/oder Fahrzeugbeschleunigungssignal, dem Straßenzustand, einem an der Primärachse detektierten Radschlupf, Pedalstellungen, Lenkradstellung und/oder weiteren Werten. Auf diese Weise ist es möglich, den Drehmomentübertragungsabschnitt unter Berücksichtigung äußerer Umstände innerhalb kürzester Zeit und für einen Fahrzeuginsassen im Wesentlichen nicht spürbar auf die Drehzahl der Sekundärachse zu bringen und mit dieser drehfest zu verbinden.
Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den Drehmomentübertragungsabschnitt gemäß einem vorbestimmten, insbesondere konstanten und/oder einer Nachschlagetabelle entnommenen, Drehzahlgradienten zu beschleunigen.
Um die Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts aus dem stillgelegten Zustand in den mit der Sekundärachse synchronisierten Zustand zu überwachen, ist vorzugsweise ein Drehzahlsensor zur Detektion der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts vorgesehen und mit der Steuereinheit verbunden.
Um für ein leichtes und materialschonendes Einrücken der zweiten Kupplung ermitteln zu können, wann sich der Drehmomentübertragungsabschnitt und die Sekundärachse mit zumindest annähernd gleicher Drehzahl drehen, kann außerdem ein Drehzahlsensor zur Detektion der Drehzahl der Sekundärachse mit der Steuereinheit verbunden sein. Entsprechend ist die Steuereinheit bevorzugt dazu ausgebildet, die zweite Kupplung in Abhängigkeit von der durch den Drehzahlsensor detektierten Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts einzurücken.
Insbesondere kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die zweite Kupplung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts und der Drehzahl der Sekundärachse einzurücken. Optimalerweise erfolgt das Einrücken der zweiten Kupplung, wenn die Drehzahldifferenz gleich Null ist. In der Praxis kann eine Einrückung der zweiten Kupplung aber auch bei geringen Drehzahldifferenzen möglich sein.
Alternativ zu einer Betätigung der zweiten Kupplung durch die Steuereinheit kann eine Sperrsynchronisierung vorgesehen sein, die eine Einrückung der zweiten Kupplung nur dann zulässt, wenn die Differenz zwischen der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts und der Drehzahl der Sekundärachse in einem vorbestimmten Bereich liegt. In diesem Fall sorgt also die Sperrsynchronisierung dafür, dass die zweite Kupplung erst dann einrücken kann, wenn der Drehmomentübertragungsabschnitt zumindest annähernd die Drehzahl der Sekundärachse erreicht hat.
Um das Einrücken der zweiten Kupplung zu erleichtern, kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, das Antriebsmoment der Antriebseinheit während des Einrückens der zweiten Kupplung zu reduzieren. Vorzugs weise handelt es sich hierbei um eine kurzzeitige und für einen Fahrzeuginsassen nicht spürbare Drehmomentverringerung. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Moment der Kupplung, die als Synchronisiereinheit an der Primärachsenseite des stillgelegten Drehmomentübertragungsabschnitts wirkt, reduziert werden, um das Zeitfenster zu verlängern, in welchem Drehzahlähnlichkeit zwischen dem Drehmomentübertragungsabschnitt und der Achse herrscht, welche durch die zweite Kupplung mit dem Drehmomentübertragungsabschnitt verbunden werden soll.
Des Weiteren kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, das Antriebsmoment der Antriebseinheit während der Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts zu erhöhen, insbesondere um etwa den Betrag, der zur Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts nötig ist. Auf diese Weise wird ein durch die Synchronisierung bedingter Abfall des Antriebsmoments an der Primärachse kompensiert, und es wird verhindert, dass das Fahrzeug bedingt durch die Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts an Fahrt verliert und ein Fahrzeuginsasse den Synchronisiervorgang spürt.
Das zur Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts benötigte Drehmoment reduziert einen an den Rädern der Primärachse bestehenden Radschlupf. Die Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts kann somit zur Traktionskontrolle beitragen, indem das zur Synchronisierung verwendete Drehmoment so gewählt wird, dass der Radschlupf auf einem konstanten niedrigen Niveau gehalten wird.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18, durch welches sich die voranstehenden Vorteile entsprechend erreichen lassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines Achsdifferenzials mit nebengeschalteter Klauenkupplung einer Sekundärachse des Antriebsstrangs von 1;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
5 eine Graphik, in welcher die Drehzahlen einer Primärachse, einer Sekundärachse, eines von der Primärachse zur Sekundärachse führenden Drehmomentübertragungsabschnitts und der Verlauf des an die Sekundärachse übertragenen Drehmoments während des Zuschaltens der Sekundärachse aus einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts bei einem der Antriebsstränge von 1, 3, 4 dargestellt sind;
6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
7 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
8 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
9 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
10A–10C Querschnittsansichten einer in dem Antriebsstrang von 9 zum Einsatz kommenden Klauenkupplung mit Synchronisiervorrichtung;
11 eine Graphik, in welcher die Drehzahlen einer Primärachse, einer Sekundärachse, eines von der Primärachse zur Sekundärachse führenden Drehmomentübertragungsabschnitts und der Verlauf des an die Sekundärachse übertragenen Drehmoments während des Zuschaltens der Sekundärachse aus einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts bei dem Antriebsstrang von 9 dargestellt sind; und
12 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
In 1 ist der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs dargestellt, in dessen vorderem Bereich eine Antriebseinheit 12 angeordnet ist, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein quer zur Längsachse des Kraftfahrzeugs liegender Verbrennungsmotor. Die Antriebseinheit 12 ist über ein Wechselgetriebe 14 dauerhaft mit einer ein Vorderachsdifferenzial 22 umfassenden Vorderachse 16 des Kraftfahrzeugs verbunden, sodass auf der Vorderachse 16 sitzende Vorderräder 18 während der Fahrt durch die Antriebseinheit 12 permanent angetrieben werden. Die Vorderachse 16 wird deshalb auch als Primärachse 20 bezeichnet.
In einem hinteren Fahrzeugbereich weist das Kraftfahrzeug eine Hinterachse 24 mit einem Hinterachsdifferenzial 26 und Hinterrädern 28 auf. Die Hinterachse 24 bildet eine sekundäre Antriebsachse, auch Sekundärachse 30 genannt, da sie bei Bedarf durch die Antriebseinheit 12 angetrieben werden kann.
Zu diesem Zweck ist an der Primärachse 20 eine steuerbare Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 angeordnet, durch die ein einstellbarer Anteil des von der Antriebseinheit 12 bereitgestellten Antriebsmoments an die Sekundärachse 30 abgezweigt werden kann. Die Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 umfasst eine Lamellenkupplung 33, die durch eine Steuereinheit 34 gesteuert wird.
Der Ausgang der Lamellenkupplung 33 ist mit dem einen Ende eines Drehmomentübertragungsabschnitts 36, z. B. einer Kardanwelle, verbunden. An seinem anderen Ende ist der Drehmomentübertragungsabschnitt 36 mit einem Kegelrad 38 verbunden, welches mit einem Tellerrad 40 in Eingriff steht, das mit einem Differenzialkorb 42 des Hinterachsdifferenzials 26 verbunden ist (2).
Um zu verhindern, dass der Drehmomentübertragungsabschnitt 36 und der Differenzialkorb 42 des Hinterachsdifferenzials 26 während der Fahrt und bei geöffneter Lamellenkupplung 33, d. h. bei reinem Vorderradantrieb, unnötigerweise mitdrehen und Energie verbrauchen, ist eine Ein richtung zur Stilllegung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 und des Differenzialkorbs 42 vorgesehen.
Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stilllegungseinrichtung durch eine an einer Halbachse 44 der Hinterachse 24 in der Nähe des Hinterachsdifferenzials 26 angeordnete Klauenkupplung 46 gebildet, welche ebenfalls durch die Steuereinheit 34 steuerbar ist. Alternativ kann die Klauenkupplung 46 auch durch eine eigene, von der die Lamellenkupplung 33 steuernden Steuereinheit 34 getrennte Steuereinheit gesteuert werden, welche mit der Steuereinheit 34 z. B. über einen CAN-Bus verbunden ist.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Stilllegungseinrichtung dargestellt, welche zwei durch die Steuereinheit 34 steuerbare Klauenkupplungen 46 umfasst, die in den Naben der Hinterräder 28 angeordnet sind.
In 4 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs dargestellt. Der Antriebsstrang umfasst eine in einem vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnete Antriebseinheit 12, z. B. einen Verbrennungsmotor. Im Unterschied zu den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Antriebseinheit 12 der dritten Ausführungsform jedoch nicht quer zur Längsachse des Kraftfahrzeugs ausgerichtet, sondern parallel zu dieser.
Die Antriebseinheit 12 ist über ein Wechselgetriebe 14 mit der Eingangswelle 48 eines Verteilergetriebes 50 verbunden. Eine mit der Eingangswelle 48 starr verbundene Primärausgangswelle 52 des Verteilergetriebes 50 ist über ein Hinterachsdifferenzial 26 dauerhaft mit der Hinterachse 24 des Kraftfahrzeugs verbunden. Anders als bei den voranstehend beschrie benen Ausführungsbeispielen werden bei der dritten Ausführungsform also die auf der Hinterachse 24 sitzenden Hinterräder 28 permanent angetrieben, weshalb in diesem Fall die Hinterachse 24 als Primärachse 20 bezeichnet wird.
Das Verteilergetriebe 50 umfasst in an sich bekannter Weise eine Lamellenkupplung 54, deren Eingang mit der Eingangswelle 48 des Verteilergetriebes 50 drehfest verbunden ist und deren Ausgang über einen Kettentrieb 56 oder über in Eingriff stehende Zahnräder mit dem einen Ende eines zu dem Vorderachsdifferenzial 22 der Vorderachse 16 führenden Drehmomentübertragungsabschnitts 36 verbunden ist. An dem anderen Ende des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 ist – ähnlich wie in 2 gezeigt – ein Kegelrad vorgesehen, welches mit einem Tellerrad in Eingriff steht, das mit dem Differenzialkorb des Vorderachsdifferenzials 22 fest verbunden ist.
Die Lamellenkupplung 54 des Verteilergetriebes 50 ist mit einer Steuereinheit 34 verbunden. Durch eine entsprechende Steuerung der Lamellenkupplung 54 kann bei Bedarf ein Anteil des durch die Antriebseinheit 12 bereitgestellten Antriebsmoments über den Drehmomentübertragungsabschnitt 36 und die Vorderachse 16 an die Vorderräder 18 übertragen werden. In diesem Fall stellt also die Vorderachse 16 die Sekundärachse 30 dar.
Um zu verhindern, dass sich bei geöffneter Lamellenkupplung 54, d. h. bei reinem Hinterradantrieb, der Drehmomentübertragungsabschnitt 36 und der Kettentrieb 56 bzw. der Zahnradtrieb des Verteilergetriebes 50 während der Fahrt durch die Vorderräder 18 angetrieben werden und sich unnötig mitbewegen, ist auch bei der in 4 dargestellten dritten Aus führungsform eine Einrichtung zur Stilllegung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 vorgesehen.
Die in 4 dargestellte Stilllegungseinrichtung ist ähnlich wie die in 1 gezeigte Stilllegungseinrichtung ausgebildet und umfasst eine durch die Steuereinheit 34 oder durch eine von der Steuereinheit 34 getrennte und mit dieser z. B. über einen CAN-Bus verbundene Steuereinheit steuerbare Klauenkupplung 46, die in einer Halbachse 44 der Vorderachse 16 im Bereich des Vorderachsdifferenzials 22 angeordnet ist.
Auch bei der in 4 dargestellten dritten Ausführungsform ist eine alternative Stilllegungseinrichtung vorstellbar, die ähnlich der in 3 dargestellten Ausführungsform durch in den Naben der Vorderräder 18 untergebrachte und durch die Steuereinheit 34 oder eine eigene Steuereinheit steuerbare Klauenkupplungen gebildet sein kann.
Der Betrieb der drei voranstehend beschriebenen Antriebsstränge erfolgt in einem Modus, in welchem zusätzlich zu einem permanenten Antrieb der Primärachse 20 bei Bedarf, d. h. beispielsweise unter vorbestimmten Fahrbedingungen, wie z. B. Radschlupf an den Rädern der Primärachse 20, durch die Steuereinheit 34 gesteuert automatisch Antriebsmoment der Antriebseinheit 12 an die Sekundärachse 30 geleitet und auf die Räder der Sekundärachse 30 übertragen wird. Dabei kann der an die Sekundärachse 30 übertragene Antriebsmomentanteil über eine entsprechende Einrückung der in der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 umfassten Lamellenkupplung 33 oder der Lamellenkupplung 54 des Verteilergetriebes 50 variabel eingestellt und somit an die Fahrbedingungen angepasst werden. Aufgrund der bedarfweisen automatischen Zuschaltung der Sekundärachse 30 wird dieser Antriebsmodus hier als automatischer Vierradantriebsmodus bezeichnet.
Zusätzlich zu dem automatischen Vierradantriebsmodus kann das Fahrzeug außerdem über einen permanenten Zweiradantriebsmodus, in welchem ausschließlich die Primärachse 20 angetrieben wird, und/oder über einen permanenten Vierradantriebsmodus verfügen, in welchem sowohl die Primärachse 20 als auch die Sekundärachse 30 permanent angetrieben werden, wobei im permanenten Vierradantriebsmodus entweder eine fest vorgegebene oder eine an die Fahrbedingungen angepasste variabel einstellbare Verteilung des Antriebsmoments auf die Primärachse 20 und die Sekundärachse 30 vorstellbar ist.
Eine Voraussetzung dafür, dass im automatischen Vierradantriebsmodus bei Bedarf Antriebsdrehmoment möglichst umgehend an die Sekundärachse 30 übertragen werden kann, besteht darin, dass die oder jede Klauenkupplung 46 möglichst schnell geschlossen wird. Insbesondere aus dem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 heraus erfordert dies eine Synchronisierung der Bewegung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 mit der Bewegung der Sekundärachse 30. Die Dauer der Synchronisierung hängt dabei von der Differenz der Drehzahlen der Sekundärachse 30 und des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 ab, d. h. bei vollständig stillgelegtem Drehmomentübertragungsabschnitt 36 letztlich von der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Um eine möglichst schnelle Zuschaltung der Sekundärachse 30 zu erreichen, ist erfindungsgemäß eine Überwachung der Räder der Primärachse 20 auf Radschlupf vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit 34 mit entsprechenden Radschlupfdetektoren verbunden. Bei den Radschlupfdetektoren kann es sich zum Beispiel um nicht gezeigte Drehzahlsensoren handeln, welche die Drehzahlen der Räder der Primärachse 20 und der Sekundärachse 30 überwachen.
Sobald die gemittelte Drehzahl der Räder der Primärachse 20 (Linie A in 5) die gemittelte Drehzahl der Räder der Sekundärachse 30 (Linie B in 5) um einen vorbestimmten (optional vom Lenkwinkel abhängigen) Betrag übersteigt, nimmt die Steuereinheit 34 an, dass an der Primärachse 20 Radschlupf vorliegt und ein Bedarf an Vierradantrieb besteht.
Die Steuereinheit 34 veranlasst zu einem Zeitpunkt t = 0 also die Zuschaltung der Sekundärachse 30, indem sie zunächst die Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 mit der Sekundärachse 30 befiehlt.
Die Synchronisierung erfolgt mit Hilfe der Lamellenkupplung 54 des Verteilergetriebes 50 bzw. mit Hilfe der Lamellenkupplung 33 der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32, welche zu diesem Zweck kontrolliert eingerückt wird. Die Lamellenkupplung 54 benötigt etwa 70 Millisekunden bis 80 Millisekunden, um das Lüftspiel zu durchlaufen, bevor sie den Drehmomentübertragungsabschnitt 36 tatsächlich zu beschleunigen beginnt (Kurve C in 5).
Die Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 kann gemäß einem fest vorgegebenen Drehzahlgradienten oder gemäß einem an die Fahrbedingungen angepassten und z. B. einer Nachschlagetabelle entsprechenden entnehmbaren Drehzahlgradienten erfolgen.
Wie 1, 3 und 4 zeigen ist die Steuereinheit 34 mit einem Drehzahlsensor 58 zur Überwachung der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 verbunden. Der Drehzahlsensor 58 ermöglicht es der Steuereinheit 34, die tatsächliche Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 zu ermitteln und mit einer gewünschten Beschleuni gung bzw. mit einem Soll-Drehzahlgradienten zu vergleichen. Alternativ kann das Signal des Drehzahlsensors 58 als Ist-Wert für eine Drehzahlregelung herangezogen werden, d. h. die Lamellenkupplung 54 wird mittels eines Drehzahlreglers derart betätigt, dass der genannte Ist-Wert der Drehzahl einem Soll-Wert angenähert wird.
Die Steuereinheit 34 kann über eine Lernroutine verfügen, die es ermöglicht, ein ursprünglich voreingestelltes Synchronisationsdrehmoment anzupassen und dadurch Toleranzen und Temperatureffekte sowie Veränderungen über die Lebensdauer auszugleichen, welche die Genauigkeit der Lamellenkupplung beeinträchtigen können.
Des Weiteren kann die Lernroutine dazu verwendet werden, das System bei ausgerückter Klauenkupplung 46 zu kalibrieren und/oder zu überprüfen. Insbesondere kann der niedrige Drehmomentbereich und die Genauigkeit der Lamellenkupplung in dem niedrigen Drehmomentbereich verifiziert und/oder überprüft werden und/oder sonstige Diagnostik betrieben werden. Beispielsweise kann die Nachschlagetabelle, in welcher das übertragene Drehmoment gegenüber dem Einrückzustand der Lamellenkupplung hinterlegt ist, entsprechend angepasst werden, wenn die Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 schneller oder langsamer als erwartet ausfällt.
Nach etwa 230 Millisekunden ist die Bewegung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 mit der Bewegung der Sekundärachse 30 synchronisiert, d. h. die Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 entspricht in etwa der Drehzahl der Sekundärachse 30, sodass die oder jede Klauenkupplung 46 eingerückt werden kann. Zur Ermittlung der Drehzahl der Sekundärachse 30 ist ein mit der Steuereinheit 34 verbundener Drehzahlsensor (nicht gezeigt) vorgesehen.
Üblicherweise erfordert das Schließen der Klauenkupplung(en) 46 keine exakte Übereinstimmung der Drehzahlen des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 und der Sekundärachse 30, sondern die Einrückung kann innerhalb eines Drehzahldifferenzbereichs erfolgen, der einem Zeitraum entspricht, welcher in 5 durch die Kreuze ”X” markiert ist.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Einrückung der Klauenkupplung 46 mit einer gewissen Verzögerung erfolgt, kann das Schließen der Klauenkupplung 46 bereits zu einem Zeitpunkt befohlen werden, der vor dem Zeitpunkt liegt, zu dem die Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 die Drehzahl der Sekundärachse 30 erreicht. Der genaue Zeitpunkt zur Aktivierung der Klauenkupplung 46 lässt sich aus der Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 leicht ermitteln, d. h. aus dem vorgegebenen Soll-Drehzahlgradienten oder aus dem tatsächlichen Drehzahlgradienten, wie er durch die Überwachung der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 mit Hilfe des Drehzahlsensors 58 ermittelt wird.
Zusätzlich kann eine Sperrsynchronisiervorrichtung vorgesehen sein, die ein Schließen der Klauenkupplung 46 verhindert, solange der Unterschied zwischen der Drehzahl der Sekundärachse 30 und der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 zu hoch ist. Sobald die Drehzahldifferenz einen zulässigen Bereich erreicht, ermöglicht die Sperrsynchronisiervorrichtung eine automatische Einrückung der Klauenkupplung 46.
Um das Schließen der Klauenkupplung 46 und insbesondere die Betätigung einer dieser zugeordneten Schaltmuffe zu erleichtern, wird das durch die Lamellenkupplung 54 bereitgestellte Drehmoment (Kurve D in 5) während des Einrückens der Klauenkupplung 46 kurzzeitig redu ziert und nach dem Schließen der Klauenkupplung 46 auf den Wert angehoben, der letztlich an die Sekundärachse 30 übertragen werden soll.
Durch die Verwendung der Lamellenkupplung 54 zur Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 ist es möglich, den Drehmomentübertragungsabschnitt 36 innerhalb kürzester Zeit mit der Sekundärachse 30 zu synchronisieren.
Im Ergebnis ermöglichen die voranstehend beschriebenen Maßnahmen eine Zuschaltung der Sekundärachse 30 aus einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 heraus innerhalb kürzester Zeit, beispielsweise innerhalb von 200 Millisekunden bis 300 Millisekunden.
Dadurch, dass das Drehmoment zur Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 von der Antriebseinheit 12 und somit von der Primärachse 20 abgezweigt wird, trägt die Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 außerdem zusätzlich zu einer Traktionskontrolle dazu bei, den Radschlupf an der Primärachse 20 zu reduzieren, wodurch der Radschlupf an der Primärachse 20 auf einem geringen Wert gehalten werden kann.
Nach erfolgter Zuschaltung der Sekundärachse 30 wird der Antriebsstrang durch die Steuereinheit 34 im Vierradantriebsmodus betrieben, wobei in regelmäßigen Zeitabständen überprüft wird, ob der Vierradantriebsmodus noch erforderlich ist. Ist dies nicht mehr der Fall, wird in den Zweiradantriebsmodus zurückgeschaltet, indem die Klauenkupplung 46 und die Lamellenkupplung 33 bzw. 54 wieder geöffnet werden.
In 6 bis 9 sind weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs dargestellt, bei welchen sich der Drehmomentübertragungsabschnitt 36 jeweils in der voranstehend beschriebenen Art und Weise stilllegen bzw. zuschalten lässt.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform, die sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform darin unterscheidet, dass die Klauenkupplung 46 an der Primärachse 20 angeordnet ist, und zwar zwischen dem Vorderachsdifferential 22 und der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32, während sich die Lamellenkupplung 33 an der Sekundärachse 30, d. h. also der Hinterachse 24, befindet. Genauer gesagt ist die Lamellenkupplung zwischen das mit dem Kegelrad 38 des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 in Eingriff stehende Tellerrad 40 und den Differentialkorb 42 des Hinterachsdifferentials 26 geschaltet. Bei dieser Ausführungsform erfordert das Einrücken der Klauenkupplung 46 eine Synchronisation der Bewegung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 mit der Bewegung der Primärachse 20, welche beispielsweise durch ein zumindest teilweises Schließen der Lamellenkupplung 33 an der Sekundärachse 30 erreicht werden kann.
7 zeigt eine fünfte Ausführungsform, die sich von der in 6 dargestellten vierten Ausführungsform lediglich darin unterscheidet, dass die an der Hinterachse 24 bzw. Sekundärachse 30 angeordnete Lamellenkupplung 33 zwischen ein Achswellenrad 60 des Hinterachsdifferentials 26 und eine Halbachse 44 der Hinterachse 24 geschaltet ist.
8 zeigt eine sechste Ausführungsform, die sich von der in 6 gezeigten vierten Ausführungsform darin unterscheidet, dass kein Hinterachsdifferential 26 vorgesehen ist, sondern zusätzlich zu der zwischen das Tellerrad 40 und die eine Halbachse 44 der Hinterachse 24 geschalteten Lamellenkupplung 33 eine weitere Lamellenkupplung 33' zwischen das Tellerrad 40 und die andere Halbachse 44' geschaltet ist. Das Hinterachsdifferential 26 wird bei dieser Ausführungsform also durch die Kombination der beiden Lamellenkupplungen 33, 33' ersetzt, wobei jede der Lamellenkupplungen 33, 33' durch die Steuereinheit 34 separat ansteuerbar ist.
Des Weiteren ist in 9 eine siebte Ausführungsform dargestellt, die sich von der in 7 dargestellten fünften Ausführungsform lediglich darin unterscheidet, dass die Klauenkupplung 46 mit einer integrierten Synchronisiereinrichtung versehen ist. In diesem Fall kann die Synchronisation der Bewegung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 mit der Bewegung der Primärachse 20 alternativ oder zusätzlich zu der Lamellenkupplung 33 also auch durch die Synchronisiereinrichtung der Klauenkupplung 46 erfolgen.
Eine detailliertere Ansicht der in die Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 des Antriebsstrangs gemäß siebter Ausführungsform integrierten Klauenkupplung 46 ist in 10 gezeigt. Die Klauenkupplung 46 umfasst einen ersten Kupplungsteil 62, welcher mit dem Differenzialkorb des Vorderachsdifferenzials 22 drehfest verbunden und bezüglich einer gezeigten Halbachse der Vorderachse 16 verdrehbar gelagert ist. Ein ebenfalls bezüglich der gezeigten Halbachse der Vorderachse 16 verdrehbar gelagerter zweiter Kupplungsteil 64 der Klauenkupplung 46 ist mit einem Tellerrad 66 drehfest verbunden, das mit einem Kegelrad 68 des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 in Eingriff steht.
Das Einrücken der Klauenkupplung 46 erfolgt mittels eines auf dem zweiten Kupplungsteil 64 drehfest und axial verschiebbar gelagerten Kopplungsrings 70. Der Kopplungsring 70 ist zwischen einer ersten Position, in welcher der Kopplungsring 70 nur mit dem zweiten Kupplungsteil 64 in Eingriff steht (10A), und einer zweiten Position axial bewegbar, in welcher der Kopplungsring 70 sowohl mit dem zweiten Kupplungsteil 64 als auch mit dem ersten Kupplungsteil 62 in Eingriff steht (10C), um Drehmoment von dem ersten Kupplungsteil 62 an das zweite Kupplungsteil 64 zu übertragen.
Zur axialen Verschiebung des Kopplungsrings 70 ist eine Schaltgabel 72 vorgesehen, die durch einen Motor bewegbar ist, welcher durch die Steuereinheit 34 gesteuert wird.
Bei stillgelegtem Drehmomentübertragungsabschnitt 36 stehen auch das zweite Kupplungsteil 64 und somit der Kopplungsring 70 still.
Damit der Kopplungsring 70 mit dem ersten Kupplungsteil 62 in Eingriff gebracht werden kann, ist eine gewisse Drehzahlähnlichkeit zwischen dem Kopplungsring 70 bzw. zweiten Kupplungsteil 64 und dem ersten Kupplungsteil 62 erforderlich. Zur Synchronisierung der Drehzahl des Kopplungsrings 70 mit der Drehzahl des ersten Kupplungsteils 62 ist eine Synchronisiervorrichtung in die Kupplung 46 integriert, die aktiv wird, sobald der Kopplungsring 70 in Richtung des ersten Kupplungsteils 62 bewegt wird.
Die Synchronisiervorrichtung umfasst mehrere Synchronisierbügel 74, welche um die Achse 16 bzw. 20 herum angeordnet sind und jeweils einen Abschnitt des ersten Kupplungsteils 62 und des Kopplungsrings 70 überragen. Die Synchronisierbügel 74 sind mit dem Kopplungsring 70 drehfest verbunden und rotieren folglich mit der gleichen Drehzahl wie der zweite Kupplungsteil 64.
Im Bereich seines dem ersten Kupplungsteil 62 zugewandten Endes ist jeder Synchronisierbügel 74 an seiner Innenseite mit einer Reibfläche 76 versehen. Entsprechend ist an der Außenseite des von den Synchronisierbügeln 74 überragten Abschnitts des ersten Kupplungsteils 62 eine Reibfläche 78 ausgebildet.
Der Kopplungsring 70 besitzt an seiner Außenseite eine Führung 80, in der ein Federring 82 gelagert und gegen eine Verschiebung in axialer Richtung gesichert ist. Der Federring 82 drückt von innen gegen die Synchronisierbügel 74, d. h. er übt in radialer Richtung nach außen eine Kraft gegen die Synchronisierbügel 74 aus.
Der den Kopplungsring 70 überragende Abschnitt 84 jedes Synchronisierbügels 74 ist rampenartig derart ausgebildet, dass der Federring 82 entgegen seiner Rückstellkraft radial nach innen zusammengedrückt wird, wenn sich der Kopplungsring 70 zum Einrücken der Kupplung 46 auf den ersten Kupplungsteil 62 zu bewegt.
Die durch den Federring 82 auf die Synchronisierbügel 74 ausgeübte Kraft bewirkt, dass die Reibflächen 76 der Synchronisierbügel 74 an die Reibflächen 78 des ersten Kupplungsteils angedrückt werden. Dabei wird die Kraft, mit der die Reibflächen 76, 78 aneinander gedrückt werden, umso stärker, je weiter der Federring 82 komprimiert wird.
Im ausgerückten Zustand der Kupplung 46 (10A) ist die durch den Federring 82 auf die Synchronisierbügel 74 ausgeübte Kraft so klein, dass die Reibflächen gerade nicht in Kontakt stehen, während die Reibflächen 76, 78, kurz bevor der Kopplungsring 70 mit dem ersten Kupplungsteil 62 in Eingriff gerät (10B), mit einer Kraft aneinander gedrückt werden, die ausreicht, um den zweiten Kupplungsteil 64 mit einer gewünschten Beschleunigung auf die Drehzahl des ersten Kupplungsteils 62 zu beschleunigen.
Wie 10 zu entnehmen ist, ist die Synchronisiervorrichtung der Kupplung 46 ohne Sperrelement ausgebildet. Dies ermöglicht es, die Kupplung 46 auch dann einzurücken, wenn noch keine Drehzahlidentität zwischen dem ersten und zweiten Kupplungsteil 62, 64 hergestellt ist, d. h. selbst wenn noch eine gewisse Drehzahldifferenz zwischen den Kupplungsteilen 62, 64 vorliegt.
Anhand von 11 wird nun die Zuschaltung der Sekundärachse 30 des Antriebsstrangs von 9 ausgehend von einem stillgelegten Drehmomentübertragungsabschnitt 36 erläutert.
Sobald die gemittelte Drehzahl der Räder der Primärachse 20 (Linie A in 11) die gemittelte Drehzahl der Räder der Sekundärachse 30 (Linie B in 11) um einen vorbestimmten (optional vom Lenkwinkel abhängigen) Betrag übersteigt, nimmt die Steuereinheit 34 an, dass an der Primärachse 20 Radschlupf vorliegt und ein Bedarf an Vierradantrieb besteht.
Die Steuereinheit 34 veranlasst zu einem Zeitpunkt t = 0 also die Zuschaltung der Sekundärachse 30, indem sie zunächst die Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 mit der Sekundärachse 30 befiehlt.
Die Synchronisierung erfolgt mit Hilfe der Klauenkupplung 46 der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32, indem der Kopplungsring 70 in Richtung des ersten Kupplungsteils 62 verschoben wird, um die Reibflächen 76, 78 kontrolliert aneinander zu drücken. Nach etwa 30 ms wird ein vorgegebenes Synchronisiermoment von dem ersten Kupplungsteil 62 über die Synchronisierbügel 74 an das zweite Kupplungsteil 64 übertragen (Kurve E in 11), wodurch sich die Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 erhöht (Kurve C in 11). Das vorgegebene Synchronisiermoment beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 100 Nm und wird solange aufrechterhalten, bis die Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 zumindest annähernd die Drehzahl der Primärachse 20 erreicht hat.
Sobald die Drehzahldifferenz zwischen der Primärachse 20 und dem Drehmomentübertragungsabschnitt 36 eine vorgegebene Grenze unterschreitet, die ein für einen Fahrzeuginsassen im wesentlichen nicht wahrnehmbares Schließen der Klauenkupplung 46 erlaubt, wird das zweite Kupplungsteil 64 durch noch weitere Verschiebung des Kopplungsrings 70 mit dem ersten Kupplungsteil 62 in Eingriff gebracht, d. h. die Klauenkupplung 46 vollständig eingerückt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel geschieht dies etwa 210 ms nach der Detektion des Radschlupfs.
Bereits bevor der Drehmomentübertragungsabschnitt 36 (Kurve C in 11) die Drehzahl der Primärachse 20 (Kurve A in 11) erreicht hat, was gemäß 11 bei etwa 210 ms der Fall ist, wird damit begonnen, die Lamellenkupplung 33 einzurücken (Kurve D in 11), im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei etwa 190 ms. Solange die Drehzahl der Sekundärachse (Kurve B in 11) höher ist als die Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts 36, bewirkt das Einrücken der Lamellenkupplung 33 kein Bremsen des Drehmomentübertragungsabschnitts 36. D. h. zur Vorbereitung eines schnellen Einrückens der Lamellenkupplung 33 kann bereits das Lüftspiel überwunden werden, so dass die Lamellen der Lamellenkupplung 33 minimal miteinander in Kontakt stehen (so genannter ”kiss point”).
Erreicht der Drehmomentübertragungsabschnitt 36 die Drehzahl der Sekundärachse 30, kann die Lamellenkupplung 33 durch das Ansteuern des ”kiss point” der weiteren Beschleunigung bzw. Synchronisation des Drehmomentübertragungsabschnitts 36 zwar entgegen wirken. Dies wird aber in Kauf genommen, um insgesamt eine schnellere Zuschaltung der Sekundärachse 30 zu erreichen. Da die Synchronisiervorrichtung der Klauenkupplung 46 – wie bereits erwähnt – ohne Sperreinrichtung ausgebildet ist, kann die Klauenkupplung 46 nämlich trotz Drehzahlungleichheit durchgeschaltet, d. h. also geschlossen, werden.
Im Ergebnis wird auf diese Weise eine schnelle Zuschaltung der Sekundärachse 30 in etwa 250 ms nach der Detektion eines Radschlupfs an der Primärachse 20 erreicht, wobei sich das an die Sekundärachse 30 übertragene Antriebsdrehmoment während dieser Zeit gemäß der Kurve F in 11 entwickelt.
In 12 ist eine achte Ausführungsform dargestellt, die sich von der in 9 dargestellten siebenten Ausführungsform darin unterscheidet, dass die an der Hinterachse 24 bzw. Sekundärachse 30 angeordnete Lamellenkupplung 33 nicht zwischen ein Achswellenrad 60 des Hinterachsdifferenzials 26 und eine Halbachse 44 der Hinterachse 24, sondern zwischen den Drehmomentübertragungsabschnitt 36 und das Kegelrad 38 des Hinterachsdifferenzials 26 geschaltet ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Lamellenkupplung 33 um eine motorisch betätigte Kupplung, die durch die Steuereinheit 34 gesteuert wird. Alternativ kann es sich bei der Lamellenkupplung 33 aber auch um eine drehzahlabhängig arbeitende Kupplung handeln, die sich, insbesondere selbsttätig, schließt, sobald die Differenz der Drehzahl am Kupplungseingang und -ausgang einen vorbestimmten Be trag überschreitet, bzw. öffnet, sobald die Drehzahldifferenz einen vorbestimmten Betrag unterschreitet.
Zusätzlich ist eine durch die Steuereinheit 34 steuerbare Klauenkupplung 86 zwischen ein Achswellenrad 60 des Hinterachsdifferenzials 26 und eine Halbachse 44 der Hinterachse 24 geschaltet. Bei der Klauenkupplung 86 kann es sich um eine einfache Klauenkupplung handeln, die insbesondere keine Synchronisiereinrichtung aufweist.
Ist sowohl die in der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 befindliche Klauenkupplung 46 als auch die an der Hinterachse 24 angeordnete Klauenkupplung 86 geöffnet, so ist nicht nur die Drehmomentübertragungseinrichtung 36, sondern auch die Lamellenkupplung 33 und der Differenzialkorb 42 des Hinterachsdifferenzials 26 stillgelegt.
Soll ausgehend von diesem stillgelegten Zustand die Sekundärachse 30 bzw. Hinterachse 24 zugeschaltet werden, so wird die Drehmomentübertragungseinrichtung 36 wie anhand von 10 und 11 beschrieben mit Hilfe der Klauenkupplung 46 der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 soweit beschleunigt, bis die Kupplungsteile der Klauenkupplung 46 der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 eine Drehzahlähnlichkeit derart aufweisen, dass die Klauenkupplung 46 der Drehmomentabzweigungseinrichtung 32 vollständig geschlossen werden kann.
Durch die Beschleunigung der Drehmomentübertragungseinrichtung 36 nimmt auch die Drehzahl am Eingang der Lamellenkupplung 33 zu. Aufgrund von Schleppmomenten in der Lamellenkupplung 33 und/oder weil sich die Lamellenkupplung 33 wegen der Differenz der Drehzahlen am Kupplungseingang und -ausgang selbsttätig schließt oder weil die Lamellenkupplung 33 durch die Steuereinheit 34 eingerückt wird, steigt die Drehzahl am Ausgang der Lamellenkupplung 33 an, wodurch sich auch der über das Kegelrad 38 und das Tellerrad 40 mit der Lamellenkupplung 33 verbundene Differenzialkorb 42 des Hinterachsdifferenzials 26 dreht.
Die Drehung des Differenzialkorbs 42 führt dazu, dass der mit dem Achswellenrad 60 des Hinterachsdifferenzials 26 in Verbindung stehende Kupplungsteil der Klauenkupplung 86 zumindest annähernd auf die Drehzahl des mit der Halbachse 44 der Hinterachse 24 verbundenen Kupplungsteils gebracht wird, so dass die Klauenkupplung 86 – gesteuert durch die Steuereinheit 34 – unter einem allenfalls minimalen Ruck geschlossen werden kann.
Zur Feststellung einer für die Einrückung der an der Hinterachse 24 befindlichen Klauenkupplung 46 ausreichenden Drehzahlähnlichkeit ist die Steuereinheit 34 mit einem Drehzahlsensor 58, welcher die die Drehzahl des Tellerrades 40 und somit des Differenzialkorbes 42 überwacht, und mit nicht dargestellten Sensoren zur Detektion der Drehzahlen der Hinterräder 28 verbunden.

12: Antriebseinheit
14: Wechselgetriebe
16: Vorderachse
18: Vorderräder
20: Primärachse
22: Vorderachsdifferenzial
24: Hinterachse
26: Hinterachsdifferenzial
28: Hinterräder
30: Sekundärachse
32: Drehmomentabzweigungseinrichtung
33: Lamellenkupplung
34: Steuereinheit
36: Drehmomentübertragungsabschnitt
38: Kegelrad
40: Tellerrad
42: Differenzialkorb
44: Halbachse
46: Klauenkupplung
48: Eingangswelle
50: Verteilergetriebe
52: Primärausgangswelle
54: Lamellenkupplung
56: Kettentrieb
58: Drehzahlsensor
60: Achswellenrad
62: Kupplungsteil
64: Kupplungsteil
66: Tellerrad
68: Kegelrad
70: Kopplungsring
72: Schaltgabel
74: Synchronisierbügel
76: Reibfläche
78: Reibfläche
80: Führung
82: Federring
84: Abschnitt
86: Klauenkupplung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5411110 [0002, 0003]

Claims

Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer permanent angetriebenen Primärachse (20), umfassend: eine Antriebseinheit (12) zum Erzeugen eines Antriebsmoments; eine erste Kupplung (33; 54) zum Übertragen eines variablen Teils des Antriebsmoments an eine Sekundärachse (30) des Kraftfahrzeugs; eine zweite Kupplung (46) zum Stilllegen eines zwischen der ersten Kupplung (33; 54) und der zweiten Kupplung (46) angeordneten Drehmomentübertragungsabschnitts (36) des Antriebsstrangs, wenn die erste Kupplung (33; 54) geöffnet ist; und eine Steuereinheit (34) zum automatischen Steuern der ersten Kupplung (33; 54), wobei die Steuereinheit (34) mit wenigstens einem Sensor zur Detektion eines Radschlupfs an der Primärachse (20) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, ausgehend von einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) in Abhängigkeit von einem detektierten Radschlupf an der Primärachse (20) die zweite Kupplung (46) zu schließen.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine, insbesondere durch die Steuereinheit (34) gesteuerte, Synchronisiereinrichtung vorgesehen ist, durch welche der stillgelegte Drehmomentübertragungsabschnitt (36) vor einem Einrücken der zweiten Kupplung (46) beschleunigbar ist, insbesondere zumindest annähernd auf die Drehzahl der Sekundärachse (30) oder Primärachse (20) beschleunigbar ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, den Drehmomentübertragungsabschnitt (36) so zu beschleunigen, dass eine aus der Beschleunigung des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) resultierende Längsbeschleunigung des Fahrzeugs für einen Fahrzeuginsassen zumindest kaum spürbar ist und einen Beschleunigungsgrenzwert, der die Wahrnehmungsschwelle nicht oder kaum überschreitet, aber möglichst nahe daran liegt, nicht übersteigt.
Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsgrenzwert in Abhängigkeit von Umgebungsfaktoren vorgegeben ist, wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeugbeschleunigung, dem Rauschen in einem Fahrzeuggeschwindigkeits- oder Fahrzeugbeschleunigungssignal, dem Straßenzustand, einem an der Primärachse detektierten Radschlupf, Pedalstellungen, Lenkradstellung und/oder weiteren Werten.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, den Drehmomentübertragungsabschnitt (36) gemäß einem vorbestimmten, insbesondere konstanten und/oder einer Nachschlagetabelle entnommenen, Drehzahlgradienten zu beschleunigen.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtung durch die erste Kupplung (33; 54) gebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtung eine von der ersten Kupplung (33; 54) unabhängige Synchronisiervorrichtung umfasst, die z. B. in die zweite Kupplung (46) integriert ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiervorrichtung eine, insbesondere in die zweite Kupplung (46) integrierte, Synchronisiervorrichtung ohne Sperreinrichtung ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, ausgehend von einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) in Abhängigkeit von einem detektierten Radschlupf an der Primärachse (20) zuerst die zweite Kupplung (46) zu schließen und danach die erste Kupplung (33; 54) zu schließen.
Antriebsstrang nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehzahlsensor (58) zur Detektion der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) mit der Steuereinheit (34) verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, die zweite Kupplung (46) in Abhängigkeit von der durch den Drehzahlsensor (58) detektierten Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) einzurücken.
Antriebsstrang nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehzahlsensor (58) zur Detektion der Drehzahl der Sekundärachse (30) mit der Steuereinheit (34) verbunden ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, die zweite Kupplung (46) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) und der Drehzahl der Sekundärachse (30) einzurücken.
Antriebsstrang nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) und die zweite Kupplung (46) so ausgebildet sind, dass die zweite Kupplung (46) derart schnell einrückbar ist, dass die Drehzahl des beschleunigten Drehmomentübertragungsabschnitts (36) die Drehzahl der Sekundärachse (30) zumindest nicht signifikant überschreitet.
Antriebsstrang nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sperrsynchronisierung vorgesehen ist, die eine Einrückung der zweiten Kupplung (46) erst dann zulässt, wenn die Differenz zwischen der Drehzahl des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) und der Drehzahl der Sekundärachse (30) in einem vorbestimmten Bereich liegt.
Antriebsstrang nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, das Drehmoment der Antriebseinheit (12) während des Einrückens der zweiten Kupplung (46) zu reduzieren.
Antriebsstrang nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, das Drehmoment der Antriebseinheit (12) während der Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) zu erhöhen, insbesondere um den Betrag, der zur Synchronisierung des Drehmomentübertragungsabschnitts (36) nötig ist.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einer permanent angetriebenen Primärachse (20); einer Antriebseinheit (12) zum Erzeugen eines Antriebsmoments; einer ersten Kupplung (33; 54) zum Übertragen eines variablen Teils des Antriebsmoments an eine Sekundärachse (30) des Kraftfahrzeugs; einer zweiten Kupplung (46) zum Stilllegen eines zwischen der ersten Kupplung (33; 54) und der zweiten Kupplung (46) angeordneten Drehmomentübertragungsabschnitts (36) des Antriebsstrangs, wenn die erste Kupplung (33; 54) geöffnet ist; und einer Steuereinheit (34) zum automatischen Steuern der ersten und zweiten Kupplung (33, 54, 46), bei welchem Verfahren ermittelt wird, ob an der Primärachse (20) ein Radschlupf vorliegt, und, ausgehend von einem stillgelegten Zustand des Drehmomentübertragungsabschnitts (36), in Abhängigkeit von einem detektierten Radschlupf an der Primärachse (20) die zweite Kupplung (46) geschlossen wird.