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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Differenzialmechanismus, der
Drehenergie auf die Räder eines Kraftfahrzeugs überträgt.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Eine
Sperrkupplung kann in einem Differenzialmechanismus verwendet werden,
um eines der Seitenräder und seine Achswelle gegen Drehung
bezüglich des Differenzialträgers zu sichern,
wodurch Traktion der angetriebenen Räder, denen durch das Differenzial
Energie zugeführt wird, verbessert wird.
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Bei
Betätigung verbindet ein elektronisches Sperrdifferenzial
(ELD – electronic locking differential) ein Seitenrad mechanisch
mit dem Differenzialgehäuse unter Verwendung eines elektrisch
gesteuerten Verriegelungsmechanismus, in der Regel einer Klauenkupplung.
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Wenn
die Kupplung eingerückt ist, verhindert das elektronische
Sperrdifferenzial relative Geschwindigkeitsdifferenziale an den
gesteuerten Rädern und überträgt das
ganze Motorverbrennungsmoment, das durch die Getriebe- und Achsmomentverhältnisse
verstärkt und durch Leistungs- und Drehverluste verringert
ist, auf die gesteuerten Räder.
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Bei
eingerücktem elektronischem Sperrdifferenzial ist das maximale
Achs-/Transaxle-Eingangsmoment (AIT – axle/transaxle input
torque) auf das kombinierte Rutschmoment der gesteuerten Räder beschränkt.
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Bei
eingerücktem elektronischem Sperrdifferenzial bei Fahren
in der Kurve ist das Drehmoment an dem Differenzial das Delta zwischen
dem linken und rechten Achswellenmoment und wird durch die eingerückte
Klauenkupplung begrenzt. Das Drehmomentdelta ist eine Funktion des Reibflächenkoeffizienten,
des Wenderadius der Reifenoberfläche und des maximalen
Fahrzeugbruttogewichts.
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Es
besteht Bedarf an einer Steuerstrategie, die erfasst, wann der Verriegelungsmechanismus
eines ELD drehmomentgebunden die Raddifferenzialgeschwindigkeit
steuern muss und ein schnelles, kontrolliertes Ausrücken
des Verriegelungsmechanismus ermöglicht, wenn die Differenzialgeschwindigkeit
an den gesteuerten Rädern durch Betätigen der
Bremsen unter einer kalibrierten Bezugsgeschwindigkeit abnimmt.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Verfahren zum Steuern einer Kupplung eines elektronischen Sperrdifferenzials
für ein Fahrzeug umfasst Ermitteln entweder, ob die Geschwindigkeit
des Fahrzeugs größer ist als eine Bezugsgeschwindigkeit
oder ob ein gewünschter Zustand der Kupplung ein ausgerückter
Zustand ist, Ermitteln, ob ein Winkelversatz eines Lenkrads von
einer zentrierten Position geringer ist als ein erster Bezugswinkel, und
Ausrücken der Kupplung.
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Wenn
weder die Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer
ist als die Bezugsgeschwindigkeit noch der gewünschte Zustand
der Kupplung der ausgerückte Zustand ist und sich der Versatz
des Lenkrads von größer als ein zweiter Winkel
zu kleiner als der zweite Winkel ändert, wird die Kupplung
nach Ablauf einer ersten Zeitdauer ausgerückt.
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Die
Steuerung (i) reduziert kumulierende Schäden an dem ELD-Verriegelungsmechanismus, (ii)
trägt Torsionsversatz des Verriegelungsmechanismus eines
ELD, das Raddifferenzialgeschwindigkeit steuern muss, Rechnung und
(iii) ermöglicht ein schnelles, kontrolliertes Ausrücken
des Verriegelungsmechanismus, wenn Bedingungen für sein
Ausrücken vorliegen. Die Strategie berücksichtigt
Differenzialgeschwindigkeit an den angetriebenen Rädern,
Lenkradwinkel, Fahrzeuggeschwindigkeit und den Zustand eines manuell
betätigten Schalters, der zum Wählen eines gewünschten
Zustands des Verriegelungsmechanismus und Differenzials verwendet wird.
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Der
Anwendungsumfang der bevorzugten Ausführungsform geht aus
der folgenden ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen
und den Zeichnungen hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung
und die bestimmten Beispiele zwar die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung angeben, jedoch nur der Veranschaulichung dienen.
Für den Fachmann werden verschiedene Änderungen
und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen
und Beispiele offensichtlich.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Querschnitt einer elektronischen Sperrdifferenzialanordnung;
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2 eine
perspektivische Seitenansicht des Querschnitts von 1;
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3 eine
perspektivische Ansicht der Differenzialanordnung von 1,
die das Differenzialgehäuse, das Seitenrad und den Sicherungsring,
die zueinander beabstandet sind, zeigt; und
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4 ein
Logikdiagramm einer Strategie zur Steuerung des Zustands der ELD-Kupplung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Auf
die 1–3 Bezug
nehmend, enthält ein elektronisch gesteuerter Differenzialmechanismus 8 ein
Differenzialgehäuse 10, das konzentrisch um eine
Achse 12 angeordnet ist; Rampen 16, 18;
ein Seitenrad 22; eine Quelle 24 elektrischer
Energie, einen Sicherungsring 26, eine elektronische Steuerung 28 und
eine elektromagnetische Spule 30. Die an dem Sicherungsring
ausgebildeten Rampen 16 und die an dem Differenzialgehäuse 10 ausgebildeten
Rampen 18 sind an drei oder vier Stellen um die Achse 12 winkelförmig
beabstandet, so dass jede der Rampen 16 winkelförmig
auf eine der Rampen 18 ausgerichtet ist.
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Der
Sicherungsring 26 ist mit winkelförmig beabstandeten
Stiften 28 ausgebildet, wobei sich jeder Stift axial durch
ein Loch in einem in dem Gehäuse 10 ausgebildeten
Steg 31 erstreckt, wodurch das Gehäuse 10 und
der Sicherungsring 26 zur Drehung als eine Einheit ständig
in Eingriff stehen, der Ring sich aber unabhängig von dem
Gehäuse axial bewegen kann.
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Des
Weiteren ist der Sicherungsring 26 mit winkelförmig
beabstandeten Schenkeln 32, wobei jeder Schenkel 32 mit
zwei Rampen 16 ausgebildet ist, und Kupplungszähnen 34 ausgebildet.
Ebenso ist das Seitenrad 22 mit Kupplungszähnen 36 ausgebildet.
Die Zähne 34, 36 des Sicherungsrings 26 und des
Seitenrads 22 bilden zusammen eine Kupplung 38,
die durch die Spule 30 dahingehend betätigt wird, die
Zähne 34, 36 gegenseitig in Eingriff
zu bringen, um eine Antriebsverbindung zwischen dem Seitenrad 22 und
dem Sicherungsring 26 zu erzeugen. Wenn die Spule 30 deaktiviert
wird, rücken die Zähne 34, 36 aus
und gestatten, dass sich das Seitenrad 22 und der Sicherungsring
unabhängig drehen. Die ausgerichteten Rampen 16, 18 gelangen
gegenseitig in Eingriff, wenn die Kupplung 38 in Eingriff
gelangt und in Eingriff ist.
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Viele
dieser Komponenten der
1–
3 werden
in der
US-PS 7,399,248 dargestellt,
auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird.
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Wenn
die elektromagnetische Spule 30 erregt ist, zwingt sie
den Sicherungsring 26 in Axialrichtung entlang der Achse 12 in
Eingriff mit dem Seitenrad 22, wodurch das Seitenrad mit
dem Differenzialgehäuse 10 mechanisch verbunden
wird und eine Differenzialgeschwindigkeit zwischen den Fahrzeugrädern
verhindert wird, die durch das Seitenrad 22 und ein anderes
(nicht gezeigtes) Seitenrad, das sich auf der gegenüberliegenden
Seite eines Differenzials 8 bezüglich der in den 1–3 gezeigten
Seite befindet, antriebsverbunden sind.
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Wenn
die elektromagnetische Spule 30 den Sicherungsring 26 axial
teilweise in Eingriff mit dem Seitenrad 22 zwingt, drücken
die bezüglich der Achse 12 geneigten Rampen 16, 18 den
Sicherungsring 26 in vollen Eingriff mit dem Seitenrad 22.
Während des Eingriffs wird Strom von der Quelle 24 elektrischer
Energie durch die Steuerung 28 zu der elektromagnetischen
Spule 44 geleitet, wodurch die Kraft einer Rückstellfeder überwunden
und bewirkt wird, dass sich der Sicherungsring 26 radial
verdreht, während er sich in Axialrichtung an der Rampe 18 nach oben
bewegt, wodurch der Sicherungsring in Eingriff mit dem Seitenrad 22 gezwungen
wird.
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Beim
Ausrücken hält die Steuerung 28 den Stromfluss
von der Quelle 24 elektrischer Energie zu der elektromagnetischen
Spule 30 an. Eine Rückstellfeder 40 drückt
den Sicherungsring 26 mit einer Kraft, die den Sicherungsring 26 radial
verdreht, während er sich axial an der Rampe 18 nach
unten bewegt, wodurch der Sicherungsring außer Eingriff
mit dem Seitenrad 22 gezwungen wird, wie in 2 gezeigt.
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Wenn
Differenzialgeschwindigkeit der angetriebenen Räder vorliegt,
da das Fahrzeug wendet oder ein dynamisches Manöver durchführt,
das bewirken würde, dass sich die durch das Differenzial 8 angetriebenen
Fahrzeugräder mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten
drehen, dann übertrifft die Reibkraft zwischen den Zähnen 36 des
Seitenrads 22 und den Zähnen 34 des Sicherungsrings 26 stark
die Kraft der Rückstellfeder 40, wodurch die ELD-Kupplung 38 in
Eingriff gehalten wird.
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Die
Klauenkupplung 38, deren Eingriff das Seitenrad 22 durch
den Sicherungsring 26 fest mit dem Differenzialgehäuse 12 verankert,
kann nicht ausrücken, während das Fahrzeug ein
dynamisches Manöver durchführt, das ansonsten
ein Geschwindigkeitsdifferenzial zwischen den angetriebenen Rädern
verursachen würde. Um die ELD-Kupplung 38 mechanisch
auszurücken, muss die Geschwindigkeit der angetriebenen
Räder entweder gleich sein, zum Beispiel wenn das Fahrzeug
geradeaus fährt, oder die relative Richtung der Radgeschwindigkeit
muss sich ändern, als wenn das Fahrzeug wendet, wodurch
die Klauenkupplung 38 entlastet wird. Zweitens muss die
Rückstellfeder 40 die Reibkraft zwischen dem Sicherungsring 26 und
dem Differenzialgehäuse 10, multipliziert mit
dem Kosinus des Rampenwinkels θ, überwinden.
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Die
ELD-Kupplung 38 wird entweder durch einen am Armaturenbrett
angebrachten, manuell aktivierten Knopf 72 oder passiv
durch die Steuerung 28 elektronisch gesteuert. Die Steuerstrategie
gestattet die ELD-Aktivierung und -Deaktivierung auf Grundlage von
kalibrierbaren Parametern, die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS), Differenzialgeschwindigkeit
(WS) zwischen den angetriebenen Rädern und Lenkradwinkel
(SWA) enthalten.
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Die
Steuerung 28 empfängt elektronische Signale, die
die Fahrzeuggeschwindigkeit 60, die Geschwindigkeit 62 der
durch das Differenzial 8 angetriebenen Räder 64,
den Winkelversatz 66 des Lenkrads 68 von einer
zentrierten Position und den eingerückten und ausgerückten
Zustand 70 eines Schalters 72, wobei dieser Zustand
manuell gewählt wird und den gewünschten Zustand
der Kupplung 52 dargestellt, darstellen.
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Eine
Strategie zur Steuerung des Zustands der Kupplung 52 wird
in dem Logikflussdiagramm von 4 dargestellt,
das mit eingerückter Verriegelungsmechanismuskupplung 52 beginnt.
In Schritt 80 wird ein Test durchgeführt, um zu
ermitteln, ob die Fahrzeugistgeschwindigkeit größer
als eine Fahrzeugbezugsgeschwindigkeit ist. Wenn das Ergebnis des
Tests 80 logisch falsch ist, dann wird in Schritt 86 ein
Test durchgeführt, um zu ermitteln, ob der Schalter 72 ausgerückt
ist. Wenn das Ergebnis von Test 86 falsch ist, kehrt die
Steuerung zu Schritt 80 zurück.
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Wenn
das Ergebnis von Test 86 logisch wahr ist, dann geht die
Steuerung zu Schritt 88 über. Wenn das Ergebnis
von Test 80 wahr, das heißt positiv oder hoch,
ist, rückt die Steuerung auch zu Schritt 88 vor. In
Schritt 88 wird ein Test durchgeführt, um zu ermitteln,
ob der Winkel 66 des Lenkrads 68 größer
ist als ein Bezugswinkel von der zentrierten Position des Lenkrads
für die Länge einer zweiten Bezugszeitdauer. Wenn
das Ergebnis von Test 88 falsch ist, dann rückt
die Steuerung zu Schritt 84 vor, wo die Kupplung 38 durch
Entregen der Spule 30 ausgerückt wird, und die
Steuerung endet.
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Wenn
das Ergebnis von Test 88 wahr ist, wird in Schritt 90 ein
Zeitglied auf eine Bezugscountdownzeitdauer eingestellt. Die Länge
der Countdownzeitdauer ist vorzugsweise eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit
und des Fahrzeugbruttogewichts.
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In
Schritt 92 wird ein Test durchgeführt, um zu ermitteln,
ob der Winkel 66 des Lenkrads 68 kleiner ist als
ein Bezugswinkel von der zentrierten Position des Lenkrads. Wenn
das Ergebnis von Test 92 falsch ist, kehrt die Steuerung
zu Schritt 80 zurück.
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Wenn
das Ergebnis von Test 92 wahr ist, darf das Zeitglied in
Schritt 94 ablaufen, wodurch Zeit für die mit
dem Seitenrad 22 verbundene Achswelle zur Verfügung
gestellt wird, torsionsmäßig abzurollen.
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Wenn
die Zeit abläuft, wird in Schritt 96 die Kupplung 38 durch
Entregen der Spule 30 ausgerückt, und die Steuerung
endet.
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Wenn
das Ergebnis von Schritt 92 falsch ist, wird in Schritt 98 ein
Test durchgeführt, um zu ermitteln, ob der Schalter 72 ausgerückt
ist. Wenn das Ergebnis von Test 98 wahr ist, kehrt die
Steuerung zu Schritt 90 zurück. Wenn das Ergebnis
von Schritt 98 falsch ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 80 zurück.
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Die
bevorzugte Ausführungsform ist gemäß den
Vorschriften der Patentbestimmungen beschrieben worden. Es sei jedoch
darauf hingewiesen, dass die alternativen Ausführungsformen
auch auf andere Weise durchgeführt werden können,
als speziell dargestellt und beschrieben wurde.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer
Kupplung eines elektronischen Sperrdifferenzials für ein
Fahrzeug, das die folgenden Schritte umfasst insbesondere:
- (a) Ermitteln, ob eine Geschwindigkeit des
Fahrzeugs größer ist als eine Bezugsgeschwindigkeit oder
ob ein gewünschter Zustand der Kupplung ein ausgerückter
Zustand ist;
- (b) Ermitteln, ob ein Winkelversatz eines Lenkrads von einer
zentrierten Position geringer ist als ein erster Bezugswinkel; und
- (c) Ausrücken der Kupplung;
- (d) wenn weder die Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer
ist als die Bezugsgeschwindigkeit noch der gewünschte Zustand
der Kupplung der ausgerückte Zustand ist, Ermitteln, ob
sich der Versatz des Lenkrads von größer als ein
zweiter Winkel zu kleiner als der zweite Winkel ändert;
- (e) Ausrücken der Kupplung nach Ablauf einer ersten
Zeitdauer.
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Dabei
umfasst bevorzugt Schritt (a) weiterhin Verwenden eines manuell
betätigten Schalters zur Anzeige des gewünschten
Zustands der Kupplung.
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Dabei
umfasst weiter bevorzugt Schritt (b) Ermitteln, ob der Versatz für
eine Länge einer zweiten Zeitdauer aufrechterhalten wird,
umfasst.
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Dabei
umfasst weiter bevorzugt Schritt (c) Trennen einer Quelle elektrischer
Energie von einer elektromagnetischen Spule, die die Kupplung betätigt,
umfasst.
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Ferner
umfasst weiter bevorzugt Schritt (d) Ermitteln, ob der Versatz für
eine Länge einer dritten Zeitdauer aufrechterhalten wird,
umfasst.
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Ein
erfindungsgemäßes System zum Steuern eines elektronischen
Sperrdifferenzials für ein Fahrzeug, das Folgendes umfasst:
eine
Kupplung, die das Differenzial abwechselnd verriegelt und entriegelt;
eine
Feder, die die Kupplung zum Entriegeln drängt;
eine
Quelle elektrischer Energie;
eine elektromagnetische Spule,
die die Kupplung zum Verriegeln als Reaktion auf von der Quelle
elektrischer Energie an die Spule angelegten Strom drängt;
und
eine Steuerung, die zum Ermitteln entweder, ob eine Geschwindigkeit
des Fahrzeugs größer ist als eine Bezugsgeschwindigkeit
oder ob ein gewünschter Zustand der Kupplung ein ausgerückter
Zustand ist, Ermitteln, ob ein Winkelversatz eines Lenkrads von
einer zentrierten Position geringer ist als ein erster Bezugswinkel,
und Gestatten des Entriegelns der Kupplung durch Trennen einer elektrischen
Verbindung zwischen der Spule und der Quelle elektrischer Energie
konfiguriert ist.
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Dabei
ist die Steuerung bevorzugt konfiguriert zum Ermitteln, ob sich
der Versatz des Lenkrads von größer als ein zweiter
Winkel zu kleiner als der zweite Winkel ändert, wenn weder
die Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer ist als
die Bezugsgeschwindigkeit noch der gewünschte Zustand der Kupplung
der ausgerückte Zustand ist, und Ausrücken der
Kupplung nach Ablauf einer ersten Zeitdauer.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 1
- 24
- QUELLE
ELEKTRISCHER ENERGIE
Fig. 4 - 80
- IST
VS > BEZUGSGESCHWINDIGKEIT?
- 86
- IST
SCHALTER IN AUSGERÜCKTER POSITION?
- 84
- KUPPLUNG
52 AUSRÜCKEN
- 88
- IST
LENKRADWINKEL > BEZUG
FÜR BEZUGSZEITDAUER?
- 90
- ZEITGLIED
EINSTELLEN
- 92
- IST
LENKRADWINKEL < BEZUGSWINKEL?
- 94
- ABLAUFEN
DES ZEITGLIEDS GESTATTEN
- 96
- KUPPLUNG
52 AUSRÜCKEN
- 98
- IST
SCHALTER IN AUSGERÜCKTER POSITION?
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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