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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für ein zumindest zeitweise vierradgetriebenes Kraftfahrzeug mit einer elektronischen Steuereinheit.
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Bekannt ist demnach eine Drehmomentverteilungseinrichtung zum Verändern des Drehmomentverteilungsverhältnisses zwischen den Rädern der Vorderachse und den Rädern der Hinterachse durch entsprechende Steuerung einer Übertragungskupplung im Sinne einer Längssperre beispielsweise in Form einer Reibungskupplung. Durch die Festlegung eines Drehmomentverteilungsverhältnisses kann das Fahrverhalten eines Fahrzeuges erheblich beeinflusst werden. Der Gegenstand der
DE 100 54 023 A1 beschäftigt sich dabei insbesondere mit der Fahrdynamik bei Kurvenfahrt. Hierbei kann ein zeitweise vierradgetriebenes Kraftfahrzeug ein grundsätzlich vorderradangetriebenes Kraftfahrzeug mit über eine Übertragungskupplung zuschaltbarem Hinterradantrieb, ein grundsätzlich hinterradangetriebenes Kraftfahrzeug mit über eine Übertragungskupplung zuschaltbarem Vorderradantrieb oder ein Permanent-Allradfahrzeug mit regelbarer Übertragungskupplung zur Änderung der Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse sein.
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Üblicherweise werden diesbezüglich verallgemeinernd auch als primäre Antriebsräder die permanent oder vorrangig mit der Antriebseinheit verbundenen Räder und als sekundäre Antriebsräder die über die Übertragungskupplung bedarfsweise mit der Antriebseinheit verbindbaren Räder bezeichnet.
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Bei elektronisch gesteuerten Kraftfahrzeugen, insbesondere Allradfahrzeugen, stehen grundsätzlich fahrdynamische (und damit auch fahrsicherheitsbeeinflussende) Anforderungen wie Längs- und Querführungsstabilität im Vordergrund, wobei hierbei die Übertragungskupplung zwischen den primären und den sekundären Antriebsrädern üblicherweise zumindest teilweise geschlossen ist.
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Aus der
DE 10 2011 005 095 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit Allradanatrieb im Zusammenhang mit einem sogenannten Segelbetrieb bekannt. Unter dem Begriff Segelbetrieb wird insbesondere ein freies Rollen durch Unterbrechung des Kraftschlusses zwischen Antriebsmotor und Getriebe verstanden. Bedingungen zum Aktivieren des Segelbetriebs sind beispielsweise das Loslassen des Fahrpedals bei Geradeausfahrt. Hierbei wird abhängig von vorgegebenen jeweils aktuellen fahrdynamischen Anforderungen jeweils ein Mindestsperrgrad für die Übertragungskupplung ermittelt, der auch Null sein kann und der bei Vorliegen eines Segelbetriebs – vorzugsweise erst nach dem Öffnen der Kupplung zwischen Antriebsmotor und dem Getriebe oder nach dem Öffnen einer Kupplung im Getriebe – vorgegeben wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2005 025 617 A1 ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor als Hauptantriebsquelle, mit einer elektrischen Maschine zur Erzeugung zumindest eines zusätzlichen Bremsmoments und damit zur Erzeugung rekuperativer elektrischer Energie und mit variablem Allradantrieb bekannt. Bei diesem Kraftfahrzeug wird im Falle einer Bremsanforderung der Allradantrieb derart aktiviert wird, dass ein erhöhtes Bremsmoment allein durch den Antrieb (unter Nichtbeachtung der Radbremse) realisierbar ist. Hierbei wird über eine Steuereinrichtung die Übertragungskupplung zur Momentenverteilung derart angesteuert, dass im Falle der Bremsanforderung – für den Fall, dass nicht bereits eine Momentenverteilung eingestellt ist, die maximales Bremsmoment gewährleistet – die Verteilung der Antriebs(brems)momente automatisch im Sinne einer Erhöhung der auf die Fahrbahn übertragenen Bremsmomente erfolgt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Steuersystem eingangs genannter Art einerseits im Hinblick auf eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und andererseits im Hinblick auf eine Verhinderung von instabilen Fahrzuständen weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein zumindest zeitweise vierradgetriebenes Kraftfahrzeug mit einer elektronisch steuerbaren Übertragungskupplung zwischen primären Antriebsrädern und sekundären Antriebsrädern, mit einem Radbremssystem zur elektronischen Steuerung von Bremsmomenten an den Rädern und mit mindestens einer elektronischen Steuereinheit, mittels der die Rad-Bremsmomente zumindest teilweise variabel steuerbar sind und mittels der das Antriebsmoment einer Antriebseinheit über die Übertragungskupplung auf die primären Antriebsräder und auf die sekundären Antriebsräder variabel verteilbar ist. Erfindungsgemäß erhält die Steuereinheit als Eingangssignal zumindest ein Signal zur Erfassung eines vorgegebenen Gesamt-Soll-Bremsmoments und ein Signal zur Erfassung des aktuellen negativen Antriebsmoments aufgrund eines Rekuperationsbetriebs und ist derart ausgestaltet, dass im Falle eines Rekuperationsbetriebs ein Soll-Kupplungsmoment einstellbar ist, durch das eine definierte Soll-Bremsmomentverteilung bezogen auf die primären Antriebsräder und die sekundären Antriebsräder erreichbar ist. Dabei ist das Gesamt-Soll-Bremsmoment durch das vollständige aktuelle negative Antriebsmoment aufgrund des Rekuperationsbetriebs und bedarfsweise durch ergänzende Rad-Bremsmomente einstellbar.
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Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
Ziel der Erfindung ist es, durch Steuerung der Übertragungskupplung im Bremsfall die fahrzeugkonzeptbedingte Überbremsung der primären Antriebsräder bzw. der primären Antriebsachse zu reduzieren. Mit Kenntnis insbesondere der Radaufstandskräfte ist für jedes Kraftfahrzeug eine ideale Bremsmomentverteilung zwischen den Rädern der Vorder- und Hinterachse bestimmbar. Somit wird erfindungsgemäß eine definierte Soll-Bremsmomentverteilung empirisch ermittelt und im elektronischen Steuergerät zur Durchführung der Erfindung abgespeichert. Eine ideale Bremsmomentverteilung verbessert einerseits die Fahrstabilität und ermöglicht andererseits vergleichsweise hohe Rekuperationsmomente. Beispielsweise eine überbremste Hinterachse als primäre Antriebsachse bedeutet im Vergleich zur Vorderachse als sekundäre Antriebsachse einen größeren Bremsschlupf an der Hinterachse. Daraus resultiert eine Drehzahldifferenz der Achsen. Durch Schließen der Übertragungskupplung (bei Allradfahrzeugen auch Längs- oder Mittenkupplung genannt) wird in diesem Fall die Hinterachse beschleunigt, die Vorderachse abgebremst und dabei Antriebsmoment übertragen. Da durch die Ansteuerung der Übertragungskupplung im Bremsfall die Bremsmomente nur umverteilt werden, ihre Summe aber konstant bleibt, ist eine Verzögerungskonstanz gewährleistet. Die Soll-Bremsmomentverteilung definiert somit relative Bremsmomentanteile bzw. Verzögerungsanteile bezogen auf die primäre und die sekundäre Antriebsachse bei konstanter Verzögerung.
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Die Summe aller Bremsmomente setzt sich im Wesentlichen aus einem negativen Antriebsmoment und der Gesamtheit aller hydraulischen Rad-Bremsmomente zusammen. Das negative Antriebsmoment setzt sich insbesondere aus dem Schleppmoment und dem Rekuperationsmoment der Antriebseinheit zusammen. Die Antriebseinheit kann vorzugsweise einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine, die als Generator und/oder Elektromotor betreibbar sein kann, aufweisen.
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Im Schleppfall, d. h. bei teilweiser oder vollständiger Rücknahme des Fahrpedals, werden keine hydraulischen Rad-Bremsmomente im Radbremssystem aufgebaut. Dementsprechend wirken als Bremsmomente nur die negativen Antriebsmomente. Dieser Betrieb wird im Folgenden als Schlepp-Rekuperationsbetrieb bezeichnet. Erfindungsgemäß wird im Schlepp-Rekuperationsbetrieb mit einer ersten Soll-Verzögerung bzw. bei einem ersten Gesamt-Soll-Bremsmoment ein Soll-Kupplungsmoment an der Übertragungskupplung eingestellt, durch die zunächst eine definierte Soll-Bremsmomentverteilung für diese erste Verzögerung bezogen auf das vollständige aktuelle negative Antriebsmoment erreichbar ist. In einem derartigen Bremsfall wird üblicherweise ausgehend von einer offenen Übertragungskupplung diese zumindest teilweise geschlossen, bis die für diese erste Soll-Verzögerung definierte Soll-Bremsmomentverteilung erreicht wird.
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Wird über einen reinen Schlepp-Rekuperationsbetrieb hinaus auch das Bremspedal betätigt, wird – wenn nicht schon vorher geschehen – zunächst ein maximales negatives Antriebmoment (Rekuperationsmoment) erzeugt und das Soll-Kupplungsmoment für die Übertragungskupplung entsprechend der definierten Soll-Bremsmomentverteilung für die aktuelle Verzögerung vorgegeben. Anschließend wird die Differenz des negativen Antriebsmoments (maximales Rekuperationsmoment) zum Gesamt-Soll-Bremsmoment durch Aufbau von Rad-Bremsmomenten ergänzt, die entsprechend der für die daraus folgende erhöhte Verzögerung definierten Soll-Bremsmomentverteilung auf die Räder der primären und sekundären Achse aufgeteilt werden.
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Die Begriffe Bremskraft, Bremsmoment und Verzögerung sind hier grundsätzlich als analoge Begriffe zu verstehen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
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1 schematisch ein zeitweise vierradgetriebenes Fahrzeug mit einer über eine erfindungsgemäße Steuereinheit einstellbaren Übertragungskupplung – hier im Sinne einer Längssperre – am Beispiel eines grundsätzlich hinterradangetriebenen Kraftfahrzeugs mit über die Übertragungskupplung zuschaltbarem Vorderradantrieb; d. h. die Hinterachse ist hier die primäre Antriebsachse und die Vorderachse ist hier die sekundäre Antriebsachse,
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2 eine definierte Soll-Bremsmomentverteilung zu verschiedenen sich aus Gesamt-Soll-Bremsmomenten ergebenden Soll-Verzögerungen und
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3 schematisch vorteilhafte Beispiele für erfindungsgemäße Bremsmomentverteilungen anhand unterschiedlicher Fälle.
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In 1 ist ein zeitweise vierradgetriebenes Fahrzeug in Form eines grundsätzlich hinterradangetriebenen Kraftfahrzeugs mit bedarfsweise über eine Übertragungskupplung 1 zuschaltbarem Vorderradantrieb dargestellt. Die Übertragungskupplung 1 ist über eine elektronische Steuereinheit 8 einstellbar. Die Steuereinheit 8 kann ein ausgelagertes, z. B. direkt an der Übertragungskupplung 1 angebrachtes Zusatzsteuergerät 9 enthalten, das beispielsweise das vorgegebene Soll-Kupplungsmoment MKsoll in elektrischen Strom zur Ansteuerung der Verstelleinheit (hier nicht dargestellt) der Übertragungskupplung 1 umsetzt.
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Bei einem Fahrzeug gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit offener Übertragungskupplung 1 das gesamte Drehmoment (Antriebsmoment) der Antriebseinheit 10 auf die Räder 6 und 7 der Hinterachse 3 übertragen. Vorzugsweise besteht die Antriebseinheit 10 aus einer Antriebsmotoranordnung 11 (beispielsweise einem Verbrennungsmotor und/oder einem Elektromotor), einem Getriebe 12, einer Kupplung 13 und mindestens einem Antriebssteuergerät – hier Motorsteuergerät 14 und Getriebesteuergerät 15. Die Antriebssteuergeräte 14 und 15 kommunizieren beispielsweise über den bekannten Kraftfahrzeug-Datenbus CAN oder FlexRay mit der Steuereinheit 8 und gegebenenfalls weiteren Steuergeräten.
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In der Zeichnung sind die Hinterräder 6 und 7 die primären Antriebsräder, da sie permanent mit der Antriebseinheit 10 verbunden sind. Mit zunehmendem Kupplungsmoment an der Übertragungskupplung 1 treibt die Antriebseinheit 10 auch die Räder 4 und 5 der Vorderachse 2 an. Somit sind hier die Vorderräder 4 und 5 die sekundären Antriebsräder.
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Die Steuereinheit 8 erfasst als Eingangssignale insbesondere die Stellung des Fahrpedals FP, ein vorgegebenes Gesamt-Soll-Bremsmoment M_B beispielsweise durch die Betätigung des Bremspedals durch den Fahrer, das Ist-Antriebsmoment M_M der Antriebseinheit 10, die Gierrate r sowie die Raddrehzahlen nVL, nHL, nVR, nHR aller Räder 4, 5, 6, 7. Aus diesen Raddrehzahlen nVL, nHL, nVR, nHR werden im Zusammenhang mit weiteren in der Steuereinheit 8 vorliegenden Informationen, die Radgeschwindigkeiten aller Räder 4, 5, 6, 7 sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit v ermittelt.
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Zur Verteilung des Antriebsmoments M_M der Antriebseinheit 10 wird ein einzustellendes Soll-Kupplungsmoment MKsoll für die zwischen der Antriebseinheit 10 bzw. den primären Antriebsrädern 6 und 7 und den sekundären Antriebsrädern 4 und 5 angeordneten Übertragungskupplung 1 vorgegeben. Vorzugsweise gibt die Steuereinheit 8 das Soll-Kupplungsmoment MKsoll an das Zusatzsteuergerät 9 aus. Das Zusatzsteuergerät 9 setzt das Soll-Kupplungsmoment MKsoll in einen Strom zur Ansteuerung der hier nicht eigens dargestellten Aktuatorvorrichtung um. Insoweit ist die Anordnung Stand der Technik.
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In der Steuereinheit 8 wird üblicherweise unter Berücksichtigung von Radschlupf und fahrdynamischen Größen, wie Übersteuern und Untersteuern (beispielsweise erfassbar mittels der Gierrate r), das Soll-Kupplungsmoment MKsoll ermittelt.
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Die Erfindung soll in Form einer Vorsteuerung des Soll-Kupplungsmoments MKsoll möglichst präventiv ein Über- oder Untersteuern verhindern.
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Erfindungsgemäß wird dazu mittels eines Software-Moduls 16 in der Steuereinheit 8, die Steuerung der Übertragungskupplung 1 und gegebenenfalls des hier nicht näher dargestellten Rad-Bremssystems in einer Weise vorgenommen, wie im Folgenden anhand der 2 und 3 näher erläutert wird:
In 2 ist grundsätzlich schematisch eine verzögerungsabhängige definierte Soll-Bremsmomentverteilung MV (strichpunktierte Linie) dargestellt. Auf der x-Achse ist der Bremsmoment- bzw. Verzögerungsanteil da_4/5 der Vorderachse 2 (bzw. der sekundären Antriebsräder 4 und 5) und auf der y-Achse ist der Bremsmoment- bzw. Verzögerungsanteil da_6/7 der Hinterachse 3 (bzw. der primären Antriebsräder 6 und 7) aufgetragen. Die gestrichelten Hilfslinien geben gleiche Verzögerungen an, hier z. B. –a1 bis –a4. Für jede Verzögerung ergibt sich somit ein Wert (Punkt) auf der strichpunktierten Linie der Soll-Bremsmomentverteilung MV. Der lineare Verlauf mit durchgezogener dünner Linie zeigt die systembedingte Bremsmomentverteilung bei geschlossener Übertragungskupplung 1.
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Im Falle eines Rekuperationsbetriebs wird ein Soll-Kupplungsmoment MKsoll vorgesteuert, durch das eine definierte Soll-Bremsmomentverteilung MV bezogen auf die primären Antriebsräder 6 und 7 und die sekundären Antriebsräder 4 und 5 erreichbar ist, wobei das Gesamt-Soll-Bremsmoment M_B durch das vollständige aktuelle negative Antriebsmoment M_M aufgrund des Rekuperationsbetriebs und bedarfsweise durch ergänzende Rad-Bremsmomente einstellbar ist.
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Ein erster Rekuperationsbetrieb ist der Schlepp-Rekuperationsbetrieb F1: Hierbei ist das vorgegebene Gesamt-Soll-Bremsmoment M_B ausschließlich ein vom Fahrer allein durch teilweise oder vollständige Rücknahme des Fahrpedals FP ohne Betätigung des Bremspedals vorgegebenes Schlepp-Bremsmoment.
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Ein zweiter Rekuperationsbetrieb ist der Brems-Rekuperationsbetrieb F2: Hierbei ist das vorgegebene Gesamt-Soll-Bremsmoment M_B ein vom Fahrer durch Loslassen des Fahrpedals und durch Betätigung des Bremspedals vorgegebenes Soll-Bremsmoment.
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In 2 (Pfeil F1) und in 3 (oben) wird zunächst von einem Schlepp-Rekuperationsbetrieb F1 ausgegangen. Das vorgegebene Gesamt-Soll-Bremsmoment M_B entspricht hier einer ersten Verzögerung –a1. Ausgehend von einer offenen Übertragungskupplung 1, die bei einer Bremsanforderung in Form von Schleppen üblich ist, würde sich eine Bremsmomentverteilung ergeben, bei der das gesamte negative Antriebsmoment M_M ausschließlich auf die primären Antriebsräder 6 und 7 eingeleitet werden würde. Erfindungsgemäß wird jedoch ein Soll-Kupplungsmoment MKsoll eingestellt, durch das die definierte Soll-Bremsmomentverteilung MV entlang der Linie der gleichen Verzögerung für –a1 erreicht wird (Pfeil F1 in 2). In 3 (oben) wird mit dem gestricheltem Pfeil das gesamte negative Antriebsmoment M_M gekennzeichnet, das erfindungsgemäß über die Steuerung des Soll-Kupplungsmoments MKsoll auf die durchgehend linierten Pfeile jeweils an den primären Antriebsräder 6 und 7 als Bremsmomentanteil M_M (da_6/7, MV) und an den sekundären Antriebsräder 4 und 5 als Bremsmomentanteil M_M (da_4/5, MV) entsprechend der Soll-Bremsmomentverteilung MV für die Verzögerung –a1 aufgeteilt wird.
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In 2 (Pfeil F2) und 3 (unten) wird ein Übergang vom Schlepp-Rekuperationsbetrieb F1 in den Brems-Rekuperationsbetrieb F2 dargestellt. Durch Betätigung des Bremspedals wird ein erhöhtes Gesamt-Soll-Bremsmoment M_B vorgegeben, das hier der erhöhten zweiten Verzögerung –a3 entspricht. Der Pfeil F2 in 2 zeigt den weiteren Verlauf der Soll-Bremsmomentverteilung MV ausgehend von der erfindungsgemäßen Einstellung des Soll-Kupplungsmomente MKsoll zunächst im Schlepp-Rekuperationsbetrieb F1. Im Schlepp-Rekuperationsbetrieb F1 wird vorzugsweise ein maximal mögliches negatives Antriebsmoment M_M eingestellt, durch das eine bestmögliche Rekuperatonsleistung erreichbar ist. Anschließend werden ergänzende Rad-Bremsmomente M_R4/5 an der sekundären Antriebsachse 2 und ergänzende Rad-Bremsmomente M_R6/7 an der primären Antriebsachse 3 im Radbremssystem eingesteuert. Diese Rad-Bremsmomente M_R4/5 und M_R6/7 entsprechen in Summe der Differenz des negativen Antriebsmoments M_M zum Gesamt-Soll-Bremsmoment M_B. Weiterhin werden die Soll-Kupplungsmomente MKsoll derart eingestellt, dass diese Rad-Bremsmomente M_R4/5 und M_R6/7 entsprechend der für die erhöhte Verzögerung –a3 definierten Soll-Bremsmomentverteilung MV aufgeteilt werden (Übergangssteuerung siehe Pfeil F2 entlang der strichpunktierten Linie in 2). Dieser Fall wird auch in 3 (unten) nochmal durch Bremsmoment-Pfeile dargestellt: Die jeweils oberen Pfeile der Achsen 2 und 3 zeigen die Bremsmomentverteilung des negativen Antriebsmoments M_M wie im Fall F1. Die unteren additiven Pfeile M_R4/5 (da_4/5, MV) und M_R6/7 (da_6/7, MV) jeweils an den Achsen 2 und 3 zeigen die Bremsmomentanteile der Rad-Bremsmomente M_R4/5 und M_R6/7 zum Erreichen der Soll-Bremsmomentverteilung MV.
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Lediglich ergänzend wird bemerkt, dass sich die Bremsmomentverteilung grundsätzlich auf die Summe der Bremsmomentanteile aus negativem Antrieb und Rad-Bremsmomenten einer Achse beziehen.
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Die Fälle F1 und F2 gehen von einem Radbremssystem aus, bei dem die Rad-Bremsmomente an beiden Achsen 2 und 3 entkoppelt von der Betätigung des Bremspedals steuerbar sind.
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Ein Sonderfall für einen Brems-Rekuperationsbetrieb, für den die Erfindung beispielsweise ebenfalls anwendbar ist, wird durch den Pfeil F3 dargestellt: Dieser Fall geht davon aus, dass die Rad-Bremsmomente an einer Achse, hier beispielsweise der sekundären Achse 2, nicht entkoppelt von der Betätigung des Bremspedals steuerbar sind (siehe auch punktierte Linie in 2). Hierdurch ergeben sich zwar die gleichen Soll-Bremsmomentverteilungswerte MV, aber die Bremsmomentanteile der Rad-Bremsmomente sind bezüglich der Achsen 2 und 3 unterschiedlich. Die Rad-Bremsmomente der sekundären Achse 2 steigen systembedingt stärker an als die Rad-Bremsmomente der primären Achse 3. Aber auch hierbei werden die Soll-Kupplungsmomente MKsoll derart eingestellt, dass sich jeweils die verzögerungsabhängige Soll-Bremsmomentverteilung MV ergibt. Mit Pfeil F4 wird im Rahmen dieses Sonderfalles von unterbremsten primären Antriebsrädern 6 und 7 bei zunächst geschlossener Übertragungkupplung 1 ausgegangen. Hierbei wird der Verzögerungsanteil da_R4/5 der sekundären Antriebsräder 4 und 5 reduziert und der Verzögerungsanteil da_R6/7 der primären Antriebsräder 6 und 7 erhöht bis zum Erreichen der Soll-Bremsmomentverteilung MV – hier für eine Verzögerung von –a4.
