DE102015010121A1

DE102015010121A1 - Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015010121A1
Application number: DE102015010121.8A
Authority: DE
Inventors: Johann Graf; Michael Kiszkiel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-05
Also published as: DE102015010121B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes, zweispuriges Kraftfahrzeug, in dessen Antriebsstrang ein Antriebsaggregat (1) im Fahrbetrieb permanent auf eine erste Fahrzeugachse (VA) abtreibt und über eine Lamellenkupplung (13) auf eine zweite Fahrzeugachse (HA) abtreibt, wobei im Geschlossenzustand der Lamellenkupplung (13) ein von einem Steuergerät (27) ansteuerbarer Kupplungsaktor (28) mit einer Betriebs-Anpresskraft (FB) auf das Lamellenpaket der Lamellenkupplung (13) einwirkt, so dass die zweite Fahrzeugachse (HA) dem Antriebsstrang zugeschaltet ist, und im Offenzustand der Lamellenkupplung (13) die zweite Fahrzeugachse (HA) vom Antriebsstrang abgekoppelt ist, wobei bei zugeschaltetem Allradantrieb sowie bei unterschiedlich großen Achsreibwerten (μVA, μHA) an der Fahrzeugachse (VA) mit größerem Achsreibwert (μVA) ein größeres Ist-Radmoment (MVA) absetzbar ist als an der Fahrzeugachse (HA) mit kleinerem Achsreibwert (μHA), und zwar unter Torsionsbeanspruchung der Gelenkwellen (9) der Fahrzeugachse (VA) mit hohem Achsreibwert (μVA). Erfindungsgemäß weist das Steuergerät (27) eine Auswerteeinheit (29) auf, mittels der die Torsionsbeanspruchung der Fahrzeugachse (VA) mit hohem Achsreibwert (μVA) ermittelbar ist. Bei Vorliegen einer Torsionsbeanspruchung größer als ein Schwellwert (αS) aktiviert das Steuergerät (27) eine Schutzmaßnahme gegen eine Achsüberlastung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes, zweispuriges Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung nach dem Patentanspruch 7.
Bei allradgetriebenen Kraftfahrzeugen wird zwischen einem zuschaltbaren Allradantrieb und einem permanenten Allradantrieb unterschieden. Bei einem permanenten Allradantrieb wird das im Antriebsaggregat erzeugte Antriebsmoment über ein mechanisches Zwischenachsdifferenzial, zum Beispiel ein Torsendifferenzial, im Wesentlichen gleichmäßig zur Vorderachse und zur Hinterachse verteilt. Momenten- oder Drehzahlunterschiede werden über das Zwischenachsdifferenzial zwischen den beiden Fahrzeugachsen ausgeglichen. Im Unterschied dazu wird bei einem zuschaltbaren Allradantrieb das Zwischenachsdifferenzial durch zum Beispiel eine nasslaufende Lamellenkupplung ersetzt. Mittels der Lamellenkupplung kann bedarfsweise eine der Fahrzeugachsen dem Antriebsstrang zugeschaltet oder davon entkoppelt werden. Bei einem solchen zuschaltbaren Allradantrieb erfolgt im Unterschied zu einem Zwischenachsdifferenzial im Wesentlichen kein Drehzahl- oder Momentenausgleich.
Aus der DE 10 2012 020 908 A1 ist eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes zweispuriges Kraftfahrzeug bekannt. In dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges ist ein aus einer Brennkraftmaschine mit nachgeschaltetem Schaltgetriebe aufgebautes Antriebsaggregat angeordnet, das im Fahrbetrieb permanent auf die Vorderachse abtreibt. Die Getriebeausgangswelle ist bis zu einer nasslaufenden Lamellenkupplung geführt, die wiederum über eine Kardanwelle mit der Hinterachse trieblich verbunden ist. Im Geschlossenzustand der Lamellenkupplung wird das Lamellenpaket der Lamellenkupplung von einem Kupplungsaktor, der von einem elektronischen Steuergerät ansteuerbar ist, mit einer vordefinierten Betriebs-Anpresskraft beaufschlagt. Um eine Rutschfreiheit zu gewährleisten, wird die Kupplung mit Überanpressung betrieben. Dadurch ist die Hinterachse dem Antriebsstrang starr zugeschaltet. Im Offenzustand der Lamellenkupplung ist die Hinterachse vom Antriebsstrang abgekoppelt.
Im obigen starren Allradantrieb wird – im Unterschied zu einem kraft- oder schlupfgesteuerten Allradantrieb – im Fahrbetrieb das vom Antriebsaggregat abgegebene Ist-Gesamtradmoment entsprechend dem Achsreibwert (wirkt zwischen den Fahrzeugrädern und der Fahrbahn) an der Vorderachse und dem Achsreibwert an der Hinterachse aufgeteilt. Exemplarisch beträgt bei gleichen Achsreibwerten an der Vorder- und an der Hinterachse das Ist-Radmoment an der Vorderachse und das Ist-Radmoment an der Hinterachse jeweils 50% des Ist-Gesamtradmomentes.
Bei einer Fahrsituation mit zugeschaltetem Allradantrieb sowie mit großem Reibwertunterschied zwischen der Vorder- und Hinterachse ergibt sich folgender Sachverhalt: In diesem Fall stellt die Fahrzeugachse mit dem höheren Achsreibwert eine höhere Momentenabsetzbarkeit bereit, so dass an der Fahrzeugachse mit hohem Achsreibwert ein größeres Ist-Radmoment absetzbar ist als an der Fahrzeugachse mit niedrigerem Achsreibwert. Dieser Sachverhalt kann bei potentiell kritischen Fahrvorgängen (zum Beispiel bei extrem großen Unterschieden der Achsreibwerte) dazu führen, dass das an der Fahrzeugachse mit höherem Achsreibwert anliegende Ist-Radmoment einen Schwellwert übersteigt. Daraus ergibt sich die Gefahr einer Achsüberlastung, bei der die Gelenkwellen an der Fahrzeugachse mit hohem Achsreibwert beschädigt werden können. Eine solche kritische Fahrsituation kann sich exemplarisch bei einer Geländefahrt ergeben, bei der die Vorderachse im Fahrbahnuntergrund verkeilt ist (das heißt extrem hoher Achsreibwert an der Vorderachse) und gleichzeitig die Hinterachse durchdreht (das heißt geringer Achsreibwert an der Hinterachse).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung bereitzustellen, bei der die Gefahr einer Achsüberlastung reduziert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass bei der Ermittlung, ob eine Achsüberlastung vorliegt, die Radsensorik der Vorderachse und der Hinterachse herangezogen werden. Vor diesem Hintergrund weist das elektronische Steuergerät gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 eine Auswerteeinheit auf, mittels der die Torsionsbeanspruchung der Fahrzeugachse mit hohem Achsreibwert ermittelbar ist. Bei Vorliegen einer solchen Torsionsbeanspruchung größer als ein Schwellwert aktiviert das elektronische Steuergerät eine Schutzmaßnahme gegen eine Achsüberlastung.
Die Auswerteeinheit kann in einem Prüfmodus die Torsionsbeanspruchung an der Fahrzeugachse mit großem Achsreibwert ermitteln. Der Prüfmodus kann bei einer potentiell kritischen Fahrsituation initiiert werden.
Die Erfindung nutzt den Sachverhalt, dass bei dem oben dargelegten starren Allradantrieb die Torsionsbeanspruchung an der Fahrzeugachse mit hohem Achsreibwert zu einer Torsion der Gelenkwellen um einen Torsionswinkel führt. Die Auswerteeinheit kann eine Sensorik aufweisen, mittels der auf der Grundlage des sich einstellenden Torsionswinkels an den Gelenkwellen der Fahrzeugachse mit hohem Achsreibwert eine Achsüberlastung erkennbar ist.
Bei zugeschaltetem Allradantrieb kann die Lamellenkupplung mit Überanpressung betrieben werden, wodurch in der geschlossenem Lamellenkupplung eine Rutschfreiheit gewährleistet ist. Speziell in diesem Fall kann die Torsion der Gelenkwellen an der Fahrzeugachse (z. B. in einer Größenordnung von bis zu 90°) mit hohem Achsreibwert zu einem Drehwinkelversatz zwischen den beiden Fahrzeugachsen führen. Die Auswerteeinheit kann diesen Drehwinkelversatz erfassen. Bei einem Drehwinkelversatz größer als ein Schwellwert kann die Auswerteeinheit ein Überlastsignal generieren. Im Hinblick auf eine sensortechnisch sowie messtechnisch einfache Erfassung des obigen Drehwinkelversatzes können der Auswerteeinheit Drehwinkelsensoren zugeordnet sein, mit deren Hilfe die Absolutdrehwinkel an der Vorderachse und an der Hinterachse erfassbar sind. Auf deren Grundlage kann ein Erfassungsbaustein der Auswerteeinheit den Drehwinkelversatz bestimmen, der mit dem Torsionswinkel an der Fahrzeugachse mit großem Achsreibwert korreliert bzw. übereinstimmt.
Zudem kann die Auswerteeinheit einen Vergleicherbaustein aufweisen, der den oben ermittelten Drehwinkelversatz mit einem Schwellwert vergleicht. Bei einem Drehwinkelversatz größer als der Schwellwert generiert der Vergleicherbaustein das Überlastsignal.
Bei Vorliegen des Überlastsignals kann das Steuergerät das Motorsteuergerät ansteuern, um eine Motormomentenbegrenzung zu aktivieren, wodurch die Fahrzeugachsen entlastet werden.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung den Antriebsstrang eines zweispurigen Kraftfahrzeugs; und
2 in einem vereinfachten Blockschaltdiagramm die Programmbausteine in einer Auswerteeinheit eines elektronischen Steuergerätes.
In der 1 ist ein Antriebsstrang in einem zweispurigen Kraftfahrzeug gezeigt. Die 1 und die 2 sind im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau des Antriebsstranges oder der im elektronischen Steuergerät vorhandenen Software-Architektur wiedergeben.
Gemäß der 1 weist der Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges ein Antriebsaggregat auf, das aus einer Brennkraftmaschine 1 und einem nachgeschalteten Schaltgetriebe 3 aufgebaut ist. Deren Getriebeausgangswelle 4 ist über eine Zahnradstufe 5 in trieblicher Verbindung mit einem Vorderachsdifferenzial 7 einer Vorderachse VA, das über Gelenkwellen 9 auf die Vorderräder 11 abtreibt.
Die Getriebeausgangswelle 4 ist fest mit einem Kupplungsgehäuse einer nasslaufenden Lamellenkupplung 13 verbunden, die über ein Lamellenpaket trieblich mit einer Kardanwelle 15 koppelbar ist. Die Kardanwelle 15 treibt über ein Hinterachsdifferenzial 17 sowie über Gelenkwellen 19 auf die Hinterräder 21 einer Fahrzeughinterachse HA ab. In der rechten Gelenkwelle 19 der Hinterachse HA ist zudem eine Klauenkupplung 23 verbaut.
Die Klauenkupplung 23, die Lamellenkupplung 13 sowie ein Motorsteuergerät 25 der Brennkraftmaschine 1 sind in der 1 in Signalverbindung mit einem Steuergerät 27 ansteuerbar, das auf der Grundlage einer Vielzahl von Fahrbetriebsparametern eine Zu- oder Abschaltung des Allradantriebs des Kraftfahrzeuges steuert. Bei einem zugeschalteten Allradantrieb ergibt sich der in der 1 angedeutete Momentenfluss, wonach ein Motormoment M_Motor von der Brennkraftmaschine 1 zum Schaltgetriebe 3 geführt wird und dort als ein Ist-Gesamtradmoment M_ges an der Getriebeausgangswelle 4 anliegt. Das Ist-Gesamtradmoment M_ges wird in ein zur Vorderachse VA geführtes Ist-Radmoment M_VA und in ein über die Lamellenkupplung 13 zur Hinterachse HA geführtes zweites Ist-Radmoment M_HA aufgeteilt.
Bei zugeschaltetem Allradantrieb steuert das Steuergerät 27 einen Kupplungsaktor 28 an. Dieser generiert eine Betriebs-Anpresskraft F_B, mit der (bei einer Überanpressung) eine rutsch- bzw. schlupffreie Übertragung des Ist-Radmoments M_HA zur Hinterachse HA gewährleistet ist.
Wie aus der 1 oder 2 hervorgeht, ist dem Steuergerät 27 eine Auswerteeinheit 29 zugeordnet. Die Auswerteeinheit 29 ermittelt bei zugeschaltetem Allradantrieb, ob eine Achsüberlastung vorliegt oder nicht. Im Falle einer solchen Achsüberlastung generiert die Auswerteeinheit 29 ein Überlastsignal S_Ü Bei Vorliegen des Überlastsignals S_Ü steuert das Steuergerät 27 das Motorsteuergerät 25 mit einem Begrenzungssignal S_B an, um eine Motormomentenbegrenzung zu aktivieren.
Eine Achsüberlastung kann sich bei einer potentiell kritischen Fahrsituation ergeben, bei der zum Beispiel zwischen den Vorderrädern 11 der Vorderachse VA und der Fahrbahn ein extrem großer Achsreibwert μ_VA vorhanden ist, während zwischen den Hinterrädern 21 der Hinterachse HA und der Fahrbahn ein stark reduzierter Achsreibwert μ_HA vorhanden ist. Wird ein solcher potentiell kritischer Fahrvorgang erkannt, so erfolgt ein Prüfmodus, in dem die Auswerteeinheit 29 ermittelt, ob eine Achsüberlastung vorliegt oder nicht.
Zur Ermittlung der Achsüberlastung ist die Auswerteeinheit 29 signaltechnisch in Verbindung mit Vorderachsradsensoren 33 und Hinterachsradsensoren 35, mit deren Hilfe nicht nur die Raddrehzahlen, sondern auch die Absolutdrehwinkel α_HA, α_VA an der Vorderachse VA und an der Hinterachse HA erfassbar sind.
Die Achsüberlast-Ermittlung wird in der nachfolgend beschriebenen Prozessfolge durchgeführt: Zunächst wird der Absolutdrehwinkel α_HA, α_VA an der Vorderachse VA und an der Hinterachse HA erfasst. Daraus wird in dem Erfassungsbaustein 31 durch Subtraktion ein Drehwinkelversatz α_V bestimmt, der mit dem Torsionswinkel α_T (1) an der Fahrzeugachse VA mit großem Achsreibwert μ_VA korreliert oder übereinstimmt.
Im weiteren Signalweg ist dem Erfassungsbaustein 31 in der 2 ein Vergleicherbaustein 41 nachgeschaltet, der den Drehwinkelversatz α_V mit einem Schwellwert α_S vergleicht. Sofern der Drehwinkelversatz α_V größer als der Schwellwert α_S ist, erzeugt der Vergleicherbaustein 41 das Überlastsignal S_Ü. In diesem Fall leitet das Steuergerät 27 mit dem Signal S_B eine Motormomentenbegrenzung ein, um die Gelenkwellen 9 an der Vorderachse VA vor einer Beschädigung zu schützen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012020908 A1 [0003]

Claims

Antriebsvorrichtung für ein allradgetriebenes, zweispuriges Kraftfahrzeug, in dessen Antriebsstrang ein Antriebsaggregat (1) im Fahrbetrieb permanent auf eine erste Fahrzeugachse (VA) abtreibt und über eine Lamellenkupplung (13) auf eine zweite Fahrzeugachse (HA) abtreibt, wobei im Geschlossenzustand der Lamellenkupplung (13) ein von einem Steuergerät (27) ansteuerbarer Kupplungsaktor (28) mit einer Betriebs-Anpresskraft (F_B) auf das Lamellenpaket der Lamellenkupplung (13) einwirkt, so dass die zweite Fahrzeugachse (HA) dem Antriebsstrang zugeschaltet ist, und im Offenzustand der Lamellenkupplung (13) die zweite Fahrzeugachse (HA) vom Antriebsstrang abgekoppelt ist, wobei bei zugeschaltetem Allradantrieb sowie bei unterschiedlich großen Achsreibwerten (μ_VA, μ_H _A) an der Fahrzeugachse (VA) mit größerem Achsreibwert (μ_VA) ein größeres Ist-Radmoment (M_VA) absetzbar ist als an der Fahrzeugachse (HA) mit kleinerem Achsreibwert (μ_HA), und zwar unter Torsionsbeanspruchung der Gelenkwellen (9) der Fahrzeugachse (VA) mit hohem Achsreibwert (μ_VA), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (27) eine Auswerteeinheit (29) aufweist, mittels der die Torsionsbeanspruchung der Fahrzeugachse (VA) mit hohem Achsreibwert (μ_VA) ermittelbar ist, und dass bei Vorliegen einer Torsionsbeanspruchung größer als ein Schwellwert (α_S) das Steuergerät (27) eine Schutzmaßnahme gegen eine Achsüberlastung aktiviert.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Torsionsbeanspruchung der Fahrzeugachse (VA) mit hohem Achsreibwert (μ_VA) deren Gelenkwellen (9) um einen Torsionswinkel (α_T) tordieren, und dass die Auswerteeinheit (29) einen Erfassungsbaustein (31) aufweist, mittels der der Torsionswinkel (α_T) der Gelenkwellen (9) der Fahrzeugachse (VA) mit hohem Achsreibwert (μ_VA) erfassbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsion der Gelenkwellen (9) an der Fahrzeugachse (VA) mit hohem Achsreibwert (μ_VA) um den Torsionswinkel (α_T) zu einem Drehwinkelversatz (α_V) zwischen den beiden Fahrzeugachsen (VA, HA) führt; und dass die Auswerteeinheit (29) bei einem Drehwinkelversatz (α_V) größer als ein Schwellwert (α_S) ein Überlastsignal (S_Ü) generiert.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinheit (29) Drehwinkelsensoren (33, 35) zugeordnet sind, die den Absolutdrehwinkel (α_HA, α_VA) an der Vorderachse (VA) und an der Hinterachse (VA) erfassen, auf deren Grundlage ein Erfassungsbaustein (31) der Auswerteeinheit (29) den Drehwinkelversatz (α_V) bestimmt, der mit dem Torsionswinkel (α_T) an der Fahrzeugachse (VA) mit großem Achsreibwert (μ_VA) korreliert oder übereinstimmt.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (29) einen Vergleicherbaustein (41) aufweist, der den Drehwinkelversatz (α_V) mit einem Schwellwert (α_S) vergleicht und bei einem Drehwinkelversatz (α_V) größer als der Schwellwert (α_S) das Überlastsignal (S_Ü) generiert.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen des Überlastsignals (S_Ü) das Steuergerät (27) als Schutzmaßnahme eine Motorbegrenzung (S_B) aktiviert.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.