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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit zur Steuerung einer Längs- und/oder Quersperre in einem Fahrzeug.
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Anhand von einer Längs- und/oder Quersperre kann in einem mehrspurigen Fahrzeug ein Drehmoment auf unterschiedliche Achsen und/oder Räder des Fahrzeugs verteilt werden. Insbesondere kann durch eine Längssperre bei einem allradbetriebenen Fahrzeug das Drehmoment eines Antriebsmotors zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse des Fahrzeugs verteilt werden.
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Eine Sperre kann eine Reibungskupplung (insbesondere eine Lamellenkupplung) und/oder eine magneto-rheologisch oder elektro-rheologische Kupplung umfassen, bei der der Kopplungsgrad bzw. das Momentübertragungsverhältnis verändert werden können, um eine Verteilung eines Drehmomentes zu verändern. Insbesondere kann durch eine steuerbare Längssperre über die Veränderung des Momentübertragungsverhältnisses die Verteilung des Drehmoments auf die Vorder- und die Hinterachse verändert werden. In analoger Weise kann durch eine steuerbare Quersperre über die Veränderung des Kopplungsgrades bzw. des Momentübertragungsverhältnisses die Verteilung des Drehmoments auf ein rechtes bzw. auf ein linkes Rad einer Achse eines Fahrzeugs verändert werden.
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Durch die Anpassung eines Momentübertragungsverhältnisses kann das Traktions- und Fahrverhalten eines Fahrzeugs situations- und bedarfsgerecht beeinflusst werden. Dies kann z. B. bei Kurvenfahrt relevant sein oder bei Fahrt auf glattem Untergrund. Beispielsweise kann durch eine steuerbare Längssperre ein zeitweise vierradgetriebenes Kraftfahrzeug, ein grundsätzlich vorderradgetriebenes Kraftfahrzeug mit einem über die Längssperre zuschaltbaren Hinterradantrieb, ein grundsätzlich hinterradgetriebenes Kraftfahrzeug mit einem über die Längssperre zuschaltbaren Vorderradantrieb und/oder ein Permanent-Allradfahrzeug mit steuerbarer (insbesondere regelbarer) Längssperre zur Änderung der Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse bereitgestellt werden.
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In Analogie zu der Verteilung des Drehmoments in Längsrichtung eines Fahrzeugs kann ausschließlich oder zusätzlich zu einer Längsmomentverteilung mittels einer Quersperre eine Querverteilung eines Drehmoments zwischen achsweise gegenüberliegenden Fahrzeugrädern (beispielsweise zwischen den Fahrzeugrädern der Vorderachse und/oder zwischen den Fahrzeugrädern der Hinterachse) des Fahrzeugs realisiert werden. Hierzu können insbesondere Querdifferenzialsperren verwendet werden. Auch mittels einer variablen Querverteilung eines Drehmoments kann das Traktions- und Fahrdynamikverhalten eines Fahrzeugs substantiell beeinflusst werden.
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Für die Drehmomentverteilung können steuerbare Aktoren (insbesondere Kupplungen) verwendet werden, die beispielsweise auf einem elektromechanischen, auf einem elektro-pneumatischen, auf einem elektro-hydraulischen Wirkprinzip, und/oder auf einem magneto-rheologischen bzw. elektro-rheologischen Wirkprinzip (ggf. auch in Kombination) basieren.
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Bei der Verwendung von Reibungskupplungen zur Drehmomentverteilung in einem Fahrzeug kann es, insbesondere bei einer dynamischen Fahrweise oder bei stark differierenden Achs- bzw. Radgeschwindigkeiten, zu Funktionsbeeinträchtigungen kommen, die bezüglich Fahrzeugtraktion, Fahrstabilität und/oder Akustik von einem Insassen des Fahrzeugs als unangenehm empfunden werden können. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, derartige Funktionsbeeinträchtigungen in effizienter Weise zu vermeiden, insbesondere um eine gewünschte Ausprägung der Fahrdynamik und der Fahrzeugtraktion sicherzustellen sowie den Fahrkomfort für Insassen eines Fahrzeugs zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer Drehmomentverteilenden, einstellbaren Kupplung in einem Fahrzeug beschrieben. Die Kupplung kann Teil einer Längssperre zur Verteilung eines Antriebsdrehmoments auf eine Vorderachse und auf eine Hinterachse des Fahrzeugs sein. So kann z. B. ein Fahrzeug mit Allradantrieb bereitgestellt werden. Alternativ kann die Kupplung Teil einer Quersperre zur Verteilung eines Antriebsdrehmoments auf ein erstes Rad und auf ein zweites Rad einer Achse des Fahrzeugs sein.
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Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines aktuellen Wertes eines Indizes für einen Belastungszustand, z. B. für einen thermischen Zustand (beispielsweise eine Temperatur) und/oder z. B. für den Verschleiß (Abrasion) der Kupplung. Der aktuelle Wert des Indizes für den Belastungszustand (z. B. für den thermischen Zustand) der Kupplung kann z. B. mittels eines Temperatursensors erfasst werden. Alternativ oder ergänzend kann der aktuelle Wert des Indizes für den Belastungszustand mittels einer modellbasierten Zustandsgröße der Kupplung ermittelt werden.
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Desweiteren umfasst das Verfahren das Anpassen eines aktuellen Momentverteilungsverhältnisses der Kupplung in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Indizes für den Belastungszustand. Dabei kann der Kopplungsgrad typischerweise zwischen 0% und 100% eingestellt werden, wobei bei 0% kein Drehmoment von der Kupplung übertragen wird (und die Kupplung vollständig entkoppelt ist) und wobei bei 100% das maximal übertragbare Drehmoment kupplungsseitig übertragen werden kann (und die Kupplung vollständig geschlossen ist). Ein Kopplungsgrad von 0% entspricht dabei typischerweise einer Kupplungsmomentverteilung (d. h. einem Momentverteilungsverhältnis) von 0%/100% (in Bezug auf angekoppelte Welle/primärer Antriebswelle). Die Antriebswelle kann z. B. bei einer Längs-Kupplung zur primär angetriebenen Hinterachse und die angekoppelte Welle zur Vorderachse führen. Ein Kopplungsgrad von 100% entspricht dabei typischerweise einer Kupplungsmomentverteilung (d. h. einem Momentverteilungsverhältnis) von 50%/50% (in Bezug auf angekoppelte Welle/primär angetriebener Antriebswelle).
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Die Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses der Kupplung erfolgt vor Erreichen eines definierten Belastungs-Grenzzustands, z. B. eines thermischen Grenzzustands, der Kupplung. So kann bereits im Vorfeld sichergestellt werden, dass die Kupplung nicht den Belastungs-Grenzzustand erreicht, bei der eine sprunghafte Degradation der Kupplung erfolgen kann. Insbesondere kann bei Erreichen des Belastungs-Grenzzustands, die Kupplung in einen degradierten Betriebszustand mit einem festen Kopplungsgrad (von z. B. 0% oder 100%) bzw. einem festen Momentverteilungsverhältnis übergehen. Durch eine frühzeitige Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses der Kupplung kann somit der Antriebskomfort, die Stabilität und die Traktion des Fahrzeugs zumindest beibehalten und die Systemverfügbarkeit erhöht werden.
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Die Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses kann in stetiger Weise erfolgen. Insbesondere kann ein Gradient der Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses kleiner als oder gleich wie ein Stetigkeits-Schwellenwert sein. So kann der Komfort des Fahrzeugs weiter erhöht werden.
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Das Anpassen des Momentverteilungsverhältnisses kann umfassen, das Ermitteln einer vordefinierten Funktion bzw. Kennlinie, welche unterschiedliche Soll-Momentverteilungsverhältnisse in Abhängigkeit von unterschiedlichen Werten des Indizes für den Belastungszustand anzeigt. Es kann dann in Abhängigkeit von der vordefinierten Funktion und in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Indizes für den Belastungszustand ein aktuelles Soll-Momentverteilungsverhältnis ermittelt werden. Das aktuelle Momentverteilungsverhältnis kann dann in Abhängigkeit von dem aktuellen Soll-Momentverteilungsverhältnis ermittelt werden. Durch die Verwendung einer vordefinierten Funktion kann in effizienter und präziser Weise eine Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses erreicht werden.
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Die vordefinierte Funktion kann typischerweise im Vorfeld auf Basis von Messungen des Zustands der Kupplung und des Momentverteilungsverhältnisses der Kupplung ermittelt werden. Dabei kann die vordefinierte Funktion derart ermittelt werden, dass für einen Wert des Indizes für den Belastungszustand durch die vordefinierte Funktion ein Soll-Momentverteilungsverhältnis angezeigt wird, das bewirkt, dass der Belastungszustand der Kupplung von dem Belastungs-Grenzzustand weg bewegt wird oder dass der Belastungszustand der Kupplung zumindest erhalten bleibt. So kann mittels der vordefinierten Funktion in zuverlässiger Weise gewährleistet werden, dass die Kupplung in einem zulässigen, steuerbaren Zustands-Bereich außerhalb des Belastungs-Grenzzustands betrieben werden kann.
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Die vordefinierte Funktion ist typischerweise stetig. Das heißt, dass eine relativ kleine Änderung des aktuellen Wertes des Indizes für den Belastungszustand zu einer relativ kleinen Änderung des Soll-Momentverteilungsverhältnisses führt. So kann erreicht werden, dass Anpassungen des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses in stetiger (und nicht in sprunghafter) Weise erfolgen, so dass der Komfort des Fahrzeugs erhöht wird.
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Die vordefinierte Funktion kann von ein oder mehreren Umgebungsparametern, z. B. von einer Temperatur, der Kupplung abhängen. Die ein oder mehreren Umgebungsparameter können insbesondere einen Einfluss auf den Belastungszustand der Kupplung haben. Beispielhafte Umgebungsparameter sind eine Umgebungstemperatur, eine Fahrzeug-Gierrate, eine Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, ein Lenkwinkel, eine Querbeschleunigung, eine Längsbeschleunigung, eine Fahrbahnsteigung, ein Soll-Antriebsmoment, eine Fahrpedalvorgabe, etc. Es kann dann in Abhängigkeit von den ein oder mehreren Umgebungsparametern eine vordefinierte Funktion ausgewählt werden, mit der die Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses erfolgt. So kann die Genauigkeit und die Robustheit der Anpassung (insbesondere der Regelung) des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses weiter erhöht werden.
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Das aktuelle Momentverteilungsverhältnis kann angepasst, insbesondere geregelt, werden, um den aktuellen Wert des Indizes für den Belastungszustand auf einen Soll-Wert einzustellen. Mit anderen Worten, das aktuelle Momentverteilungsverhältnis kann derart angepasst (insbesondere geregelt) werden, dass sich der Belastungszustand (insbesondere der thermische Zustand) der Kupplung auf einen bestimmten vordefinierten Zustand einstellt. Dieser vordefinierte Zustand kann einen vordefinierten Abstand zu dem Belastungs-Grenzzustand aufweisen. So kann in zuverlässiger Weise eine Degradation der Kupplungsfunktion vermieden werden.
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Für die Regelung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses kann an einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Erfassungszeitpunkten (insbesondere quasi-kontinuierlich) der aktuelle Wert des Indizes für den Belastungszustand ermittelt werden. Desweiteren kann an einer entsprechenden Vielzahl von aufeinanderfolgenden Anpassungszeitpunkten (insbesondere quasi-kontinuierlich), das aktuelle Momentverteilungsverhältnis in Abhängigkeit von der vordefinierten Funktion und in Abhängigkeit von dem jeweiligen aktuellen Wert des Indizes für den Belastungszustand angepasst werden.
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Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln, auf Basis von dem aktuellen Wert des Indizes für den Belastungszustand, ob der Belastungs-Grenzzustand der Kupplung erreicht ist. Dabei kann in dem Belastungs-Grenzzustand der aktuelle Wert des Indizes für den Belastungszustand einen vordefinierten Schwellenwert (z. B. einen thermischen Schwellenwert) überschreiten oder unterschreiten. Der aktuelle Wert des Indizes für den Belastungszustand kann z. B. einen Messwert eines Temperatursensors der Kupplung umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der aktuelle Wert des Indizes für den Belastungszustand auf Basis von einem softwaremäßig in einer Steuereinheit implementierten, kontinuierlich rechnenden Temperatur-Rechenmodell oder aus einem kontinuierlich rechnenden Wärme-Energieeintrag-Rechenmodell (Kupplungsstress-Modell) ermittelt werden.
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Zur Reduzierung oder Begrenzung des Belastungszustands der Kupplung kann die Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses insbesondere eine Erhöhung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses bzw. eine Erhöhung des Kupplungsmomentverhältnisses umfassen. So kann in besonders zuverlässiger und stetiger Weise eine Reduzierung oder Begrenzung des Belastungszustands der Kupplung erreicht werden.
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Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Das aktuelle Momentverteilungsverhältnis kann dann in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs angepasst werden. Beispielsweise kann keine Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Belastungszustand der Kupplung erfolgen, wenn die Fahrgeschwindigkeit kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter erster Geschwindigkeits-Schwellenwert (z. B. von 5 m/s) ist.
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Alternativ oder ergänzend kann (z. B. auf Basis der o. g. vordefinierten Funktion) ein Belastungszustands-abhängiges Soll-Momentverteilungsverhältnis ermittelt werden. Das aktuelle Momentverteilungsverhältnis kann (ggf. nur dann) auf das Soll-Momentverteilungsverhältnis eingestellt werden, wenn die Fahrgeschwindigkeit größer als oder gleich wie ein vordefinierter zweiter Geschwindigkeits-Schwellenwert (z. B. von 15 m/s) ist. Andererseits kann für Fahrgeschwindigkeiten die kleiner als der zweite Geschwindigkeits-Schwellenwert (und ggf. größer als der erste Geschwindigkeits-Schwellenwert) sind, eine Anpassung auf ein anteiliges Momentverteilungsverhältnis erfolgen, das zwischen dem aktuellen Momentverteilungsverhältnis und dem Soll-Momentverteilungsverhältnis liegt. So kann eine stetige und komfortable Einphasung der Belastungszustands-abhängigen Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses mit steigender Fahrgeschwindigkeit erfolgen (z. B. beim Anfahren des Fahrzeugs).
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Insgesamt kann durch die Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit bei der Belastungszustands-abhängigen Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses der Komfort für Insassen des Fahrzeugs weiter erhöht werden.
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Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln einer Momentvorgabe für den Antrieb des Fahrzeugs. Die Momentvorgabe kann z. B. durch einen Fahrer des Fahrzeugs (z. B. mittels eines Fahrpedals) und/oder durch ein Fahrerassistenzsystem (z. B. ACC) erfolgen. Das aktuelle Kupplungsmomentverteilungsverhältnis kann dann in Abhängigkeit von der Antriebsmomentvorgabe angepasst werden. Insbesondere kann eine Belastungszustands-abhängige Anpassung des aktuellen Kupplungsmomentverteilungsverhältnisses (ggf. nur dann) erfolgen, wenn die Antriebsmomentvorgabe größer als oder gleich wie ein vordefinierter Antriebsmomentvorgabe-Schwellenwert ist. So können Verspannungen im Antriebsstrang des Fahrzeugs und damit verbundene Komforteinbußen für die Insassen des Fahrzeugs vermieden werden.
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Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln eines ein-, ab- oder umschaltbaren Fahrmodus des Fahrzeugs. Beispielhafte Fahrmodi sind ein Normalmodus, ein Sportmodus, ein Traktionsmodus oder eine abgeschaltete Funktion des Elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) oder eines Traction Control Systems (TCS). Der Fahrmodus kann die Eigenschaft aufweisen, dass bei aktiviertem Fahrmodus das aktuelle Momentverteilungsverhältnis zur Umsetzung eines bestimmten Fahrverhaltens des Fahrzeugs quasi-kontinuierlich verändert (z. B. geregelt oder gesteuert) wird. Die Belastungszustands-abhängige Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses kann (ggf. nur dann) erfolgen, wenn ermittelt wird, dass ein bestimmter Fahrmodus aktiv ist. So können unerwünschte Anpassungen des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses und ein ggf. unerwünschtes Fahrverhalten des Fahrzeugs vermieden werden.
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Der ein-/abschaltbare Fahrmodus des Fahrzeugs kann z. B. eingerichtet sein, das aktuelle Momentverteilungsverhältnis (insbesondere der Kupplung einer Längssperre) in Abhängigkeit von einem Ausmaß einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs anzupassen. Mit einem steigenden Ausmaß der Kurvenfahrt (z. B. mit kleiner werdenden Kurvenradien) kann ggf. das aktuelle Momentverteilungsverhältnis reduziert werden (insbesondere um das Fahrzeug von einem Allrad-Antrieb hin zu einem Heck-Antrieb zu verändern). So kann das dynamische Fahrverhalten des Fahrzeugs bei Kurvenfahrt verbessert werden. Andererseits kann durch die Reduzierung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses die Belastung der Kupplung steigen. Durch die in diesem Dokument beschriebene Belastungszustands-abhängige Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses (insbesondere durch eine Belastungszustands-abhängige Erhöhung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses) kann eine Degradation der Kupplung vermieden, und die Verfügbarkeit des Fahrmodus erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit zur Steuerung einer Drehmoment-verteilenden, einstellbaren Kupplung für ein Fahrzeug beschrieben. Die Steuereinheit ist eingerichtet, einen aktuellen Wert eines Indizes für einen Belastungszustand (insbesondere für einen thermischen Zustand) der Kupplung zu ermitteln. Desweiteren ist die Steuereinheit eingerichtet, bereits vor Erreichen eines Belastungs-Grenzzustands der Kupplung, ein aktuelles Momentverteilungsverhältnis der Kupplung in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Indizes für den Belastungszustand anzupassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug (insbesondere ein ein- oder mehrspuriges Straßenfahrzeug z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 beispielhafte Komponenten eines Fahrzeugs;
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2a einen beispielhaften Zusammenhang zwischen der in einer Reibungskupplung erzeugten thermischen Leistung und dem Kopplungsgrad bzw. dem Momentübertragungsverhältnis der Reibungskupplung;
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2b eine beispielhafte Temperatur – Kopplungsgradkennlinie für die Steuerung einer Reibungskupplung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Steuerung einer Reibungskupplung.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Steuerung von einer Reibungskupplung für die Verteilung eines Drehmoments auf unterschiedliche Antriebskomponenten eines Fahrzeugs. Die Reibungskupplung kann Teil einer Längs- oder Quersperre eines Fahrzeugs sein. Durch die Steuerung der Reibungskupplung sollen Funktionsbeeinträchtigungen der Reibungskupplung vermieden werden, um den Komfort für einen Insassen des Fahrzeugs zu erhöhen.
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Bei Reibungskupplungen (insbesondere bei Lamellenkupplungen) treten im normalen Regelbetrieb typischerweise thermische und/oder mechanische Belastungen auf, die je nach Fahrsituation und/oder Fahrweise variieren können. Bei Erreichen einer Grenztemperatur einer Reibungskupplung kann es zu einer Funktionsbeeinträchtigung bzw. zu einer Funktionsdegradation kommen, die von einem Insassen des Fahrzeugs wahrgenommen werden kann. Beispielsweise kann bei Erreichen der Grenztemperatur die Reibungskupplung vollständig geöffnet (mit einem Kopplungsgrad von substantiell 0% bzw. mit einem Momentübertragungsverhältnis von 0%/100%) bzw. vollständig geschlossen (mit einem Kopplungsgrad von substantiell 100% bzw. mit einem Momentübertragungsverhältnis von 50%/50%) werden.
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Die Grenztemperatur kann insbesondere bei einer aggressiven und/oder sportlichen Fahrweise bzw. bei bestimmten Fahrsituationen/Fahrmanövern erreicht werden. Die Ursache für die thermische und/oder mechanische Belastung einer Reibungskupplung liegt dabei in den Zuständen teilgeschlossener Lamellen. In einem teilgeschlossenen Zustand einer Reibungskupplung entsteht durch den Schlupf zwischen den Lamellen thermische Energie, durch die die Reibungskupplung erwärmt wird. Dabei hängt die Menge an thermischer Energie bzw. die in der Reibungskupplung erzeugte thermische Leistung 202 typischerweise von dem Kopplungsgrad 201 (bzw. dem Momentverteilungsverhältnis) der Reibungskupplung ab. Desweiteren hängt die thermische Leistung 202 typischerweise von dem zu übertragenden Drehmoment und/oder von der Differenzdrehzahl zwischen den Lamellen ab. 2a zeigt einen beispielhaften funktionalen Zusammenhang 203 zwischen der erzeugten thermischen Leistung 202 und dem Kopplungsgrad 201 (bzw. dem Momentverteilungsverhältnis) einer Reibungskupplung. Wie aus 2a zu entnehmen ist, ist die erzeugte thermische Leistung 202 typischerweise bei einem geringen Kopplungsgrad 201 (d. h. bei einem geringen Momentverteilungsverhältnis) gering, und steigt typischerweise mit steigendem Kopplungsgrad 201 an, bis ein Maximum erreicht wird. Dabei ist die erzeugte thermische Leistung 202 (d. h. die Verlustleistung) einer Kupplung typischerweise proportional zu dem Produkt aus dem Drehmoment und der Differenzdrehzahl, der über die Kupplung gekoppelten Achsen bzw. Wellen. Die Differenzdrehzahl hängt dabei typischerweise vom Kopplungsgrad 201 ab. Andererseits sinkt die thermische Leistung 202 für hohe Kopplungsgrade 201 wieder, und erreicht typischerweise bei einer vollständigen Kopplung (d. h. bei einem Kopplungsgrad von substantiell 100%) ein (lokales) Minimum.
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Aus 2a ist zu entnehmen, dass die in der Reibungskupplung erzeugte thermische Verlustleistung durch Anpassung des Kopplungsgrades 201 angepasst werden kann. Somit kann durch Anpassung des Kopplungsgrades 201 die Temperatur einer Reibungskupplung beeinflusst werden. Insbesondere können durch eine frühzeitige Anpassung der Kopplungsgrades 201 bzw. des Momentverteilungsverhältnisses das Erreichen einer vordefinierten Grenztemperatur und/oder eines mechanischen Belastungs-Grenzzustandes (z. B. Lamellenverschleiß) und eine damit verbundene Funktionsdegradation der Reibungskupplung vermieden werden.
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Die auftretende thermische Belastung in einer Reibungskupplung kann modellhaft ausgewertet werden. Basierend auf der Auswertung kann der Kopplungsgrad 201 der Reibungskupplung präventiv und adaptiv so beeinflusst werden, dass der Energieeintrag in die Reibungskupplung begrenzt wird und ggf. in eine Sättigung geht.
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1 zeigt ein Blockdiagramm mit beispielhaften Komponenten eines Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 umfasst eine Vorderachse 110 mit einem rechten Rad 111 und eine linken Rad 112 und eine Hinterachse 120 mit einem rechten Rad 121 und einem linken Rad 122. Das Fahrzeug 100 umfasst weiter eine Längssperre 103 mit einer Reibungskupplung. Ein Kopplungsgrad 201 der Reibungskupplung der Längssperre 103 ist über ein Steuersignal einer Steuereinheit 101 des Fahrzeugs 100 einstellbar. Durch einen Antriebsmotor 104 wird ein Drehmoment generiert, wobei das Drehmoment durch die Längssperre 103 auf die Vorderachse 110 und auf die Hinterachse 120 aufgeteilt werden kann. Die Aufteilung des Drehmoments hängt dabei von dem Kopplungsgrad 201 bzw. von dem Momentverteilungsverhältnis der Reibungskupplung der Längssperre 103 ab.
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Das Fahrzeug 100 umfasst weiter einen Temperatursensor 102, der eingerichtet ist, eine Temperatur der Längssperre 103 (insbesondere der Reibungskupplung der Längssperre 103) zu erfassen. Die Steuereinheit 101 des Fahrzeugs 100 ist eingerichtet, einen Kopplungsgrad 201 der Reibungskupplung in Abhängigkeit von der Temperatur der Längssperre 103 einzustellen.
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1 zeigt weiter Quersperren 113, 123, die eingerichtet sind, ein auf die jeweilige Achse 110, 120 übertragendes Drehmoment auf die Räder 111, 112 bzw. 121, 122 der jeweiligen Achse 110, 120 zu verteilen. Die Ausführungen in Bezug auf die Längssperre 103 gelten in analoger Weise für die ein oder mehreren Quersperren 113, 123 des Fahrzeugs 100.
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Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, zumindest eine Zustandsvariable für die thermische Belastung bzw. den thermischen Stress der Längssperre 103 (z. B. die o. g. Temperatur) zu erfassen und auszuwerten. Desweiteren kann die Steuereinheit 101 die Längssperre 103 ansteuern, um das achsspezifische Drehmoment gemäß einer vordefinierten Funktion umzuverteilen. Die Funktion kann beispielsweise in Form einer linearen oder nichtlinearen Kennlinie bzw. Kurve abgebildet werden, über die das angeforderte Soll-Kupplungsmoment oder der Kopplungsgrad 201 über der thermischen Belastung/Stress (z. B. der Temperatur 212) aufgetragen ist. Eine beispielhafte Kennlinie 213 ist in 2b dargestellt. Insbesondere zeigt die Kennlinie 213 einen zu verwendenden Kopplungsgrad 201 in Abhängigkeit von der Temperatur 212 der Längssperre 103 an. Dabei wird durch die durchgezogene Kennlinie 213 bei Erhöhung der Temperatur 212 eine Reduzierung des Kopplungsgrads 201 bewirkt, um die thermische Belastung der Kupplung zu reduzieren. Alternativ wird durch die gepunktete Kennlinie 213 bei Erhöhung der Temperatur 212 eine Erhöhung des Kopplungsgrads 201 bewirkt, um die thermische Belastung der Kupplung zu reduzieren.
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Durch eine derartige Ansteuerung einer Längssperre 103 (bzw. einer Quersperre 113, 123) ist es möglich, das Drehmoment auf die einzelnen Achsen 110, 120 (bzw. auf Teilgruppen von Achsen) bzw. auf die einzelnen Räder 111, 112, 121, 122 (bzw. auf Teilgruppen von Rädern) in einem Kraftfahrzeug 100 situationsgerecht und rechtzeitig so zu verteilen bzw. zumindest teilweise oder vollständig derart zu variieren, dass eine Funktionsbeeinträchtigung der Längssperre 103 (bzw. einer Quersperre 113, 123) vermieden oder vermindert werden kann.
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Desweiteren können noch weitere Bedingungen und/oder Zustandsparameter zur Umverteilung und/oder Reduzierung und/oder Begrenzung der Drehmomentverteilung berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine Umgebungstemperatur einer Sperre 103 berücksichtigt werden. Die Höhe an thermischer Energie, die aus der Sperre 103 abgeführt werden kann, hängt typischerweise von der Umgebungstemperatur der Sperre 103 ab. Die für die Steuerung bzw. Regelung der Sperre 103 verwendete Kennlinie 213 kann somit von der Umgebungstemperatur abhängen.
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In diesem Dokument wird somit ein Kraftfahrzeug 100, insbesondere ein allradgetriebenes Kraftfahrzeug 100 bzw. ein Kraftfahrzeug 100, welches zumindest eine steuer-/regelbare Kupplung bzw. Sperre 103, 113, 123 in Fahrzeuglängs- bzw. querrichtung umfasst, beschrieben. Das Fahrzeug 100 umfasst eine Steuereinheit 101, die eingerichtet ist, eine Sperre 103, 113, 123 des Fahrzeugs 100 in der oben beschriebenen Weise zu steuern bzw. zu regeln.
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Zur Ermittlung der thermischen Belastung einer Sperre 103, 113, 123 können ggf. bereits vorhandene Sensoren 102 verwendet werden. Die Steuerung einer Sperre 103, 113, 123 kann somit in Kosten-effizienter Weise (als Software) bereitgestellt werden. Beispielsweise kann diese Software in einer Steuer- bzw. Regeleinheit 101 für die Längs- bzw. Quermomentenverteilung und/oder in einem anderen Fahrzeugregelsystem (z. B. für ein Elektronisches Stabilitätsprogramm, ESP) implementiert werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Steuerung einer Drehmoment-verteilenden, einstellbaren Kupplung 103, 113, 123 in einem Fahrzeug 100. Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301 eines aktuellen Wertes eines Indizes für einen Belastungszustands (insbesondere für einen thermischen Zustand) der Kupplung 103, 113, 123. Das Indiz kann z. B. eine Temperatur 212 der Kupplung 103, 113, 123 umfassen. Desweiteren umfasst das Verfahren 300 das Anpassen 302 eines aktuellen Momentverteilungsverhältnisses 201 der Kupplung 103, 113, 123 in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Indizes für den Belastungszustands (insbesondere für den thermischen Zustand). Dabei erfolgt die Anpassung vor Erreichen eines Belastungs-Grenzzustands (insbesondere eines thermischen Grenzzustands) der Kupplung 103, 113, 123. Insbesondere erfolgt die Anpassung derart, dass ein aktueller Belastungszustand (insbesondere ein aktueller thermischer Zustand) der Kupplung 103, 113, 123 von dem Belastungs-Grenzzustand (insbesondere von dem thermischen Grenzzustand) weg bewegt oder zumindest nicht zu dem Belastungs-Grenzzustand (insbesondere dem thermischen Grenzzustand) hin bewegt wird. Die Anpassung des aktuellen Momentverteilungsverhältnisses 201 kann dabei stetig erfolgen. In Summe kann so erreicht werden, dass eine sprunghafte Degradation der Kupplung 103, 113, 123 und eine damit verbundene Reduzierung der Fahrsicherheit, der Fahrzeugtraktion und/oder des Komforts aufgrund des Erreichens eines Belastungs-Grenzzustands der Kupplung 103, 113, 123 vermieden werden können.
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Bei Erkennung von definierten Fahr- und Zustandssituationen können somit Funktionseinschränkungen einer Sperre 103 anhand von zumindest temporären, teilweisen oder vollständigen Änderungen im Momentübertragungsverhältnis im Sinne einer Vorsteuerung mittels der vorhandenen schalt-/steuer-/regelbaren Kupplung(en) bzw. Sperre(n) und/oder Getriebe(n) vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden. So kann die Funktionsqualität und Funktionsrobustheit eines Kraftfahrzeugs 100 mit Allrad- bzw. Sperrensystem verbessert und damit das vorhandene Kraftschlusspotential optimal genutzt. Desweiteren kann die Fahrzeugstabilität und Traktion erhöht und die Fahrdynamik verbessert werden.
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In einer beispielhaften Implementierung des in diesem Dokument beschriebenen Verfahrens 300 zur Anpassung eines aktuellen Momentverteilungsverhältnisses 201 erfolgt eine Korrektur der Längsmomentenverteilung infolge von Kupplungsstress bei einem Allrad-Fahrzeug in folgender Weise. Generell kann bei Kurvenfahrt mit zunehmend kleineren Kurvenradien die Kupplungsmomentverteilung gegenüber Geradeausfahrt abgesenkt werden, um ein gewünschtes dynamisches Fahrverhalten des Fahrzeugs zu erhalten. Beispielsweise kann mit zunehmend kleiner werdenden Kurvenradien eine Kupplungsmomentverteilung (bzw. ein Momentverteilungsverhältnis) von einer Verteilung 50%/50% (Vorderachse zu Hinterachse) auf eine Verteilung 30%/70% (Vorderachse zu Hinterachse) reduziert werden. Mit anderen Worten, zur Umsetzung eines bestimmten dynamischen Fahrverhaltens kann insbesondere bei Kurvenfahrt der Kopplungsgrad einer Längs-Kupplung 103 mit kleiner werdenden Kurvenradien abgesenkt werden. Dazu kann eine Kennlinie hinterlegt sein, wobei die Kennlinie die Kupplungsmomentverteilung als Funktion von einem Maß für Kurvenfahrt angibt. Das Maß für Kurvenfahrt kann z. B. aus einem Lenkwinkel, einem Kurvenradius, einer Querbeschleunigung, einer Gierrate, etc. ermittelt werden. Die Kupplungsmomentverteilung wird durch die Kennlinie mit einem steigenden Maß für Kurvenfahrt abgesenkt, wodurch eine stärkere Verlagerung auf einen Heckantrieb bewirkt wird. Durch die Absenkung der Kupplungsmomentverteilung kann, wie in 2a dargestellt, die Belastung der Kupplung 103 steigen.
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Zur vorausschauenden Reduzierung der Belastung der Kupplung 103 kann über eine weitere (ggf. lineare) Kennlinie 213 in Abhängigkeit vom Kupplungsstress bzw. in Abhängigkeit von dem Belastungszustand die Kupplungsmomentverteilung erhöht werden. Der Belastungszustand bzw. Kupplungsstress ist dabei typischerweise proportional zur Kupplungsbelastung aufgrund von zu hohem thermischen Energieeintrag. Der Belastungszustand der Kupplung 103 kann z. B. in Prozent angegeben werden, wobei 0% keine Belastung darstellt und wobei 100% eine maximale Belastung darstellt. Der Belastungs-Grenzzustand kann z. B. bei 50% Belastung erreicht werden.
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Um das Erreichen des Belastungs-Grenzzustands zu vermeiden, kann in einem Zustandsbereich von z. B. 5% Belastung bis 40% Belastung eine Belastungszustands-abhängige Anpassung der Kupplungsmomentverteilung erfolgen. Dabei kann das Ausmaß der Anpassung der Kupplungsmomentverteilung progressiv erfolgen, und mit steigender Belastung stetig größer werden. Insbesondere kann die Kupplungsmomentverteilung bei einer Belastung von 5% oder weniger nicht erhöht werden, und bei einer Belastung von 40% auf eine Kupplungsmomentverteilung von 50%/50% erhöht werden. Dazwischen kann eine stetig (z. B. linear) ansteigende Anpassung der Erhöhung der Kupplungsmomentverteilung erfolgen. So kann der Belastungszustand einer Kupplung im Vorfeld (d. h. vor Erreichen des Belastungs-Grenzzustands) begrenzt bzw. reduziert werden. Insbesondere kann so eine Entkopplung der Kupplung 103 (d. h. ein Sprung auf eine Kupplungsmomentverteilung von 0%/100% von Vorderachse zu Hinterachse) bei Erreichen des Belastungs-Grenzzustands vermieden werden.
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Die o. g. Korrektur für die Kupplungsmomentverteilung kann Fahrgeschwindigkeits-abhängig, z. B. im Bereich zwischen 5 m/s und 15 m/s, eingerampt werden, so dass unter 5 m/s noch keine Korrekturbeeinflussung erfolgt und erst ab 15 m/s die volle Korrekturbeeinflussung zum Tragen kommt. Damit wird eine ungewollte Kupplungsmomentverteilung bei niedrigen Geschwindigkeiten vermieden (bei der typischerweise ein Erreichen des Belastungs-Grenzzustands unwahrscheinlich ist).
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Ggf. kann eine Anpassung bzw. Korrektur der Kupplungsmomentverteilung von der Einstellung eines Fahrmodus des Fahrzeugs abhängig sein. Beispielsweise kann ggf. nur in einem Sport- bzw. Traktionsmodus und/oder in einem Modus mit ausgeschaltetem Elektronischem Stabilitätsprogramm (ESP) eine Belastungszustands-abhängige Anpassung der Kupplungsmomentverteilung erfolgen.
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Die Anpassung der Kupplungsmomentverteilung kann (ggf. auch) in Abhängigkeit von einer Antriebsmoment-Vorgabe erfolgen. Zu diesem Zweck kann die Antriebsmoments-Vorgabe (welche z. B. durch den Fahrer eines Fahrzeugs bzw. durch ein Fahrerassistenzsystem, wie z. B. ACC, eingestellt werden kann) mit einem Antriebsmoment-Schwellenwert verglichen werden. Die Anpassung der Kupplungsmomentverteilung kann ggf. nur dann erfolgen, wenn die Antriebsmoments-Vorgabe gleich wie oder größer als der Antriebsmoment-Schwellenwert ist. So können Verspannungen im Antriebsstrang im unteren Geschwindigkeitsbereich bei Kurvenfahrt aufgrund von relativ hohen Kupplungsmomenten vermieden werden. Es kann somit das Fahrervorgabemoment bzw. die Sollmomentvorgabe eines Steuer-/Regelsystems ausgewertet werden. Nur bei entsprechend hohem Vorgabemoment kann eine stressabhängige bzw. Belastungszustands-abhängige Anpassung der Kupplungsmomentverteilung (bzw. des Momentverteilungsverhältnisses) zugelassen werden.
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Der o. g. Bedingung liegt die Beobachtung zugrunde, dass bei relativ geringem Vorgabemoment typischerweise nicht „im Drift” gefahren wird. Folglich sollte zur Vermeidung von Verspannungen im Antriebsstrang keine Anpassung (insbesondere Erhöhung) der Kupplungsmomentverteilung durchgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
