DE102016203113A1

DE102016203113A1 - Steuerungssystem zur Verteilung eines Antriebsmoments und Fahrzeug mit so einem Steuerungssystem

Info

Publication number: DE102016203113A1
Application number: DE102016203113.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hofmann; Sven Schmitz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem (100) zur Verteilung eines Antriebsmoments zwischen einem linken und einem rechten Antriebsrad (2; 3) eines Kraftfahrzeugs (1) über ein Differentialgetriebe (5, 21), wobei das Antriebsmoment über einen mit dem Differentialgetriebe (5; 21) gekoppelten Elektromotor (4) bereitstellbar ist und Mittel vorgesehen sind, die ausgebildet sind, das bereitgestellte Antriebsmoment durch eine Drehzahlregelung des Elektromotors (4) und einen einstellbaren Bremseingriff an einem der Antriebsräder (2; 3) derart zu verteilen, dass bei jeweils unterschiedlichen am linken und rechten Antriebsrad (2; 3) wirkenden Reibwerten (μ1, μ2) zu einem mit den Antriebsrädern (2; 3) in Kontakt stehenden Untergrund (31, 32) das verfügbare Antriebsmoment am Antriebsrad (2) mit dem höheren Reibwert (μ1) höher ist als am Antriebsrad (3) mit dem niedrigeren Reibwert (μ2) und so ein wirksames Vortriebsmoment weitgehend über das Antriebsrad (2) mit dem höheren Reibwert (μ1) übertragen wird. Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug (1) mit so einem Steuerungssystem (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungssystem zur Verteilung eines Antriebsmoments zwischen einem linken und einem rechten Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs über ein Differentialgetriebe und weiter ein Fahrzeug mit so einem Steuerungssystem.
Beim Anfahren oder Beschleunigen eines Kraftfahrzeugs hängt die Kraftübertragung bzw. ein wirksames Vortriebsmoment wesentlich von der Haftung zwischen Reifen und Untergrund (Fahrbahn) ab. Je nach dem wirksamen Reibungskoeffizienten zwischen Antriebsrad und Fahrbahn wird das auf die Antriebsräder übertragene Antriebsmoment eines Antriebes (z. B. eines Verbrennungsmotors) in ein das Fahrzeug bewegendes Vortriebsmoment umgesetzt. Dabei tritt üblicherweise ein bestimmter Schlupf auf, der durch das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit eines angetriebenen Rades und der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird. Beim Beschleunigen ist wegen des auftretenden Schlupfes meist die Umfangsgeschwindigkeit des Rades etwas höher als die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Antriebsräder werden üblicherweise über ein Differentialgetriebe angetrieben, das Geschwindigkeitsunterschiede zwischen dem rechten und linken Antriebsrad ausgleicht (beispielsweise bei Kurvenfahrten, bei denen das außenliegende Rad einen größeren Weg zurücklegen muss als das innenliegende).
Beim Anfahren auf einem Untergrund oder einer Fahrbahn, bei der das eine Antriebsrad auf der einen Seite mit einem höheren Reibungskoeffizienten am Untergrund haftet (bessere Haftung) als das andere Antriebsrad auf der anderen Seite, ist die Übertragung eines Vortriebsmomentes durch die Wirkung des Differentials beeinträchtigt. So kommt es beispielsweise in solchen Fällen, bei dem das eine Rad auf griffigem, gut haftendem Untergrund (z. B. trockener Asphalt mit hohem Reibungskoeffizient) steht und das andere Rad auf glattem Untergrund (z. B. auf einer Eisfläche mit niedrigem Reibungskoeffizient), beim Beschleunigen oder Bergauffahren durch die Wirkung des Differentialgetriebes zum Durchdrehen des Antriebsrades auf dem glatten Untergrund.
Um diesen Effekt zu verhindern, gibt es sogenannte ASR (Anti-Schlupf-Regelungen) die einen radindividuellen Bremseingriff vornehmen, um das Durchdrehen des einen Rades zu verhindern. Der Bremseingriff erfolgt normalerweise dann im unteren Geschwindigkeitsbereich, wenn eines der beiden Antriebsräder ohne Kraftschluss mit dem Untergrund durchdreht. Über die Radbremse wird dabei ein situationsgerechter Bremseingriff am durchdrehenden Rad realisiert – es wird gesteuert bzw. geregelt abgebremst – und so das Antriebsdrehmoment über das Differentialgetriebe weitgehend auf das andere, nicht durchdrehende Rad übertragen. Dieser über eine Steuerung ausgeübte Bremseingriff wirkt ähnlich wie eine Differentialsperre. Solche Anti-Schlupf-Regeleinrichtungen sind beispielsweise aus der DE 39 36 180 A1 oder DE 39 31 210 A1 bekannt.
Bei all diesen ASR-Systemen oder auch EDS-Systemen (elektronische Differentialsperre) besteht jedoch das Problem, dass bei gewünschten großen Beschleunigungen oder auch beim Anfahren gegen ein Gefälle (Anfahren am Berg) mit stark voneinander abweichenden Reibwerten am linken und rechten Antriebsrad hohe Differenzdrehzahlen entstehen können, und zwar zwischen dem antreibenden Rad mit hohem Reibungskoeffizienten zum Untergrund und dem anderen Rad mit einem deutlich niedrigeren Reibungskoeffizienten zum Untergrund.
Diese Situation zeigt 5. Das Fahrzeug F hat ein linkes Antriebsrad AR_L und ein rechtes Antriebsrad AR_R. Beide Räder werden durch einen Verbrennungsmotor VM über ein Differential D angetrieben. Die beiden anderen Räder R_L und R_R laufen hier frei ohne eigenen Antrieb mit. Die linken Räder AR_L und R_L sind in Kontakt mit einem Fahrbahnbereich FB₁. Zwischen dem Antriebsrad AR_L und dem Fahrbahnbereich FB₁ wirkt ein vergleichsweise hoher Reibkoeffizient μ₁ (bei trockenem Asphalt beispielsweise 0,8 bis 0,9) im anderen Fahrbahnbereich FB₂ wirkt ein deutlich niedrigerer Reibungskoeffizient μ₂ zwischen dem Antriebsrad AR_R und dem Fahrbahnbereich FB₂ (für Eis gilt beispielsweise μ₂ = 0,2). Ein wirksames Vortriebsmoment kann also hier nur über das Antriebsrad AR_L übertragen werden. Bei einem Verbrennungsmotor ist es dazu erforderlich, die Drehzahl des Motors bei geschlossener Kupplung auf einen relativ hohen Wert zu bringen, damit ein ausreichendes Motordrehmoment zur Verfügung steht (dies ist im daneben dargestellten tn-Diagramm durch die langgestrichelte Kurve n_VM skizziert.
Damit wird auch das durchdrehende oder schlupfende Antriebsrad AR_R auf eine relativ hohe Drehzahl gebracht (durchgezogene Linie n_μ2) und durch einen schleifenden Bremseingriff auf dieser Drehzahl gehalten, damit der Motor nicht abgewürgt wird, so dass dann auch bei niedriger Antriebsdrehzahl n_μ1 am linken Antriebsrad AR_L ein ausreichendes Vortriebsmoment zur Verfügung steht. Das schlupfende Antriebsrad AR_R muss also bei einer relativ hohen Drehzahl μ₂ schleifend eingebremst werden, um das gewünschte Vortriebsmoment über das linke Antriebsrad AR_L zur Verfügung zu stellen. Neben dem hohen Bremsverschleiß und der Temperaturbeanspruchung führt die hohe Differenzdrehzahl Δn zwischen den Antriebsrädern AR_L und AR_R auch zu einer hohen Belastung des Differentialgetriebes.
Eine andere Anti-Schlupf-Regelung bei elektromotorischem Antrieb ist aus der EP 1 916 142 A2 bekannt. Hier sind alle Antriebsräder mit einem eigenen elektrischen Antriebsmotor versehen, deren Antriebsgeschwindigkeiten jeweils getrennt steuerbar sind, so dass beispielsweise für den oben dargestellten Fall nur das linke Antriebsrad bzw. die beiden linken Antriebsräder über einen oder zwei Motoren angetrieben werden, während das rechte Antriebsrad bzw. die beiden rechten Antriebsräder entweder nur leer mitlaufen oder entsprechend der Antriebsgeschwindigkeiten der linken Räder entsprechend angesteuert werden. So eine Lösung erfordert jedoch für jede Antriebsseite bzw. für jedes Rad einen eigenen Elektroantrieb.
Es besteht also die Aufgabe ein verbessertes Steuerungssystem bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwunden werden können. Es besteht weiter die Aufgabe ein Fahrzeug mit einem solchen Steuerungssystem zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Steuerungssystem nach Anspruch 1 und die Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 13 oder 14 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem zur Verteilung eines Antriebsmoments zeichnet sich dadurch aus, dass das Antriebsmoment über einen mit dem Differentialgetriebe gekoppelten Elektromotor bereitstellbar ist und Mittel vorgesehen sind, die derart ausgebildet sind, das bereitgestellte Antriebsmoment durch eine Drehzahlregelung des Elektromotors und einen einstellbaren Bremseingriff an einem der Antriebsräder derart zu verteilen, dass bei jeweils unterschiedlichen, am linken und rechten Antriebsrad wirkenden Reibwerten zu einem mit den Antriebsrädern in Kontakt stehenden Untergrund das verfügbare Antriebsmoment am Antriebsrad mit dem höheren Reibwert höher ist als am Antriebsrad mit dem niedrigeren Reibwert und so ein wirksames Vortriebsmoment weitgehend über das Antriebsrad mit dem höheren Reibwert übertragen wird.
Durch die Kombination der Drehzahlregelung des Elektromotors, der entweder über eine Kupplung und ein Getriebe oder direkt mit dem Differentialgetriebe gekoppelt ist, mit einem einstellbaren Bremseingriff an einem der Antriebsräder, ist es möglich das Anfahrverhalten auf unterschiedlich griffigem Untergrund in mehrfacher Hinsicht deutlich zu verbessern. So kann nämlich die Drehzahldifferenz zwischen dem antreibenden Rad unter Nutzung des höheren Reibwertes und dem schlupfenden Rad mit niedrigerem Reibwert relativ gering gehalten werden, da nämlich bei Elektromotoren das Antriebsmoment auch bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen in fast voller Höhe zur Verfügung steht. Das bedeutet, dass beim Anfahren das schlupfende Rad auf relativ niedrige Geschwindigkeiten eingebremst werden kann und so das volle Vortriebsmoment am anderen Rad bei nur geringer Drehzahldifferenz und niedriger Motordrehzahl realisiert werden kann.
Diese Verringerung der Drehzahldifferenz setzt zum einen den Bremsverschleiß und die thermische Belastung am schlupfenden Rad deutlich herab, senkt zum anderen aber auch die Beanspruchung des Differentialgetriebes, da dieses bei einer wesentlich geringeren Drehzahldifferenz betrieben werden kann. Die Beanspruchung kann dabei sogar soweit abgesenkt werden, dass das Differentialgetriebe insgesamt kleiner, leichter, kostengünstiger und damit auch wartungsfreundlicher ausgeführt werden kann.
In einer Ausführung umfassen dabei die Mittel des Steuerungssystems ein Steuergerät, Sensoren zur Erfassung der Raddrehzahlen, Radbremsen zum individuellen Abbremsen der Antriebsräder und/oder wenigstens einen Aktor zur einstellbaren Betätigung der Radbremsen. Diese Komponenten sind in der Regel in Fahrzeugen mit ABS- oder ASR-Systemen bereits vorgesehen und können so auf einfache, kostengünstige Weise für das erfindungsgemäße Steuerungssystem genutzt werden.
In einer Ausführung erfasst das Steuergerät in einer Anfahrsituation, in der unterschiedliche Reibwerte an den Antriebsrädern wirken und daher eines der Antriebsräder schlupft, mittels der Sensoren eine Drehzahldifferenz zwischen dem linken und rechten Antriebsrad. Daraufhin steuert es den Aktor derart an, dass dieser die Radbremse des schlupfenden Antriebsrades derart betätigt, dass das schlupfende Antriebsrad zunächst blockiert wird und dabei das auf langsamere Antriebsrad übertragene Antriebsmoment erhöht wird. So eine Ansteuerung des schlupfenden Rades, bei dem dieses komplett gestoppt wird, ist besonders einfach zu realisieren und baut das erforderliche Vortriebsmoment über das andere Antriebsrad schnell auf.
In einer Weiterbildung dieses Systems steuert das Steuergerät bei (gewünschter) weiterer Beschleunigung und/oder Berg-auf-Fahrt über den Aktor die Radbremse des blockierten Antriebsrades so an, dass zwischen dem nicht blockierten Antriebsrad und dem blockiertem Antriebsrad keine Drehzahldifferenz besteht. Damit dreht sich dann auch das zunächst blockierte Antriebsrad entsprechend dem anderen Antriebsrad auf dem griffigen Untergrund, bewegt sich dabei auch weitgehend schlupffrei auf dem glatten Untergrund und bewirkt trotz des niedrigen Reibwertes ein zusätzliches Vortriebsmoment.
In einer anderen Ausführung steuert das Steuergerät bei weiterer Beschleunigung des nicht blockierten Antriebsrades die Radbremse des blockierten Antriebsrades so an, dass die Drehzahldifferenz nicht auf Null sondern auf eine bestimmte (wählbare) Drehzahldifferenz eingeregelt wird. Eine wählbare oder einstellbare Drehzahldifferenz erlaubt gegebenenfalls eine weitere Verbesserung der Fahreigenschaften. Damit ist es z. B. auch möglich bei sich veränderten Reibwerten eine weichere Veränderung der Drehzahlen des schlupfenden Antriebsrades darzustellen. Das Fahrverhalten kann dadurch als angenehmer empfunden werden.
In einer anderen Ausführung ist es auch möglich, die wählbare/einstellbare Drehzahldifferenz in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und/oder von der Drehzahl des nicht schlupfenden Rades (Antriebsdrehzahl) zu variieren. So kann bei niedriger Antriebsdrehzahl die Drehzahldifferenz z. B. größer eingestellt werden und dann mit ansteigender Antriebsdrehzahl reduziert werden oder umgekehrt zunächst kleiner eingestellt werden und mit ansteigender Drehzahl erhöht werden.
In einem anderen Verfahren ist es auch möglich, dass das Steuergerät bei weiterer Beschleunigung des nicht schlupfenden Antriebsrades die Radbremse des blockierten Antriebsrades zunächst wieder vollständig löst und bei Detektion einer Drehzahlerhöhung dieses (dann wieder schlupfenden) Antriebsrades, die über die Drehzahl des anderen (nicht blockierten) Antriebsrades hinaus geht, dieses wieder blockiert. So eine ”Stotter”-Regelung ist besonders einfach zu realisieren und führt bei einer entsprechend hohen Regelfrequenz ebenfalls zu einem kontinuierlich empfundenen Beschleunigungsverhalten.
In einer anderen Ausführung wird dabei das Blockieren und Lösen des schlupfenden Rades solange wiederholt, bis das Steuergerät keine Drehzahldifferenz (Schlupf) mehr erfasst, die über einen bestimmten Grenzwert hinausgeht.
Über die Einstellung der Empfindlichkeit durch die Wahl einer den Steuer- bzw. Regelvorgang auslösenden Drehzahldifferenz lässt sich das System weiter verfeinern.
In einer anderen Ausführung wird der Bremseingriff am schlupfenden Rad nur bis zu einem (bestimmten, einstellbaren) Grenzdrehzahlwert des anderen antreibenden Rades durchgeführt. Das bedeutet z. B., dass die Grenzdrehzahl so bestimmt wird, dass das Ende eines Anfahrvorgangs erkannt wird und von einer bestimmten Geschwindigkeit an, die mit einem Grenzdrehzahlwert des maßgeblich antreibenden Rades korreliert, der differentialsperrende/-hemmende Bremseingriff am schlupfenden Rad beendet wird.
In einer anderen Ausführung kann als Referenzdrehzahl auch die des Elektromotors, die besonders einfach ermittelbar ist, angegeben werden.
Um das Steuerungssystem weiter zu verfeinern, ist in einer anderen Ausführung das Steuergerät mit einer Vorrichtung zur Erfassung eines Wunschfahrzustandes gekoppelt (z. B. ein Stellungssensor des Gaspedals), um so Werte zum Wunschfahrzustand erfassen zu können. Weiterhin erfasst das Steuergerät anhand der Sensoren (z. B. der Drehzahlsensoren der mitlaufenden, nicht angetriebenen Räder, welche beispielsweise Rückschlüsse auf die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit zulassen) einen Ist-Fahrzustand und stellt aufgrund dieser erfassten Werte unterschiedliche Antriebsmomente des Elektromotors ein. Auf diese Weise kann beispielsweise auch ein Schlupfverhalten des Antriebsrades, welches über den hohen Reibkoeffizienten mit dem Untergrund bzw. der Fahrbahn gekoppelt ist, beeinflusst werden.
In einer anderen Ausführung ist der Elektromotor Bestandteil eines Hybridantriebes mit einem Verbrennungsmotor, wobei der Hybridantrieb so betrieben wird, dass in einer Anfahrsituation das Antriebsmoment über den Elektromotor bereitgestellt wird. Auf diese Weise können die Vorteile des Elektromotors beim Anfahren und auch die des Steuerungssystems genutzt werden, um bei einem Hybridantrieb eine schwierige Anfahrsituation auf einem problematischen Untergrund optimiert zu beherrschen.
Bei einer anderen Ausführung ist dabei vorgesehen, dass bei Erreichen einer Grenzdrehzahl über die Steuerung ein Antriebswechsel vom Elektromotor zum Verbrennungsmotor realisiert wird, so dass ab einer bestimmten Drehzahl oder Geschwindigkeit das Antriebsmoment über den Verbrennungsmotor bereitgestellt wird. So ein Konzept ist beispielsweise für sogenannte Mild-Hybrid-Systeme vorteilhaft, bei denen ein elektromotorischer Betrieb nur für kurze Zeit realisiert werden soll.
Die Erfindung betrifft weiter Elektrokraftfahrzeuge mit einem erfindungsgemäßen Steuerungssystem, das so gegebenenfalls mit vereinfachten Komponenten (Differentialgetriebe) und weniger beanspruchten Verschleißteilen (Bremsanlage) ausgestattet sein kann und trotzdem das gewünschte Anfahrverhalten auch bei schwierigen Reifen-Untergrund-Gripbedingungen realisieren kann.
Das gleiche gilt für ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantrieb mit einem solchen Steuerungssystem, bei dem die Anfahrstärken des Elektromotors mit Hilfe des oben dargestellten, erfindungsgemäßen Steuerungssystems genutzt werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
1 schematisch ein Fahrzeugkonzept mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuerungssystems;
2 eine schematische Darstellung einer Fahrsituation mit einem ersten und zweiten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Steuerungssystems;
3 eine schematische Darstellung einer Fahrsituation mit einem dritten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Steuerungssystems;
4 eine schematische Darstellung einer Fahrsituation mit einem vierten Betriebsmodus des erfindungsgemäßen Steuerungssystems, und
5 einen bekannten Anfahrmodus mit einem Verbrennungsmotor.
Das in 1 dargestellte Fahrzeugkonzept zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit zwei Antriebsrädern 2 und 3. Ein Elektromotor 4, der mit einem Differentialgetriebe 5 gekoppelt ist, treibt die Antriebsräder 2, 3 über Antriebswellen 6 an. Weiterhin sind die Räder 7 und 8 vorgesehen, die nicht angetrieben sind und frei mitlaufen können. Eine hydraulische Bremsanlage 9 steuert über eine Aktoreinheit 10 die Radbremsen 11 an, die über Hydraulikleitungen 12 (gestrichelt dargestellt) mit der Aktoreinheit 10 verbunden sind und jeweils unabhängig voneinander also einzeln ansteuerbar sind.
An jedem der Räder 2, 3, 7 und 8 ist jeweils ein Drehzahlsensor 13 angeordnet, der die Drehzahl der Räder erfasst. Ein Gaspedal 14 dient zur Erfassung eines Wunschfahrzustandes (z. B. anhand eines Stellungssensors).
Der Elektromotor 4, die Bremsanlage 9, die Aktoreinheit 10 und die Drehzahlsensoren 13 sowie das Gaspedal 14 sind über Signalleitungen 15 (durchgezogene Linien) mit einem Steuergerät 16 verbunden. Weitere Sensoren 17 sind vorgesehen um Werte zu einem Ist-Fahrzustand des Kraftfahrzeugs 1 zu erfassen und diese ebenfalls über die Signalleitung 15 an das Steuergerät 16 zu liefern. Weitere Signale zum Fahrzeugzustand oder zum Zustand einzelner Fahrzeugkomponenten können über ein Bus-System 18 (z. B. ein CAN-Bus) mit dem Steuergerät 16 und untereinander über die Signalleitung 15 ausgetauscht werden. Das Kraftfahrzeug 1 stellt in der oben dargestellten Konfiguration ein reines Elektrofahrzeug dar.
In einer durch punktierte Linien dargestellten optionalen Konfiguration kann das Kraftfahrzeug 1 auch als Hybridfahrzeug ausgebildet sein, bei dem zusätzlich ein Verbrennungsmotor 20 über ein weiteres Differentialgetriebe 21 und Antriebswellen 22 mit den Rädern 7 und 8 gekoppelt ist. Verbrennungsmotor 20 und Elektromotor 4 können dabei über eine Kopplungswelle 23 miteinander gekoppelt sein und gegebenenfalls mittels einer ansteuerbaren Koppeleinrichtung 24 wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Die Koppeleinrichtung ist dabei ebenfalls über das Steuergerät 16 und eine Signalleitung 15 ansteuerbar.
Elektromotor 4, Differentialgetriebe 5, die Antriebswellen 6, die Antriebsräder 2 und 3 mit den Radbremsen 11 und den Drehzahlsensoren 13, und die Bremsanlage 9 mit der Aktoreinheit 10 bilden zusammen mit dem Steuergerät 16 Bestandteile eines Steuerungssystems 100, das zur Verteilung eines Antriebsmoments zwischen dem linken Antriebsrad 2 und dem rechten Antriebsrad 3 dient.
Dazu zeigt 2 eine Fahrsituation, bei der das Kraftfahrzeug 1 an einem Hang beschleunigt werden soll (Anfahrzustand am Berg). Das Kraftfahrzeug soll dabei in Pfeilrichtung bewegt werden. In der Draufsicht (links neben dem Diagramm dargestellt) ist erkennbar, dass das linke Antriebsrad 2 mit einem ersten Untergrundbereich (Fahrbahnabschnitt) 31 in Kontakt steht und das rechte Antriebsrad 3 mit einem zweiten Untergrundbereich 32 in Kontakt steht, wobei zwischen dem linken Antriebsrad 2 und dem ersten Untergrundbereich ein Reibwert μ₁ wirkt der wesentlich höher ist als der zwischen dem rechten Antriebsrad und dem zweiten Untergrundbereich 32 wirkende Reibwert μ₂.
Beim Anfahren wird nun über den Elektromotor 4 und das Differentialgetriebe 5 ein Drehmoment an den beiden Antriebsrädern 2 und 3 zur Verfügung gestellt. Bei stehendem Kraftfahrzeug 1 stehen die Antriebsräder 2 und 3 zunächst still. Da das linke Antriebsrad 2 auf dem ersten Untergrundbereich 31 wegen des hohen bestehenden Reibwertes μ₁ relativ sicher haftet, wird anfangs nur das rechte Antriebsrad 3 beschleunigt, dessen Drehzahlverlauf im tn-Diagramm mit der durchgezogenen Linie n_μ2 dargestellt ist. Das Diagramm zeigt dass die Drehzahl zunächst steil ansteigt. Dieser Drehzahlanstieg wird über den Drehzahlsensor 13 am rechten Antriebsrad 3 sensiert und an das Steuergerät 16 übermittelt. Dieses löst entsprechend der Drehzahldifferenz über ein Signal an die Aktoreinheit 10 einen individuellen Bremseingriff an der Radbremse 11 des rechten Antriebsrades 3 aus, der das rechte Antriebsrad 3 abbremst und durch die so bewirkte Differentialsperre das Drehmoment auf das linke Antriebsrad 2 überträgt das nun beschleunigt wird. Der Drehzahlverlauf n_μ1 ist im tn-Diagramm als gestrichelte Linie dargestellt.
Nach einer bestimmten Zeit t₁ gibt die Radbremse 11 am rechten Antriebsrad 3 dieses wieder frei, das rechte Antriebsrad 3 beschleunigt wieder stark und dreht sich mit Schlupf auf dem zweiten Untergrundbereich 32. Erneut wird eine Drehzahldifferenz zwischen dem rechten Antriebsrad 3 und dem linken Antriebsrad 2 detektiert und führt zu erneutem Abbremsen des rechten Antriebsrades 3 (Sperren/Hemmen des Differentialbetriebes 5), wodurch erneut das vorhandene Drehmoment des Elektromotors 4 vollständig auf das linke Antriebsrad 2 gelenkt wird und dort ein entsprechendes Vortriebsmoment entfaltet.
Nachdem das Kraftfahrzeug eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat, oder der ansteigende Fahrbahnabschnitt endet oder keine unterschiedlichen Reibwerte μ₁, μ₂ mehr auf den Untergrundbereichen 31 und 32 auftreten, wird sich bei erneuter Freigabe der Radbremse 11 am rechten Antriebsrad 3 keine Drehzahldifferenz mehr ergeben, so dass nun das Differentialgetriebe das Antriebsmoment gleichmäßig auf die beiden Antriebsräder 2 und 3 überträgt, die dann in gleicher Weise ein Vortriebsmoment aufbauen.
In einem anderen Steuerungsmodus kann auch vorgesehen sein, dass von einer bestimmten Grenzdrehzahl n_G an (punktierte Linie im tn-Diagramm) der Bremseingriff am rechten Antriebsrad 3 beendet wird, da dann keine Drehzahldifferenz mehr zwischen den beiden Antriebsrädern 2 und 3 zu erwarten ist.
3 zeigt ein anderes Steuerschema. Hier wird nach einem Drehzahlanstieg am rechten Antriebsrad 3 der oben beschriebene Bremseingriff vorgenommen. Anschließend wird jedoch der Bremseingriff am rechten Antriebsrad so dosiert, dass sich beide Antriebsräder 2 und 3 mit gleicher Drehzahl bewegen. Bei dieser Ansteuerung wird das Antriebsmoment des Elektromotors 4 am wirkungsvollsten auf die beiden Antriebsräder 2 und 3 verteilt, die sich beide mit gleicher Drehzahl bewegen (n_μ1 = n_μ2) und damit beide Beiträge zum Vortriebsmoment liefern.
4 zeigt einen Ansteuerungsmodus, bei dem nach dem ersten Bremseingriff die Drehzahl n_μ2 des rechten Antriebsrades 3 in einem wählbaren Drehzahlbereich Δn gehalten wird, der je nach Breite des Korridors unter Umständen regelungstechnisch einfacher einzuhalten ist als eine genaue Angleichung der beiden Drehzahlen wie sie in Verbindung mit der 3 beschrieben worden ist. Der Drehzahlkorridor, der durch die beiden Linien n_GU (untere Grenzdrehzahl) und n_GO (obere Grenzdrehzahl) definiert wird, kann auch variabel gestaltet sein. Er kann sich zum Beispiel mit wachsender Antriebsdrehzahl n_μ1 erweitern oder verjüngen, je nachdem welches Antriebsverhalten gewünscht ist.
Ist das Kraftfahrzeug 1 als Fahrzeug mit Hybridantrieb ausgestattet, kann in Ergänzung und im Anschluss an die oben dargestellten Betriebsmodi auch vom elektromotorisch angetriebenen Anfahrzustand in einen verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzustand gewechselt werden.
Neben der oben dargestellten Betriebsmodi mit den beiden Antriebsrädern 2 und 3 (Zweiradantrieb) kann über die in 1 optional dargestellten Komponenten: Kopplungswelle 23, Koppeleinrichtung 24 und das Differentialgetriebe 21 auch ein Allradbetriebsmodus realisiert werden, bei dem dann durch weitere Bremseingriffe an den Rädern 7 und 8, die dann ebenfalls als Antriebsräder dienen können, eine elektronische Drehzahlsperre realisiert wird, die den Vortrieb verbessert. Damit ist es sogar möglich Fahrbahnverhältnisse mit diagonal gegenüberliegenden unterschiedlichen Fahrbahnzuständen zu berücksichtigen.
Weitere Variationen und Ausführungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Antriebsrad (links)
3: Antriebsrad (rechts)
4: Elektromotor
5: Differentialgetriebe
6: Antriebswelle
7: Rad
8: Rad
9: Bremsanlage
10: Aktoreinheit
11: Radbremse
12: Hydraulikleitungen
13: Drehzahlsensor
14: Gaspedal
15: Signalleitungen
16: Steuergerät
17: Sensoren
18: Bus-System
20: Verbrennungsmotor
21: Differentialgetriebe
22: Antriebswelle
23: Kopplungswelle
24: Koppeleinrichtung
31: erster Untergrundbereich
32: zweiter Untergrundbereich
μ₁: erster Reibwert
μ₂: zweiter Reibwert
n_μ1: Drehzahl Antriebsrad
n_μ2: Drehzahl schlupfendes Rad
n_VM: Drehzahl Verbrennungsmotor
Δn: Drehzahldifferenz
FB₁: Untergrundbereich 1
FB₂: Untergrundbereich 2
AR_L: linkes Antriebsrad
AR_R: rechtes Antriebsrad
D: Differentialgetriebe
VM: Verbrennungsmotor
R_L: linkes Rad
R_R: rechtes Rad
F: Fahrzeug
t: Zeit Zeitraum
n: Drehzahl
n_GU: untere Grenzdrehzahl
n_GO: obere Grenzdrehzahl
100: Steuerungssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3936180 A1 [0004]
DE 3931210 A1 [0004]
EP 1916142 A2 [0008]

Claims

Steuerungssystem (100) zur Verteilung eines Antriebsmoments zwischen einem linken und einem rechten Antriebsrad (2; 3) eines Kraftfahrzeugs (1) über ein Differentialgetriebe (5, 21), wobei das Antriebsmoment über einen mit dem Differentialgetriebe (5; 21) gekoppelten Elektromotor (4) bereitstellbar ist und Mittel vorgesehen sind, die ausgebildet sind, das bereitgestellte Antriebsmoment durch eine Drehzahlregelung des Elektromotors (4) und einen einstellbaren Bremseingriff an einem der Antriebsräder (2; 3) derart zu verteilen, dass bei jeweils unterschiedlichen am linken und rechten Antriebsrad (2; 3) wirkenden Reibwerten (μ₁, μ₂) zu einem mit den Antriebsrädern (2; 3) in Kontakt stehenden Untergrund (31, 32) das verfügbare Antriebsmoment am Antriebsrad (2) mit dem höheren Reibwert (μ₁) höher ist als am Antriebsrad (3) mit dem niedrigeren Reibwert (μ₂) und so ein wirksames Vortriebsmoment weitgehend über das Antriebsrad (2) mit dem höheren Reibwert (μ₁) übertragen wird.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Mittel ein Steuergerät (16) umfassen sowie Sensoren (13) zur Erfassung der Raddrehzahlen, Radbremsen (11) zum individuellen Abbremsen der Antriebsräder (2, 3) und/oder wenigstens eine Aktoreinheit (10) zur einstellbaren Betätigung der Radbremsen (11).
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät (16) in einer Anfahrsituation, bei der unterschiedliche Reibwerte (μ₁, μ₂) an den Antriebsrädern (2, 3) wirken und eines der Antriebsräder (3) schlupft, mittels der Sensoren (13) eine Drehzahldifferenz (Δn) zwischen dem linken und rechten Antriebsrad (2; 3) erfasst, und die Aktoreinheit (10) derart ansteuert, dass diese die Radbremse (11) des schlupfenden Antriebsrades (3) derart betätigt, dass das schlupfende Antriebsrad (3) zunächst blockiert wird und so das auf das andere Antriebsrad (2) übertragene Antriebsmoment erhöht wird.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (16) bei weiterer Beschleunigung des nicht blockierten Antriebsrades (2), die Radbremse (11) des blockierten Antriebsrades (3) so ansteuert, dass die Drehzahldifferenz (Δn) auf Null eingeregelt wird.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (16) bei weiterer Beschleunigung des nicht blockierten Antriebsrades (2), die Radbremse (11) des blockierten Antriebsrades (3) so ansteuert, dass die Drehzahldifferenz (Δn) auf eine bestimmte wählbare Drehzahldifferenz eingeregelt wird.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (16) bei weiterer Beschleunigung des nicht blockierten Antriebsrades (2), die Radbremse (11) des blockierten Antriebsrades (3) zunächst löst und es bei Detektion einer Drehzahl (n_μ2) dieses Antriebsrades (3), die über der Drehzahl (n_μ1) des anderen Antriebsrades (2) liegt, wieder blockiert.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 6, wobei das Blockieren und Lösen des schlupfenden Antriebsrades (3) solange wiederholt wird, bis das Steuergerät (16) keine Drehzahldifferenz (Δn) mehr erfasst.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, wobei der Bremseingriff am schlupfenden Antriebsrad (3) bis zu einem Grenzdrehzahlwert (n_G) des anderen Antriebsrades (2) durchgeführt wird.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, wobei der Bremseingriff am schlupfenden Antriebsrad (3) bis zu einem Grenzdrehzahlwert des Elektromotors (4) durchgeführt wird.
Steuerungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (16) mit einer Vorrichtung (14) zur Erfassung eines Wunschfahrzustandes gekoppelt ist und Werte zum Wunsch-Fahrzustand erfasst sowie anhand der Sensoren (11, 17) Werte zu einem Ist-Fahrzustand erfasst und aufgrund der erfassten Werte unterschiedliche Antriebsmomente des Elektromotors (4) einstellt.
Steuerungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (4) Bestandteil eines Hybridantriebs mit einem Verbrennungsmotor (20) ist und in einer Anfahrsituation das Antriebsmoment über den Elektromotor (4) bereitgestellt wird.
Steuerungssystem (100) nach Anspruch 11, wobei das Steuergerät (16) bei Erreichen einer Grenzdrehzahl den Elektromotor (4) und den Verbrennungsmotor (20) so ansteuert, dass das Antriebsmoment über den Verbrennungsmotor (20) bereitgestellt wird.
Elektrokraftfahrzeug (1) mit einem Steuerungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Kraftfahrzeug (1) mit einem Hybridantrieb und einem Steuerungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.