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Die Erfindung betrifft das Steuern einer Allradkupplung. Insbesondere betrifft die Erfindung das aktive Aktuieren einer Allradkupplung.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst mehrere Achsen mit Antriebsrädern. In einer Ausführungsform mit zuschaltbarem Allradantrieb wirkt ein Antriebsmotor permanent auf eine der Achsen und kann über eine Allradkupplung zusätzlich auf eine weitere Achse wirken. Die Allradkupplung kann passiv oder aktiv aktuiert sein. Bei der passiven Aktuierung schließt die Allradkupplung ganz oder teilweise, wenn eine Drehzahl an der Eingangsseite der Allradkupplung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder wenn eine Drehzahldifferenz zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Eine aktive Aktuierung kann von beliebigen Parametern abhängig gemacht werden und erfolgt üblicherweise mittels eines mechanischen Aktuators, der beispielsweise als Elektromotor ausgeführt sein kann.
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Die Allradkupplung wird üblicherweise geschlossen, um bei schwierigen Fahrverhältnissen einen Schlupf eines der Räder des Kraftfahrzeugs zu verhindern. Wird ein Schlupf detektiert, so soll die Allradkupplung üblicherweise innerhalb von ca. 100 bis 200 ms geschlossen werden, um einem Fahrer des Kraftfahrzeugs nicht einen drohenden Kontrollverlust zu signalisieren. Bei einem Personenkraftwagen oder einem leichten Nutzfahrzeug ist eine Betätigungskraft zum Öffnen oder Schließen der Allradkupplung groß genug, um einen Aktuator mit einer Leistung von ca. 300 W zu verlangen. Ein Aktuator mit weniger Leistung würde ein stärkeres Untersetzungsgetriebe erfordern, um die Betätigungskraft aufzubringen, sodass die geforderte Betätigungszeit nicht erreicht werden könnte. Ein Aktuator der beschriebenen Leistungsklasse ist jedoch relativ groß und schwer und seine elektrische Leistungsaufnahme muss im Bordsystem des Kraftfahrzeugs entsprechend berücksichtigt werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Technik zum Steuern einer Allradkupplung an Bord eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Verfahren zum Steuern einer Allradkupplung an Bord eines Kraftfahrzeugs umfasst Schritte des Bestimmens einer vor dem Kraftfahrzeug liegenden Fahrstrecke; des Bestimmens eines Abschnitts der Fahrstrecke, auf dem die Allradkupplung geschlossen sein soll; und des Schließens der Allradkupplung, bevor das Kraftfahrzeug den Abschnitt erreicht. Ein entsprechendes Verfahren kann verwendet werden, um die Allradkupplung zu öffnen, bevor das Kraftfahrzeug einen Abschnitt erreicht, auf dem die Allradkupplung geöffnet sein soll.
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Verfahrensgemäß ist es möglich, die Allradkupplung zu schließen bzw. zu öffnen, noch bevor eine Fahrsituation des Kraftfahrzeugs dies unmittelbar verlangt. Durch das vorausschauende Schließen kann eine Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs erhöht sein. Durch das vorausschauende Öffnen kann vorteilhaft automatisch weniger Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug erforderlich sein. Das Schließen bzw. Öffnen der Allradkupplung kann insbesondere relativ kurzfristig vor dem voraussichtlichen Eintreten einer Fahrsituation erfolgen, die dies erfordert. Das Kraftfahrzeug kann so verbessert in Abhängigkeit der Fahrstrecke mit geschlossener oder offener Allradkupplung bewegt werden. Ein Fahrer muss mit dem Öffnen oder Schließen der Allradkupplung nicht belastet werden.
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Die Allradkupplung ist üblicherweise dazu eingerichtet, ein Antriebsmoment eines Antriebsmotors an Räder einer Achse weiterzuleiten, wenn die Allradkupplung geschlossen ist. In entsprechender Weise können die Räder vom Antriebsmotor getrennt werden, indem die Allradkupplung geöffnet wird. Bevorzugt umfasst das Kraftfahrzeug wenigstens zwei Achsen, von denen eine permanent mittels des Antriebsmotors angetrieben wird, während die andere mittels der Allradkupplung zuschaltbar ausgelegt ist. In einer weiteren Ausführungsform können auch mehr als zwei Achsen an dem Kraftfahrzeug vorgesehen sein, wobei wenigstens eine der Achsen permanent mit dem Antriebsmotor gekoppelt ist und wenigstens eine mittels einer Allradkupplung zuschaltbar ist. Die Allradkupplung kann auch mehrere Achsen gleichzeitig zuschalten oder mehreren Achsen oder Achsgruppen können mehrere Allradkupplungen zugeordnet sein.
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Die Allradkupplung kann insbesondere geschlossen werden, wenn die bestimmte Fahrstrecke auf eine Schlupfgefahr eines Rads des Kraftfahrzeugs hinweist. Dadurch kann insbesondere vorausschauend vermieden werden, dass ein schlupfendes Rad des Kraftfahrzeugs zu einem instabilen Fahrzustand führt oder ein Fahrer des Kraftfahrzeugs den Eindruck verminderter Kontrolle über das Kraftfahrzeug gewinnt.
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Die Allradkupplung kann insbesondere dann geschlossen werden, wenn der Abschnitt eine Kurve umfasst. In einer anderen Ausführungsform kann die Allradkupplung geschlossen werden, wenn der Abschnitt eine Steigung umfasst. In beiden Fällen kann ein Schwellenwert vorbestimmt sein, sodass die Allradkupplung geschlossen wird, wenn der Radius der Kurve den Schwellenwert unterschreitet oder der Betrag der Steigung den Schwellenwert übersteigt. Ein Gefälle ist als negative Steigung bevorzugt mit umfasst. In beiden Fällen kann zusätzlich eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ausgewertet werden, sodass der Schwellenwert in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs variabel sein kann. Dadurch kann die Allradkupplung verbessert genau dann geschlossen sein, wenn die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs eine Verbesserung durch Zuschalten einer Antriebsachse erfordert.
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Die vor dem Kraftfahrzeug liegende Fahrstrecke kann auf der Basis einer Position des Kraftfahrzeugs und gespeicherten Kartendaten im Bereich der Position bestimmt werden. Beispielsweise kann die Position des Kraftfahrzeugs mittels eines Satellitennavigationsempfängers bestimmt werden und die gespeicherten Kartendaten können von einem Navigationssystem mitbenutzt werden. Es ist bevorzugt, dass die Kartendaten topografische Informationen umfassen, z. B. eine Steigung.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die Fahrstrecke innerhalb eines vorbestimmten Fahrhorizonts auf der Basis von ADASIS-Daten bestimmt wird. ADASIS (Advanced Driver Assistance Systems Interface Specifications) Daten liegen hierbei in einem herstellerübergreifenden Standard zum Austausch von Daten für Fahrerassistenzsysteme vor. An Bord des Kraftfahrzeugs können eines oder mehrere ADASIS-Systeme vorgesehen sein, die Informationen über die vor dem Kraftfahrzeug liegende Fahrstrecke bereitstellen. Diese Informationen sind üblicherweise auf einen Fahrhorizont beschränkt, der sich vom Kraftfahrzeug aus erstreckt und bevorzugt größer als der durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs einsehbare Bereich ist. Das Verfahren kann an Bord eines üblichen Kraftfahrzeugs mit ADASIS-Komponenten einfach umgesetzt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Allradkupplung geöffnet oder geschlossen wird, während das über sie übertragene Drehmoment unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Das Öffnen oder Schließen der Allradkupplung kann dadurch besonders materialschonend erfolgen. Eine mechanische Belastung, eine Alterung oder ein Verschleiß der Allradkupplung können dadurch begrenzt sein.
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Ein Steuersystem für einen steuerbaren Allradantrieb an Bord eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Schnittstelle zur Abtastung von Daten bezüglich einer vor dem Kraftfahrzeug liegenden Fahrstrecke; einen Aktuator zum Öffnen oder Schließen der Allradkupplung; und eine Verarbeitungseinrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.
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Die Allradkupplung kann auf unterschiedliche Weisen aufgebaut sein. In einer Ausführungsform ist die Allradkupplung als Reiblamellenkupplung aufgebaut. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Allradkupplung eine Klauenkupplung. Die Klauenkupplung liefert einen formschlüssigen Eingriff mit potenziell hoher Belastbarkeit, erlaubt aber keinen teilweise Eingriff und dadurch auch keinen Schlupf über die Allradkupplung. Insbesondere bei Einsatz der Klauenkupplung ist es bevorzugt, dass das Öffnen oder Schließen der Allradkupplung möglichst ohne Belastung erfolgt. Die Belastung ist dann am geringsten, wenn das über die Allradkupplung übertragene Drehmoment möglichst null ist oder eine Drehzahldifferenz zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite der Allradkupplung möglichst null ist. Das oben beschriebene Verfahren kann also das Öffnen oder Schließen der Allradkupplung so weit vor den Eintritt des Kraftfahrzeugs in den beschriebenen Abschnitt verlegen, dass Fahrbedingungen ein belastungsarmes Öffnen oder Schließen der Allradkupplung erlauben.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Aktuator einen elektrischen Getriebemotor umfasst. Das Getriebe kann dabei einen relativ hohen Untersetzungsfaktor aufweisen, sodass eine erforderliche Betätigungskraft zum Öffnen oder Schließen der Allradkupplung durch einen kleinen oder leichten Elektromotor aufgebracht werden kann. Eine verringerte Öffnungs- oder Schließgeschwindigkeit der Allradkupplung kann dabei in Kauf genommen werden, da das Erfordernis eines Öffnens oder Schließens der Allradkupplung üblicherweise bereits mehrere Sekunden zuvor bekannt ist. Eine Betätigungszeit des Aktuators kann im Bereich von einer Sekunde oder mehr liegen. Die Betätigungszeit kann beim Ablauf des oben beschriebenen Verfahrens berücksichtigt werden. Der Aktuator kann dadurch kleiner oder leichter ausgeführt sein, wodurch sich Bauraum oder Kosten einsparen lassen. Eine elektrische Leistungsaufnahme des Aktuators kann verringert sein, sodass ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs kleiner dimensioniert werden kann. Dadurch kann eine zusätzliche Material- oder Gewichtsersparnis realisiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Allradkupplung eine Differenzialsperre. Die Differenzialsperre wird bevorzugt aktiviert, wenn die Allradkupplung geschlossen ist und deaktiviert, wenn die Allradkupplung geöffnet ist. In einer bevorzugten, kombinierten Ausführungsform steuert die Allradkupplung sowohl die Übertragung von Drehmoment zwischen einem Antriebsmotor und einer Antriebsachse als auch das Sperren eines Differenzials zwischen unterschiedlichen Seiten dieser Achse.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein Kraftfahrzeug mit einem Allradsystem;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des Allradsystems von 1; und
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3 eine Illustration des Verfahrens von 2
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100 mit einem Allradsystem 105. Das Kraftfahrzeug 100 umfasst einen Antriebsmotor 110, dem üblicherweise ein Getriebe 115 nachgeschaltet ist, das auf das Allradsystem 105 wirkt. Das Allradsystem 105 umfasst wenigstens eine erste Achse 120, die permanent angetrieben ist, und wenigstens eine zweite Achse 125, die über eine Allradkupplung 130 zuschaltbar angetrieben werden kann. An jeder Achse 120, 125 kann ein Differenzialgetriebe 135 vorgesehen sein. Außerdem ist an jeder Achse 120, 125 wenigstens ein Rad 140 zur Übertragung von Antriebskräften angebracht.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die erste, permanent angetriebene Achse 120 eine Vorderachse und die zweite, zuschaltbar angetriebene Achse 125 eine Hinterachse des Kraftfahrzeugs 100. In anderen Ausführungsformen können jedoch auch andere Konstellationen gewählt werden.
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Die Allradkupplung 130 kann mittels eines Aktuators 150 geöffnet oder geschlossen werden. Der Aktuator 150 umfasst bevorzugt einen Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe. Es kann ein weiteres Differenzialgetriebe 135 vorgesehen sein, um die erste Achse 120 und die zweite Achse 125 voneinander zu entkoppeln. Dieses Differenzialgetriebe 135 kann sperrbar sein und der Aktuator 150 kann dazu eingerichtet sein, das Differenzialgetriebe 135 zu sperren, wenn die Allradkupplung 130 geschlossen wird und die Sperrung freizugeben, wenn die Allradkupplung 130 geöffnet wird. In entsprechender Weise können die Differenzialgetriebe 135 an der ersten Achse 120 oder der zweiten Achse 125 sperrbar sein und in gleicher Weise durch den Aktuator 150 gesperrt oder freigegeben werden. Sowohl eine Differenzialsperre als auch die Allradkupplung 130 können eine Klauenkupplung umfassen.
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Zur Steuerung der Allradkupplung 130 ist ein Steuersystem 160 vorgesehen, das eine Verarbeitungseinrichtung 165, eine erste Schnittstelle 170 zur Verbindung mit einem Datenspeicher 175 und/oder eine zweite Schnittstelle 180 zur Verbindung mit einem weiteren Steuergerät an Bord des Kraftfahrzeugs 100 sowie den Aktuator 150 umfasst. Zusätzlich kann eine drahtlose Schnittstelle 185 vorgesehen sein. Das Steuersystem 160 ist dazu eingerichtet, mittels des Aktuators 150 die Allradkupplung 130 derart zu steuern, dass sie vorausschauend bezüglich einer vor dem Kraftfahrzeug 100 liegenden Fahrstrecke geöffnet oder geschlossen wird. Dabei wird die Fahrstrecke bevorzugt auf der Basis von Kartendaten im Datenspeicher 175 bestimmt. Eine aktuelle Position des Kraftfahrzeugs 100 kann die Verarbeitungseinrichtung 165 von einer Positioniereinrichtung über die zweite Schnittstelle 180 empfangen. Daraufhin kann der Datenspeicher 175 bezüglich Informationen im Bereich der bestimmten Position befragt werden. Es ist besonders bevorzugt, dass die Verarbeitungseinrichtung 165 nur mittels einer der Schnittstellen 170, 180 mit einem ADASIS-System an Bord des Kraftfahrzeugs 100 verbunden ist, das die Bereitstellung von Informationen bezüglich der vor dem Kraftfahrzeug 100 liegenden Fahrstrecke durchführt. Zusätzliche Informationen oder eine Aktualisierung von Informationen im Datenspeicher 175 können über die drahtlose Schnittstelle 185 empfangen werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 200 zum Steuern des Steuersystems 160. Das Verfahren 200 ist insbesondere zum Ablaufen auf der Verarbeitungseinrichtung 165 eingerichtet. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung 165 insbesondere einen programmierbaren Mikrocomputer umfassen und das Verfahren 200 kann in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen.
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In einem optionalen Schritt 205 kann ein Fahrzustand des Kraftfahrzeugs 100 bestimmt werden. Dieser Schritt kann das Empfangen von Informationen über die zweite Schnittstelle 180 umfassen und die Informationen können insbesondere eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 100 oder einen beabsichtigten Weg des Kraftfahrzeugs 100, der beispielsweise von einem Navigationssystem übernommen werden kann, umfassen.
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In einem Schritt 210 kann die Position des Kraftfahrzeugs 100 bestimmt und auf der Basis der Position eine vor dem Kraftfahrzeug 100 liegende Fahrstrecke bestimmt werden. Dieser Schritt kann durch das Empfangen von entsprechenden ADASIS-Daten ersetzt werden. Die Inhalte des Schritts 215 können in diesem Fall von einer anderen Komponente durchgeführt werden, die ADASIS-Daten bereitstellt.
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Anschließend kann die bestimmte, vorausliegende Fahrstrecke analysiert werden. Dabei wird die Fahrstrecke, die sich üblicherweise vom Kraftfahrzeug 100 bis zu einem vorbestimmten Fahrhorizont erstreckt, bevorzugt in einem Schritt 220 auf Kurven oder in einem Schritt 225 auf Steigungen untersucht. Ziel der Untersuchung ist es, in einem nachfolgenden Schritt 230 die Fahrstrecke in erste Abschnitte, in denen die Allradkupplung 130 geschlossen sein soll, und zweite Abschnitte, in denen die Allradkupplung 130 geöffnet sein soll, zu unterteilen. Das Unterteilen im Schritt 230 bzw. die Bewertung einer Kurve im Schritt 220 oder einer Steigung im Schritt 225 kann insbesondere in Abhängigkeit des im Schritt 205 bestimmten Fahrzustands des Kraftfahrzeugs 100 erfolgen. Insbesondere kann das Aufteilen in Abhängigkeit einer Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgen, sodass etwa eine vorbestimmte Kurve, die mit hoher Geschwindigkeit durchfahren wird, als Abschnitt mit geschlossener Allradkupplung angesehen werden kann, und als Abschnitt mit geöffneter Allradkupplung, wenn die Geschwindigkeit gering ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann mit einem Schwellenwert verglichen werden, der beispielsweise von einem minimalen Kurvenradius abhängig ist, um eine hohe von einer geringen Fahrzeuggeschwindigkeit zu unterscheiden.
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In unterschiedlichen Ausführungsformen kann verstärkt Wert darauf gelegt werden, dass die Allradkupplung 130 entweder vorausschauend geschlossen oder vorausschauend geöffnet wird. Im ersten Fall (vorausschauendes Schließen) kann die Allradkupplung 130 geschlossen werden, bevor das Kraftfahrzeug 100 in den ersten Abschnitt einfährt und erst dann geöffnet werden, wenn das Kraftfahrzeug 100 aus dem ersten Abschnitt wieder ausgefahren ist. Im zweiten Fall (vorausschauendes Öffnen) kann die Allradkupplung 130 geöffnet werden, bevor das Kraftfahrzeug 100 in den zweiten Abschnitt einfährt und erst geschlossen werden, nachdem das Kraftfahrzeug 100 den zweiten Abschnitt bereits verlassen hat. Eine punktgenaue Umschaltung zwischen geöffnetem und geschlossenem Zustand der Allradkupplung 130 an den Grenzen zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt kann ebenfalls angestrebt werden, um beide Fälle möglichst miteinander zu integrieren.
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In einem Schritt 235 erfolgt das nach der gewählten Strategie vorausschauende Schließen oder Öffnen der Allradkupplung 130, wodurch ein Allradantrieb aktiviert oder deaktiviert werden kann. Das Verfahren 200 kann anschließend erneut durchlaufen, um eine möglichst permanente vorausschauende Aktuierung der Allradkupplung 130 mittels des Aktuators 150 zu ermöglichen.
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3 zeigt eine Illustration des Verfahrens 200 von 2. Im vorliegenden Beispiel, das als exemplarisch zu verstehen ist, befährt das Kraftfahrzeug 100 ein Gelände 305, dessen Höhenlinien in 3 eingezeichnet sind. Dabei folgt das Kraftfahrzeug 100 einer Fahrstrecke 310, die sich aus den oben erwähnten ersten Abschnitten 315, in denen die Allradkupplung 130 geschlossen sein soll, und zweiten Abschnitten 320, in denen die Allradkupplung 130 geöffnet sein soll, zusammensetzt. Die ersten Abschnitte 315 sind mit durchgezogener Linie und die zweiten Abschnitte 320 mit unterbrochener Linie dargestellt.
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Zunächst folgt das Kraftfahrzeug 100 im Wesentlichen den Höhenlinien des Geländes 305 und befährt dabei einen kurven- und steigungsarmen zweiten Abschnitt 320.1. Dann folgt das Kraftfahrzeug 100 einer scharfen Linkskurve, die einen ersten Abschnitt 315.2 markiert. Nach einer kurzen Unterbrechung durch einen zweiten Abschnitt 320.3 quert das Kraftfahrzeug 100 auf einem ersten Abschnitt 315.4 mehrere Höhenlinien nacheinander praktisch senkrecht, was einem Gefälle oder einer Steigung entspricht.
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Anschließend fährt das Kraftfahrzeug 100 zwischen Höhenlinien auf einem zweiten Abschnitt 320.5, bevor es eine weitere Steigung oder ein Gefälle auf einem ersten Abschnitt 315.6 durchfährt. Danach folgt wieder ein zweiter Abschnitt 320.7 ohne starke Steigungen oder Gefälle oder enge Kurven und schließlich ein erster Abschnitt 315.8 mit einer starken Steigung und einer eingangsseitigen Kurve.
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Es ist bevorzugt, das Verfahren 200 derart zu betreiben, dass die Allradkupplung 130 vorausschauend geschlossen wird, bevor das Kraftfahrzeug 100 einen ersten Abschnitt 315 erreicht und erst wieder geöffnet wird, wenn das Kraftfahrzeug 100 den ersten Abschnitt 315 verlassen hat. Sind zwei erste Abschnitte 315 durch einen nur kurzen zweiten Abschnitt 320 voneinander getrennt, so kann die Allradkupplung 130 auch auf dem zweiten Abschnitt 320 geschlossen bleiben. Eine derartige Situation kann beispielsweise im Bereich der Abschnitte 315.2, 320.3 und 315.4 vorliegen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Öffnen und Schließen der Allradkupplung 130 in Abhängigkeit einer Vorhersage des zu befahrenden Geländes 305 erfolgen kann. Dabei ist besonders bevorzugt, die entsprechenden Geländeinformationen von einer Komponente zu beziehen, die sie mittels ADASIS-Protokoll bereitstellt. Die vorgestellte Technik kann insbesondere an Bord eines Personenkraftwagens, jedoch auch beispielsweise an einer Baumaschine, einer Landmaschine, eines Lastkraftwagens oder eines Busses verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kraftfahrzeug
- 105
- Allradsystem
- 110
- Antriebsmotor
- 115
- Getriebe
- 120
- erste Achse (permanent angetrieben)
- 125
- zweite Achse (zuschaltbar)
- 130
- Allradkupplung
- 135
- Differenzialgetriebe
- 140
- Rad
- 150
- Aktuator
- 160
- Steuersystem
- 165
- Verarbeitungseinrichtung
- 170
- erste Schnittstelle
- 175
- Datenspeicher
- 180
- zweite Schnittstelle
- 185
- drahtlose Schnittstelle
- 200
- Verfahren
- 205
- Bestimmen Fahrzustand Kraftfahrzeug
- 210
- Bestimmen Position Kraftfahrzeug
- 215
- Bestimmen Fahrstrecke
- 220
- Kurve
- 225
- Steigung
- 230
- Unterteilen Fahrstrecke in Abschnitte
- 235
- vorausschauend Aktivieren oder Deaktivieren Allradantrieb
- 305
- Gelände
- 310
- Fahrstrecke
- 315
- erster Abschnitt (Allradkupplung geschlossen)
- 320
- zweiter Abschnitt (Allradkupplung geöffnet)
