DE10346113A1

DE10346113A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Antriebssteuerung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE10346113A1
Application number: DE10346113A
Authority: DE
Inventors: Volker Marx; Wolf-Rüdiger Dr. Lutz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2003-10-04
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2023-10-05
Also published as: DE10346113B4

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Antriebssteuerung eines Kraftfahrzeuges, das in seinem Antriebsstrang mindestens ein Sperrdifferenzial mit einer zugeordneten Differenzialsperre aufweist, die hinsichtlich eines wirksamen Sperrmomentes mittels einer externen Steuerung stufenlos verstellbar ist, im normalen Fahrbetrieb vollständig geöffnet ist und zur Aktivierung durch eine manuelle Betätigung eines Bedienelementes schließbar ist, ist vorgesehen, dass bei einer vollständigen Aktivierung der Differenzialsperre das wirksame Sperrmoment auf ein unterhalb des Vollsperrmomentes liegendes Betriebssperrmoment eingestellt wird, und dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre bedarfsweise erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Antriebssteuerung eines Kraftfahrzeuges, das in seinem Antriebsstrang mindestens ein Sperrdifferenzial mit einer zugeordneten Differenzialsperre aufweist, die hinsichtlich des wirksamen Sperrmomentes mittels einer externen Steuerung im normalen Fahrbetrieb stufenlos verstellbar ist, und zur vollständigen Aktivierung durch eine manuelle Betätigung eines Bedienelementes schließbar ist.
Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Antriebssteuerung eines Kraftfahrzeuges, das in seinem Antriebsstrang mindestens ein Sperrdifferenzial mit einer zugeordneten Differenzialsperre aufweist, die hinsichtlich des wirksamen Sperrmomentes mittels einer externen Steuerung stufenlos verstellbar ist, im normalen Fahrbetrieb geregelt oder vollständig geöffnet ist, und zur Aktivierung durch eine manuelle Betätigung eines Bedienelementes schließbar ist.

Ein Differenzialgetriebe, das häufig auch als Ausgleichsgetriebe bezeichnet wird, ermöglicht bei Kraftfahrzeugen, insbesondere beim Befahren von Kurven, als Achsdifferenzial unterschiedliche Raddrehzahlen seitlich hinreichend entfernt voneinander angeordneter Antriebsräder einer Antriebsachse und als Zentraldifferenzial unterschiedliche mittlere Achsdrehzahlen längsseitig hinreichend entfernt voneinander angeordneter Antriebsachsen. Prinzipiell handelt es sich bei Differenzialgetrieben um Planetengetriebe mit einem als Differenzialkorb ausgebildeten Planetenradträger, in den das Eingangsdrehmoment, z.B. über eine Kegelrad-Tellerrad-Verbindung, eingeleitet wird und über mindestens zwei in dem Differenzialkorb drehbar gelagerte und als Ausgleichsräder wirksame Planetenräder durch Zahneingriff auf zwei koaxial drehbar in dem Differenzialkorb gelagerte Achswellenräder übertragen wird. Durch die Achswellenräder wird das Eingangsdrehmoment, entsprechend dem wirksamen Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes gewandelt, über zugeordnete Antriebswellen bei einem Achsdifferenzial an die beiden Antriebsräder und bei einem Zentraldifferenzial an die beiden Antriebsachsen weitergeleitet, wobei durch die Verbindung über die Ausgleichsräder wechselseitig eine schnellere bzw. langsamere Drehung der Achswellenräder relativ zu dem Differenzialkorb möglich ist. Als Bauarten eines Differenzialgetriebes sind das Stirnradausgleichsgetriebe und das Kegelradausgleichsgetriebe bekannt.

An einem derartigen Differenzialgetriebe ist bauartbedingt von Nachteil, dass nur ein so hohes Drehmoment übertragen werden kann, wie es ausgangsseitig in Verbindung mit einem der Achswellenräder maximal aufgenommen werden kann. Bei einem Kraftfahrzeug bedeutet dies, dass das maximal übertragbare Drehmoment von dem Antriebsrad mit der geringsten Traktion bestimmt wird. Dies führt nachteilig dazu, dass ein Kraftfahrzeug ohne weitere Vorkehrungen auf losem oder rutschigem Untergrund häufig nicht anfahren kann und sich speziell im Gelände leicht festfahren kann. Des weiteren führen wechselnde Traktionsverhältnisse, wie sie z.B. beim Befahren einer teilweise nassen oder schneebedeckten Fahrbahn auftreten, aufgrund des Ansprechverhaltens des Differenzialgetriebes zu einer Beeinträchtigung des Vortriebs und der Richtungsstabilität des betreffenden Kraftfahrzeugs.

Um diesen Mangel zu beheben sind in vielfältiger Ausbildung und Anordnung Sperrdifferenziale entwickelt worden, bei denen durch die Betätigung von Differenzialsperren eine Relativdrehung der Achswellenräder zu dem Differenzialkorb bzw. zueinander ganz verhindert oder teilweise behindert wird und somit die Wirkung des Differenzialgetriebes ganz oder teilweise aufgehoben wird. Bei einer vollständigen Sperrung des Differenzialgetriebes, wie sie beispielsweise durch das Schließen einer zwischen einem der Achswellenräder und dem Differenzialkorb angeordneten Klauenkupplung bewirkt werden kann, kommt es beim Befahren von Kurven aufgrund des unterdrückten Drehzahlausgleichs zu einer starken Verspannung des gesamten abtriebsseitigen Antriebsstrangs. Derartige Differenzialsperren kommen daher fast ausschließlich bei Baumaschinen und landwirtschaftlichen Fahrzeugen vor und werden nur bedarfsweise zum Anfahren auf losem und rutschigem Untergrund oder zum Durchfahren schwieriger Geländeabschnitte aktiviert. Für Straßenfahrzeuge werden vorwiegend Differenzialsperren verwendet, die weitgehend stufenlos verstellbar sind, d.h. bei denen das wirksame Sperrmoment zwischen Null und einem Maximalmoment bzw. die Sperrrate zwischen 0% und 100% einstellbar ist, wobei als Bauart der Differenzialbremsen zumeist Kegelreibbremsen und Lamellenbremsen bzw. Lamellenkupplungen Verwendung finden. Bei den steuerbaren Differenzialsperren wird zwischen Differenzialsperren mit interner Steuerung und Differenzialsperren mit externer Steuerung unterschieden. Bei einer Differenzialsperre mit interner Steuerung wird das wirksame Sperrmoment bauartbedingt passiv, d.h. selbsttätig proportional zu dem Eingangsdrehmoment oder proportional zu einer zwischen den Achswellenrädern bestehenden Drehzahldifferenz eingestellt; ein entsprechendes Sperrdifferenzial mit einer passiv steuerbaren Differenzialsperre ist beispielsweise in der DE 41 04 484 A1 beschrieben. Bei einer Differenzialsperre mit externer Steuerung ist das wirksame Sperrmoment, zumeist durch eine elektronische Steuerungsvorrichtung, aktiv in Abhängigkeit diverser Fahrzeugparameter, wie z.B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Antriebsdrehmoment, dem Radschlupf, dem Lenkwinkel, usw. steuerbar; entsprechende Sperrdifferenziale mit aktiv steuerbaren Differenzialsperren sowie Vorrichtungen und Verfahren zu ihrer Steuerung sind beispielsweise aus der DE 21 64 324 C2 , der DE 33 13 283 C2 , der DE 41 03 053 A1 , der DE 196 18 495 A1 , und der DE 199 39 632 A1 bekannt. Differenzialsperren mit externer Steuerung können vorteilhaft auch schnell geöffnet werden und ermöglichen dadurch den Einsatz von Fahrwerkssteuerungen, die mit Bremseingriff arbeiten und eine weitgehende Entkopplung der Antriebsräder erfordern, wie z.B. einem Antiblockiersystem (ABS), einer Antriebsschlupfregelung (ASR), und einer Fahrstabilitätsregelung (ESP).

Vorliegend wird von einem Kraftfahrzeug ausgegangen, das mindestens ein steuerbares Sperrdifferenzial mit externer Steuerung aufweist. Es kann sich dabei um ein Fahrzeug mit einer einzigen Antriebsachse handeln, das an der Antriebsachse über ein entsprechend ausgebildetes Achsdifferenzial verfügt. Es kann sich aber auch um ein Fahrzeug handeln, bei dem eine Antriebsachse mit einem entsprechend ausgebildeten Achsdifferenzial permanent angetrieben wird und eine zweite Antriebsachse mit einem ebensolchen Achsdifferenzial bedarfsweise, z.B. mittels einer Freilaufkupplung, einer Viscokupplung, oder einer Haldexkupplung, zuschaltbar ist.

Bei dem zu Grunde gelegten Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass die Sperrdifferenziale, d.h. die Achsdifferenziale und das Zentraldifferenzial, im normalen Fahrbetrieb – geregelt betrieben werden und bedarfsweise, z.B. zum Befahren schwieriger Geländeabschnitte mit geringer Traktion, durch einen Fahrer mittels der Betätigung entsprechender Bedienungsmittel, wie z.B. zugeordneter Schalter oder Hebel, wahlweise einzeln oder gemeinsam vollständig (100% Sperrwirkung) aktivierbar sind.

Hierbei werden die Differenzialsperren unabhängig von den vorliegenden Traktionsbedingungen üblicherweise vollständig (full lock-up) geschlossen, was nachteilig zu einer hohen Belastung in den betreffenden Bauteilen, insbesondere in den Axiallagern der Differenzialgetriebe und der zugeordneten Differenzialsperren führt. Zur Sicherstellung einer hinreichenden Standfestigkeit ist eine entsprechend stabile Auslegung und Dimensionierung der betreffenden Bauteile erforderlich, was nachteilig zu hohen Material- und Fertigungskosten führt und zwangsläufig mit hohem Gewicht und großem Bauraumbedarf verbunden ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines Sperrdifferenzials der eingangs genannten Art und somit des Antriebes eines damit ausgerüsteten Kraftfahrzeuges anzugeben, mit dem diese bekannten Nachteile vermieden werden können.

Das Problem wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass bei einer Aktivierung der Differenzialsperre das wirksame Sperrmoment in Abhängigkeit von Fahrzeugparametern auf ein unterhalb des Vollsperrmomentes liegendes Betriebssperrmoment eingestellt wird, und dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre zusätzlich bedarfsweise erhöht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 aufgeführt. Eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens ist in Anspruch 9 beschrieben. In den Ansprüchen 10 bis 12 sind Kraftfahrzeuge angegeben, bei denen das Verfahren bevorzugt eingesetzt bzw. verwendet werden kann.

Dadurch, dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre im praktischen Einsatz meistens auf das unterhalb des Vollsperrmomentes liegende Betriebssperrmoment eingestellt ist und nur relativ selten bei Bedarf, zum Beispiel beim Erkennen von Schlupf, zusätzlich bis auf das Vollsperrmoment erhöht wird, ergibt sich für die Differenzialsperre über die Lebensdauer des betreffenden Kraftfahrzeuges bzw. des Differenzialgetriebes ein günstigeres Belastungskollektiv, d.h. eine insgesamt geringere Belastung. Bei gegebener Dimensionierung führt dies zu einer höheren Standfestigkeit und Lebensdauer der Differenzialsperre. Andererseits ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch, die Differenzialsperre bei vorgegebener Lebensdauer schwächer und damit kompakter und billiger zu gestalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher besonders für straßentaugliche Geländewagen und sogenannte Sports Utility Vehicle (SUV) geeignet, die bekanntlich relativ selten im Gelände eingesetzt werden. Neben dem Schlupf können als Fahrzeugparameter beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit, das Motormoment oder die Fahrpedalstellung verwendet werden.

Bei auftretendem Radschlupf besteht allerdings Bedarf, das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre zu erhöhen. Es ist daher zweckmäßig vorgesehen, dass durch eine Auswertung von Sensorsignalen von Raddrehzahlsensoren und/oder eines Motordrehzahlsensors ein Radschlupf ermittelt wird, und bei einem über einem vorgegebenen Toleranzschlupfwert liegenden Radschlupf das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre erhöht wird. Hierbei wird zur Anpassung an die vorliegenden Traktionsverhältnisse vorteilhaft der ermittelte Radschlupf bewertet und im Ergebnis der Bewertung zwischen einem moderaten Radschlupf und einem hohen Radschlupf unterschieden. Demzufolge ist vorgesehen, dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre im Fall des moderaten Radschlupfes in Abhängigkeit von dem Radschlupf, z.B. nach einem vorgegebenen Funktionszusammenhang zwischen dem Radschlupf und dem Sperrmoment, erhöht wird und im Fall des hohen Radschlupfes schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.

Es ist aber auch sinnvoll, einem mit auftretendem Radschlupf verbundenen Traktionsverlust präventiv vorzubeugen, bevor ein Radschlupf festgestellt und darauf reagiert werden kann. Hierzu wird vorteilhaft permanent ein in dem Antriebsstrang wirksames Antriebsmoment ermittelt und bei einer festgestellten Erhöhung des Antriebsmomentes das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre erhöht, wobei unter dem Antriebsmoment jeweils das eingangsseitige Antriebsmoment des jeweiligen Differenzialgetriebes zu verstehen ist, das für ein Achsdifferenzial bei einem Kraftfahrzeug mit einer einzigen Antriebsachse und für ein Zentraldifferenzial bei einem Kraftfahrzeug mit permanentem Allradantrieb gleich dem Getriebeausgangsmoment ist. Es kann dabei zweckmäßig derart vorgegangen werden, dass die ermittelte Erhöhung des Antriebsmomentes bewertet wird, dass im Ergebnis der Bewertung zwischen einer moderaten Erhöhung und einer starken Erhöhung des Antriebsmomentes unterschieden wird, und dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre im Fall der moderaten Erhöhung des Antriebsmomentes in Abhängigkeit von der Erhöhung des Antriebsmomentes erhöht wird und im Fall der starken Erhöhung des Antriebsmomentes schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.

Da das Antriebsmoment im wesentlichen von dem Motordrehmoment bestimmt wird, wird zweckmäßig durch eine Auswertung von Sensorsignalen eines Fahrpedalsensors und/oder eines Leistungsstellgliedsensors, wie z.B. eines Drosselklappenpotentiometers bei einem Ottomotor oder eines Reglerpotentiometers einer Einspritzpumpe bei einem Dieselmotor, und/oder eines Motordrehzahlsensors eine Erhöhung des Motordrehmomentes ermittelt und bewertet, und das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre im Fall einer moderaten Erhöhung des Motordrehmomentes in Abhängigkeit von der Erhöhung des Motordrehmomentes erhöht und im Fall einer starken Erhöhung des Motordrehmomentes schnell auf das Vollsperrmoment erhöht.

Auf einen drohenden Traktionsverlust kann aber auch aus dem Fahrverhalten des Fahrers und aus der Fahrzeuglängsneigung geschlossen werden. Demzufolge kann vorgesehen sein, dass durch eine Auswertung von Sensorsignalen eines Geschwindigkeitssensors die Fahrgeschwindigkeit ermittelt wird, und dass bei Unterschreitung einer vorgegebenen unteren Grenzgeschwindigkeit das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird. Ebenso ist vorteilhaft vorgesehen, dass durch eine Auswertung von Sensorsignalen eines Längsneigungssensors und/oder eines Längsbeschleunigungssensors das Befahren einer Steigungs- oder Gefällstrecke erkannt wird, und dass bei einer Überschreitung einer vorbestimmten Fahrbahnsteigung oder einer Überschreitung eines vorbestimmten Fahrbahngefälles das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.

Claims

Verfahren zur Antriebssteuerung eines Kraftfahrzeuges, das in seinem Antriebsstrang mindestens ein Sperrdifferenzial mit einer zugeordneten Differenzialsperre aufweist, die hinsichtlich des wirksamen Sperrmomentes mittels einer externen Steuerung im normalen Fahrbetrieb stufenlos verstellbar und zur vollständigen Aktivierung durch eine manuelle Betätigung eines Bedienelementes schließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Aktivierung der Differenzialsperre das wirksame Sperrmoment in Abhängigkeit von Fahrzeugparametern auf ein unterhalb des Vollsperrmomentes liegendes Betriebssperrmoment eingestellt wird, und dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre zusätzlich bedarfsweise erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrzeugparameter die Fahrgeschwindigkeit und/oder das Motormoment und/oder die Fahrpedalstellung und/oder der Radschlupf verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswertung von Sensorsignalen von Raddrehzahlsensoren und / oder eines Motordrehzahlsensors ein Radschlupf ermittelt wird, und bei einem über einem vorgegebenen Toleranzschlupfwert liegenden Radschlupf das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Radschlupf bewertet wird, dass im Ergebnis der Bewertung zwischen einem moderaten Radschlupf und einem hohen Radschlupf unterschieden wird, und dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre im Fall des moderaten Radschlupfes in Abhängigkeit von dem Radschlupf erhöht wird und im Fall des hohen Radschlupfes schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass permanent ein in dem Antriebsstrang wirksames Antriebsmoment ermittelt wird, und dass bei einer festgestellten Erhöhung des Antriebsmomentes das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Erhöhung des Antriebsmomentes bewertet wird, dass im Ergebnis der Bewertung zwischen einer moderaten Erhöhung und einer starken Erhöhung des Antriebsmomentes unterschieden wird, und dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre im Fall der moderaten Erhöhung des Antriebsmomentes in Abhängigkeit von der Erhöhung des Antriebsmomentes erhöht wird und im Fall der starken Erhöhung des Antriebsmomentes schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswertung von Sensorsignalen eines Fahrpedalsensors und/oder eines Leistungsstellgliedsensors und/oder eines Motordrehzahlsensors eine Erhöhung des Motordrehmomentes ermittelt und bewertet wird, und dass das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre im Fall einer moderaten Erhöhung des Motordrehmomentes in Abhängigkeit von der Erhöhung des Motordrehmomentes erhöht wird und im Fall einer starken Erhöhung des Motordrehmomentes schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswertung von Sensorsignalen eines Geschwindigkeitssensors die Fahrgeschwindigkeit ermittelt wird, und dass bei Unterschreitung einer vorgegebenen unteren Grenzgeschwindigkeit das wirksame Sperrmoment der Differenzialsperre schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswertung von Sensorsignalen eines Längsneigungssensors und/oder eines Längsbeschleunigungssensors das Befahren einer Steigungs- oder Gefällstrecke erkannt wird, und dass bei einer Überschreitung einer vorbestimmten Fahrbahnsteigung oder einer Überschreitung eines vorbestimmten Fahrbahngefälles das wirksame Sperrmoment schnell auf das Vollsperrmoment erhöht wird.
Vorrichtung zur Antriebssteuerung eines Kraftfahrzeuges, das in seinem Antriebsstrang mindestens ein Sperrdifferenzial mit einer zugeordneten Differenzialsperre aufweist, die hinsichtlich des wirksamen Sperrmomentes mittels einer externen Steuerung stufenlos verstellbar ist, im normalen Fahrbetrieb geregelt oder vollständig geöffnet ist, und zur Aktivierung durch eine manuelle Betätigung eines Bedienelementes schließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzialsteuergerät vorgesehen ist, das eingangsseitig über Sensorleitungen mit Bediensensoren und Antriebsstrangsensoren und ausgangsseitig mit der Differenzialsperre in Wirkverbindung steht, und mittels dem eine Steuerung der Differenzialsperre gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführbar ist.
Kraftfahrzeug mit einer einzigen permanent angetriebenen und mit einem eine extern steuerbare Differenzialsperre aufweisenden Achsdifferenzial versehenen Antriebsachse, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzialsperre des Achsdifferenzials gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 steuerbar ist.
Kraftfahrzeug mit einer ersten permanent angetriebenen und mit einem eine extern steuerbare Differenzialsperre aufweisenden Achsdifferenzial versehenen Antriebsachse und einer zweiten zuschaltbaren und mit einem eine extern steuerbare Differenzialsperre aufweisenden Achsdifferenzial versehenen Antriebsachse, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzialsperren beider Achsdifferenziale gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 steuerbar sind.
Kraftfahrzeug mit permanentem Allradantrieb mit zwei permanent angetriebenen und jeweils mit einem eine extern steuerbare Differenzialsperre aufweisenden Achsdifferenzial versehenen Antriebsachsen und einem eine extern steuerbare Differenzialsperre aufweisenden Zentraldifferenzial, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzialsperren beider Achsdifferenziale und die Differenzialsperre des Zentraldifferenzials gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 steuerbar sind.