DE19938613B4

DE19938613B4 - Vierradantriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE19938613B4
Application number: DE19938613A
Authority: DE
Inventors: Ashok Canton Rodrigues; John Riverview Glab
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1999-08-14
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2019-08-15
Also published as: US6213242B1; GB2341829A; GB2341829B; JP4335371B2; DE19938613A1; GB9919757D0; JP2000071795A

Abstract

Vierradantriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Antriebsquelle, die durch eine Drosselklappe gesteuert wird, und mit einem ersten und einem zweiten Paar von Antriebsrädern (10, 12), mit:
einem Bereichswähler (38) zur Auswahl eines sogenannten "niedrigen" Vierradbetriebsmodus, welcher nur bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten zur Anwendung kommt, oder eines sogenannten "hohen" Vierradbetriebsmodus,
einem Verteilergetriebe (16) zur antreibenden Verbindung der Antriebsquelle mit einem ersten Radpaar (12) und zur antreibenden Verbindung der Antriebsquelle mit einem zweiten Radpaar (10) durch eine Verteilerkupplung (42), deren Drehmomentkapazität in Abhängigkeit von einem an der Kupplung anliegenden Steuersignal variiert,
einer Bestimmungseinrichtung zur Erzeugung eines Signals, das dem niedrigeren Drehzahlwert aus den folgenden beiden Größen entspricht: der Durchschnittsdrehzahl des ersten Paares und der Durchschnittsdrehzahl des zweiten Paares von Antriebsrädern,
einem Sensor (52) zur Erzeugung eines Signals, das das Motordrehmoment anzeigt oder aus dem das Motordrehmoment ableitbar ist, und mit
einer mit dem Bereichswähler (38), der Bestimmungseinrichtung und...

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Vierradantriebsvorrichtungen für Motorfahrzeuge, insbesondere die Steuerung einer Verteilergetriebekupplung zur Verteilung eines Drehmoments auf eine vordere und eine hintere Antriebsachse.

Bei einem Vierradantriebssystem (4WD) wird das Motordrehmoment abhängig von einem Steuersignal, das an eine innerhalb eines Verteilergetriebes angeordnete Verteilerkupplung angelegt wird, auf ein zweites Paar von Antriebsrädern übertragen. Das Steuersignal wird erzeugt, wenn bestimmte, den Signalen elektronischer Sensoren entsprechende Parameter anzeigen, daß das Fahrzeug unter Bedingungen betrieben wird, die durch gemeinsames Aktivieren der ersten und zweiten Antriebsräder verbessert werden können. Aus US 47 57 870 ist eine Verteilerkupplung bekannt, die in Abhängigkeit von dem Drehzahl-Unterschied zwischen ersten und zweiten Antriebsrädern gesteuert wird. Aus US 50 10 974 ist ein ähnliches System zur Steuerung einer Verteilerkupplung in Abhängigkeit von der genannten Drehzahldifferenz, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Unterdruck im Ansaugkrümmer des Motors bekannt.

In der WO 97/29921 A1 wird eine Vierradantriebsvorrichtung beschrieben, bei welcher anhand der Drosselklappenstellung des Motors und der Fahrzeuggeschwindigkeit ein Bereich detektiert wird, in welchem eine Beschleunigung des Kraftfahrzeuges wahrscheinlich ist. Um auf diese Beschleunigung vorbereitet zu sein, wird ein vorgegebenes Tastverhältnis des Steuersignals an der Verteilerkupplung angesteuert.

Die DE 195 35 131 A1 betrifft eine Vierradantriebsvorrichtung, bei welcher die Verteilerkupplung im Wesentlichen in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz zwischen Vorderrädern und Hinterrädern angesteuert wird. Durch eine Ermittlung von Drosselklappenöffnungswinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit kann dabei optional ein Bereich festgestellt werden, in dem das Auftreten von Drehzahldifferenzen zwischen den Achsen wahrscheinlich ist. Als Reaktion hierauf wird dann der Kupplungsdruck in der Verteilerkupplung erhöht.

Bei der DE 196 49 208 A1 wird der niedrigere Drehzahlwert der Drehzahlen von Vorderachse und Hinterachse ermittelt und für eine Bewertung der Drehzahldifferenz zwischen Vorderachse und Hinterachse herangezogen, auf welcher die eigentliche Steuerung des Verteilergetriebes beruht.

Üblicherweise weist ein 4WD-System ein Verteilergetriebe auf, das mit der Abgangswelle eines mehrstufigen Getriebes antreibend verbunden ist. Das Verteilergetriebe weist eine Verteilerkupplung, einen Untersetzungsgetriebesatz zur Erhöhung des Verteilerabgangsdrehmoments sowie einen Mechanismus zum Ein- und Auskuppeln des Getriebesatzes gegenüber dem Drehmomentstrang auf, wie beispielsweise einem Kugel-Rampenantrieb (ball-ramp drive), um Leistung durch das Verteilergetriebe zu der vorderen Antriebswelle über die Verteilerkupplung zu übertragen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Vierradantriebsvorrichtung mit einem Antriebsstrang mit Kraftübertragung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung auf vordere und hintere Antriebsräder bereitgestellt wird, bei der im Falle einer Drehrichtungsänderung der Antriebsräder in dem Verteilergetriebe auftretende Geräusche und ein rauher Eingreifvorgang vermieden werden, wobei sämtliche Vorteile eines geschlossenen bzw. verriegelten Verteilergetriebes gewährleistet sind.

Die Aufgabe wird durch eine Vierradantriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 3.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vierradantriebsvorrichtung,
2 einen Steuerdrehschalter auf der Instrumententafel zur manuellen Auswahl zwischen verschiedenen 4 × 4 Betriebsbereichen,
3 ein schematisches Diagramm einer Steuervorrichtung zum Betrieb der Vierradantriebsvorrichtung gem. 1,
4 eine Tabelle mit den Tastverhältniswerten für die Verteilerkupplung, die für den hohen 4WD-Bereich anwendbar sind, und
5 eine Tabelle mit Tastverhältniswerten für die Verteilerkupplung, die für den niedrigen 4WD-Bereich anwendbar sind.
Gemäß 1 weist der Antriebsstrang eines Motorfahrzeugs, bei welchem die vorliegende Erfindung Anwendung finden kann, vordere und hintere Räder 10, 12, ein durch den Motor (nicht dargestellt) angetriebenes Automatik- oder Schaltgetriebe zur Erzeugung mehrerer Vorwärts- bzw. Rückwärtsübersetzungen sowie ein Verteilergetriebe 16 auf, das eine kontinuierlich antreibende Verbindung des Getriebeabgangs mit einer hinteren Antriebswelle 18 und eine selektiv antreibende Verbindung mit einer vorderen Antriebswelle 20 erlaubt, wenn der Vierradantrieb elektronisch aktiviert wird. Die Antriebswelle 18 überträgt die Antriebsleistung an ein Hinterraddifferential 22, von welchem die Leistung auf die Hinterräder 12 durch an dem Differentialgehäuse vorgesehene Tragachsen 24, 26 übertragen wird. Die unter bestimmten Bedingungen angetriebenen Vorderräder sind mit einer rechten und einer linken Tragachse 32, 34 verbunden, zu welchen die Antriebsleistung von der vorderen Antriebswelle 20 durch ein vorderes Differential 36 übertragen wird.
In 2 ist ein auf der Instrumententafel angeordneter Drehschalter 38 für die Betriebsart des Verteilergetriebes dargestellt, der es dem Bediener gestattet, manuell zwischen folgenden Einstellungen zu wählen: Automatischer Modus, 4WD-Bereich "Hoch" (High) und 4WD-Bereich "Niedrig" (Low). Der Benutzer kann den automatischen Modus und den 4WD-Bereich "Hoch" bei jeder Fahrzeuggeschwindigkeit wählen, wohingegen der 4WD-Bereich "Niedrig" nur für Fahrzeuggeschwindigkeiten von weniger als 5 km/h vorgesehen ist.
Im Automatik-Modus wird durch ein handelsübliches elektronisches Modul 40 (Generic Electronic Module, GEM) ein minimales Tastverhältnis an die Verteilerkupplung 42 angelegt, wenn das Fahrzeug steht oder sich mit Autobahngeschwindigkeit bewegt, wodurch ein geringes Motordrehmoment durch die Kupplung an die vordere Antriebswelle übertragen wird. Dadurch wird eine geringe Drehzahldifferenz zwischen vorderer und hinterer Antriebswelle ermöglicht, wie sie normalerweise beim Einleiten einer Kurve auf trockener Fahrbahn auftritt. Das Modul 40 erhöht das durch die Verteilerkupplung zu den Vorderrädern übertragene Drehmoment immer dann, um einen Schlupf zu verhindern oder unter Kontrolle zu bringen, wenn ein Schlupf anhand von Ausgangssignalen, die von an der vorderen und hinteren Antriebswelle vorgesehenen Drehzahlsensoren erzeugt werden, detektiert oder das Fahrzeug stark beschleunigt wurde, sowie bei geringer oder geschlossener Drosselklappenstellung und moderater Fahrzeuggeschwindigkeit.
Bei einem herkömmlichen Verteilergetriebe, das in einem niedrigen 4WD-Bereich betrieben wird, werden die vordere und hintere Antriebswelle durch eine elektromagnetische Kupplung 42 gegeneinander verriegelt, um einen maximalen 4WD-Antrieb zu erhalten. In einem erfindungsgemäßen Verteilergetriebe wird ein Schiebenocken durch einen Motor 44 rotiert, wodurch eine Reduktionsgabel in die 4WD-Stellung "Niedrig" bewegt wird. Die Bereichsverschiebung in den "Niedrig"-Bereich wird durch einen Umlaufgetriebesatz 46 erreicht, der das Drehmomentverhältnis zu der Antriebswelle von 1:1 auf 2,48:1 ändert.
In einem herkömmlichen Verteilergetriebe, das in einem hohen 4WD-Bereich betrieben wird, werden vordere und hintere Antriebswelle durch eine Kupplung 42 miteinander verriegelt, um einen maximalen 4WD-Antrieb zu erzielen. In einem erfindungsgemäßen Verteilergetriebe werden der vordere und der hintere Antriebsstrang 18, 20 durch das Modul 40 verriegelt, um einen maximalen 4WD-Antrieb zu erhalten. Der Betrieb in dem 4WD-Bereich "Hoch" ist nur für Geländefahrten oder für extremes Winterwetter konzipiert, jedoch nicht zur Verwendung bei trockenem oder geringfügig nassem Straßenbelag.
Das Verteilergetriebe beinhaltet einen Untersetzungs-Planetengetriebesatz 46, der in dem niedrigen 4WD-Bereich dazu dient, das Getriebeabgangsdrehmoment zu erhöhen, und der überbrückt wird, wenn der hohe 4WD-Bereich gewählt wurde. Eine Bereichsänderung von dem hohen 4WD in den niedrigen 4WD-Bereich wird erreicht, indem eine Reduktionsschiebegabel eine Reduktionshülse bewegt und damit den Untersetzungsgetriebesatz 46 gegenüber der Abgangswelle verriegelt. Das Drehmoment von der Getriebeabgangswelle wird dann durch ein Sonnenrad in dem Getriebesatz geleitet, wodurch eine Drehzahlreduktion in dem Verteilergetriebe erzeugt wird.
Die Antriebsleistung wird durch eine elektromechanische Verteilerkupplungseinrichtung 42 übertragen, durch die eine Zahntrommel angetrieben wird, wenn das Modul 40 die Spule der Verteilerkupplung aktiviert. Die Zahntrommel dreht eine Kette 50, die eine Abgangszahntrommel an der vorderen Antriebswelle 20 antreibt.
Der Verteilergetriebeverschiebemotor 44, der extern an der Rückseite des Verteilergetriebes angeordnet ist, treibt einen Drehnocken an, welcher eine Bereichsgabel in dem Verteilergetriebe bewegt, um zwischen dem hohen Bereich (für Automatik und 4WD-Betrieb "Hoch") und den niedrigen 4WD-Bereich-Stellungen für den gewünschten Fahrzeugbetrieb zu wechseln.
Ein Drosselklappenstellungssensor 52 erzeugt ein Ausgangssignal für das Modul 40 durch ein Antriebsstrangsteuermodul PCM 54. Dieses Signal wird durch das Modul in Verbindung mit anderen Signalen zur Steuerung der Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung 42 verwendet. Alternativ kann ein dem abgeleiteten Motordrehmoment entsprechendes Signal durch einen Luftmassenstromsensor oder einen Unterdrucksensor im Motoreinlaßkrümmer erzeugt werden.
Vordere und hintere Antriebswellendrehzahlsensoren 56, 58 erzeugen Signale, welche der Drehzahl der vorderen und hinteren Antriebswellen 18, 20 entsprechen. Die durch die Drehzahlsensoren erzeugten Signale werden als Eingabe an das Modul 40 verwendet, primär, um die Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung 42 zu steuern. Die Steuerung umfaßt eine Komparatoreinheit, um die Größe der geringeren Durchschnittsdrehzahl des vorderen Radpaares 10 und des hinteren Radpaares 12 zu bestimmen. Bei einem Fahrzeug, bei welchem die hinteren Räder kontinuierlich durch das Verteilergetriebe von dem Getriebeabgang und die vorderen Räder in dem 4WD-Bereich durch eine Antriebswelle angetrieben werden, wird die Größe der niedrigeren Durchschnittsdrehzahl durch einen Vergleich der Drehzahlen, die durch die Ausgangssignale der Sensoren 56 und 58 dargestellt werden, bestimmt. In einer anderen Form des Antriebsstrangs, auf welche die Erfindung angewendet werden kann, z.B. bei einem Fahrzeug, dessen Vorderräder kontinuierlich direkt von dem Getriebeabgang angetrieben werden und dessen hintere Räder nur in dem 4WD-Betrieb angetrieben werden, kann die Durchschnittsdrehzahl von den Vorderrädern und von den Hinterrädern bestimmt werden. Anschließend werden die Durchschnittsdrehzahlen verglichen, um die niedrigere Durchschnittsdrehzahl der Reifenpaare zu bestimmen.
Das Modul 40 variiert die Größe des Drehmoments, das zu der vorderen Antriebswelle 20 übertragen wird, durch Steuerung des Schlupfes in der Verteilerkupplung 42, d.h. der Grad, in welchem die Verteilergetriebekupplung vollständig eingreift. Der Schlupf der Verteilerkupplung variiert in Übereinstimmung mit der Größe des angelegten Tastverhältnisses.
Wenn der Fahrzeugbenutzer den hohen 4WD-Bereich oder den niedrigen 4WD-Bereich durch Betätigung des Schalters 38 wählt, bestimmt die Steuerung den gewählten Betriebsbereich. Die Steuerung bestimmt außerdem die aktuelle Drosselklappenstellung durch den Drosselklappensensor 52 und die niedrigere Durchschnittsdrehzahl der Radpaare, wie vorstehend beschrieben. Diese Information wird verwendet, um das entsprechende Tastverhältnis aus der Tabelle in den 4 und 5 aufzufinden. Das Modul 40 erzeugt und legt das entsprechende Tastverhältnis dann an der Verteilerkupplung 42 an.
Wie in 4 dargestellt, steigt das angelegte Tastverhältnis mit dem Öffnen der Drosselklappe, wenn die niedrigere Raddurchschnittsdrehzahl gering ist oder im wesentlichen null beträgt. Oberhalb einer vorbestimmten unteren Durchschnittsraddrehzahl ist das Tastverhältnis groß, wodurch die Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung auf den maximalen Wert erhöht und ein maximales Drehmoment an die nur im Vierradbetrieb angetriebenen Räder übertragen wird. Ein ähnliches Verhalten tritt gemäß 5 auch im 4WD-Bereich "Niedrig" auf, abgesehen davon, daß das maximale Tastverhältnis, wegen der Drehzahlreduktion und der Drehmomentverstärkung, die bei der Wahl des niedrigen Bereichs gegeben ist, bei einer niedrigeren Durchschnittsdrehzahl vorgesehen ist.
Der Kugel-Rampenmechanismus kann Geräusche erzeugen, wenn das Getriebe die Drehrichtung seiner Abgangswelle wechselt, wie etwa bei einem Schalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtsgang oder wegen eines Lastwechsels bzw. einer Lasterleichterung, während das Verteilergetriebe Drehmoment überträgt.
Bevorzugt kann das so bedingte Geräusch vermieden werden, indem sichergestellt wird, daß das Verteilerkupplungsdrehmoment niedrig ist, wann immer die Betriebsparameter der Antriebsübertragung anzeigen, daß eine Richtungsumkehr auftreten könnte oder wahrscheinlich ist. Deshalb sind das an der Verteilerkupplung anliegende Tastverhältnis und die entsprechender Drehmomentkapazität niedrig, wenn die Raddrehzahl und das Motordrehmoment niedrig sind. Wenn das Motordrehmoment zunimmt, steigen Tastverhältnis und die entsprechende Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung an. Das Tastverhältnis und die Kupplungsdrehmomentkapazität steigen ähnlich bei einer konstanten Drosselklappenstellung, wenn die Raddrehzahl steigt. Diese Technik beschränkt nicht die Erwartungen des Fahrzeugbenutzers an ein vollständig geschlossenes bzw. verriegeltes Verteilergetriebe.

Claims

Vierradantriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Antriebsquelle, die durch eine Drosselklappe gesteuert wird, und mit einem ersten und einem zweiten Paar von Antriebsrädern (10, 12), mit: einem Bereichswähler (38) zur Auswahl eines sogenannten "niedrigen" Vierradbetriebsmodus, welcher nur bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten zur Anwendung kommt, oder eines sogenannten "hohen" Vierradbetriebsmodus, einem Verteilergetriebe (16) zur antreibenden Verbindung der Antriebsquelle mit einem ersten Radpaar (12) und zur antreibenden Verbindung der Antriebsquelle mit einem zweiten Radpaar (10) durch eine Verteilerkupplung (42), deren Drehmomentkapazität in Abhängigkeit von einem an der Kupplung anliegenden Steuersignal variiert, einer Bestimmungseinrichtung zur Erzeugung eines Signals, das dem niedrigeren Drehzahlwert aus den folgenden beiden Größen entspricht: der Durchschnittsdrehzahl des ersten Paares und der Durchschnittsdrehzahl des zweiten Paares von Antriebsrädern, einem Sensor (52) zur Erzeugung eines Signals, das das Motordrehmoment anzeigt oder aus dem das Motordrehmoment ableitbar ist, und mit einer mit dem Bereichswähler (38), der Bestimmungseinrichtung und dem Sensor in Verbindung stehenden Steuereinrichtung (40), die ein Steuersignal entsprechend den Signalen der genannten Einrichtungen erzeugt und dieses Steuersignal an die Verteilerkupplung (42) anlegt, so dass die Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung (42) gemäß einer vom Vierradbetriebsmodus abhängigen, vorgegebenen Beziehung mit dem Motordrehmoment und dem Drehzahlwert wächst.
Vierradantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Drosselklappenstellungssensor (52) ist.
Vierradantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Untersetzungs-Getriebesatz (46) enthält, welcher im "niedrigen" Vierradbetriebsmodus eine Drehmomenterhöhung des Verteilergetriebes (16) bewirkt.