DE19955620A1 - Verfahren zum Steuern einer Differenzialsperre eines Fahrzeugs und Steuerungssystem hierzu - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Steuern einer Differenzialsperre eines Fahrzeugs wird diese in eine zwei Räder des Fahrzeugs formschlüssig verbindende Position für den Fall verstellt, dass die Differenzdrehzahl der Räder in einem zulässigen Bereich liegt. DOLLAR A Zur Erhöhung der Betriebssicherheit wird bei Überschreitung eines oberen Grenzwerts für die Differenzdrehzahl zwischen beiden Rädern das die höhere Drehzahl aufweisende Rad soweit abgebremst, bis die Differenzdrehzahl den oberen Grenzwert unterschreitet. Anschließend wird die Differenzialsperre in ihre die Räder formschlüssig verbindende Position verstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Diffe­ renzialsperre eines Fahrzeugs und ein Steuerungssystem hierzu nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 7.

Differenzialsperren in Fahrzeugen kommt die Aufgabe zu, Diffe­ renzdrehzahlen zwischen den Rädern einer Achse zu verhindern, indem zwischen den Antriebswellen der Räder eine zumindest an­ nähernd formschlüssige Verbindung geschaffen wird, die Diffe­ renzdrehzahlen ausschließt. Aus der Druckschrift EP 0510 457 B1 ist beispielsweise eine Differenzialsperre bekannt, die zwei formschlüssig miteinander koppelbare Kupplungshälften umfasst, welche jeweils mit einer Antriebswelle eines Rades zu verbinden sind.

Bei derartigen Differenzialsperren besteht das Problem, dass eine manuelle Aktivierung der Differenzialsperre in eine die beiden Räder formschlüssig verbindende Stellung einerseits nur sinnvoll ist, wenn die beiden Räder eine Mindest- Drehzahldifferenz aufweisen und andererseits nur für den Fall möglich ist, dass die Differenzdrehzahl zwischen beiden Rädern eine Obergrenze nicht überschreitet, da andernfalls ein Einrü­ cken der Differenzialsperre in eine formschlüssige Position nicht möglich ist bzw. in diesem Fall die Gefahr von Bauteil­ schädigungen droht.

Es sind andererseits automatisch zuschaltbare Differenzialsper­ ren bekannt, beispielsweise aus ATZ Automobiltechnische Zeit­ schrift 88 (1986), Seite 273 ff., bei denen in einem elektroni­ schen Steuergerät durch Differenzbildung der Drehzahlen der Rä­ der der Radschlupf ermittelt und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen wird, wobei bei einer Überschreitung von Grenzwerten mit Hilfe von magnetisch und hydraulisch betätigbaren Stell­ gliedern Ausgleichsbewegungen zwischen den Rädern verhindert bzw. reduziert werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren zum Steuern einer Differenzi­ alsperre bzw. ein Steuerungssystem für eine Differenzialsperre betriebssicher und mit hoher Ausfallsicherheit auszubilden. Es soll insbesondere in Situationen mit hohem Radschlupf eine ma­ nuelle oder auch automatische Zuschaltung des Sperrdifferenzi­ als möglich sein.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 7 gelöst.

Gemäß dem neuartigen Verfahren ist vorgesehen, dass im Falle einer manuellen Zuschaltung der Differenzialsperre zunächst die Differenzdrehzahl der über die Differenzialsperre zu verbinden­ den Räder bestimmt wird und für den Fall, dass ein oberer Grenzwert überschritten wird, das Rad mit höherer Drehzahl so­ weit abgebremst wird, bis die Differenzdrehzahl beider Räder den oberen, vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Erst an­ schließend wird die Differenzialsperre in ihre die Räder form­ schlüssig verbindende Position verbracht.

Durch diese Vorgehensweise ist sichergestellt, dass ein form­ schlüssiger Eingriff der Differenzialsperre in die Wellen der Räder nur für den Fall erlaubt wird, dass die Differenzdrehzahl der Räder ein vorgegebenes Maß nicht überschreitet, bei dem ein Formschluss zwischen der Differenzialsperre und den Wellen der Räder ohne die Gefahr von Bauteilschädigungen gewährleistet ist. Darüber hinaus weist diese Vorgehensweise den Vorteil auf, dass die Differenzialsperre in praktisch jeder Situation auf manuelle Anforderungen des Fahrers zugeschaltet werden kann, weil Drehzahldifferenzen zwischen den Rädern, welche einer Zu­ schaltung entgegenstehen könnten, durch die Aktivierung des Bremssystems am schneller drehenden Rad ausgeglichen werden. Schließlich ist auch vorteilhaft, dass der obere Grenzwert für die Differenzdrehzahl, welcher für die Aktivierung der Diffe­ renzialsperre unterschritten werden muss, in Abhängigkeit von Parametern und Zustandsgrößen des Fahrzeugs bestimmt werden kann, wodurch aktuelle Fahrzeugsituationen berücksichtigt wer­ den können. Beispielsweise kann die aktuelle Fahrzeuggeschwin­ digkeit in die Bestimmung des oberen Differenzdrehzahl- Grenzwerts einfließen, wobei zweckmäßig mit ansteigender Fahr­ zeuggeschwindigkeit der Grenzwert herabgesetzt wird.

In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das mit höherer Drehzahl umlaufende Rad durch die Aktivierung einer An­ triebs-Schlupf-Regelung, welche mit dem Bremssystem verknüpft ist, abgebremst wird. Es werden dadurch bereits bestehende elektronische Fahrerassistenzsysteme in die Aktivierungsroutine für die Differenzialsperre eingebunden.

Zweckmäßig wird bei der Aktivierung der Differenzialsperre eine Geschwindigkeitskontrolle durchgeführt, indem eine Zuschaltung der Differenzialsperre nur für den Fall möglich ist, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit eine Referenzgeschwindigkeit unter­ schreitet. Diese Geschwindigkeitsüberprüfung dient dem Zweck, die manuelle Zuschaltung der Differenzialsperre bei sehr hohen Geschwindigkeiten zu unterbinden, da bei hohen Geschwindigkei­ ten bereits vergleichsweise kleine Differenzdrehzahlen zwischen den Rädern mit hohen kinetischen Energiedifferenzen verbunden sind.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Differenzialsperre automatisch abgeschaltet wird, falls ein An­ ti-Blockier-System der Fahrzeugbremse aktiviert wird, um si­ cherzustellen, dass die Räder einer Achse entkoppelt sind und ohne gegenseitige Beeinflussung vom Anti-Blockier-System ange­ steuert werden können.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent­ nehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Steuerungssystems in einem Fahrzeug zur Ansteuerung einer Mehrzahl von Fahrerassistenzsystemen,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm für die Zu- und Abschaltung einer Differenzialsperre.

Das in Fig. 1 dargestellte Steuerungssystem 1 umfasst eine zentrale Berechnungs- und Steuerungseinheit 2, der eine Mehr­ zahl einzelner, elektronischer Fahrer-Assistenzsysteme 3, 4, 5 zugeordnet sind. Die Berechnungs- und Steuerungseinheit 2 emp­ fängt Eingangssignale, welche Parameter oder Zustandsgrößen di­ verser Fahrzeugeinrichtungen 6, 7, 8, 9 repräsentieren, die sensorisch oder rechnerisch ermittelt werden, wobei die Betäti­ gung der betreffenden Fahrzeugeinrichtungen sowohl automatisch als auch manuell durchgeführt werden kann. In Abhängigkeit der zugeführten Eingangssignale werden in der Berechnungs- und Steuerungseinheit 2 Ausgangssignale generiert, die einem oder mehreren Fahrzeugstellgliedern 10, 11, 12, 13 zugeführt werden, welche eine den Fahrzustand des Kraftfahrzeugs ändernde Aktion auslösen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel empfängt die Berechnungs- und Steuerungseinheit Eingangssignale, welche erforderlich sind, um in einem weiten Betriebsbereich eine Differenzialsperre in ei­ nem Fahrzeug manuell ohne die Gefahr von Bauteilschädigungen auslösen zu können. Hierzu empfängt die Berechnungs- und Steue­ rungseinheit 2 Eingangssignale aus den Fahrzeugeinrichtungen 6 bis 9 über die Raddrehzahlen ω₁, über den Status "Ein/Aus" der Differenzialsperre, den Status "Ein/Aus" eines Antißlockier- Systems ABS und den Bremspedalweg bei einer vom Fahrer ausge­ lösten Bremspedalbetätigung. Diese Eingangssignale werden in der Berechnungs- und Steuerungseinheit 2 gemäß einer hinterleg­ ten Berechnungsvorschrift gewichtet bzw. verarbeitet und es werden Ausgangssignale erzeugt, welche den Stellgliedern 10 bis 13 der diversen Fahrer-Assistenzsysteme 3, 4, 5 zugeführt wer­ den. Als Fahrer-Assistenzsysteme 3, 4, 5 werden ein Anti- Blockier-System ABS, eine Antriebs-Schlupf-Regelung ASR und ei­ ne Differenzialsperre berücksichtigt. Dementsprechend werden in der Berechnungs- und Steuerungseinheit 2 Ausgangssignale für Stellglieder 10, 11, 12, 13 erzeugt, mittels denen ein regulä­ rer, ungeregelter Bremsvorgang durchgeführt werden kann, bei­ spielsweise über eine elektrohydraulische Bremse, und darüber hinaus auch die Fahrer-Assistenzsysteme eingestellt werden kön­ nen, indem ABS-Ventile eingestellt oder ein Bremseneingriff über das ASR-System durchgeführt oder ein Stellglied zur Ein­ stellung der Differenzialsperre beaufschlagt werden.

In Fig. 2 ist der Verfahrensablauf beim Einschalten und Aus­ schalten der Differenzialsperre eines Kraftfahrzeugs darge­ stellt. Im ersten Verfahrensschritt 101 erfolgt ein manuelles Zuschalten der Differenzialsperre. In den folgenden Verfahrens­ schritten 102, 103 werden Bedingungen überprüft, die erfüllt sein müssen, damit die manuelle Anforderung für die Zuschaltung der Differenzialsperre ohne Gefahr von Bauteilschädigungen aus­ geführt werden kann.

Gemäß dem Verfahrensschritt 102 wird zunächst abgefragt, ob die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit vist kleiner ist als eine Referenzgeschwindigkeit v_Ref, die entweder als Absolutbetrag fest vorgegeben wird oder in Abhängigkeit weiterer Parameter und Zustandsgrößen des Fahrzeuges ermittelt wird. Die Geschwin­ digkeitsüberprüfung soll sicherstellen, das eine Zuschaltung der Differenzialsperre nur unterhalb der Referenzgeschwindig­ keit v_Ref durchgeführt werden kann, um zu vermeiden, dass auf Grund der hohen kinetischen Energie der Räder bereits ver­ gleichsweise geringe Differenzdrehzahlen zu Bauteilschädigungen führen. Liegt die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit v_ist nicht innerhalb des zulässigen Bereiches, wird der "Nein"- Verzweigung entsprechend zurückgekehrt und in periodischen Ab­ ständen eine erneute Überprüfung der Fahrzeuggeschwindigkeit durchgeführt. Ist dagegen die Fahrzeuggeschwindigkeit vist klei­ ner als die Referenzgeschwindigkeit v_Ref, so wird gemäß der "Ja"-Verzweigung zum folgenden Verfahrensschritt 103 fortgefah­ ren.

Im Verfahrensschritt 103 wird überprüft, ob die tatsächliche Differenz-Drehzahl Δn an den durch die Differenzialsperre zu verbindenden Räder kleiner ist als eine Referenz- Differenzdrehzahl Δn_Ref. Diese Abfrage wird durchgeführt, um si­ cher zu stellen, das der Drehzahlunterschied zwischen den Rä­ dern innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt, da andernfalls eine formschlüssige Koppelung zwischen der Differenzialsperre und den Rädern nicht sicher gewährleistet werden kann. Für den Fall, dass die tatsächliche Differenzdrehzahl Δn den zulässigen Bereich übersteigt, wird der "Nein"-Verzweigung entsprechend zum Verfahrensschritt 104 fortgefahren, gemäß dem ein Bremsvor­ gang am schneller drehenden Rad durchgeführt wird, um die Dif­ ferenzdrehzahl auf das zulässige Maß abzusenken. Der Bremsvor­ gang am schneller drehenden Rad wird zweckmäßig unter Ausnut­ zung einer Antriebs-Schlupf-Regelung durchgeführt, über die das Bremssystem und insbesondere die Radbremse am schneller drehen­ den Rad betätigt werden kann. Das schneller drehende Rad wird von dem ASR-System soweit abgebremst, bis die Differenzdrehzahl Δn zwischen den über die Differenzialsperre zu verbindenden Rä­ dern den oberen Grenzwert Δn_Ref für die Differenzdrehzahl unter­ schreitet. Nach dem erfolgreich durchgeführten Bremsvorgang am schnelleren Rad wird zum nächsten Verfahrensschritt 105 fortge­ fahren und die Differenzialsperre zugeschaltet.

Der obere Grenzwert Δn_Ref für die Differenzdrehzahl kann sowohl als feste, unveränderliche Größe vorgegeben und im Steuerungs­ system abgespeichert werden als auch in Abhängigkeit von Para­ metern und Zustandsgrößen des Fahrzeuges aktuell ermittelt wer­ den. Im letzteren Fall wird zweckmäßig eine Abhängigkeit des Grenzwerts Δn_Ref von der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit vist berücksichtigt, wobei mit zunehmender Fahrzeuggeschwindig­ keit v_ist der obere Grenzwert Δn_Ref herabgesetzt wird; darüber hinaus können weitere Zustandsgrößen des Fahrzeuges bei der Be­ rechnung des oberen Grenzwerts Δn_Ref berücksichtigt werden.

Die Zuschaltung der Differenzialsperre gemäß Verfahrensschritt 105 erfolgt mit Hilfe eines die Differenzialsperre beaufschla­ genden Stellgliedes, welches von der Berechnungs- und Steue­ rungseinheit angesteuert wird. Die Zuschaltung der Differenzi­ alsperre wird vorteilhaft dem Fahrer angezeigt.

Gemäß einem in Fig. 2 nicht dargestellten Verfahrenszweig kann das Steuerungssystem auch eine automatische Zuschaltung der Differenzialsperre beinhalten. Die automatische Zuschaltung der Differenzialsperre erfolgt bei Vorliegen weiterer Kriterien, insbesondere bei Überschreitung eines unteren Grenzwertes für die Differenzdrehzahl, wobei zweckmäßig die weiteren Bedingun­ gen hinsichtlich Fahrzeuggeschwindigkeit und Unterschreitung des oberen Grenzwertes für die Differenzdrehzahl ebenfalls er­ füllt sein müssen.

In den Verfahrensblöcken 106 bis 110 ist die Deaktivierung bzw. Abschaltung der Differenzialsperre dargestellt. Im Falle einer manuellen Abschaltung der Differenzialsperre gemäß Verfahrens­ schritt 106 wird der "Ja"-Verzweigung entsprechend unmittelbar zum Verfahrensschritt 110 fortgefahren, gemäß dem die Abschal­ tung dem Fahrer angezeigt wird. Der Verfahrensablauf ist danach beendet.

Falls keine manuelle Abschaltung durchgeführt wird, wird der "Nein"-Verzweigung entsprechend zu den folgenden Verfahrens­ schritten 107 ff. fortgefahren, in denen eine Überprüfung des Zustands des Anti-Blockier-Systems ABS durchgeführt wird. Ge­ mäß dem Verfahrensschritt 107 wird zunächst abgefragt, ob das Anti-Blockier-System ABS aktiviert ist. Diese Abfrage dient da­ zu, im Falle einer aktiven ABS-Bremsung die Differenzialsperre automatisch abzuschalten, um sicher zu stellen, dass die Räder unabhängig voneinander vom Anti-Blockier-System ABS gebremst werden können.

Wird im Verfahrensschritt 107 festgestellt, dass das Anti- Blockier-System ABS nicht aktiviert ist, wird der "Nein"- Verzweigung entsprechend zum Verfahrensschritt 106 zurückge­ kehrt, in welchem zyklisch abgefragt wird, ob die Differenzial­ sperre manuell abgeschaltet wird. Bei nicht-aktiviertem Anti- Blockier-System ABS ist eine automatische Abschaltung der Dif­ ferenzialsperre nicht zwingend erforderlich.

Falls im Verfahrensschritt 107 festgestellt wird, dass das An­ ti-Blockier-System ABS aktiviert ist, wird im folgenden Verfah­ rensschritt 108 eine weitere Abfrage durchgeführt, ob das Anti- Blockier-System in die Fahrzeugbremse eingreift. In diesem Fall wird gemäß der "Ja"-Verzweigung zum Verfahrensschritt 109 fort­ gefahren und die Differenzialsperre automatisch abgeschaltet, um die Funktion des Anti-Blockier-Systems ohne Einschränkung durch die Differenzialsperre durchführen zu können. Im weiteren Verlauf wird in dem Verfahrensschritt 110 die Abschaltung ange­ zeigt.

Wird im Verfahrensschritt 108 festgestellt, dass keine Bremsung durch das Anti-Blockier-System ABS vorliegt, wird der "Nein"- Verzweigung entsprechend wieder zum Verfahrensschritt 106 zu­ rückgekehrt, in welchem zyklisch abgefragt wird, ob die Diffe­ renzialsperre manuell abgeschaltet wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum Steuern einer Differenzialsperre eines Fahr­ zeugs, die mittels eines von einem Steuerungssystem betätigba­ ren Stellglieds in eine zwei Räder des Fahrzeugs formschlüssig verbindende Position für den Fall manuell zu verstellen ist, dass die Differenzdrehzahl der Räder in einem zulässigen Be­ reich liegt, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines oberen Grenzwerts (Δn_Ref) für die Differenzdrehzahl das die höhere Drehzahl aufweisende Rad zu­ nächst soweit abgebremst wird, bis die tatsächliche Differenz­ drehzahl (Δn) der Räder den oberen Grenzwert (Δn_Ref) unter­ schreitet, und dass anschließend die Differenzialsperre in ihre die Räder formschlüssig verbindende Position verstellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbremsung des Rades mit höherer Drehzahl durch Akti­ vierung einer Antriebs-Schlupf-Regelung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der manuellen Anforderung eine Zuschaltung der Diffe­ renzialsperre nur für den Fall möglich ist, dass die Fahrzeug­ geschwindigkeit (v_ist) kleiner ist als eine Referenzgeschwindig­ keit (v_Ref).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung der Differenzialsperre dem Fahrer ange­ zeigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass bei einem Bremsvorgang ein Anti- Blockier-System im Bremssystem des Fahrzeugs aktiviert wird, die Differenzialsperre automatisch wieder aufgehoben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzialsperre automatisch zugeschaltet wird, so­ fern die Zuschaltungskriterien erfüllt sind, welche insbesonde­ re über eine Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR) feststellbar sind.

7. Steuerungssystem für eine Differenzialsperre eines Fahr­ zeugs, insbesondere Steuerungssystem zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei auf eine manu­ elle Anforderung in dem Steuerungssystem ein Stellsignal er­ zeugbar ist, das einem Stellglied zuführbar ist, welches die Differenzialsperre in eine zwei Räder des Fahrzeugs formschlüs­ sig verbindende Position verstellt, wobei das Stellsignal nur für den Fall erzeugbar ist, dass im Steuerungssystem die Dreh­ zahl der Räder vergleichbar ist und die Differenzdrehzahl der Räder in einem zulässigen Bereich liegt, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerungssystem ein das Bremssystem des Fahrzeugs steuerndes Signal in der Weise erzeugbar ist, dass durch die Aktivierung des Bremssystems das Rad mit höherer Drehzahl so­ weit abzubremsen ist, bis die tatsächliche Differenzdrehzahl (Δn) der Räder einen oberen Grenzwert (Δn_Ref) unterschreitet, und dass nach Unterschreitung des oberen Grenzwerts (Δn_Ref) ein das Stellglied der Differenzialsperre aktivierendes Stellsignal erzeugbar ist.