AUSGLEICHSEINHEIT EINES KRAFTFAHRZEUGS SOWIE
VERFAHREN ZU DEREN STEUERUNG
Die Erfindung betrifft ein System zur Ansteuerung einer differentiallosen, kupplungsgesteuerten Ausgleichseinheit eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Quer- Ausgleichseinheit, sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Ausgleichseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogrammprodukt, das eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung einer derartigen Ausgleichseinheit dazu veranlasst, die Ausgleichseinheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuern.
Derartige Ausgleichseinheiten und Systeme und Verfahren zu deren Betrieb sind zum Beispiel aus der EP 2 116 411 AI oder der DE 40 39 391 AI bekannt. Hierbei werden jeweils zwei separat ansteuerbare Steuerventile dazu verwendet, die erste bzw. zweite Kupplung gezielt mit einem bestimmten Steuerdruck anzusteuern, um das von der jeweiligen Kupplung auf das zugeordnete Antriebsrad übertragbare Kupplungsmoment fahrzustandsabhängig zu beeinflussen. Diese Ausgestaltungen ermöglichen es insbesondere, das rechte und linke Antriebsrad mit unterschiedlichen Drehmomenten zu beaufschlagen und in annähernd jeder denkbaren Fahrsituation die gewünschte Leis- tungs- bzw. Momentenverteilung auf die beiden Antriebsräder einer Achse einzustellen.
Nachteilig an den vorstehend genannten Systemen und Verfahren ist allerdings deren Komplexität. Sie erfordern komplexe und potentiell störungsanfällige Hard- und Soft-
wäre. Der Entwickln ngs- und Applikationsaufwand bei einem Fahrzeug ist außerordentlich hoch. Berücksichtigt man ferner, dass derartige Systeme und Verfahren in der Regel als Allradmodule für Fahrzeuge mit abschalt- bzw. zuschaltbarem Allradantrieb vorgesehen werden und der tatsächliche Fahranteil im Allradbetrieb während der Lebensdauer eines Fahrzeugs typischerweise sehr gering ist, wird der Aufwand für die Entwicklung- und Applikation eines solchen Systems und Verfahrens von den Herstellern nicht selten für zu hoch und für zu kostspielig angesehen. Dies gilt insbesondere für Hersteller von Fahrzeugen unterhalb des Premiumsegments und von Fahrzeugtypen, die nicht aufgrund ihrer Bestimmung besonderen Bedarf an derartig komplexen Systemen haben, wie es zum Beispiel bei Geländefahrzeugen der Fall sein kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System zum Betreiben einer differentiallosen Ausgleichseinheit der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ausgleichseinheit anzugeben, die in ihrer Komplexität gegenüber den bekannten Systemen und Verfahren deutlich reduziert sind und trotzdem ein in allen wesentlichen Belangen zufriedenstellendes Antriebskonzept darstellen. Insbesondere wird ein Antriebskonzept mit zuschaltbaren Allradantrieb ins Auge gefasst. Es soll ei n Weg gefunden werden, die bekannten Systeme und Verfahren durch Reduzierung des technischen Aufwands„abzurüsten", unter anderem auch mit dem Ziel, die Systeme und Verfahren auch für Fahrzeughersteller von Fahrzeugen unterhalb des Premiumsegments attraktiv zu machen.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Systems zum Betreiben einer Ausgleichseinheit dadurch gelöst, dass die Steuereinrichtung derart eingerichtet ist, dass die erste Kupplung und die zweite Kupplung fahrzustandsunabhängig stets mit derselben veränderlichen Stellgröße in jeweils gleicher Höhe angesteuert sind. Auch hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben einer Ausgleichseinheit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Kupplung und die zweite Kupplung fahrzustandsunabhängig stets mit derselben veränderlichen Stellgröße in jeweils gleicher Höhe angesteuert werden.
Dass die erste Kupplung und die zweite Kupplung durch Veränderung einer Stellgröße während des Fahrzeugbetriebs fahrzustandsabhängig und gezielt eingestellt werden können, um ein bestimmtes Dreh- bzw. Kupplungsmoment übertragen zu können, bedeutet, dass die für das übertragbare Kupplungsmoment zuständige Stellgröße derart veränderlich ist, dass das von den Kupplungen übertragbare Kupplungsmoment sowohl derart eingestellt werden kann, dass kein Schlupf auftritt (die Kupplungen sind mit voller Einrückkraft geschlossen, das maximal vorgesehene Kupplungsmoment ist übertragbar), als auch derart eingestellt werden kann, dass unendlich Schlupf auftritt (die Kupplungen sind geöffnet, es wird kein nennenswertes Kupplungsmoment übertragen), als auch gezielt derart eingestellt werden kann, das ein zwischen den beiden vorstehend genannten Grenzzuständen liegender Kupplungsschlupf an zumindest einer Kupplung auftritt (die Kupplungen sind nicht mit voller Einrückkraft geschlossen aber auch nicht voll geöffnet, um an zumindest ei ner der beiden Kupplungen gezielt ein bestimmtes Kupplungsmoment zu generieren oder gezielt einen begrenzten Schlupf zuzulassen) .
Das vorstehend beschriebene System bzw. das vorstehend beschriebene Verfahren vereinfacht die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme erheblich. Zum einen können zusätzlich Steuerungselemente wie Drucksteuerventile und ähnliches entfallen. Auch muss die zu entwickelnde Steuersoftware nicht mehr die Ansteuerung von getrennten Steuergliedern gewährleisten können und ein Großteil der bisher einzusetzenden Messtechnik entfällt. Aus demselben Grund wird auch die Applikation eines solchen Systems im Fahrzeug wesentlich einfacher, weil für die verschiedenen Fahrzustände keine Drehmomentverteilungen mehr zu berücksichtigen sind, bei denen beide Kupplungen und damit beide Antriebsräder einer Achse unterschiedlich angesteuert werden.
Zur Betätigung der ersten Kupplung und zur Betätigung der zweiten Kupplung ist bevorzugt jeweils ein gesonderter Kupplungsaktuator vorgesehen, auf den die Stellgröße
wirkt, um die Kupplungen zu betätigen. Die Einstellung der Höhe der auf beide Kupplungen wirkenden Stellgröße erfolgt dabei bevorzugt über eine einzige Stellgrößeneinheit. Die Stellgrößeneinheit ist die Einheit, die die Stellgröße zur Betätigung der Kupplungsaktuatoren zur Verfügung stellt. Dies kann demnach insbesondere eine Hydraulikpumpe sein, die hydraulischen Druck als Stellgröße zur Verfügung stellt. Es kann sich aber - je nach tatsächlich verwendetem Kupplungsbetätigungsmechanismus - auch um andere Stellgrößeneinheiten handeln, die zum Beispiel Strom, mechanische Kraft, magnetische Kraft oder pneumatischen Druck zur Verfügung stellen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stellgröße Druck ist, das System eine drehzahlgeregelte Hydraulikpumpe umfasst und die Stellgrößenveränderung über die Änderung der Drehzahl der Hydraulikpumpe erfolgt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine zentrale Erzeugung und Veränderung der Stellgröße. Da Druck außerdem weitgehend verlustfrei und insbesondere gleichmäßig„übertragen" werden kann, ist gewährleistet, dass die Stellgröße an beiden Kupplungen stets identisch ist, also stets und unabhängig von der Fahrsituation immer der gleiche Druck an jeder der beiden Kupplungen anliegt.
Die vorstehenden Ausführungen verdeutlichen, dass das System ein System ohne Indi- vidualsteuerglieder ist, über die die Stellgröße für die erste Kupplung in einer ersten Höhe und die Stellgröße für die zweite Kupplung in einer von der ersten Höhe unterschiedlichen zweiten Höhe kupplungsindividuell bereitgestellt werden könnte, wenn diese denn vorgesehen wären. Besonders dieser bewusste Verzicht auf Individualsteu- erglieder, insbesondere der Verzicht auf für jede Kupplung gesondert vorzusehende hydraulische Drucksteuerventile, und damit der Verzicht auf die notwendige separate und individuelle Ansteuerung derartiger Steuerglieder ist es, mit dem eine wesentliche Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik erzielt werden kann.
Bei Verwendung einer Hydraulikpumpe als Stellgrößeneinheit wird der von der Hydraulikpumpe erzeugte Druck also ohne Zwischenschaltung weiterer, der Hydraulik-
pumpe nachgeordneter Drucksteuerventile sowohl auf die erste Kupplung also auch auf die zweite Kupplung weitergeleitet.
Gleichwohl ist zu vermeiden, dass sich der Antriebsstrang bei Kurvenfahrt verspannt, was einen Drehzahlausgleich zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Antriebsrad erfordert. Auch kann das System bzw. das Verfahren eingesetzt werden, um den Fahrer in kritischen Fahrsituationen gezielt zu unterstützen oder um kritische Fahrsituationen gezielt zu vermeiden. U m dies zu gewährleisten werden die üblicherweise auf dem CAN-Bus des Fahrzeugs liegenden Daten wie Raddrehzahlen oder Lenkeinschlag oder sonstige relevante Fahrzustandsdaten eingelesen und in die Berechnung der im jeweiligen Fahrzustand erforderlichen Kupplungsbetätigungskraft einbezogen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Berechnung der Stellgröße bei Kurvenfahrt das Kraftschlusspotential des kurveninneren Antriebsrades zugrunde gelegt wird. Dies führt dazu, dass die das kurvenäußere Antriebsrad antreibende Kupplung Schlupf zu- lässt, um ein Verspannen des Antriebsstrangs zu vermeiden.
In einer erweiterten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Berechnung der Stellgröße bei Kurvenfahrt nur dann das Kraftschlusspotential des kurveninneren Rades zugrunde gelegt wird, solange ein bestimmter Querbeschleunigungsschwellwert nicht überschritten wird. Oberhalb des Querbeschleunigungsschwellwertes wird dann bei der Berechnung der Stellgröße bei Kurvenfahrt das Kraftschlusspotential des kurvenäußeren Rades zugrunde gelegt. Dies erhöht die Traktion und erlaubt höhere Kurvengeschwindigkeiten.
Beim Beschleunigen aus dem Stand kann ein System zur Erkennung unterschiedlicher Kraftschlusspotentiale der Antriebsräder zum Einsatz kommen (μ-split Erkennung), bei der sich die Berechnung der Stellgröße maßgeblich an dem Kraftschlusspotential des
Antriebsrads mit dem höheren Kraftschlusspotential orientiert (μ-high Regelung). Hier würde die Ausgleichseinheit wie ein Sperrdifferential wirken.
U m bei höheren Geschwindigkeiten kritische Fahrsituationen zu vermeiden, die entstehen können, wen n das Antriebsrad einer Hinterachse, das das höhere Kraftschlusspotential aufweist, übermäßig zum Vortrieb beiträgt und das Fahrzeug somit drängt, um die Hochachse zu drehen, kann bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit bei der Berechnung der Stellgröße eine μ-high Regelung von einer μ-low Regelung überlagert werden, bei der das Kraftschlusspotential des Antriebsrads mit dem geringeren Kraftschlusspotential maßgeblich für die Berechnung der Stellgröße ist. Hierdurch wird die Fahrstabilität bei höheren Geschwindigkeiten verbessert. Eine μ-low Regelung für insbesondere höhere Fahrzeuggeschwindigkeiten (zum Beispiel größer 50 km/h) kann selbstverständlich auch ohne das Vorhandensein einer für das Anfahren oder für niedrige Fahrzeuggeschwindigkeiten vorgesehene μ-high Regelung vorgesehen werden.
Ebenfalls zur Erfindung gehörig werden die Ausgleichseinheit an sich sowie ein Antriebsstrang mit einer solchen Ausgleichseinheit angesehen, die jeweils über ein System zum Betreiben der Ausgleichseinheit wie vor- und nachstehend erläutert verfügen. Auch wird eine elektronische Steuereinheit (ECU), in deren Programmspeicher ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist, das zur Ausführung des vor- und nachstehend erläuterten Verfahrens eingerichtet ist, als zur Erfindung gehörig angesehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den U nteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine im Stand der Technik bekannte kupplungsgesteuerte, differentiallose Ausgleichseinheit mit einer Steuereinrichtung in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäß vereinfachte Ausgleichseinheit mit einer Steuereinrichtung, und
Fig. 3 eine zu der in Figur 2 gezeigten Ausgleichseinheit alternative Ausgleichseinheit, bei der ein einziger Antriebslamellenträger für beide Ausgangsglieder vorgesehen ist.
In Figur 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausgleichsein heit 1 zusam men mit dem System zu deren Betrieb in einer schematischen Ansicht gezeigt. Der nachfolgend beschriebene symmetrische Grundaufbau der Ausgleichseinheit mit den beiden Kupplungseinheiten 10 trifft auf den in Figur 2 gezeigten Aufbau in gleicher Weise zu. Die einem in den Figuren angegebenen bestimmten Bezugszeichen zugeordneten Buchstaben„L" und„R" stehen für das jeweils linke („L") oder rechte („R") Bauteil des symmetrischen Grundaufbaus.
Die Antriebleistung des Fahrzeugantriebs wird über ein Eingangsglied 2, typischerweise eine Kardanwelle, und ein damit verbundenes Antriebsrad 3 auf ein Tellerrad 4 weitergeleitet und von dort auf einen linken bzw. rechten Antriebslamellenträger 5 übertragen, dem jeweils axial verschieblich angeordnete Antriebslamellen 6 drehfest zugeordnet sind. Diese Antriebslam eilen wirken mit linken bzw. rechten Abtriebslamellen 7 zusammen, die wiederum mit einem linken bzw. rechten Ausgangs- bzw. Abtriebsglied 8 drehfest zusam menwirken und auf ei nem li nken bzw. rechten Abtriebslamellenträger 9 axial verschieblich aber drehfest angeordnet sind. Die so gebi ldete linke bzw. rechte Kupplungseinheit 10 stellt eine grundsätzlich bekannte Lamellenkupplung dar.
Sowohl der rechten Kupplungseinheit als auch der linken Kupplungseinheit ist jeweils ein bevorzugt hydraulisch zu betätigender Kupplungsaktuator 11 zugeordnet, wobei alternativ zu einer hydraulischen Kupplungsbetätigung auch andere Kupplungsbetäti- gungsmechanismen sinnvoll einsetzbar sind, insbesondere elektromechanische, elektromagnetische, elektrohydraulische oder pneumatische Kupplungsbetätigungsmecha-
nismen. Über diesen Kupplungsaktuator werden die Kupplungseinheiten angesteuert und über die Stellgröße„hydraulischer Druck" wird für jede der Kupplungen der Kupplungsdruck, also die Andrückkraft, mit der die Ab- bzw. Antriebslam eilen anei nander gedrückt werden, beeinflusst, so dass sich das von den Kupplungen übertragbare Moment gezielt einstellen lässt. Bei nicht mittels hydraulischem Druck arbeitenden Kupp- lungsbetätigungsmechanismen wäre die Stellgröße - je nach gewähltem Mechanismus - zum Beispiel eine mechanische Kraft, Stromstärke, elektrische Spannung oder pneumatischer Druck.
In den Figuren ist der drehfest mit dem Eingangsglied 2 gekoppelte Antriebslamellenträger 5 als Außenlamellenträger und der drehfest mit den Antriebsrädern gekoppelte Abtriebslamellenträger als Innenlamellenträger ausgeführt. Diese Ausgestaltung kann selbstverständlich auch umgekehrt werden.
In Figur 1 ist ein System zum Betreiben und Ansteuern der linken bzw. rechten Kupplungseinheit gezeigt, bei dem die li nke bzw. rechte der beiden Kupplungen 10 fahrzu- standsunabhängig individuell mit einem unterschiedlichen Druck pi_ bzw. PR angesteuert werden kann. Zum Ansteuern der linken und rechten Kupplung kann also, je nach Fahrsituation, die Stellgröße„hydraulischer Druck" jeweils in unterschiedlicher Höhe verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass der von einer hydraulischen, motorbetriebenen Pumpeinheit 12 erzeugte Ausgangsdruck p0 je nach Fahrzustand optimal auf die beiden Kupplungen wirken kann, um dem linken bzw. rechten Antriebsrad genau das Antriebsmoment bzw. die Antriebsleistung zuzuweisen, die für den jeweiligen Fahrzustand und das gewünschte Fahrverhalten als optimal angesehen werden. So lässt sich in verschiedenen Fahrsituationen die Traktion oder die Fahrdynamik gezielt beeinflussen.
Wie in Figur 1 erkennbar ist das System aufwendig. Eine elektronische Steuereinheit 13 erfasst die i m System vorliegenden Drücke p0, PL und PR und steuert basierend auf hinterlegten Kennfeldern und unter Berücksichtigung von Fahrzustandsdaten (Radge-
schwindigkeiten, Beschleunigungskräften, Fahrzeugneigung, Geschwindigkeit, Lenkwinkel, etc.) die linke bzw. rechte Kupplung über zwei unabhängig voneinander agierende Steuerventile 14 individuell an. Die Entwicklung der hierfür erforderlichen Regelalgorithmen und die serienreife Applikation eines solchen Systems im Fahrzeug sind aufwendig, langwierig und teuer. Durch die Vielzahl der zu verwendenden Bauteile für Steuerung und Sensorik besteht ein vergrößertes Potential von Störungen und Bauteilausfällen. Für solche Fälle sind zudem Rückfalloptionen zu implementieren, die das ungewollte Herbeiführen nicht mehr sicherer Fahrzustände sicher ausschließt.
In Figur 2 ist ein hierzu alternatives System zum Betreiben der ansonsten gegenüber Figur 1 unveränderten Kupplungseinheiten 10 gezeigt. Figur 2 verdeutlicht dabei schon zeichnerisch, dass das System eine wesentliche Verei nfach ung darstellt. Hierbei wird nicht nur auf die individuell unterschiedliche Ansteuerung der linken und rechten Kupplung verzichtet, sondern es wird insgesamt auf die Verwendung von Steuergliedern wie Steuerventilen sowie auf Sensorik verzichtet.
Die vom System veränderlich erzeugbare Stellgröße wird fahrzustandsunabhängig, also unabhängig von der jeweiligen Fahrsituation, stets in gleicher Höhe sowohl auf die linke als auch auf die rechte Kupplung übertragen. Somit ist zwar das von beiden Kupplungen übertragbare Kupplungsmoment veränderlich, jedoch für beide Kupplungen immer gleich. Dies schränkt zwar die Möglichkeiten, die eine Ausgestaltung nach Figur 1 bietet, ein, führt aber zu einer erheblich einfacheren, kostengünstigeren und leichter zu applizierenden Ausführung, die immer noch ein zufriedenstellendes Fahrverhalten und ausreichende Einflussmöglichkeiten auf Traktion und Fahrverhalten bietet. Berücksichtigt man ferner, dass bei Fahrzeugen mit zuschaltbarem Allradantrieb die Fahranteile, in denen das Fahrzeug über seine Lebensdauer hinweg tatsächlich im Allradmodus betrieben werden, außerordentlich gering sind, bietet die Erfindung die Möglichkeit, auch Fahrzeuge mit einem zuschaltbaren Allradantrieb auszu-
statten, bei denen der Einsatz eines Systems, wie es in Figur 1 schematisch dargestellt wird, ansonsten als zu aufwendig empfunden wird.
Bei dem gegenüber dem System nach Figur 1 vereinfachten System nach Figur 2 ist insbesondere vorgesehen, dass die„Versorgung" der ersten und zweiten Kupplung mit der die Andrückkraft der Kupplungslamellen beeinflussenden Stellgröße ohne weitere Steuerglieder wie Steuerventile und damit„steuerventillos" erfolgt, im Falle der Verwendung einer Hydraulikpumpe also insbesondere ohne der Hydraulikpumpe nachgeschaltete Individualsteuerglieder. Die Höhe der Stellgröße„Hydraulikdruck" wird in dem in Figur 2 gezeigten Fall über die Pumpleistung der hydraulischen Pumpeinheit reguliert, insbesondere über deren mit der Drehzahl veränderlichen Förderleistung. Im Falle andersartiger Kupplungsbetätigungsmechanismen gilt diese Aussage natürlich für die dann zu beeinflussende Stellgröße gleichermaßen.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der in Figur 2 gezeigten Ausgleichseinheit. Hierbei teilen sich die beiden Ausgangsglieder 8 bzw. Abtriebslamellenträger 9 einen gemeinsamen Antriebslamellenträger 5, was eine sehr kompakte Bauform ermöglicht.
Die gestrichelte, zum linken Kupplungsaktuator 11 L führende Linie und die gestrichelte Darstellung des linken Kupplungsaktuators selbst soll verdeutlichen, dass dieser wahlweise vorgesehen werden kann. Denn für den Fall, dass sich beide Kupplungsseiten der Ausgleichseinheit einen Antriebslamellenträger 5 teilen, muss nur auf ei ner Seite ein Kupplungsaktuator H R vorgesehen werden. Auf der dem Kupplungsaktuator abgewandten Seite ist lediglich eine axiale Abstützung vorzusehen, mit der die axialen Kupplungskräfte abgestützt werden.
Nachtei lig an einer solchen Ausgestaltung kann jedoch sei n, dass die Kupplungskräfte bei zunehmender Lamellenanzahl auf der dem Kupplungsaktuator abwandten Seite der Kupplungseinheit nicht hinreichend wirken, weil bei einer Verschiebung der einzelnen
Lamellen unter Last hohe axiale Reibkräfte an den Verzahnungen auftreten, die dem axialen Verschieben der Kupplungslamellen entgegenwirken. Sofern erforderlich, kann daher wie auch in Figur 2 wahlweise auch auf einen zweiten Kupplungsaktuator zurückgegriffen werden.
Bezugszeichen 'ste
1 Ausgleichseinheit
2 Eingangsglied
3 Antriebsrad
4 Tellerrad
5 Antriebslamellenträger
6 Antriebslam eilen
7 Abtriebslam eilen
8 Ausgangsglied
9 Abtriebslamellenträger
10 Kupplungseinheit
11 Kupplungsaktuator
12 hydraulische Pumpeinheit
13 elektronische Steuereinheit
14 Individualsteuergheder
15 Antriebsräder
L/R Links/Rechts