DE3437435A1

DE3437435A1 - Anordnung zur steuerung der kraftuebertragung eines vierradangetriebenen fahrzeuges

Info

Publication number: DE3437435A1
Application number: DE19843437435
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Dietz; Robert 7251 Mönsheim Müller; Norbert Dipl.-Ing. 7251 Weissach Stelter; Lothar Dipl.-Ing. 7143 Vaihingen Witte; Rainer Dipl.-Ing. Wüst (FH), 7135 Wiernsheim
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1986-04-24
Also published as: SE8504724D0; SE452291B; SE8504724L; JPS6198631A; GB2167718A; GB2167718B; FR2571669B1; IT8522405A0; GB8525258D0; DE3437435C2; IT1200766B; US4754835A; FR2571669A1

Description

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Anordnung zur Steuerung der Kraftübertragung eines vierradangetriebenen Fahrzeuges

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei Kraftfahrzeugen erweist sich ein Antriebssystem mit lediglich zwei angetriebenen Achsen bei schlechten Fahrbahnverhältnissen häufig als unzureichend traktionsfähig bei der Fahrzeugbeschleunigung. Aufgrund dessen werden Kraftfahrzeuge, auch Hochleistungs- und Geländefahrzeuge, häufig mit einem permanenten Vierradantrieb ausgestattet. Das Fahrverhalten derartiger Fahrzeuge ist in der Regel verbesserungswürdig, insbesondere was die Lenkbarkeit und das Umfahren enger Biegungen betrifft. Ferner führen die guten Vortriebswerte mitunter zur Überbewertung des Gesamtfahrverhaltens des Fahrzeuges, was zu kritischen FahrSituationen führen kann, insbesondere dann, wenn das Fahrzeug - trotz Vortrieb - nicht mehr entlang einem vorgegebenen Kurvenverlauf steuerbar ist. Ein "Abfangen" des Fahrzeuges, das bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen durch Hervorrufen eines gezielten Lastwechsels oder durch Ziehen einer Hinterachs-Feststellbremse auch von weniger geübten Fahrern erreicht werden kann, ist damit nicht möglich.

Zur Verbesserung der Traktion wird in der US-PS 3 411 601 vorgeschlagen, eine Drehmomentzuteilung eines von einer Brennkraftmaschine erzeugten Antriebsmoments auf zwei angetriebene Achsen vorzunehmen, um die durch unterschiedliche Fahrbedingungen entstehenden Belastungen der Radantriebsachsen, und damit der maximal aufbringbaren Zugkräfte, Rechung zu tragen.

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Dies erfolgt dort allerdings nur abhängig von der Fahrzeugbeschleunigung (bzw. geschwindigkeits- oder gangabhängig), so daß sich keine Verbesserung des Kurvenfahrens ergibt. Außerdem ist der mechanische Aufwand beträchtlich, da jeweils zwei hydrodynamische Drehmomentwandler und Getriebe notwendig sind.

Ein Abschalten einer Sperrvorrichtung für Ausgleichsgetriebe von Kraftfahrzeugen in Abhängigkeit vom Lenkungseinschlag ist bereits aus der DE-PS 459 638 bekannt.

Damit wird zwar die Lenkbarkeit des Fahrzeugs erheblich verbessert, ein abruptes Abschalten der Sperre kann jedoch bei schlechten Fahrbahnverhältnissen zu einem unerwartet instabilen Fahrverhalten des Fahrzeugs durch den durch die Trägheit des Antriebssystems entstehenden Ruck führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Steuerung der Kraftübertragung auf die Achsen eines vierradgetriebenen Kraftfahrzeuges zu schaffen, durch die - unter Beibehaltung eines einfachen mechanischen Aufbaus - bei verhältnismäßig geringer Anzahl an sensorisch erfaßten Betriebs- und " Fahrparametern und geringem steuerungstechnischen Aufwand erreicht wird, daß die traktionsbedingten Vorteile des Vierradantriebs mit den Vorteilen des Fahrverhaltens des Zweiradantriebs kombiniert werden, ohne deren jeweilige Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Vorteile der Erfindung sind hauptsächlich in der geringen Anzahl und der guten Meßbarkeit der erfaßten Signale, dem geringen steuerungstechnischen Aufwand, dem einfachen mechanischen Aufbau, sowie der darin begründeten Verbesserung der Traktion und des Fahrverhaltens zu sehen. Die automatische

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Steuerung der Kraftübertragung erlaubt es dem Fahrer, sich weitestgehend auf das Fahren zu konzentrieren und in speziellen Fahrzuständen gegebenenfalls zusätzlich in die Steuerung einzugreifen. Ferner wird mit der Anordnung erreicht, daß der Reifenverschleiß bei Vierradantrieb verringert und die mechanische Belastung der Aggregate der Kraftübertragung, z. B. durch Verspannungen, in Grenzen gehalten wird und daß eine gute Laufleistung aller Komponenten der Anordnung gewährleistet ist.

Die Erfindung ist beispielhaft anhand von Zeichnungen erläutert und wird nachstehend näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schemabild einer Antriebseinheit eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Steuergeräts mit Eingangs- und Ausgangsgrößen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines auf einem Steuergerät zur Steuerung einer Längskupplung implementierten Steuerverfahrens,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren, auf einem Steuergerät zur Steuerung einer Längskupplung implementierten Steuerverfahrens,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Kombination der Steuerverfahren nach Fig. 3 und Fig. 4 mit einer Erweiterung zur zusätzlichen Steuerung von Differentialen an einer Hauptantriebsachse und einer Zusatzantriebsachse,

Fig. 6 ein Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm.

In Fig. 1 ist mit 1 ein allradangetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Hauptantriebsachse 2 (Hinterachse) und einer Zusatzantriebsachse 3 (Vorderachse) bezeichnet. Z. B. im Bereich der Hauptantriebsachse 2, hier im Heckbereich des Kraftfahrzeugs 1, ist eine Brennkraftmaschine 4 angeordnet, die über eine Kupplungs-Getriebe-Einheit 5 ein kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbares Querdifferential 6 der Hauptantriebsachse 2

und zusätzlich über eine kontinuierlich steuerbare Längskupplung 7 ein Differential 8 der Zusatzantriebsachse 3 antreibt. Dieses ist in einer einfachen Ausführung als übliches Differentialgetriebe ausgeführt; es kann aber auch ein selbstsperrendes oder kontinuierlich in seinem Sperrinoment steuerbares Differentialgetriebe sein. Räder 9, 10 an der Zusatzantriebsachse 3 sind lenkbar ausgeführt, während Räder 11, 12 der Hauptantriebsachse 2 nicht lenkbar sind. Stellglieder 13, 14 zur Betätigung von einer Sperre des Querdifferentials 6 und der Längskupplung 7 sind lediglich symbolisch eingezeichnet, ebenso ein gestrichelt eingezeichnetes Stellglied 15 einer Sperre des Differentials der Zusatzantriebsachse 3, das nur im Falle eines kontinuierlich in seinem Sperrmoment steuerbaren Differentials benötigt wird; die Stellglieder können an den Aggregaten angeflanscht, teilweise oder ganz in diese integriert oder wenigstens teilweise außerhalb dieser angeordnet und mit diesen mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch verbunden sein.

Das in Fig. 2 gezeigte Steuergerät 16 mit seinen Ein- und Ausgangsgrößen stellt eine Maximalkonfiguration dar, bei der außer dem Stellglied 14 der Längskupplung 7 auch noch das Stellglied 13 des Querdifferentials 6 und das Stellglied 15 des Differentials 8 angesteuert werden. Auch von den angeschlossenen Sensoren reicht bereits eine bestimmte Anzahl für ein gutes Funktionieren der Anordnung aus.

Es ist dabei angenommen, daß die Stellglieder linear wirken und eventuell mit unterlagerten Regelkreisen versehen sind. Selbstverständlich können die Regelkreise auch im Steuergerät 16 implementiert sein. Eventuelle Rückführungen von Meßwerten sind dabei nicht gezeigt. Ohnehin sind die in den Darstellungen gezeigten Verbindungen zwischen Funktionsblöcken eher als Wirkungslinien zu sehen.

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Das Steuergerät 16 ist dabei bevorzugt auf der Basis eines Mxkrorechnersystems aufgebaut. Der Aufbau des Steuergeräts entspricht einer üblichen Prozeßrechnerkonfiguration mit Zentraleinheit, flüchtigen und nicht flüchtigen Speichern (RAM und ROM), Eingangs- und Ausgangsbausteinen, Zeitgebern usw.; daher wird auf den Aufbau nicht näher eingegangen.

An das Steuergerät 16 angeschlossen ist ferner ein Display 17, das im Armaturenbrettbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet ist und einem Fahrer Informationen über einen augenblicklichen Zustand der Anordnung anzeigt, z. B., welche Differentialsperre zu wieviel Prozent betätigt ist und zu welchem Prozentsatz die Längskupplung das Antriebsmoment auf die Vorderachse aufteilt; ebenso können mögliche Fehler in der Anordnung angezeigt werden.

Eine, eine Steuergröße r abgebende Verstelleinheit 18 läßt eine gezielte Beeinflussung des Steuerverfahrens zu, die teils vom Fahrer und, teils nur von einem Servicepersonal vorgenommen werden können. Es soll dem Fahrer z. B. ermöglicht werden, bestimmte Steuerverfahren in Abhängigkeit von einem Fahrbahnzustand anzuwählen; bei einem in Schnee oder losem Untergrund festgefahrenen Fahrzeug kann es z.B. sinnvoll sein, einen starren Durchtrieb zur Zusatzantriebsachse und gegebenenfalls ein vollständiges Sperren der Differentiale einzustellen. Eine eventuelle sensorische Erfassung eines Reibwerts zwischen Rädern und einer Fahrbahn sei ebenfalls der Verstelleinheit 18 zugeordnet.

Das Wort sensorisch ist hier nicht unbedingt nur im eventuellen alleinigen Erfassen einer Meßgröße oder in einem Umwandeln der Meßgröße in eine andere physikalische Größe zu sehen, es kann auch ein Verarbeiten oder Vorverarbeiten einer oder mehrerer erfaßter Größen bedeuten.

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Zur Berechnung einer - intern benötigten - Solleistung Ps erhält das Steuergerät 16 von einem Motordrehzahlmesser 19 ein Motordrehzahlsignal nm und entweder ein Fahrpedalsignalip von einem Fahrpedalgeber 20 oder ein Drosselklappenwinkelsignal α von einem Drosselklappenwinkelgeber 21 und im Falle einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, von einem Ladedruckgeber

22 ein Ladedrucksignal pm und von einem Ladelufttemperaturgeber

23 ein Ladelufttemperatursignal Tl.

Eine Erfassung eines Lenkeinschlags durch einen Lenkwinkelgeber

24 ist in den Grundversionen nicht vorgesehen, da das Steuergerät auch ohne ein Lenkeinschlagsignal θ ein hervorragendes Fahrverhalten gewährleistet; es wird lediglich zum Erreichen einer letzten Verfeinerung benötigt und sei deshalb nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

Von den, den Rädern 9 und 10 zugeordneten Gebern 25 und 26 sowie den, den Rädern 11 und 12 zugeordneten Gebern 27 und 28 erhält die Steuereinheit 16 Signale vfl, vfr, vrl und vrr, die den Geschwindigkeiten dieser Räder an Zusatz- und Hauptantriebsachse 3, 2 entsprechen.

Diese Signale werden auch für ein Steuergerät eines Antiblockierbremssystems (ABS) benötigt, so daß ihre Signalerfassung bei Fahrzeugen, die mit einem derartigen System ausgerüstet sind, auch gemeinsam erfolgen kann, d. h., sie werden von einem der beiden Systeme erfaßt und dem anderen zur Verfügung gestellt.

Am Steuergerät 16 ist ein externes Bussystem 28 vorgesehen, über das das Steuergerät mit anderen, im Fahrzeug zu Steuerungs-Meß- und Informationszwecken eingesetzten Digitalrechnersystemen, beispielsweise einem Steuergerät eines ABS oder einem Motormanagementrechner (Digitale Motorelektronik), kommunizieren kann.

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Dem System kann ferner ein Verzögerungssignal -b von dem Steuergerät eines ABS oder eines Bremslichtschalters zugeführt werden, worauf das Steuergerät 16 bei einem Fahrzeug, das mit einem ABS ausgerüstet ist, wenigstens das Stellglied 14 der Längskupplung 7 soweit absteuert, daß das ABS einen auftretenden Bremsschlupf sicher erfassen und regelnd in die Dosierung der Bremskraft einwirken kann.

Bei Fahrzeugen ohne ABS kann es auch sinnvoll sein, die Stellglieder 13 bis 15 beim Bremsen voll anzusteuern, um ein Überbremsen einzelner Räder oder Achsen zu vermeiden.

An das Steuergerät 16 können ferner Druckgeber 31, 32 und 33 angeschlossen werden, die Signale entsprechend den Steuerdrücken pq, pi, pd am Ausgang der Stellglieder 13 bis 15 zu Regelungs-, überwachungs- oder Anzeigezwecken abgeben.

Das in Fig. 3 dargestellte Blockschaltbild zeigt ein Steuerverfahren zur Ansteuerung der Längskupplung 7 entsprechend dem Anspruch 1. Dabei wird über ein Drosselklappenwinkel-Drehzahl-Kennfeld 34 aus dem Motordrehzahlsignal nm und dem Drosselklappenwinkelsignal α oder dem Fahrpedalsignal φ eine vom Fahrer vorbestimmte Solleistung Ps bei einer augenblicklichen Motordrehzahl bestimmt. Bei Motoren, die z. B. mit Turboladern ausgerüstet sind, werden dem Kennfeld 34 zusätzlich ein Ladedruck- und ein Ladelufttemperatursignal pm und Tl zugeführt. Im Falle eines mit einer digitalen Motorelektronik zur Steuerung von Zündung und Einspritzung versehenen Kraftfahrzeugs, kann dieser in der Regel bereits ein Signal entsprechend dem Betrag der Solleistung |Ps| entnommen werden.

über eine mit einer Konstanten C₁ gewichteten Mittelwertbildung 35 wird aus den Radgeschwindigkeitssignalen vfl und vfr eine einer Fahrgeschwindigkeit entsprechende Geschwindigkeit vf der Räder an der Zusatzantriebsachse bestimmt. Daraus und aus der

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Solleistung Ps oder dem Betrag I PsI wird über einen zweiten funktioneilen Zusammenhang f₂(Ps, vf) 36, der weiter unten anhand eines Diagramms näher erläutert wird, ein Betrag einer Sollzugkraft IFzsI an der Zusatzantriebsachse ermittelt. Aus diesem und einem Fahrwiderstand Fv an der Zusatzantriebsachse wird mittels einer Differenz 37 mit Betragsbildung ein Betrag eines ZugkraftüberSchusses Iäf|, und daraus über ein erstes Kennfeld 38 ein zweiter Steuerwert pl¹¹ bestimmt, der über einen ersten funktionellen Zusammenhang f^ipl¹¹, r, pl¹) 39 in eine Steuergröße pl zur Ansteuerung des Stellglieds 14 der Längskupplung gewandelt wird; der Fahrwiderstand Fv an der Zusatzantriebsachse wird dabei über eine Fahrwiderstandskennlinie 40 aus der Geschwindigkeit vf bestimmt. Der erste funktionelle Zusammenhang kann noch von weiteren Größen, etwa von der Steuergröße r von der Verstelleinheit 18 angesteuert sein und/oder einem ersten Steuerwert pl¹, der aber hier zu Null gesetzt sein soll und nachfolgend noch erläutert wird. Im einfachsten Fall besteht der erste funktionelle Zusammenhang f₁(pl¹, r, pl¹) 39 in einer konstanten Übersetzung einer seiner Eingangsgrößen in die Ausgangsgröße (Steuergröße) pl, kann aber auch eine gewichtete Addition der Eingangsgrößen oder eine ■ gewichtete Maximalwertauswahl aus ihnen sein.

Am Rande sei vermerkt, daß der Begriff "Kennfeld" als Oberbegriff für einen digitalisierten, (d. h., an Stützstellen erfassten) in einem Speicherbereich abgelegten funktionellen Zusammenhang zu sehen ist, der im einfachsten Fall eine Konstante, weiter eine Kennlinie oder eine von einem oder mehreren Parametern veränderliche Kennlinie oder sogar ein von mehreren Kenngrößen abhängiges mehrdimensionales Kennfeld umfassen kann, wobei bei Werten zwischen den Stützstellen jeweils quantisiert oder interpoliert wird.

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Wird der zweite Steuerwert pl" über das erste Kennfeld 38 lediglich aus einer unabhängigen Variablen, - dem Betrag des Zugkraftüberschusses I Δ Fl bestimmt, so erweist sich eine Kennlinie als günstig, die entweder konstant oder (linear) ansteigend ist oder die für kleine Werte der unabhängigen Variablen einem konstanten Grundwert ρΙ'Ίηχη für größere Werte der unabhängigen Variablen einen anwachsenden und für noch höhere Werte der unabhängigen Variablen wieder einen konstanten, einem Maximalwert pl^max der abhängigen Variablen pl¹¹ entsprechenden Wert aufweist.

Falls zusätzlich die Steuergröße r mit verarbeitet wird, kann eine Kennlinie (bzw. ein Kennfeld) des ersten Kennfeldes 38 abhängig von r in Form, Grundwert ρΙ'Ίηχη, Steigung oder Maximalwert pl''max verändert werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres, eigenständiges Steuerverfahren zur Steuerung der Längskupplung 7 entsprechend Anspruch 2, das jedoch sinnvoll mit dem Steuerverfahren nach Fig. 3 kombinierbar ist, wie dies in Fig. 5 noch näher erläutert wird. Die Mittelwertbildung 35 zur Gewinnung von vf und der erste funktionelle Zusammenhang 39 entsprechen den unter Fig. 3 beschriebenen Zusammenhängen, mit der Einschränkung, daß nun die Eingangsgröße pl¹¹ des ersten funktioneilen Zusammenhangs 39 zu Null gesetzt ist und dieser mit dem ersten Steuerwert pl¹ beaufschlagt wird.

über eine, mit einer Konstanten C₂ gewichteten Mittelwertbildung 41 wird aus den Radgeschwindigkeitssignalen vrl und vrr eine Geschwindigkeit vr der Räder an der Hauptantriebsachse 2 bestimmt. Aus einer mit der Konstanten C₃ gewichteten Differenz 42 der Geschwindigkeiten von Zusatz- und Hauptantriebsachse vf und vr resultiert eine Drehzahldifferenz Δηΐ an einer Eingangs- und Ausgangswelle der Längskupplung, die durch

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Potenzierung, vorzugsweise Quadratbildung 43 und Multiplikation 44 mit einem Faktor k.. zum ersten Steuerwert pl' zusammengesetzt wird.

Der Faktor k- kann entweder konstant gewählt werden oder über ein zweites Kennfeld 45 aus vf und/oder dem Lenkeinschlagsignal -3- ermittelt werden.

Im Falle eines konstanten Faktors k. entspricht die Ansteuerung der Längskupplung einer Fliehkraftregelung der Drehzahldifferenz Δηΐ an der Längskupplung (Kupplungsschlupf).

Wird k₁ allein aus der Geschwindigkeit vf bestimmt, so besteht das zweite Kennfeld aus einer Kennlinie, die mit wachsender Geschwindigkeit vf ansteigt. Wird zusätzlich das Lenkeinschlagsignal -θ- mit überwacht, wird die Ausgangsgröße k.. des zweiten Kennfelds bei wachsendem Betrag des Lenkeinschlags relativ stark reduziert, um eine gute Lenkbarkeit des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.

Eine Kombination der Steuerverfahren nach Fig. 3 und Fig. 4- bzw. ihrer Ausgangsgrößen pl¹' und pl¹ und ihrer gemeinsamen Verarbeitung, eventuell noch mit der Steuergröße r, mittels des ersten funktionellen Zusammenhangs f^(pl^!l, r, pl¹) 39 ist in Fig. 5 dargestellt.

Das Steuerverfahren nach Fig. 4 stellt dabei einen "Überdrehschutz" (Begrenzung des KupplungsSchlupfs Δηΐ) dar und ist daher äußerst sinnvoll und in der Kombination noch wirksamer zum Erreichen eines guten Fahrverhaltens, als eines der Verfahren für sich alleine.

Ebenfalls gezeigt sind Funktionsblöcke 46 und 47 zur Ansteuerung eines kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbaren Querdifferentials 6 der Hauptantriebsachse 2 und eines kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbaren Differentials 8 der Zusatzantriebsachse 3.

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Dabei ist der funktionelle Ablauf zur Bestimmung einer Sperrmomentsteuergröße mq zur Ansteuerung des Querdifferentials 6 und einer Sperrmomentsteuergröße mqf zur Ansteuerung des Differentials 8 weitgehend identisch mit dem zur Bestimmung des ersten Steuerwerts pl'; allerdings erfordern die entsprechenden Kennfelder und Kenngrößen eine andere, insbesondere auch fahrzeugspezifische Anpassung.

Aus einer Differenz 48 und 49 der Radgeschwindigkeitssignale vrl und vfr an der Hauptantriebsachse bzw. vfl und vfr an der Zusatzantriebsachsachse resultiert eine Drehzahldifferenz Anq an den Ausgangswellen des QuerdifferentiaIs 6 bzw. Anqf an den Ausgangswellen des Differentials 8, die durch Potenzierung, vorzugsweise Quadratbildung 50 bzw. 51 und Multiplikation 52 und 53 mit einem Faktor k_ bzw. k₃ zu den Sperrmomentsteuergrößen mq bzw. mqf zusammengesetzt werden.

Die Faktoren k_ bzw. k₃ können hierbei wieder konstant gewählt oder über ein drittes Kennfeld 54 bzw. ein viertes Kennfeld jeweils aus der Drehzahldifferenz AnI an der Eingangs- bzw. an der Ausgangswelle der Längskupplung und/oder der Soll- · leistung Ps und/oder der Geschwindigkeit vf der Räder an der Zusatzantriebsachse und/oder dem Lenkeinschlagsignal -fr bestimmt werden. Hierbei wird der Faktor k₂ bzw. k₃ mit wachsenden Beträgen der Drehzahldifferenz Δηΐ an der Längskupplung, der Solleistung Ps und der Geschwindigkeit vf zunehmen und mit wachsendem Betrag des Lenkeinschlags, insbesondere an der Achse mit gelenkten Rädern, relativ stark abnehmen. Das dritte Kennfeld und das vierte Kennfeld, sowie Anzahl und Auswahl der Eingangsgrößen können dabei unterschiedlich sein.

Die Konstanten C₁ bis C₅, der erste und zweite funktionelle Zusammenhang 39 bzw. 36 und das erste bis vierte Kennfeld 38, 45, 54 und 55 sind nur allgemein angegeben, da sie einer unterschiedlichen Anpassung an einen jeweiligen Fahrzeugtyp

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bedürfen. Hierbei liegen die Konstanten c. bis C₅ jeweils durch Raddurchmesser und Übersetzungsverhältnisse fest. Für die Auslegung der funktionellen Zusammenhänge und der Kennfelder ist die Angabe eines Beispiels dagegen wenig sinnvoll, weshalb lediglich Richtlinien angegeben werden, mit denen diese problemlos an die unterschiedlichen Fahrzeuge anpassbar sind.

Lediglich auf den zweiten funktionellen Zusammenhang f-iPs, vf) 36 zur Bestimmung des Betrags der Sollzugkraft|Fzsl aus der Solleistung Ps und der Geschwindigkeit vf der Räder an der Zusatzantriebsachse soll näher eingegangen und anhand eines Geschwindigkeits-Zugkraftdiagramms nach Fig. 6 erläutert werden.

Rein mathematisch gesehen errechnet sich die Sollzugkraft Fzs aus einer Division der Solleistung Ps durch die Geschwindigkeit vf. Für Geschwindigkeiten vf gegen Null geht dann aber die Sollzugkraft Fzs gegen unendlich, was aus physikalischen Gründen für eine Sollwertvorgabe nicht plausibel ist (maximale Zugkraft durch Haftreibungsgrenze zwischen Rad und Straße begrenzt). Ferner ist die sich bei vf = Null ergebende Division durch Null in der Rechnertechnik nicht erlaubt und führt im allgemeinen zu einem Programmabbruch.

In dem Geschwindigkeits-Zugkraftdiagramm sind Geschwindigkeits-Zugkraft-Kennlinien von Gangstufen 1 bis 5 (56 bis 60) einer Zusatzantriebsachse eines Fahrzeuges dargestellt, die die maximal möglichen Zugkräfte der Räder an der Zusatzantriebsachse eines Fahrzeugs in den einzelnen Gangstufen bei entsprechenden Geschwindigkeiten vf darstellen. Der höchste, überhaupt mögliche Wert der Zugkraft Fzfmax der Räder an der Zusatzantriebsachse ergibt sich bei einer Geschwindigkeit vfmin auf der Kennlinie 56 der Gangstufe 1. Ein gestrichelt gezeichneter senkrechter Übergang von einer Kennlinie auf die nächste symbolisiert einen notwendigen Schaltvorgang bei Erreichen einer Maximaldrehzahl des Motors.

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Kennlinien 61 bis 67 geben eine, einer bestimmten Leistung Ps = konstant bei einer bestimmten Geschwindigkeit vf zugehörige Zugkraft an. Sie sind hyperbelförmig, da sich die Zugkraft ja aus der Division der Solleistung Ps durch die Geschwindigkeit vf ergibt; die Kennlinie 61 kann z.B. einer Zugkraft bei maximal möglicher Motorleistung entsprechen.

Die Leistungskennlinie 63 stellt eine Einhüllende der Geschwindigkeits-Zugkraft-Kennlinien 54 bis 60 dar und kann daher als maximal mögliche Zugkraft Fzfmax der Räder an der Zusatzantriebsachse gelten.

Die Berechnung der Sollzugkraft Fzs aus der Division der Sollleistung Ps durch die Geschwindigkeit vf ist aber für Beträge von Geschwindigkeiten kleiner vfmin aus oben besagten Gründen nicht mehr sinnvoll, so daß dort besser ein konstanter, lediglich von der Solleistung abhängiger Wert als Ausgangswert des zweiten funktionellen Zusammenhangs 36 ausgegeben wird, insbesondere dann, wenn der Verteilungsfaktor df lediglich aus dem Betrag der Sollzugkraft |Fzs| ermittelt wird. Es ist zweckmäßig, den Ausgangswert des zweiten funktionellen Zusammenhangs f_(Ps,vf) auf einen Wert Fzsmax zu beschränken, der dem höchstmöglichen Wert der Zugkraft Fzfmax der Räder an der Zusatzantriebsachse bei einem Maximalwert des zweiten Steuerwerts pl^max entspricht. Diese beiden Sachverhalte äußeren sich in den abknickenden (waagerecht verlaufenden) Teilen der Kennlinien 64 bis 67 für die Zugkraft Fzf der Räder an der Zusatzantriebsachse bei Ps = konstant. Andernfalls würde am Ausgang der Subtraktion 37 ein Maximalwert des Betrags des ZugkraftüberSchusses |Δ Fl anstehen, der einen starren Durchtrieb zur Vorderachse erzeugen würde, womit letztendlich das Fahrzeug beim Anfahren oder Rangieren nahezu unlenkbar würde.

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Selbstverständlich ist die Anordnung auch zu einer Ansteuerung eines steuerbaren Verteilergetriebes bzw. eines kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbaren Zwischenachsdifferentials mit dem Steuerwert pl geeignet, insbesondere mittels der Anordnung nach Anspruch 2.

Der Betrag der Sollzugkraft |Fzsf , der Fahrwiderstand Fv, sowie der erste, zweite und dritte Faktor k.. , k₂ und k₃ werden üblicherweise aus der Fahrgeschwindigkeit ermittelt. Da allerdings an der Zusatzantriebsachse seltener Schlupf auftreten dürfte als an der Hauptantriebsachse, kann die Fahrgeschwindigkeit der Geschwindigkeit der Räder an der Zusatzantriebsachse gleichgesetzt werden. Dies schließt jedoch nicht aus, daß die Fahrgeschwindigkeit auch auf anderem Wege bestimmt werden kann, etwa durch berührungslos messende Sensoren oder durch Mittelwertbildung über die Geschwindigkeiten aller Räder. Ebenso kann der Wert im Verlauf des Rechenverfahrens auf Plausibilität überwacht und im Falle nicht plausibler Werte auch geschätzt oder korrigiert werden.

Claims

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Patentansprüche

M J Anordnung zur Steuerung der Kraftübertragung auf die Achsen eines allradgetriebenen Kraftfahrzeuges, mit einer, mit einem Querdifferential versehenen Hauptantriebsachse und einer, über eine mit einem Stellglied kontinuierlich steuerbaren Längskupplung angetriebenen Zusatzantriebsachse, dadurch gekennzeichnet, daß ein, vorzugsweise mit einem Mikrorechner ausgerüstetes Steuergerät (16) Eingangssignale von einem Motordrehzahlmesser (19), einem Fahrpedal- (20) oder Drosselklappenwinkel- (21) und/oder Ladedruck- (22) und/ oder Ladelufttemperatur- (23) und/oder Lenkwinkelgeber (24) und von einer Verstelleinheit (18) erhält sowie von Gebern (25 bis 28), die Eingangssignale entsprechend den Geschwindigkeiten der Räder (9 bis 12) an Haupt- (2) und Zusatzantriebsachse (3) abgeben, und eine Steuergröße (pl) zur Ansteuerung des Stellgliedes (14) der Längskupplung (7) so erzeugt, daß sie in einem ersten funktioneilen Zusammenhang (f^ipl¹¹, r,pl')) (39) mit wenigstens einem, über ein erstes Kennfeld (38) aus einem Betrag eines Zugkraftüberschusses ( IAF]) bestimmten zweiten Steuerwert (pl¹¹) steht, wobei der Betrag des Zugkraftüberschusses (IAFI) aus einer Differenz (37) eines, aus der augenblicklichen Fahrgeschwindigkeit (vf) über eine Fahrwiderstandskennlinie (40) bestimmten Fahrwiderstands (Fv) und einer, über einen zweiten funktioneilen Zusammenhang (f_ (Ps, vf)) (36) aus einer Solleistung (Ps) und einer augenblicklichen Fahrgeschwindigkeit (vf) bestimmten Betrags der Sollzugkraft (I Fzs I) berechnet wird.
2. Anordnung zur Steuerung der Kraftübertragung auf die Achsen eines allradgetriebenen Kraftfahrzeugs, mit einer, mit einem Querdifferential versehenen Hauptantriebsachse und einer, über

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eine, mit einem Stellglied kontinuierlich steuerbaren Längskupplung angetriebenen Zusatzantriebsachse, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein, vorzugsweise mit einem Mikrorechner ausgerüstetes Steuergerät (16) Eingangssignale von einem Motordrehzahlmesser (19), einem Fahrpedal-(20) oder Drosselklappenwinkel- (21) und/oder Ladedruck- (22) und/oder Ladelufttemperatur (23) und/oder Lenkwinkelgeber (24) und von einer Verstelleinheit (18) erhält sowie von Gebern (25 bis 28), die Eingancssignale entsprechend den Geschwindigkeiten an Haupt- (2) und Zusatzantriebsachse (3) abgeben, und eine Steuergröße (pl) zur Ansteuerung des Stellglieds (14) der Längskupplung so erzeugt, daß sie in einem ersten funktioneilen Zusammenhang (f.. (pl¹¹, r,pl)) (39) mit wenigstens einem ersten Steuerwert (pl¹) steht, der einer, mit einem ersten Faktor (k..) versehenen Potenz (44, 43) einer Drehzahldifferenz (Δηΐ) an einer Eingangs- und einer Ausgangswelle der Längskupplung (7) entspricht.
3. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste funktioneile Zusammenhang (f^ipl¹¹, r, pl¹)) (39) in einer gewichteten Summe aus dem . ersten Steuerwert (pl') und/oder dem zweiten Steuerwert (pl'') und/oder einer Steuergröße (r) von der Verstelleinheit (18) besteht.
4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste funktioneile Zusammenhang (f.jipl¹¹, r,pl')) (39) in einer Maximalwertauswahl aus dem ersten Steuerwert (pl¹) und/oder dem zweiten Steuerwert (pl¹¹) und/oder einer Steuergröße (r) von der Verstelleinheit (18) besteht.
5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste funktionelle Zusammenhang U₁ (pl", r,pl')) (39) in einer zusätzlichen, übergeordneten Ausgabe wenigstens eines von der Verstelleinheit (18) ansteuerbaren Grundwerts oder eines Maximalwertes (voller Durchtrieb zur Zusatzantriebsachse (3)) besteht.

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6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 , 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite funktioneile Zusammenhang (f~ (Ps, vf)) (36) für Fahrgeschwindigkeiten (vf), die dem Betrag nach größer als eine Geschwindigkeit (vfmin) sind, in einer Division einer augenblicklichen Solleistung (Ps) durch eine augenblickliche Fahrgeschwindigkeit (vf), und bei Fahrgeschwindigkeiten (vf), die dem Betrag nach kleiner als eine Geschwindigkeit (vfmin) sind, in einer Division einer augenblicklichen Solleistung (Ps) durch die Geschwindigkeit (vfmin) besteht, wobei in beiden Fällen der Ausgangswert des zweiten funktioneilen Zusammenhangs (f₂(Ps, vf)) (36) auf einen Maximalwert (Fzsmax) begrenzt ist.
7. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kennfeld (38) eine Kennlinie umfaßt, die als unabhängige Variable den Betrag des Zugkraftüberschusses ( IAFJ) aufweist und bei einer unabhängigen Variablen nahe gleich Null einen, einem Grundwert entsprechenden zweiten Steuerwert (pl¹'min), bei Ansteigen der unabhängigen Variablen einen zunächst ansteigenden und bei noch höheren unabhängigen Variablen einen, einem Maximalwert (pl''max) entsprechenden zweiten Steuerwert (pl'') als abhängige Variable aufweist.
8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1,3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kennfeld (38) zusätzlich von der Verstelleinheit (18) beeinflußt wird und in Abhängigkeit von dieser Grundwert und/oder Steigung und/oder Maximalwert verändert werden.
9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das erste Kennfeld (38) aus Kennlinien zusammensetzt, deren unabhängige Variable der

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Betrag des Zugkraftüberschusses ( LAFl) und deren abhängige Variable der zweite Steuerwert (pl¹¹) ist und die entweder konstant oder linear ansteigend in der unabhängigen Variablen oder bei kleinen Werten der unabhängigen Variablen zunächst konstant entsprechend einem Grundwert (pl''min) der abhängigen Variablen und für höhere Werte ansteigend und für noch höhere Werte der unabhängigen Variablen wieder konstant entsprechend einem Maximalwert (pl^max) der abhängigen Variablen sind, und daß die Kennlinien abhängig von der Verstelleinheit (18) anwählbar bzw. in Form, Grundwert, Steigung, Maximalwert und Betrag veränderbar sind.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert (pl''max) zu einer Ansteuerung der Längskupplung derart führt, daß die Zugkraft auf die Achsen entsprechend einem Verhältnis einer stationären Achslastverteilung aufgeteilt wird.
11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Faktor k1 über ein zweites Kennfeld (44) aus der Fahrgeschwindigkeit (vf) und/oder der Sollleistung (Ps) und/oder dem Lenkeinschlagsignal ( $ ) bestimmt wird und der Faktor (k..) bei wachsenden Werten des Betrags der Fahrgeschwindigkeit (|vf|) und des Betrags der Solleistung (IPsI) zunimmt und bei wachsenden Werten des Betrags des Lenkeinschlagsignals (\$\ ) abnimmt.
12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Querdifferential (6) kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbar ist und das Steuergerät (16) eine Sperrmomentsteuergröße (mg) des Querdifferentials (6) so steuert, daß es einer, mit einem zweiten Faktor (k₂) versehenen Potenz (52, 50) einer Drehzahldifferenz ( Anq) an den Ausgangswellen des Querdifferentials (6) entspricht.

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13. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzantriebsachse (3) mit einem selbstsperrenden Differential ausgerüstet ist.
14. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzantriebsachse (3) ebenfalls mit einem, kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbaren Differential (8) versehen ist und das Steuergerät (16) eine Sperrmomentsteuergröße (mqf) des Differentials (8) so steuert, daß es einer, mit einem dritten Faktor (k,) versehenen Potenz (53, 51) einer Drehzahldifferenz ( Anq) an den Ausgangswellen des Differentials (8) entspricht.
15. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Faktor (k^) über ein drittes Kennfeld (54) aus der Drehzahldifferenz (Δηΐ) an der Längskupplung (7) und/oder der Fahrgeschwindigkeit (vf) und/ oder der Sollleistung (Ps) und/oder dem Lenkeinschlagsignal (-9- ) bestimmt wird und der Faktor (k~) bei wachsenden Werten des Betrags der Drehzahldifferenz (|Δη1| ) , des Betrags der Fahrgeschwindigkeit (|vf|) und des Betrags der Solleistung . (IPsI) zunimmt und bei wachsenden Werten des Betrags des Lenkeinschlagsignals (I-frl) abnimmt.
16. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Faktor (k-J über ein viertes Kennfeld (55) aus der Drehzahldifferenz ( Δηΐ) an der Längskupplung und/oder der Fahrgeschwindigkeit (vf) und/oder der Solleistung (Ps) und/oder dem Lenkeinschlagsignal (-9- ) bestimmt wird und der Faktor (k₃) bei wachsenden Werten des Betrags der Drehzahldifferenz (ΙΔηΙΙ), des Betrags der Fahrgeschwindigkeit (Ivfl) und des Betrags der Solleistung (I PsI) zunimmt und bei wachsenden Werten des Betrags des Lenkeinschlagsignals (I -θ I) abnimmt.

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17. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kennfeld (38) von einem, von der Verstelleinheit sensorisch erfaßten Reibwert beeinflußt wird.
18. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinheit (18) Steuergrößen (r) entsprechend solchen Einstellungen abgibt, die teils von einem Fahrer und teils nur von einem Wartungspersonal veränderbar sind.
19. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (16) bei einem Fahrzeug, das in an sich bekannter Weise mit einem Antiblockierbremssystem (ABS) ausgerüstet ist, von dessen Steuereinheit oder von einem Bremslichtschalter (30) bei einem Bremsvorgang ein Signal (-b) erhält und wenigstens das Stellglied (14) der Längskupplung (7) wenigstens soweit absteuert, daß das ABS einen auftretenden Bremsschlupf sicher erfassen und regelnd in die Dosierung der Bremskraft einwirken kann.
20. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (16) bei Auftreten eines Signals (-b) von einem Bremslichtschalter (30) oder einem Verzögerungsgeber das Stellglied (14) der Längskupplung (7) und/oder das Sperrmoment der Differentiale (6, 8) von Haupt-

(2) und/oder Zusatzantriebsachse (3) voll aussteuert.
21. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Armaturenbrett des Kraftfahrzeuges ein Display (17) vorgesehen ist, auf dem ein aktueller Zustand der Anordnung dargestellt ist.

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22. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (16) über ein Bussystem (29) mit anderen, im Fahrzeug zu Steuerungs-, Meß- und Informationsverarbeitungszwecken eingesetzten Digitalrechnersystem kommuniziert.
23. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (16) zumindest teilweise in Hardwaretechnologie aufgebaut ist.
24. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (16) eine Selbsttestfunktion umfaßt und die Anordnung ständig auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft und die Anordnung gegebenenfalls in einen Zustand überführt, der eine Fahrbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet und Fehler gegebenenfalls auf dem Display anzeigt.
25. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung vom Fahrer über die Verstelleinheit (18) in einen definierten, von der Steuereinheit (16) unabhängigen Zustand überführt werden kann.
26. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Steuergröße (pl) ein steuerbares Verteilergetriebe oder ein, mit einem Stellglied kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbares Zwischenachsdifferential angesteuert wird, über das in an sich bekannter Weise die Haupt- (2) und Zusatzantriebsachse (3) angetrieben wird.
27. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrgeschwindigkeit (vf) aus einem Mittelwert der Geschwindigkeiten der Räder an der Zusatzantriebsachse ermittelt wird.