DE3437436C2 - Anordnung zur Steuerung der Kraftübertragung eines vierradangetriebenen Fahrzeuges - Google Patents

Abstract

Bei diesem Fahrzeug wird mittels einer Brennkraftmaschine über eine Kupplungs-Getriebe-Einheit eine Hauptantriebsachse direkt und eine Zusatzantriebsachse über eine kontinuierlich steuerbare Längskupplung angetrieben. Aus einer Solleistung und einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges wird eine Sollzugkraft aller Räder ermittelt, aus der mittels eines von Betriebs- oder Fahrparametern abhängigen Verteilungsfaktors eine Steuergröße zur Ansteuerung der Längskupplung gewonnen wird. Die Längskupplung kann ferner jeweils allein oder vorteilhaft auch in Kombination mit dieser Steuergröße durch eine weitere Steuergröße angesteuert werden, die mittels eines, mit von Betriebs- oder Fahrparametern abhängiger Gewichtung versehenen Quadrats einer Drehzahldifferenz an der Längskupplung bestimmt wird. Das damit erzielte Fahrverhalten ermöglicht eine gute Lenkbarkeit des Fahrzeugs bei maximaler Fahrsicherheit und Traktion.

Description

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 Hochleistungsund 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 fuhren die guten Vorbetriebswerte 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 3411601 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, Rechnung zu tragen.

Dies erfolgt dort allerdings nur abhängig von der Fahrzeugbeschleunigung (bzw. geschwindigkeits- oder gangabhängig), so daß sich keine Verbesserung des Kurvenverhaltens 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 459638 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 Tätigkeit des Antriebssystems entstehenden Ruck führen.

Eine Anordnung zur Regelung der Leistungsübertragung eines vierradangetriebenen Fahrzeugs geht aus der DE-OS 3313182 hervor. Die Anordnung sieht eine Erfassung der Winkelbeschleunigung an den Hauptantriebsrädern vor; überschreitet diese einen Bezugswert, ab dem ein Rutschen der Antriebsräder erfolgen kann, so erfolgt eine Zuschaltung der Zusatzantriebsachse. Da eine mögliche maximale Fahrzeugbeschleunigung mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit abnimmt, wird der Bezugswert zusätzlich geschwindigkeitsabhängig variiert.

Ferner ist mit der DE-OS 3312694 eine vergleichbare Anordnung bekannt geworden, bei der eine Zuschaltung der Zusatzantriebsräder jedoch dann erfolgt, wenn der Schlupf zwischen Haupt- und Zusatzantriebsrädem einen Bezugswert überschreitet, der vom Istzustand der Motorleistung abhängig ist. Damit soll der Tatsache Rechnung getragen werden, daß bei ansteigender Motorlast höhere Schlupfwerte auftreten können.

Nachteilig an diesen Lösungen ist, daß ein Zuschalten der zweiten Achse erst dann erfolgt, wenn ein Rutschen bereits eingetreten ist, wodurch sich, insbesondere bei Kurvenfahrt, ein instabiler Fahrzustand einstellt oder einstellen kann. Wird in einem derartigen Zustand zusätzlich durch das abrupte Zu- bzw. Abschalten des Zusatzantriebs eine das Fahrverhalten nachhaltig beeinflussende Veränderung im Antriebskonzept des Fahrzeugs vorgenommen, so kann sich der instabile Fahrzustand zusätzlich verschlechtern; das Fahrzeug ist dann auch von einem geübten Fahrer nicht mehr unter Kontrolle zu bringen.

Zur Verbesserung dieser Nachteile sieht das System zur Steuerung des Antriebsdrehmoments eines vierradangetriebenen Fahrzeuges nach der EP-A 00 76148 eine Zuschaltung der Zusatzantriebsräder in zwei Stufen mittels einer hydraulisch betätigten Mehrscheibenkupplung vor. Die Kupplungsscheiben sind hierbei über zwei Ringkolben unterschiedlichen Durchmessers mit einer mittleren und einer höheren Anpreßdruckkraft beaufschlagbar oder voneinander lösbar. Bei mittlerer Anpreßdruckkraft ist ein Rutschen der Kupplung möglich, sofern das Antriebsmoment einen für die Haftgrenze maßgeblichen Wert überschreitet. Die unterschiedlichen Druckstufen werden in Abhängigkeit von einem Lastsensor oder einem Überschreiten eines Schlupfgrenzwerts zwischen Haupt- und Zusatzantriebsrädern angesteuert.

Dadurch ist zwar die mit dem abrupten Umschalten von Zwei- auf Vierradantrieb (oder umgekehrt) auftretende Problematik etwas gemildert. Die — immer noch stufige — Umschaltung kann bei kritischen Fahrbahnzuständen dennoch zu einem unerwarteten Verlust der Beherrschung des Fahrers über sein Fahrzeug führen. Dies nicht zuletzt deshalb, weil ein Schlüpfen der Kupplung erst möglich ist, wenn das Antriebsdrehmoment höher als das Haftreibungsmoment der Kupplung ist, so daß sich eine zusätzliche (negative) Beeinflussung der Fahrdynamik ergibt.

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 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, aufeinem Steuergerät zur Steuerung einer Längskupplung implementierten Steuerverfahrens,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Kombination der Steuervcrlahren 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 ist ein allradangetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Hauptantriebsachse 2 (Hinterachse) und einer Zusatzantriebsachse 3 (Voderachse) 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 S 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 Sperrmoment 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 isl 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.

Das Steuergerät 16 ist dabei bevorzugt auf der Basis eines Mikrorechnersystems 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., weiche Differentialsperre zu wieviel Prozent betätigt ist und mit welchem Prozentsatz die Längskupplung das Antriebsmoment der Vorderachse zuteilt; ebenso können mögliche Fehler in der Anordnung angezeigt werden.

Eine eine Steuergröße /-abgebende Verstelleinheit 18 läßt eine gezielte Beeinflussung des Steuerverfahrens zu, die teils vom Fahrer und teils 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 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.

Zur Berechnung einer — intern benotigten — Sollleistung ft erhält das Steuergerät 16 von einem Motordrehzahlmesser 19 ein Motordrehzahlsignal nm und entweder ein Fahrpedalsignal φ 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 ϋ 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 v/7, vfr, v/7 und vrr, die den Geschwindigkeiten dieser Räder an Zusatz- und Hauptantriebsachse 3, 2 entsprechen.

Diese Signale werden auch für ein Steuergerät eines Antiblockierbrernssysterns {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 Verfugung gestellt.

Am Steuergerät 16 ist ein externes Bussystem 29 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.

Dem System kann ferner ein Verzögerungssignal ~b von dem Steuergerät eines ABS oder eines Bremslichtschalters 30 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-, Überwachungsoder 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 Drosselklappenwin-' kelsignal α oder dem Fahrpedalsignal φ eine vom Fahrer vorbestimmte Solleistung ftbei einer augenblicklichen Motordrehzahl bestimmt. Bei Motoren, die z.B. mit Turboladern ausgestattet sind, werden dem Kennfeld 34 zusätzlich ein Ladedruck- und ein Ladelufttemperatursignal pm und 77 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 I ftl entnommen werden.

Über eine mit einer Konstanten c\ gewichteten Mittelwertbildung 35 wird aus den Radgeschwindigkeitssignalen v/l und v/r eine, einer Fahrgeschwindigkeit entsprechende Geschwindigkeit v/der Räder an der Zusatzantriebsachse bestimmt. Daraus und aus der Solleistung Psoder deren Betrag wird über einen zweiten funktionellen Zusammenhang^ (Ps, vf) 36, der weiter unten anhand eines Diagramms näher erläutert wird, ein Betrag einer Sollzugkraft I Fzs\ ermittelt. Dieser wird über eine Multiplikation 37 mit einem Verteilungsfaktor d/ zu einer Zugkraft Fzf der Zusatzantriebsachse verknüpft, und über einen ersten funktionellen Zusammenhang β (Fzf, r, pH 38 in eine Steuergröße pl zur Ansteuerung des Stellglieds 14 der Längskupplung gewandelt. Der erste funktioneile Zusammenhang 38 kann noch von weiteren Größen, etwa von der Steuergröße rvon der Verstelleinheit 18 angesteuert sein und/ oder einem Steuerwert pl', der aber hier zu Null gesetzt sein soll und nachfolgend noch erläutert wird. Im einfachsten Fall besteht der erste funktioneile Zusammenhangy; (Fzf, r, pl') 38 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.

Der Verteilungsfaktor <#wird über ein erstes Kennfeld 39 entweder aus dem Betrag der Sollzugkraft I Fzs\ allein oder zusammen mit der Steuergröße r, oder aus der Sollleistung ft und der Geschwindigkeit v/ und/oder der Steuergröße r bestimmt. 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 mehre-Ten Parametern veränderliche Kennlinie oder sogar ein von mehreren Kenngrößen abhängiges mehrdimensionales Kennfeld umfassen kann, wobei bei Weiten zwischen den Stützstellen jeweils quantisiert oder interpoliert wird.

Zu erwähnen ist: Im Falle eines mit einem konstanten Wert ^multiplizierten Betrags der Sollzugkraft I Fzs\ bildet die Anordnung ein Verteilergetriebe mit einer festen Aufteilung des Antriebsmoments auf die angetriebenen Achsen nach (Simulation eines mechanischen Verteilergetriebes durch eine elektromechanische Anordnung mit einer steuerbaren Kupplung).

Wird der Verteilungsfaktor <#"überdas erste Kennfcld 39 lediglich aus einer unabhängigen Variablen - dem Betrag der Sollzugkraft IFzsI — bestimmt, so erweist sich eine Kennlinie als günstig, die entweder konstant oder (linear) ansteigend ist oder die für kleine Werte der unabhängigen Variablen einen konstanten, einem Grundwert d/min, für größere Werte der unabhängigen Variablen einen, einem anwachsenden und für noch höhere Werte der unabhängigen Variablen wieder einen konstanten, einem Maximalwert d/max entsprechenden Wert der abhängigen Variablen aufweist.

Bei Verwendung der Solleistung Ps und der Geschwindigkeit v/&\s Eingangsgrößen erweist sich ein Kennfeld als günstig, das für kleine Werte des Betrags von ft und v/zunächst einen konstanten, einem Grundwert ά/ΤΓΑϊΊ, lur uOuere ΛβΓίβ von i ft! unu I ΐ^Ί esnen, einem ansteigenden und für noch höhere Werte von I ft I und I vßeinen, einem Maximalwert d/max entsprechenden Wert des Verteilungsfaktors ^aufweist.

Falls zusätzlich die Steuergröße r mit verarbeitet wird, kann eine Kennlinie (bzw. ein Kennfeld) des ersten Kennfeldes 39 abhängig von r in Form, Grundwert d/m\n, Steigung oder Maximalwert d/ 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 vfund der erste funktioneile Zusammenhang 38 entsprechen den unter Fig. 3 beschriebenen Zusammenhängen, mit der Einschränkung, daß nun die Eingangsgröße Fzfdes ersten funktionellen Zusammenhangs 38 zu Null gesetzt ist und dieser mit dem Steuerwert pl' beaufschlagt wird.

Über eine, mit einer Konstanten C2 gewichteten Mittelwertbildung 40 wird aus den Radgeschwindigkeitssignalen v/7 und v/reine Geschwindigkeit vrder Räder an der Hauptantriebsachse 2 bestimmt. Aus einer, mit einer Konstanten q gewichteten Differenz 41 der Geschwindigkeiten von Zusatz- und Hauptantriebsachse vfund wresultiert eine Drehzahldifferenz AnI an einer Eingangs- und Ausgangswelle der Längskupplung, die durch Potenzierung, vorzugsweise Quadratbildung 42 und Multiplikation 43 mit einem Faktor k\ zürn Steuerwert pl' zusammengesetzt wird.

Der Faktor k\ kann entweder konstant gewählt werden oder über ein zweites Kennfeld 44 aus v/und/oder dem Lenkeinschlagsignal & ermittelt werden.

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

Wird M allein aus der Geschwindigkeit v/bestimmt, so besteht das zweite Kennfeld aus einer Kennlinie, die mit wachsendem Betrag der Geschwindigkeit I v/\ ansteigt. Wird zusätzlich das Lenkeinschlagsignal ϋ mit überwacht, wird die Ausgangsgröße k\ des zweiten Kennfeldes bei wachsendemm Betrag des Lenkeinschlags relativ stark reduziert, um eine gute Lenkbarkeit des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.

Eine Kombination der Steuerverfahren nach F i g. 3 und Fig. 4 bzw. ihrer Ausgangsgrößen Fz/und pl' und ihrer gemeinsamen Verarbeitung, eventuell noch mit der Steuergröße /·, mittels des ersten funktionellen Zusammenhangs /\ (Fzf, r, pl') 38 ist in Fig. 5 dargestellt.

Das Steuerverfahren nach Fig. 4 stellt dabei einen »Überdrehschutz« (Begrenzung des Kupplungsschlupfs

ΔηΙ) dar und ist daher äußerst sinnvoll und in der Kombination noch wirksamer zum Erreichen eines guten Fahrverhaltens, als eines der Verfahren für sich alleinc.

Erweiterungen des ersten Steuerverfahrens nach Fig. 3 um eine zusätzliche Beeinflussung des ersten Kennfelds über einen Leistungsüberschuß AP (Funktionsblock 45, mit wachsendem Betrag von ΔΡ wird df größer) und/oder das Lenkeinschlagsignal ö (mit wachsendem Lenkeinschlag wird df relativ stark reduziert) sind ebenfalls gezeigt; der Leistungsüberschuß AP wird dabei aus einer Differenz 46 aus der Solleistung Ps und einer, über eine Fahrwiderstandskennlinie 47 aus der Geschwindigkeit vf der Räder an der Zusatzantriebsachse bestimmten Fahrwiderstandsleistung Pv, berechnet.

Ebenfalls gezeigt sind Funktionsblöcke 48 und 49 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.

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

Aus einer, mit einer Konstanten es, bzw. es gewichteten Differenz 50 bzw. 51 der Radgeschwindigkeitssignale vrl und vrr an der Hauptantriebsachse bzw. vfl und vfran der Zusatzantriebsachse resultiert eine Drehzahldifferenz Anq an den Ausgangswellen des Querdifferentials 6 bzw. Anqfan den Ausgangswellen des Differentials 8, die durch Potenzierung, vorzugsweise Quadratbildung 52 bzw. 53 und Multiplikation 54 bzw. 55 mit einem Faktor fo bzw. fo zu den Sperrmomentsteuergrößen mg bzw. mqf zusammengesetzt werden.

Die Faktoren ki bzw. A3 können hierbei wieder konstant gewählt oder über ein drittes Kennfeld 56 bzw. ein viertes Kennfeld 57 jeweils aus der DrehzahldilTerenz ΔηΙ an der Eingangs- bzw. an der Ausgangswelle der Längskupplung und/oder der Solleistung Ps und/oder der Geschwindigkeit vf der Räder an der Zusatzantriebsachse und/oder dem Lenkeinschlagsignal & bestimmt werden. Hierbei wird der Faktor £₂ bzw. /c.i mit wachsenden Beträgen der Drehzahldifferenz ΔηΙ 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 56 und das vierte Kennfeld 57, sowie Anzahl undAuswahl der Eingangsgrößen können dabei unterschiedlich sein.

Die Konstanten c\ bis es, der erste und zweite funktionelle Zusammenhang 38 bzw. 36 und das erste bis vierte Kennfeld sind nur allgemein angegeben, da sie einer unterschiedlichen Anpassung an einen jeweiligen Fahrzeugtyp bedürfen. Hierbei liegen die Konstanten c\ bis α 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 anoaßbar sind.

Lediglich auf den zweiten funktionellen Zusammenhang fi (Ps, vf) 36 zur Bestimmung des Betrags der Sollzugkraft I Fzs I 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 (58 bis 62) 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 58 der Gangstufe 1. Ein gestrichelt gezeichneter senkrechter Übergang von einer Kennlinie auf die nächste symbolisiert einen notwendigen Schaltvorgang bei Erreichen einer Maximaldrehzahl des Motors.

Kennlinien 63 bis 69 geben eine, einer bestimmten Leistung Ps = konstant bei einer bestimmten Geschwindigkeit vf zugehörige Zugkraft an. Sie sind hyperbelfcrmig, da sich die Zugkraft ja aus der Division der Solleistung Ps durch die Geschwindigkeit vf ergibt; die Kennlinie 63 kann z. B. einer Zugkraft bei maximal möglicher Motorleistung entsprechen.

Die Leistungskennlinie 65 stellt eine Einhüllende der Geschwindigkeits-Zugkraft-Kennlinien 56 bis 62 dar und kann daher als maximal mögliche Zugkraft Fzfmax der Räder an der Zusatzantriebsachse gelten.

Die Berechnung der Sollzugkraft Fzs aus der Division der Solleistung Ps durch die Geschwindigkiet 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 I Fzs^ allein ermittelt wird. Es ist zweckmäßig, den Ausgangswert des zweiten funktionellen Zusammenhangs fi (Ps, vf) auf einen Wert Fzsmax zu beschränken, der dem höchstmöglichen Wert der Zugkraft Fzfmax der Räder an der Zusatzantriebsachse bei einem Maximalwert des Verteilungsfaktors dfmax entspricht. Diese beiden Sachverhalte äußern sich in den abknickenden (waagerecht verlaufenden) Teilen der Kennlinien 65 bis 69 für die Zugkraft Fzf der Räder an der Zusatzantriebsachse bei Ps = konstant Andernfalls würde am Ausgang der Multiplikation 37 ein Maximalwert der Zugkraft Fzf der Zusatzantriebsachse anstehen, der einen starren Durchtrieb zur Vorderachse erzeugen würde, womit letztendlich das Fahrzeug beim Anfahren oder Rangieren nahezu unlenkbar würde.

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 tiittels der Anordnung nach Anspruch 2.

Der Betrag der Sollzugkraft I /is I, der Verteilungsfaktor df, der erste, zweite und dritte Faktor k_u ki und k₃ sowie die Fahrwiderstandsleistung /V 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (28)

Patentansprüche:

1. 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), dis Einga&gssignale entsprechend den Geschwindigkeiten der Räder (9 bis 12) an Haupt- (2) und Zusatzantriebsachse (3) abgeben, und eine Steuergröße (j?l) ■,zur Ansteuerung des Stellgliedes (14) der Längskupplung (7) so erzeugt, daß sie in einer Abhängigkeit [pl =/1 (Fzf, r, pl')] (38) von wenigstens einer Zugkraft (Fzf) der Räder an der Zusatzantriebsachse (3) steht, wobei die Zugkraft (Fzf) der Räder an der Zusatzantriebsachse (3) aus einer multiplikativen Verknüpfung (37) eines aus einer Solleistung (Ps) und einer Fahrgeschwindigkeit (vf) bestimmten Betrags einer Sollzugkraft [ I Fzs I = /₂ (Ps, vf)] (36) aller Räder mit einem aus dem Betrag der Sollzugkraft (I Fzs I) und/oder mittelbar oder unmittelbar aus wenigstens einem der Eingangssignale über ein erstes Kennfeld (39) ermittelten Verteilungsfaktor (df) bestimmt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerwert (pl) zusätzlich in Abhängigkeit [pl = f\ (Fzf, r,pl')] (38) von wenigstens einem weiteren Steuervert (pl') steht, der einer mit einem ersten Faktor (/ei) versehenen Potenz (43, 42) der Drehzahldifferenz \dn/) an der Eingangs- und der Ausgangswelle der Längskupplung (7) entspricht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem ersten Kennfeld (39) bestimmte Verteilungsfaktor (df) zusätzlich von einem Leistungsüberschuß (ΔΡ) abhängig ist, der sich aus einer Differenz (46) der Solleistung (Ps) und einer aus der Fahrgeschwindigkeit (vf) über eine Fahrwiderstandskennlinie (47) bestimmten Fahrwiderstandsleistung (Pv) ergibt und der Verteilungs- so faktor (df) mit wachsendem Leistungsüberschuß größer wird.

4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit in einem ersten funktioneilen Zusammenhang [/, (Fzf, r, pl')] (38) gegeben ist, der in einer gewichteten Summe aus der Zugkraft (Fzf) der Zusatzantriebsachse (3) und/oder dem Steuerwert (pl') und/oder einer Steuergröße (r) von der Verstelleinheit (18) besteht.

5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste funktioneile Zusammenhang [f\ (Fzf, r, pl')] (38) in einer Maximalwertauswahl aus der Zugkraft (Fzf) und/oder dem Steuerwert (pl') und/oder einer Steuergröße (r) von der Verstelleinheit (18) besteht.

6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß der erste funktionelle Zusammenhang [/Ί (Fzf, r, pl')] (38) in einer zusätzlichen, übergeordneten Ausgabe wenigstens eines von der Verslelleinheit (18) ansteuerbaren Grundwertes oder eines Maximalwertes [voller Durchtrieb zur Zusatzantriebsachse (3)] besteht.

7. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1,3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Sollzugkraft (i Fzs 1) über einen zweiten funktionellen Zusammenhang \f₂ (Ps, vf)] (36) bestimmt wird, der 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 funktionellen Zusammenhangs [/2 (Ps, vf)] (36) auf einen Maximalwert (Fzsmax) begrenzt ist.

8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kennfeld (39) bei einem Leistungssollwert (Ps) und/oder einer Fahrgeschwindigkeit (vf) und/ oder eines Betrags der Sollzugkraft ( I Fzs 1) nahe gleich Null einen einem Grundwert entsprechenden Verleilungsfaktor(<#m/n), bei Ansteigen des Betrags jeweils eines der unabhängigen Variablen einen zunächst ansteigenden und bei noch höheren Beträgen der unabhängigen Variablen einen einem Maximalwert entsprechenden Verteilungsfaklor (dfmax) als abhängige Variable aufweist.

9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1,3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kennfeld (39) zusätzlich von der Verstelleinheit (18) beeinflußt wird und in Abhängigkeit von dieser Form und/oder Grundwert und/oder Steigung und/oder Maximalwert verändert werden.

10. Anordnung nach wenigstens einem der Anspräche 1, 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das erste Kennfeld (39) aus Kennlinien zusammensetzt, deren unabhängige Variable der Betrag der Sollzugkraft ( I Fzs I ) und deren abhängige Variable der Verteilungsfaktor (df) ist und die entweder konstant oder linear ansteigend in der unabhängigen Variablen oder bei kleinen Werten der unabhängigen Variablen zunächst konstant entsprechend einem Grundwert (dfmin) der abhängigen Variablen und für höhere Werte ansteigend und für noch höhere Werte der unabhängigen Variablen wieder konstant entsprechend einem Maximalwert (dfmax) der abhängigen Variablen sind, und daß die Kennlinien abhängig von der Verstelleinheit (18) anwählbar bzw. in Form, Grundwert, Steigung, Maximalwert und Betrag veränderbar sind.

11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert (dfmax) einem Verhältnis einer stationären Achslastverteilung entspricht.

12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Faktor (k\) über ein zweites Kennfeld (44) aus der Fahrgeschwindigkeit (vf) und/oder der Solleistung (Ps) und/oder dem Lenkeinschlagsignal (ff) bestimmt wird und der Faktor (k\) bei wachsenden Werten des Betrags der Geschwindigkeit (\yf\)

und des Betrags der Solleistung (\Ps\) zunimmt und bei wachsenden Weiten des Betrags des Lenkeinschlagsignals (\ö\) abnimmt.

13. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Querdifierential (6) kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbar ist und das Steuergerät (16) eine Sperrmomentsteuergröße (mq) des Querdifferentials (6) so steuert, daß es einer, mit einem zweiten Faktor (A₂) versehenen Potenz (54,52) der Drt hzahldifierenz {Anq) an den Ausgangswellen des Querdifferentials (6) entspricht.

14. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzantriebsachse (3) mit einem selbstsperrenden Differential ausgerüstet ist.

15. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzantriebsachse (3) ebenfalls mit einem kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbaren Differenlial (8) versehen ist und das Steuergerät (16) eine Sperrmomentsteuergröße (mqf) des Differentials (8) so steuert, daß es einer mit einem dritten Faktor (Ai) versehenen Potenz (55) der Drehzahldifferenz (Anqf) an den Ausgangswellen des Differentials (8) entspricht.

16. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Faktor (A2) über ein drittes Kennfeld (56) aus der Drehzahldifferenz (ΔηΙ) an der Längskupplung (7) und/oder der Fahrgeschwindigkeit (vf) und/ oder der Solleistung (Ps) und/oder dem Lenkeinschlagsignal (ff) bestimmt wird und der Faktor (A2) bei wachsenden Weiten des Betrags der Drehzahldifferenz(l/l n/l) des Betrags derFahrgeschwindigkeil (I v/l) und des Betrags der Solleistung (I Ps I) zunimmt und bei wachsenden Werten des Betrags des Lenkeinschlagsignals (\&\) abnimmt.

17. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Faktor (A3) über ein viertes Kennfeld (57) aus der Drehzahldifferenz (ΔηΙ) an der Längskupplung und/oder der Fahrgeschwindigkeit (I vf\) und/ oder der Solleistung (Ps) und/oder dem Lenkeinschlagsignal (ö) bestimmt wird und der Faktor (A3) bei wachsenden Werten des Betrags der Drehzahldill'erenz (IΔ nl I), des Betrags der Fahrgeschwindigkeit (I v/1) und des Betrags der Solleistung (I Ps\) zunimmt und bei wachsenden Werten des Betrags des Lenkeinschlagswinkels (\&\) abnimmt.

18. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kennfeld (39) von einem von der Verstelleinheit sensorisch erfaßten Reibwert beeinflußt wird.

19. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinheit (18) Steuergrößen (/·) entsprechend solchen Einstellungen abgibt, die teils von einem Fahrer und teils von einem Wartungspersonal veränderbar sind.

20. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, 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.

21. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, 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.

22. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Armaturenbrett des Kraftfahrzeuges ein DispJay (17) vorgesehen ist, auf dem ein aktueller Zustand der Anordnung dargestellt ist.

23. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (16) über ein Bussystem (29) mit anderen im Fahrzeug zu Steuerungs-, Meß- und Informationsverarbeitungszwecken eingesetzten Digitalrechnersystemen kommuniziert.

24. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (16) zumindest teilweise in Hardwaretechnologie aufgebaut ist.

25. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24, 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.

26. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung vom Fahrer über die Verstelleinheit (18) in einen definierten, von der Steuereinheit (16) unabhängigen Zustand überführt werden kann.

27. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Steuergröße (pl) ein steuerbares Verteilergetriebe oder ein mit einem Stellglied kontinuierlich in seiner Sperrwirkung steuerbares Zwischendifferential angesteuert wird, über das in an sich bekannter Weise die Haupt- (2) und Zusatzantriebsachse (3) angetrieben wird.

28. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrgeschwindigkeit (vf) aus einem Mittelwert der Geschwindigkeit der Räder an der Zusatzantriebsachse ermittelt wird.