Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kupplung im Vierradan- trieb eines Kraftfahrzeuges sowie eine entsprechende Steuerung einen Vierradantrieb nach der Art des Verfahrens- bzw. des Vorrichtungsanspruches.

Bei über die Vorderachse bzw. die Hinterachse angetriebenen Fahrzeugen dreht sich die Vorderachse (Durchschnittsgeschwindigkeit der beiden Vorderräder) leicht unterschiedlich zur Hinterachse (Durchschnittsgeschwindigkeit der beiden Hinterräder). Die Differenzdrehzahl hat dabei ihren Grund in unterschiedlichen dynamischen Reifenradien, Herstelltoleranzen, unterschiedlicher Abnutzung der Reifen, unterschiedlicher Achslasten, Differenzen im Reifendruck, Misch bereifung, durch das Antriebsmoment bedingter Radschlupf. Bei Kurvenfahrt ergibt sich die Dreh- zahldifferenz durch die von den Rädern zurückzulegenden unterschiedlichen Ab- rollwege.

Bei allradgetriebenen Fahrzeugen - z.B. einem Fahrzeug mit Vorderradantrieb und einem über eine Kupplung zuschaltbaren Hinterradantrieb - kann Aufgrund von einem Übersetzungsunterschied in den Achsgetrieben ein weiterer Drehzahlunterschied hinzukommen.

Betrachtet man den Fahrzustand Geradeausfahrt mit konstanter Geschwindigkeit, so stellt man üblich einen Drehzahlunterschied von < 1 % fest. In diesem Fahrzu- stand wird der Allradantrieb nicht benötigt, welche der beiden Achsen aber die schnellere, die langsamere ist, hängt insbesondere von den dynamischen Radien der Reifen ab und ist zufällig. Bei geschlossener Allradkupplung bzw. gesperrten Mittendifferenzial ergeben sich daher Verluste, die Geschwindigkeitsdifferenz baut sich über den Schlupf der Reifen ab.

Betrachtet man bei einem Beschleunigungsvorgang die von den Gelenk-, Kardanwellen zu übertragenen Antriebsmomente, so zeigt sich oft, dass das Moment der Vorderachse beim Übergang auf die konstante Geschwindigkeit, also bei Ab- schluss des Beschleunigungsvorganges, einen Vorzeichenwechsel macht. Die Vorderachse geht von Zug- auf Schubbetrieb über. Die Vorderachse bremst, die Hinterachse schiebt nun ein wenig mehr, das Antriebssystem läuft verspannt. Es ergibt sich ein Blindmomentenfluss, welcher insgesamt höhere Momente in der Vorder- und der Hinterachse bewirkt. Meist ist bei einen Getriebe der Wirkungsgrad im Zugbetrieb größer als im Schubbetrieb, so dass die angedeuteten Verluste noch größer werden.

Aus der DE 197 006 720 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer steuerbaren Kupplung im Antriebsstrang zwischen Vorderachse und Hinterachse eines Vierradantriebes beschrieben. Jedem der Räder ist ein Raddrehzahlsensor zugeordnet - die Signale dieser Sensoren werden ausgewertet. Es wird eine theoretische

Drehzahldifferenz der Kupplung für den radschlupffreien Fahrbetrieb ermittelt, und zwar aus der Fahrgeschwindigkeit, dem Kurvenradius, den unterschiedlichen Radradien. Es wird eine Drehzahldifferenz ermittelt, bei der sich eine radschlupffreie Kurvenfahrt ergibt, entsprechend auf diesen Drehzahldifferenzwert wird die Kupp- lung über ein generiertes Steuersignal eingestellt.

Die DE 36 26 025 A1 zeigt einen ähnlich arbeitenden Antriebseinrichtung für ein Allradfahrzeug mit einer Reibscheibenkupplung zur variablen Übertragung eines Antriebsdrehmomentes auf die Vorderräder.

Bei dem Vierradantrieb nach der DE 37 21 626 C2 wird zur Verbesserung des Bremsverhaltens die Kupplung im Antriebsstrang zwischen Vorder- und Hinterachse bei Überschreiten eines vorgegebenen Drehzahlverringerungsgradienten geöffnet.

Die DE 36 21 225 C1 beschreibt einen Allradantrieb mit permanent wirkenden Hinterradantrieb und einem über eine elektrohydraulisch steuerbare Kupplung zuschaltbaren Vorderachsantrieb. Bei Überschreiten einer Schlupfschwelle wird die Kupplung kurzzeitig geöffnet, was Verspannungen im Antriebsstrang verhindert.

Die Steuerung einer Kupplung im Antriebsstrang zwischen Vorder- und Hinterachse eines Fahrzeuges mit Vierradantrieb gemäß der DE 102 60 196 A1 bewirkt, dass die Kupplung stets mit Moment beaufschlagt wird, also nie vollständig ausgekuppelt wird. Damit soll ein besserer Übergang bei Allradbedarf erzielt werden. Bei der DE 69 025 487 T2 wird zur Antriebskraftverteilung ein Korrekturfaktor zur Ermittlung der wahren Geschwindigkeit auf Basis der Differenzdrehzahl und der gemessenen Geschwindigkeit bestimmt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ansteuerung für eine Allradkupplung in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Ausführung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Verfahrens- bzw. des zugehö- rigen Vorrichtungsanspruches. Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht somit in einer fahrsituationsabhängigen Ansteuerung der Allradkupplung zur Optimierung der Antriebsstrangverluste. Die gemäß der Erfindung zu verwendende Kupplung ist derartig ausgebildet, so dass ein möglichst geringes Moment eingestellt werden kann, was z.B. durch eine überlüftete Position möglich wird. Die Kupplung ermöglicht es also eine weit geöffnete Position anzufahren, in der kein oder ein geringes Restmoment zwischen Vorder- und Hinterachse übertragen wird. Ein derartig geringes Übertragungsmoment kann bspw. auch oder zusätzlich durch eine Reduktion der Schmier- und Kühlölmenge in einem Lamellenpaket eingestellt werden.

Je nach Fahrsituation wird auf Basis der Radgeschwindigkeiten die für den aktuellen Fahrzustand (verlust-)optimale Kupplungsposition errechnet und eingestellt. Somit können zusätzliche Antriebsstrangverluste, die durch Drehzahlunterschiede zwischen Vorder- und Hinterachse entstehen, vermieden werden. Die Erfindung verwendet somit eine Berechnungsmethode für die aktuellen Unterschiede der Reifenradien zwischen Vorder- und Hinterachse sowie einer entsprechenden Strategie zur Steuerung der die Antriebsleistung auf die Vorder- und die Hinterräder verteilenden Allradkupplung.

Auf Basis von Raddrehzahlsensorsignalen kann der Unterschied der dynamischen Reifenradien zwischen Vorder- und Hinterachse des jeweiligen Fahrzeugs mit der gerade aktuellen Bereifung, der Beladung und dem Luftdruck berechnet werden. Abhängig von der Differenz der dynamischen Reifenradien zwischen Vorder- und Hinterachse wird so je nach Fahrzustand der Zustand der Allradkupplung eingestellt, um die Antriebsstrangverluste zu minimieren.

Bei Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit im unteren Geschwindigkeitsbereich ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, die Allradkupplung vollständig zu öffnen, zu überlüften, um keine zusätzlichen Antriebsstrangverluste zu erzeugen.

Oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit (ab einem bestimmten Antriebsmoment) erreicht die Primärachse (z.B. die Hinterachse) einen Schlupf, der derartig hoch ist, dass sich die Vorderachse langsamer als die Hinterachse dreht und durch Einstellen eines Kupplungsmomentes an der Allradkupplung die Vorderach- se nicht mehr in den Schubbetrieb gebracht wird sondern die Verluste durch

Blindmomente nur noch minimiert werden können. Ab dieser vom zu übertragenen Drehmoment abhängenden Grenzgeschwindigkeit macht es also keinen Sinn mehr, die Allradkupplung vollständig zu öffnen. Ab dieser Grenzgeschwindigkeit wird die Allradkupplung nur noch vorgesteuert betrieben, was bedeutet, dass die Vorderachse stets auch über das Verteilergetriebe, die Allradkupplung und nicht mehr ausschließlich über die Straße angetrieben wird.

Des Weiteren erfolgt die Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand der Zeichnungen.

Figur 1 zeigt die grundsätzlichen Komponenten eines Allradgetriebenen Fahrzeuges, bestehend aus einer Verbrennungskraftmaschine VKM, einem nachgeschalteten, automatisch oder manuell schaltbaren Getriebe SG, welche über eine Kardanwelle KHA die Räder der Hinterachse HA, hier der Primärachse PA antreibt. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sei die Hinterachse als die Hauptantriebsachse zu verstehen, was jedoch den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht beschränken soll.

Der Ausgang des Getriebes SG wirkt über eine Kardanwelle KHA auf die Hinterrä- der HA einer Hinterachse - auf die Räder der Primärachse. Der Ausgang des Getriebes wirkt parallel über eine Allradkupplung AK, welche ihrerseits ein einstellbares Antriebsmoment über eine Kardanwelle KVA an die Räder der Vorderachse - im gezeigten Ausführungsbeispiel die Sekundärachse - überträgt. Bei geschlossener Allradkupplung AK ergeben sich so - bspw. durch Radiusdifferenzen der Räder - Verluste. Die Achsen laufen mit gleicher Drehzahl, d.h. es ergibt sich eine höhere Verlustleistung verglichen mit der Verlustleistung bei einer sich entsprechend der Reifenradien einstellenden Differenzdrehzahl. Auf Grund des Auftretens von Ver- spannungen im Antriebsstrang ergeben sich erhöhte Momente in den Achsgetrie- ben und dadurch erhöhte Verluste.

Weiterhin zeigt die Figur 1 eine Steuerung S, welche mit den Rädern der Vorder- und der Hinterachse VA, HA zugeordneten Raddrehzahlsensoren in Signalverbindung steht, was durch die Pfeile angedeutet ist. Durch die Steuerung S wird die Kupplung AK derartig angesteuert, so dass ein bestimmter Anteil des Momentes der Kardanwelle KHA (im Ausführungsbeispiel das der Primärachse zugeführte Moment) über die Kardanwelle KVA zum Antrieb der Vorderräder (hier die Sekundärachse) abgeleitet wird. Bei einem Fahrzeug sind die nachfolgend angegebenen Größen, Messgrößen verfügbar bzw. werden erfasst: Motormoment, Raddrehzahlen (Vorder- und Hinterachse), Lenkwinkel, die momentane Gesamtübersetzung. Aus den Drehzahlen der Räder in Verbindung mit den Reifenradien ergibt sich ferner auch die Fahrzeuggeschwindigkeit. Aus den Raddrehzahlen kann man das Verhältnis zwischen Primär- und Sekun- därachsreifenradius r _PA /r _S A berechnen, also das Verhältnis der Reifenradien der Hinter- und der Vorderachse HA, VA. Des Weiteren sei angenommen, dass der Schlupf in dem relevanten Bereich linear (annähernd oder vollständig linear) vom Moment abhängig sei. Zur Berechnung der Geschwindigkeit, ab der die Raddrehzahlen (Vorderachse VA, Hinterachse HA) ausgeglichen sind, wird der folgende Fahrzustand betrachtet: konstante Geschwindigkeit - Allradkupplung offen - reiner Antrieb über Primärbzw. Hauptantriebsachse. Es gilt bzw. ergibt sich:

An = n _PA - n _SA Unterschied zwischen Primär- und

Sekundärachsdrehzahl ΠρΑ- (^Fzg ) + (Vschlupf

Dabei ist:

V schlupf_PA - Fzg. * M / k Schlupfgeschwindigkeit bei gegebener

Fahrzeuggeschwindigkeit und Achsmoment M k ein linearer angenommener

eifensteifigkeitskennwert An = v _Fzg. / r _PA * (1 + M _knt / k) - v _Fzg. / r _SA

Setzt man Schlupffreiheit Δη = 0 so folgt: r _PA / r _SA = (1 + Micnt / k) Aus dem erfassbaren Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärachsreifenradius ist das kritische Antriebsmoment und somit die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelbar, bei der An = 0. Also:

M _krit = k * (r _PA / 1 ) Diese Berechnung kann noch unter Berücksichtigung einer möglichen Übersetzungsdifferenz der Achsen ergänzt werden:

z Zähnezahl

ISA ⁼ Z SA Abtrieb / Z SA Eintrieb

IPA ⁼ Z PA Abtrieb Z PA Eintrieb

M _kri t = k * ((r _PA * ) / (r _S A * ipA ) - 1 ) Die Figur 2 zeigt in einem Diagramm mögliche Momentenaufteilungen zwischen Primärachse PA und Sekundärachse SA. Die Abszisse ist eingeteilt in das Moment des Achseintriebes - die Primär- und die Sekundärachse. Die Ordinate stellt die Momentensumme der Achseintriebe dar. Die Gerade M ₅₀ / ₅ o entspricht einer hälftigen Momentenaufteilung, d.h. die Allradkupplung AK oder ein entsprechendes Differential (offen) teilt 50 % der Antriebsleistung auf die Primärachse, 50 % auf die Sekundärachse. Die Gerade M ₁₀ o _/ o entspricht einer Momentenaufteilung zwischen Primär- und Sekundärachse von 100 % zu 0 %, d.h. die gesamte Antriebsleistung geht auf die Primärachse (hier die Hinterachse), es liegt reiner Zweiradantrieb vor. Der Bereich BSA entspricht dem Blindmomentenbereich Sekundärachse, der Bereich BPA dem Blindmomentenbereich der Primärachse. Die Momentenaufteilung mittels der Allradkupplung AK liegt in dem Diagramm nach Figur 2 innerhalb der Fläche, welche durch die mit Primär und Sekundär gekennzeichneten Geraden (gestrichelt, strich-punktiert) eingeschlossen ist.

Es ist bei einem Antriebsmoment kleiner M _krit nicht möglich, ein Allradmoment oh- ne Generierung eines Blindmomentes zu stellen. Erst ab einem Antriebsmoment größer M _krit ist es möglich, ein Antriebsmoment unter Aufteilung auf Primär- und Sekundärachse sinnvoll auf die Straße zu bringen.

Solange M _krit (Momentensumme) nicht erreicht ist, wird das Moment an der Allrad- kupplung AK soweit wie möglich abgesenkt. Es wird daher ein Allradsystem mit einer Allradkupplung AK verwendet, bei der das Restmoment an der Kupplung weitestgehend abgesenkt werden kann, mit der also eine größtmögliche Momententrennung erzielbar ist.

Wenn M _krit in etwa erreicht ist (abhänging von zu berücksichtigenden Toleranzen ist der Punkt nicht exakt ermittelbar), wird die Absenkung der Momentenvorgabe weggenommen, der reine Zweiradantrieb aufgegeben. Oberhalb der zu M _krit zugehörigen Grenzgeschwindigkeit wird das Antriebsmoment entsprechend den Bedürfnissen von Fahrdynamik und Traktion auf die Primär- und die Sekundärachse verteilt. Die Figur 3 zeigt mögliche Momentenstellbereiche bei einem Verhältnis der dynamischen Reifenradien (r _PA * i _SA ) / (r _SA * i _PA ) <1 . Setzt man i _SA und i _PA gleich, dann ist dies der Zustand, bei welchem der dynamische Radius r _SA der Sekundärachse SA (hier der Vorderachse) größer ist als der dynamische Radius r _PA der Primärachse PA. Auf Grund der vorliegenden geometrischen Verhältnisse dreht die Sekundärachse SA langsamer (da der Radius r _SA größer ist) wie die Primärachse PA. Mit der Allradkupplung AK ist es daher möglich, auch bei einer Geschwindigkeit im Bereich unterhalb des kritischen Antriebsmomentes M _krit eine sinnvolle Mo- mentenaufteilung vorzunehmen, also echten Vierrad betrieb zu fahren. Dieser Zustand ist in Figur 3 dargestellt und auch angestrebt.

Mit M _PA ist der Verlauf der Momentenaufteilung auf die Primärachse, mit M _SA der Verlauf der Momentenaufteilung auf die Sekundärachse wiedergegeben. Erkenn- bar wird in einer derartigen Situation - es liegt eine erfassbare Reifenradiendifferenz vor - bereits vor Erreichen des kritischen Antriebsmomentes M _krit bzw. der entsprechenden Geschwindigkeit eine Momentenaufteilung vorgenommen, d.h. es wird nicht bis M _krit im strengen oder entsprechend der Allradkupplung maximal realisierbaren Zweiradmodus gefahren.

Im beschriebenen Fall wird auch bei Momenten unterhalb M _krit stets ein geringes Kupplungsmoment gestellt, d.h. ein Teil der Antriebsleistung kann auf die Sekundärachse verteilt werden. Eine vollständige Trennung der Allradkupplung wird nicht vorgenommen. Zudem ist es vorgesehen, mit einem kleinen Restmoment (Auftei- lung) die Verluste der Triebstrangelemente zur Sekundärachse zu kompensieren.

Ein Ausgleich der Verlustmomente, welche im Winkeltrieb der Sekundärachse entstehen, erfolgt so vorteilhafter Weise über den direkten Pfad (Verteilergetriebe, Kardanwelle zur Sekundärachse), statt im Umweg über Primärachse (Verteilergetriebe, Kardanwelle zur Primärachse, Räder Primärachse, Straße, Räder Sekun- därachse, Halbwellen Sekundärachse). Das Restmoment in der Kupplung soll dann demjenigen Moment entsprechen, welches zum Mitdrehen der Komponenten des sekundären Antriebsstranges gebraucht wird. Allgemein ergeben sich dadurch Vorteile im Wirkungsgrad. Bei Anwendung der Erfindung ist es deshalb auch zweckmäßig, bei der Auswahl oder Montage der Räder und Reifen dafür zu sorgen, dass die größeren Räder an der Sekundärachse, hier also der Vorderachse montiert werden. So können in einem Fahrzeugmontagewerk die Reifen über eine IST-Größe klassiert angeliefert und Klassen mit den größeren Abrollumfängen an der Sekundärachse montiert werden.

Bezugszeichenliste

VKM Motor, Verbrennungskraftmaschine

SG Getriebe, manuell oder automatisches Schaltgetriebe

VA Vorderachse

SA Sekundärachse

HA Hinterachse

PA Primärachse

AK Allradkupplung

S Steuerung

KVA Kardanwelle Vorderachse

KHA Kardanwelle Hinterachse