DE102011006168B4

DE102011006168B4 - Verfahren zum Schutz einer Allradkupplung und Steuergerät mit einer Funktion zum Schutz einer Allradkupplung

Info

Publication number: DE102011006168B4
Application number: DE102011006168.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Grain; Axel Wust
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: DE102011006168A1

Abstract

Verfahren zum Schutz einer Allradkupplung (3) eines zweiachsigen Kraftfahrzeugs mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb, welcher eingerichtet ist, eine Primärachse (1) anzutreiben und eine Sekundärachse (2) wahlweise mittels der gesteuerten Allradkupplung (3) anzutreiben, mit den Schritten:- Prädizieren des zu erwartenden Werts einer mit der thermischen Belastung der Allradkupplung zusammenhängenden Größe (EReib_pred_zero; dnKupp_max_pred) für den Fall einer angenommenen Durchführung einer Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung;- Entscheiden über die Schutzmaßnahme in Abhängigkeit des prädizierten Werts; und- bei Entscheidung für die Schutzmaßnahme, Durchführen der Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Allradkupplung eines Kraftfahrzeugs mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb und ein Steuergerät, insbesondere Motorsteuergerät oder ein Steuergerät zur Fahrdynamikregelung, mit entsprechender Schutzfunktion.
Bei einem kupplungsgesteuerten Allradantrieb eines Kraftfahrzeugs wird eine Achse des Fahrzeugs typischerweise permanent angetrieben, während die andere Achse wahlweise über eine steuerbare Allradkupplung mit Antriebsleistung versorgt wird. Die angetriebene Achse wird als Primärachse bezeichnet und die wahlweise zuschaltbare Achse wird als Sekundärachse bezeichnet. Bei einem kupplungsgesteuerten Allradantrieb wird die Allradkupplung vorzugsweise elektronisch angesteuert. Hierbei wird ein Kupplungsmoment der Allradkupplung eingestellt, welches gleichzeitig dem maximal möglichen Drehmoment entspricht, welches von der Kupplung in Richtung Sekundärachse übertragen werden kann.
Wenn es zu einer Abweichung zwischen der sekundärachsseitigen Drehzahl und der primärachsseitigen Drehzahl an der Allradkupplung kommt, spricht man von Kupplungsschlupf. Derartiger Kupplungsschlupf bewirkt durch die Reibung einen thermischen Energieeintrag in die Allradkupplung, welcher je nach Größe des Kupplungsschlupfes und der Dauer der thermischen Belastung sogar zur thermischen Zerstörung der Allradkupplung führen kann.
Das Kupplungsmoment und damit auch das Drehmoment der Sekundärachse sind typischerweise auf ein maximales Kupplungsmoment der Allradkupplung begrenzt, welches von der konkreten Ausgestaltung der Allradkupplung abhängt. Die sogenannte Reibwertausnutzung α der Sekundärachse beschreibt dabei das Verhältnis von maximalem Kupplungsmoment M_Kupp,_max und dem maximalen Radabrissmoment M_{sek_Abriss} der Sekundärachse (M_Kupp,max und M_{sek_Abriss} bezogen auf denselben Bezugspunkt des Antriebsstrangs): $α = \frac{M_{K u p p, m a x}}{M_{s e k_A b r i s s}}$
Das Radabrissmoment der Achse entspricht dem größten, durch Reibung auf die Straße übertragbaren Moment. Kupplungsallradsysteme sind zur Verhinderung einer thermischen Belastung der Allradkupplung daher häufig auf eine Reibwertausnutzung der Sekundärachse mit α ≥ 1 ausgelegt. Wenn das Kupplungsmoment höher als das Radabrissmoment ist, bewirkt die überschüssige Motorleistung ein Durchdrehen der Räder der Sekundärachse, so dass kein Schlupfeintrag mit entsprechender Überhitzung der Allradkupplung entsteht. Zwecks Reduzierung der Kosten der Allradkupplung kann aber auch eine Auslegung auf α < 1 sinnvoll sein. Durch die Auslegung auf α < 1 kann es in bestimmten Fahrsituationen, bei denen das antriebsseitig generierte und das absetzbare Moment der Sekundärachse über der Leistungsfähigkeit der Allradkupplung liegen, zum erhöhten Schlupfeintrag in die Allradkupplung kommen. Dies kann innerhalb kurzer Zeit zum Überhitzen der Allradkupplung führen. Damit es nicht zu einer thermischen Zerstörung des Allradsystems kommt, wird zum Schutz typischerweise die Allradkupplung geöffnet. Dies hat jedoch den temporären Ausfall des zusätzlichen Antriebs über die Sekundärachse zur Folge.
Aus der Druckschrift DE 11 2007 000 995 T5 ist es bekannt, bei einem Kraftfahrzeug mit Allradantrieb den tatsächlichen Kupplungsschlupf mit einem zulässigen Kupplungsschlupf zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleiches gegebenenfalls ein Signal an die Motorsteuerung zu geben, um das Motordrehmoment zu verringern.
In der Druckschrift US 6,360,156 B1 ist es beschrieben, bei einem Fahrzeug mit Allradantrieb und Allradkupplung die Differenzgeschwindigkeit zwischen den Vorderrädern und den Hinterrädern zu bestimmen. In Abhängigkeit der Differenzgeschwindigkeit wird ein zulässiges Drehmoment bestimmt und bei Überschreiten des zulässigen Drehmoments wird das Drehmoment auf einen Wert reduziert, der nicht größer als das zulässige Drehmoment ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2009 032 265 A1 ist ein Verfahren zum Schutz einer Allradkupplung bekannt, bei dem der thermische Belastungsgrad der Allradkupplung berechnet wird. Ein modifiziertes Kupplungsmoment, insbesondere ein reduziertes Kupplungsmoment, wird an der Allradkupplung eingestellt, falls der berechnete Belastungsgrad einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Die Druckschrift DE 10 2005 033 077 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schutz einer automatisiert betätigten Kupplung eines Fahrzeugs während einer Schlupfphase. Dabei wird während einer Schlupfphase der zu erwartende Energieeintrag in die Kupplung bestimmt. Es wird hierzu die zu erwartende Reibenergie durch Integration der Reibleistung für eine zu erwartende zweite Zeitdauer bestimmt. Die zu erwartende zweite Zeitdauer ergibt sich anhand der gemessenen noch vorhandenen Schlupfdrehzahl nach Ablauf einer ersten Zeitdauer, z. B. 3 s. Bei der zweiten Zeitdauer handelt es sich um die erwartende Zeitdauer zum Abbau der nach Verstreichen der ersten Zeitdauer noch vorhandenen Schlupfdrehzahl. In Abhängigkeit des zu erwartenden Energieeintrags werden Maßnahmen zum Vermeiden der Überlastung der Kupplung ergriffen. Hierbei wird geprüft, in welchem Schwellenwertbereich die zu erwartende Reibenergie liegt. Gegebenenfalls wird in Abhängigkeit des Schwellenwertbereichs eine Maßnahme zum Vermeiden einer Überlastung der Kupplung ausgewählt und ausgeführt.
Die DE 10 2006 022 858 A1 beschreibt eine Druckabbaueinheit für eine Kupplung zur Verteilung eines Antriebsmoments zwischen zwei Achsen eines allradgetriebenen Fahrzeugs. Die Druckabbaueinheit umfasst dabei ein Druckabbauventil, das geöffnet wird, wenn ein binäres Fahrzeugzustandssignal einem vorbestimmten Fahrzustand des Fahrzeugs entspricht. Ein solcher vorbestimmter Fahrzustand kann beispielsweise durch Vergleich des Kupplungsschlupfs mit einem vorbestimmten Schwellwert bestimmt werden.
Bei Auslösen derartiger Schutzmaßnahmen zum Schutz einer Allradkupplung, wie beispielsweise einer Motormomentenreduktion oder Reduzierung des Kupplungsmoments, wird typischerweise das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs negativ beeinflusst. Typischerweise wird die Schutzmaßnahme dann ausgelöst, wenn ein bestimmter Schwellwert einer mit der thermischen Belastung zusammenhängenden Größe (z. B. thermischer Belastungsgrad) überschritten wird. Wenn der Schwellwert zu gering gewählt wird, erfolgt häufig ein auf das Fahrverhalten sich negativ auswirkendes Auslösen der Schutzmaßnahme, ohne dass dies wirklich notwendig gewesen wäre (beispielsweise wäre die Belastung auch ohne die Schutzmaßnahme nicht mehr angestiegen). Wenn der Schwellwert zu hoch gewählt wird, kommt es möglicherweise nicht zu einem Auslösen der Schutzmaßnahme, obwohl dies notwendig gewesen wäre.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Schutz einer Allradkupplung anzugeben, welches das vorstehend beschriebene Problem ausräumt. Das Verfahren sollte sich vorzugsweise zum Schutz einer Allradkupplung bei einer Auslegung der Allradkupplung mit α < 1 eignen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung mit einer entsprechenden Schutzfunktion anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Allradkupplung eines zweiachsigen Kraftfahrzeugs mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb. Bei der Allradkupplung handelt es sich typischerweise um eine Reibungskupplung, insbesondere um eine Reiblamellenkupplung. Der Allradantrieb ist eingerichtet, eine Primärachse anzutreiben und eine Sekundärachse wahlweise mittels der gesteuerten Allradkupplung anzutreiben. Bei dem Kraftfahrzeug wird also die Primärachse (beispielsweise die Hinterachse) angetrieben und die Sekundärachse (beispielsweise die Vorderachse) ist wahlweise mittels der gesteuerten Allradkupplung antreibbar. Die Primärachse muss aber nicht zwingend permanent angetrieben sein; es kann auch vorgesehen sein, dass die Primärachse wahlweise über eine zusätzliche Kupplung angetrieben wird.
Gemäß dem Verfahren wird ein zu erwartender Wert einer mit der thermischen Belastung der Allradkupplung zusammenhängenden Größe für den Fall einer angenommenen Durchführung einer Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung prädiziert. Bei der Größe handelt es sich vorzugsweise um einen zu erwartenden Belastungsgrad der Allradkupplung (beispielsweise eine aufgenommene Reibenergie der Allradkupplung oder die Temperatur der Allradkupplung) und/oder den zu erwartenden maximalen Kupplungsschlupf. Die Schutzmaßnahme ist typischerweise ein Kupplungsschlupfabbau. Der Kupplungsschlupfabbau erfolgt insbesondere durch Reduktion oder Begrenzung des Motormoments; alternativ könnte aber auch das Kupplungsmoment geändert oder auch das Bremsmoment an der Primärachse erhöht werden. Eine Erhöhung des Bremsmoments bewirkt, dass das überschüssige Motormoment durch die Bremse aufgefangen wird und somit der Schlupf in der Kupplung reduziert wird.
Der prädizierte Wert kann der Wert der Größe beispielsweise nach dem angenommenen Abschluss des Kupplungsschlupfabbaus oder auch noch während des Kupplungsschlupfabbaus sein.
In Abhängigkeit des prädizierten Werts (beispielsweise des Werts des thermischen Belastungsgrads) wird über die Schutzmaßnahme entschieden. Bei Entscheidung für die Schutzmaßnahme wird die Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung durchgeführt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren basiert auf einer Prädiktion einer mit der Belastung der Allradkupplung zusammenhängenden Größe. Durch eine Vorhersage über das Verhalten dieser Größe kann besser abgeschätzt werden, ob die Schutzmaßnahme zum Schutz der Allradkupplung ausgelöst werden soll oder nicht. Die das Fahrverhalten typischerweise beeinträchtigende Schutzmaßnahme wird erst dann ausgelöst, wenn auch unter Berücksichtigung des zukünftigen Verlaufs der Größe die Schutzmaßnahme sinnvoll erscheint. Damit wird ein voreiliges Auslösen der Schutzfunktion verhindert, wenn das Auslösen der Schutzmaßnahme nicht wirklich notwendig gewesen wäre (beispielsweise weil der Belastung der Allradkupplung selbst ohne Auslösen der Schutzmaßnahme nicht weiter angestiegen wäre).
Vorzugsweise wird eine Prognose über den zu erwartenden thermischen Belastungsgrad der Allradkupplung getroffen. Zur Bestimmung des zu erwartenden thermischen Belastungsgrades wird vorzugsweise zunächst der zu erwartende maximale Kupplungschlupf prognostiziert, beispielsweise in Form der maximalen Differenzdrehzahl an der Allradkupplung. Zur Prognose des maximalen Kupplungsschlupfes wird der Kupplungsschlupf extrapoliert. Zur Extrapolation wird vorzugsweise eine Totzeit berücksichtigt, bis zu der der Kupplungsschlupfabbau (insbesondere durch Reduktion oder Begrenzung des Antriebsmoments) wirksam wird. Die Totzeit kann auch der Zeit für den Bremsaufbau entsprechen (bei Erhöhung des Bremsmoments). Als Extrapolationsverfahren kann beispielsweise eine quadratische Extrapolation verwendet werden.
Der zu erwartende thermische Belastungsgrad kann in Abhängigkeit des maximalen Kupplungsschlupfes berechnet werden. Zur Berechnung des zu erwartenden thermischen Belastungsgrades kann beispielsweise zunächst der thermische Belastungsgrad bis zum Zeitpunkt des maximalen Kupplungsschlupfes in Abhängigkeit des maximalen Kupplungsschlupfes bestimmt werden. Bei Kenntnis des thermischen Belastungsgrades kann dann außerdem der zu erwartende thermische Belastungsgrad nach Verstreichen der Zeitdauer für den Kupplungsschlupfabbau bestimmt werden. Dazu wird vorzugsweise vorab die benötigte Zeitdauer für den Kupplungsschlupfabbau ab dem Zeitpunkt des maximalen Kupplungsschlupfes in Abhängigkeit des maximalen Kupplungsschlupfs bestimmt, also beispielsweise die Zeitdauer bis die Differenzdrehzahl an der Allradkupplung Null oder nahezu Null ist.
Der prognostizierte Wert des thermischen Belastungsgrads, beispielsweise mit Ende des Kupplungsschlupfabbaus, wird dann vorzugsweise zur Entscheidung über die Auslösung der Schutzmaßnahme mit einem Schwellwert verglichen. Für das Auslösen der Schutzmaßnahme wird beispielsweise gefordert, dass der prognostizierte Wert größer als der Schwellwert ist (oder alternativ größer gleich dem Schwellwert). Der Schwellwert kann beispielsweise der thermischen Kapazität der Allradkupplung entsprechen, welche von der verwendeten Allradkupplung abhängig ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät mit einer Funktion zum Schutz einer Allradkupplung eines zweiachsigen Kraftfahrzeugs mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb. Der Allradantrieb ist eingerichtet, eine Primärachse anzutreiben und eine Sekundärachse wahlweise mittels der gesteuerten Allradkupplung anzutreiben. Bei dem Steuergerät handelt es sich beispielsweise um ein Motorsteuergerät oder um ein Steuergerät zur Fahrdynamikregelung. Bei dem Steuergerät werden Mittel zum Prädizieren des zu erwartenden Werts einer mit der thermischen Belastung der Allradkupplung zusammenhängenden Größe für den Fall einer angenommenen Durchführung einer Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung vorgesehen. Außerdem gibt es Mittel zum Entscheiden über die Schutzmaßnahme in Abhängigkeit des prädizierten Werts. Ferner sind Mittel zum Auslösen oder Durchführen der Schutzmaßnahme bei Entscheidung für die Schutzmaßnahme vorgesehen. Die Mittel sind beispielsweise in Software realisiert, die auf einem Prozessor des Steuergeräts abgearbeitet wird.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Steuervorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:

1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb, wobei die Hinterachse als Primärachse permanent angetrieben wird und die Vorderachse als Sekundärachse wahlweise mittels der steuerbaren Allradkupplung antreibbar ist; und
2 ein Ausführungsbeispiel für eine in einem Steuergerät implementierte Schutzfunktion zum Schutz der Allradkupplung vor thermischer Überlast;
3-5 den Verlauf der Differenzdrehzahl und die Prädiktion der maximalen Differenzdrehzahl sowie der in die Kupplung eingebrachten Reibenergie; und
6 ein Beispiel für einen im Rahmen der Schutzfunktion verwendeten Zustandsautomat.

1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb, wobei die Hinterachse 1 mit den Rädern 11, 12 als Primärachse permanent angetrieben wird und die Vorderachse 2 mit den Rädern 13, 14 als Sekundärachse wahlweise mittels einer steuerbaren Allradkupplung 3 antreibbar ist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Fahrzeug mit Frontmotor-Antrieb, wobei eine Gelenkwelle zwischen dem Automatikgetriebe 5 und dem Achsgetriebe 15 vorgesehen ist. Das nachfolgend vorgestellte Verfahren zum Schutz der Allradkupplung ist auch auf ein Fahrzeug mit der Hinterachse als Sekundärachse und der Vorderachse als Primärachse übertragbar, wobei hierbei dann die Hinterachse und die Vorderachse zu tauschen sind.
Der Antrieb umfasst einen Motor 4, welcher über ein Motorsteuergerät 20 gesteuert wird, und das mit dem Motor 4 verbundene Automatikgetriebe 5. Getriebeausgangsseitig befindet sich die steuerbare Allradkupplung 3, hier in Form einer Lamellenkupplung. Die Allradkupplung 3 wird von einem Kupplungssteuergerät 17 gesteuert. Bei der Allradkupplung ist der Kupplungseingang in Richtung Hinterachse 1 durchverbunden, so dass die Hinterachse 1 permanent angetrieben wird. Zwischen Allradkupplung 3 und Hinterachse 1 befinden sich die Gelenkwelle und ein Achsgetriebe 15. Die Vorderachse 2 als Sekundärachse wird lediglich bei geschlossener Kupplung 3 angetrieben. Dazu werden im Fall einer Lamellenkupplung die außen am Korb 6 verzahnten Lamellen 7 und die an der Nabe innenverzahnten Lamellen 8 zusammengepresst. Durch die Reibung werden der Kupplungskorb 6 und die Kupplungsnarbe miteinander verbunden. Der Kupplungskorb 6 ist mit dem sekundärseitigen Ausgang der Kupplung 3 verbunden, so dass im geschlossenen Zustand der Kupplung 3 ein Teil des getriebeausgangsseitigen Drehmoments über das Achsgetriebe 16 an die Räder 13, 14 der Vorderachse 2 übertragen wird.
Zum Schließen der Kupplung 3 wird ein bestimmter Wert für das Kupplungsmoment der Allradkupplung eingestellt, welches dem maximal möglichen Drehmoment entspricht, welches von der Kupplung 3 in Richtung der Vorderachse übertragen werden kann. Dies bedeutet, dass das an die Vorderachse 2 übertragbare Drehmoment durch das eingestellte Kupplungsmoment nach oben begrenzt ist.
Zur Verringerung der Kosten der Allradkupplung 3 ist die Allradkupplung 3 auf α < 1 ausgelegt. Durch die Auslegung auf α < 1 kann es in bestimmten Fahrsituationen, bei denen das antriebsseitig generierte und das absetzbare Moment der Sekundärachse über der Leistungsfähigkeit der Allradkupplung liegen, zum erhöhten Schlupfeintrag in die Allradkupplung kommen. Dies kann innerhalb kurzer Zeit zum Überhitzen der Allradkupplung führen. Damit es nicht zu einer thermischen Zerstörung des Allradsystems kommt, wird zum Schutz typischerweise die Allradkupplung geöffnet. Dies hat jedoch den temporären Ausfall des zusätzlichen Antriebs über die Sekundärachse zur Folge.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Schutzfunktion zum Schutz der Allradkupplung in einem Steuergerät 9 zur Fahrdynamikregelung untergebracht, alternativ könnte die Schutzfunktion beispielsweise in dem Motorsteuergerät 20 implementiert sein.
Um den hohen thermischen Energieeintrag mit der Gefahr der Beschädigung der Allradkupplung 3 zu verhindern, ist die in 2 dargestellte Schutzfunktion im Steuergerät 9 implementiert, die eine Begrenzung des Motormoments im Bedarfsfall auslöst (diese Begrenzung wird dem Motorsteuergerät 20 seitens des Steuergeräts 9 mitgeteilt). Durch die Begrenzung des Motormoments kommt es typischerweise zu einer Reduktion des Motormoments. Alternativ oder zusätzlich könnte im Bedarfsfall natürlich auch das Bremsmoment erhöht werden. Einige zur Durchführung der Schutzfunktion verwendete Informationen, wie beispielsweise der thermische Belastungsgrad der Allradkupplung 3 und die Differenzdrehzahl der Allradkupplung, werden von dem Kupplungssteuergerät 17 an das Steuergerät 9, insbesondere über einen Datenbus, übertragen.
Durch die zum Schutz der Allradkupplung durchgeführte Begrenzung/Reduzierung des Motormoments wird ein Ausfall des Vorderradantriebs durch Öffnen der Kupplung verhindert. Da die Begrenzung/Reduzierung des Motormoments mit einer Reduzierung der Fahrdynamik einhergeht, wird das Motormoment nur dann begrenzt/reduziert, wenn auch unter Berücksichtigung des zukünftigen Verlaufs der Größe die Schutzmaßnahme sinnvoll erscheint. Dazu wird der erwartete thermische Belastungsgrad bei einem hypothetisch durchgeführten Kupplungsschlupfabbau prognostiziert.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Kupplungsschutzfunktion dargestellt, die einen Abbau des Kupplungsschlupfes durch Begrenzung des Antriebsmoments durchführt, damit es nicht zur thermischen Überlastung der Allradkupplung 3 und somit zum Schutzöffnen der Allradkupplung 3 kommt. Die Kupplungsschutzfunktion umfasst eine Vorberechnung einiger Größen wie das Eingangsmoment der Allradkupplung, den prädizierten Energieeintrag und den Abbaugradienten für den Schlupf in den Schritten 100-140. Der zweite Teil der Kupplungsschutzfunktion in Schritt 150 entspricht einer Statemachine (Zustandsautomat), die die Eingangsbedingungen auswertet und entscheidet, wann der Schutzeingriff über eine Motormomentenbegrenzung erfolgen soll.
In Schritt 100 wird das Eingangsmoment M_Eingang in die Allradkupplung in Abhängigkeit des Motormoments M_MOT und der Übersetzung des Getriebes 5 berechnet.
Anschließend wird in Schritt 110 die relevante Differenzdrehzahl dn_{Kupp_Cor} in der Allradkupplung berechnet. Dazu wird die von dem Steuergerät 17 gelieferte Differenzdrehzahl dn_Kupp über ein PT1-Filter gefiltert und eine Betragsbildung durchgeführt. Bei ABS-Bremsung ist die entstehende Differenzdrehzahl durch das verzögerte Kupplungsöffnen mit Energieeintrag unwichtig, so dass im Fall der ABS-Bremsung die relevante Differenzdrehzahl dn_Kupp__Cor zu Null gesetzt wird. Auch für den Fall, dass die Allradkupplung offen ist, wird die Differenzdrehzahl dn_{Kupp_Cor} zu Null gesetzt. In Schritt 110 können noch weitere Maßnahmen zur Vorverarbeitung der Differenzdrehzahl dn_Kupp durchgeführt werden. Außerdem wird in Schritt 110 der Gradient dnG_Kupp der Differenzdrehzahl dn_Kupp__Cor berechnet.
In Schritt 120 wird eine Erkennung eines entsprechend hohen thermischen Energieeintrags in die Allradkupplung 3 durchgeführt. Die Erkennung des thermischen Energieeintrags erfolgt beispielsweise über die Auswertung eines thermischen Kupplungsstresssignals, welches die thermische Belastung der Allradkupplung 3 angibt. Beispielsweise wird geprüft, ob der thermische Stress der Allradkupplung 3 in kritischer Weise zunimmt.
Dazu wird der Gradient des thermischer Stresses als Differenz zwischen dem Kupplungsstresssignal zum aktuellen Zeitpunkt t = t_eingriff und dem Kupplungsstresssignal zu einem früheren Zeitpunkt t = t₁ berechnet: $Δ S t r e s s = S t r e s s (t = t_{e i n g r i ƒ ƒ}) - S t r e s s (t = t_{1})$
Beispielsweise ist das Kupplungsstresssignal ein Signal, welches einem Prozent-Wert zwischen 0 % und 100 % entspricht.
Ein entsprechend hoher Energieeintrag wird beispielsweise unter der Bedingung erkannt, dass der Gradient ΔStress größer gleich einer bestimmten Gradientenschwelle ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zum Erkennen eines Energieeintrags eine oder mehrere weitere Bedingungen zusätzlich erfüllt sein müssen.
In Schritt 130 erfolgt die Prädiktion der zu erwartenden eingebrachten Reibenergie in die Allradkupplung 3 und die Prädiktion der zu erwartenden maximalen Differenzdrehzahl dn_{Kupp_max_pred} unter der hypothetischen Annahme, dass zum aktuellen Zeitpunkt ein Schutzeingriff ausgelöst wird. Die Prädiktion erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn auch ein entsprechend hoher Energieeintrag in Schritt 120 erkannt wurde.
Die zu erwartende maximale Differenzdrehzahl dn_{Kupp_max_pred} wird durch Extrapolation des Kupplungsschlupfsignals dn_{kupp_Cor} zum aktuellen Zeitpunkt bestimmt, beispielsweise durch quadratische Extrapolation in folgender Weise: ${dn}_{Kupp_max_pred} = ({dnG}_{Kupp} \cdot P_{Totzeit_Mot}) / 2 + {dn}_{Kupp_Cor}$
Hierbei beschreibt dnG_Kupp den in Schritt 110 berechneten Gradienten und P_{Totzeit_Mot} die angenommene Totzeit, bis eine Begrenzung/Reduzierung des Antriebsmoments und/oder ein Bremseingriff in der Weise wirksam wird, dass die Differenzdrehzahl dn_{kupp_Cor} sinkt.
Außerdem wird in Schritt 130 der Reibenergie E_{Reib_pred} zum Zeitpunkt des maximalen Kupplungsschlupfes in Abhängigkeit des prädizierten maximalen Kupplungsschlupfes dn_{Kupp_max_pred} und des Kupplungsschlupfes dn_{Kupp_Cor} zum Eingriffszeitpunkt teingriff geschätzt: $\begin{array}{l} E_{Reib_pred} = [M_{Kupp} \cdot ({dn}_{Kupp_max_pred} + {dn}_{Kupp_Cor}) \cdot (π/60) \cdot P_{Totzeit_Mot}] + \\ E_{Reib_aktuell .} \end{array}$
Hierbei beschreiben die Größe M_Kupp das Kupplungsmoment der Allradkupplung und die Größe E_Reib-aktuell die eingebrachte Reibenergie zum aktuellen Zeitpunkt t_eingriff.
Bei Kenntnis der zu erwartenden maximalen Differenzdrehzahl dn_{Kupp_max_pred} lässt sich ferner die benötigte Zeitdauer Δt_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch} für den Kupplungsschlupfabbau (hier ab dem Zeitpunkt des maximalen Kupplungsschlupfes t_{dn_max}) in Abhängigkeit des maximalen Kupplungsschlupfes dn_{Kupp_max_pred} und dem Abbaumoment P_{M_Abbau_Wunsch} bestimmen: $Δ t_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch} = θ_{Ant_Str} \cdot {dn}_{Kupp_max_pred} \cdot 2 \cdot π {/60/P}_{M_Abbau_Wunsch}$
In der obigen Gleichung beschreiben die Größe θ_{Ant_Str} das Trägheitsmoment des Antriebsstrangs und die Größe P_{M_Abbau_Wunsch} ein vorgegebenes Abbaumoment zum Abbau der Differenzdrehzahl. Die Größe P_{M_Abbau_Wunsch} beschreibt ein Abbremsmoment, mit welchem die Massenträgheit des hochdrehenden Antriebsstrangs wieder auf die Drehzahl des sekundären Antriebsstranges abgebremst wird.
In Abhängigkeit der Zeitdauer Δt_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch} für den Kupplungsschlupfabbau und der Reibenergie E_{Reib_pred} zum Zeitpunkt des maximalen Kupplungsschlupfes lässt sich dann die eingebrachte Reibenergie nach Verstreichen der Zeitdauer Δt_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch} für den Kupplungsschlupfabbau prädizieren: $\begin{array}{l} E_{Reib_pred_zero} = E_{Reib_pred} + [M_{Kupp} \cdot {dn}_{Kupp_max_pred} \cdot (π / 60) \cdot \\ Δ t_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch}] \end{array}$
Die Reibenergie E_{Reib_pred} ergibt sich als Summe der Reibenergie E_{Reib_pred} zum Zeitpunkt t_{dn_max} des maximalen Kupplungsschlupfes und der zusätzlich eingebrachten Reibenergie während des anschließenden Kupplungsschlupfabbaus. Die Größe M_Kupp beschreibt in der obigen Gleichung ein Kupplungsmoment der Allradkupplung 3.
In den in 3 - 5 dargestellten Diagrammen sind die vorstehend beschriebenen Berechnungen grafisch veranschaulicht. In 3 entspricht die eingebrachte Reibenergie E_{Reib_aktuell} zum angenommen Eingriffszeitpunkt t_eingriff der schraffierten Fläche. Wie in 4 dargestellt, ergibt sich der maximale Kupplungsschlupf dn_{Kupp_max_pred} aus der Geraden durch den Kupplungsschlupf dn_{Kupp_Cor} zum Eingriffszeitpunkt teingriff mit der halben Steigung des Gradienten dnG_Kupp der Differenzdrehzahl dn_Kupp__Cor zum Eingriffszeitpunkt teingriff. Der Wert der Geraden zum Zeitpunkt teingriff + P_{t_Totzeit} entspricht dem erwarteten maximalen Schlupf dn_{Kupp_max_pred}. In 4 entspricht die schraffierte Fläche der prädizierten Reibenergie E_{Reib_pred} zum Zeitpunkt t_{dn_max}. Diese Reibenergie E_{Reib_pred} setzt sich zusammen aus der Fläche unter der Schlupf-Kurve bis zum Eingriffszeitpunkt teingriff (d. h. E_{Reib_aktuell}) und der Fläche unter der Geraden bis zum Zeitpunkt t_{dn_max}. In 5 entspricht die schraffierte Fläche der prädizierten Reibenergie E_{Reib_pred_zero} zum Ende des Eingriffs (tende), wenn der Schlupf dn_{Kupp_Cor} auf Null gesunken ist. Die prädizierten Reibenergie E_{Reib_pred_zero} ergibt sich hierbei aus der Summe der Reibenergie E_{Reib_pred} aus 4 und der zusätzlichen Reibenergie (s. die Fläche unter der fallenden Gerade) bei Abbau des Schlupfes, wobei der Schlupf entsprechend der in 5 dargestellten fallenden Geraden während der Zeitdauer Δt_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch} auf Null abnimmt.
Nach der Prädiktion der zu erwarteten eingebrachten Reibenergie E_{Reib_pred_zero} wird in Schritt 140 zunächst geprüft, ob ein Fahrmanöver stattfindet, bei dem soviel Schlupf in der Allradkupplung erzeugt wird, dass es zur Überhitzung des Systems kommen kann.
Die boolesche Variabel M_{Manoeverstart.} wird dabei auf 1 gesetzt, wenn folgende Bedingungen kumulativ erfüllt sind:

1. dn_{Kupp_Cor}> P_{dn_Kupp_Eingriff} ; P_{dn_Kupp_Eingriff} entspricht einer Kupplungsschlupfeingriffsgrenze
2. MEingang > MKupp_max
3. Vorliegen eines entsprechend hohen Energieeintrags (s. Schritt 120)
4. v_x < P_{v_Max_Eingriff}; v_x entspricht der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und P_{v_max_Eingriff} entspricht einer Geschwindigkeitsschwelle (z. B. 7,5 m/s)

Mit den nachfolgenden, in Schritt 140 durchgeführten Abfragen wird entschieden, ob ein Eingriff zum Schutz der Allradkupplung vor thermischer Überlast erfolgen muss.
Wenn die Auslegung des Allradsystems über einer bestimmten Reibwertausnutzung ist und auch noch genügend thermische Kapazität der Allradkupplung 3 vorhanden ist, so kann der entstehende Kupplungsschlupf durch das Fahrmanöver ohne einen Schutzeingriff akzeptiert werden. Wenn kein Eingriff stattfinden soll, wird die boolesche Variabel BManoever_ohne_Eingriff auf 1 gesetzt. Dies passiert dann, wenn folgende Bedingungen kumulativ erfüllt sind:

1. Es liegt eine steigende Flanke der booleschen Variabel B_{Manoeverstart} vor (durch Abprüfen der steigenden Flanke wird ein mehrfaches Auslösen hintereinander verhindert).
2. E_{Reib_verfuegbar}> P_th; hierbei beschreibt P_th die thermische Kapazität (Energiegröße) der Allradkupplung, bei der kein Eingriff erfolgen soll, und E_{Reib_verfuegbar} beschreibt die noch verfügbare thermische Kapazität der Allradkupplung.
3. M_{Kupp_max} >. M_{Kupp_Eingriffsschwelle} . Hierbei beschreibt M_{Kupp_Eingriffsschwelle} die Auslegung des Allradsystems, wobei sich M_{Kupp_Eingriffsschwelle} aus dem Produkt von Radabrissmoment (d. h. das maximal über Reibung übertragbare Moment) an der Vorderachse und der Reibwertausnutzung α an der Vorderachse ergibt.

Sind die vorstehenden Bedingungen nicht gegeben (d. h. B_{Manoever_ohne_Eingriff} = 0), kann die Schutzmaßnahme eingeleitet werden. Dazu wird geprüft, ob der Energieeintrag E_{Reib_Pred_zero} eine bestimmte Schwelle E_max überschritten hat. Die Schutzmaßnahme wird in diesem Beispiel eingeleitet, wenn die folgenden Bedingungen kumulativ erfüllt sind:

1. B_{Manoeverstart} = 1
2. B_{Manoever_ohne_Eingriff} = 0
3. E_{Reib_Pred_zero} > E_max.

Wenn die vorstehenden Bedingungen erfüllt sind, wird die boolesche Variabel B_{Manoever_mit_Eingriff} auf 1 gesetzt. Die boolesche Variabel wird dann anschließend in der Statemachine 150 abgefragt, um den Kupplungsschlupfabbau einzuleiten.
6 gibt einen Überblick über die verwendete Statemachine zur bedarfsgerechten Steuerung, ob ein Eingriff erfolgen darf. Hier wird situationsabhängig und vorausschauend entschieden, ob bei der aktuell vorhandenen Auslegung der Allradkupplung unter Radabriss (d. h. α < 1) ein Eingriff erfolgen soll.
Der in 6 dargestellte Zustand 1 ist der Ausgangszustand der Statemachine. Hier erfolgt die Überwachung des Fahrzustands, d.h. die Manövererkennung (s. Schritt 140) und die Abfrage der Einstiegsbedingung für die Kupplungsschutzmaßnahme.
Der Übergang T1 von Zustand 1 auf Zustand 2 (Kupplungsschlupfabbau) erfolgt dann, wenn die boolesche Variabel B_{Manoever_mit_Eingriff} auf 1 gesetzt ist, d. h. die Auslösung der Schutzmaßnahme positiv entschieden wurde.
In Zustand 2 erfolgt der Kupplungsschlupfabbau durch Begrenzung oder Reduktion des Motormoments (alternativ oder zusätzlich könnte beispielsweise auch das Bremsmoment an der durchdrehenden Primärachse verändert werden).
Der Übergang T2 von Zustand 2 auf Zustand 3 (Wiederfreigabe des Motors) erfolgt dann, wenn der Kupplungsschlupf dn_{Kupp_Cor} unter eine bestimmt Grenze gefallen ist und kein hoher Energieeintrag (s. Schritt 120) mehr vorliegt.
Im Zustand 3 erfolgt die Freigabe des Antriebsmoments, vorzugsweise über eine Rampe. Damit wird soll verhindert werden, dass nicht sofort wieder Schlupf in der Allradkupplung 3 entsteht. Wenn trotz der Rampenfunktion wieder Schlupf in der Allradkupplung 3 entsteht, so wird sofort in den Zustand 2 zurückgekehrt (s. Übergang T3). Für den Übergang T3 wird verlangt, dass E_{Reib-Pred-zero} > E_max gilt.
Die vorstehend beschriebene Schutzfunktion für die Allradkupplung nutzt eine vorrausschauende Bestimmung des Systemzustandes und dessen Kenngrößen, so dass ein voreiliges Auslösen der Schutzfunktion verhindert wird, wenn das Auslösen der Schutzmaßnahme nicht wirklich notwendig gewesen wäre.
Außerdem lässt sich der Schlupfabbau in der Allradkupplung möglichst komfortabel für den Fahrer durchführen. Dazu kann das zulässige Motormoment nicht auf einen festen, pauschalen Wert begrenzt oder reduziert werden, sondern bedarfsgerecht begrenzt bzw. reduziert werden. So kann bei relativ geringer Differenzdrehzahl das Motormoment weniger stark begrenzt werden als bei sehr hoher Differenzdrehzahl. Außerdem findet der Motoreingriff vorzugsweise nur für kurze Zeit statt, beispielsweise für weniger als eine Sekunde.
Die Schutzfunktion nutzt eine intelligente Entscheidungslogik, die situationsabhängig vorausschauend entscheiden kann, ob bei der aktuelle vorhandenen Fahrzeugauslegung der Allradkupplung unter Radabriss (α < 1) ein Eingriff erfolgen sollte. Durch die Schutzfunktion kann ein Allradausfall durch Öffnen der Allradkupplung in Grenzsitationen, in denen gerade die Allradfunktion benötigt wird, verhindert werden.

Claims

Verfahren zum Schutz einer Allradkupplung (3) eines zweiachsigen Kraftfahrzeugs mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb, welcher eingerichtet ist, eine Primärachse (1) anzutreiben und eine Sekundärachse (2) wahlweise mittels der gesteuerten Allradkupplung (3) anzutreiben, mit den Schritten: - Prädizieren des zu erwartenden Werts einer mit der thermischen Belastung der Allradkupplung zusammenhängenden Größe (E_{Reib_pred_zero}; dn_{Kupp_max_pred}) für den Fall einer angenommenen Durchführung einer Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung; - Entscheiden über die Schutzmaßnahme in Abhängigkeit des prädizierten Werts; und - bei Entscheidung für die Schutzmaßnahme, Durchführen der Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schutzmaßnahme ein Kupplungsschlupfabbau ist, insbesondere durch Reduktion oder Begrenzen des Motormoments und/oder Erhöhung des Bremsmoments.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mit der thermischen Belastung der Allradkupplung zusammenhängende Größe ein thermischer Belastungsgrad (E_{Reib_pred_zero}) und/oder ein maximaler Kupplungsschlupf (dn_{Kupp_max_pred}) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Prädizierens des zu erwartenden Werts einer mit der thermischen Belastung der Allradkupplung zusammenhängenden Größe umfasst: - Prädizieren eines zu erwartenden maximalen Kupplungsschlupfes (dn_{Kupp_max_pred})..
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zu erwartende maximale Kupplungsschlupf (dn_{Kupp_max_pred}) mittels Extrapolation des Kupplungsschlupfes, insbesondere quadratischer Extrapolation, unter Berücksichtigung einer Totzeit (P_{t_Totzeit}) bis zum Zeitpunkt (t_{dn_max}) des maximalen Kupplungsschlupfes (dn_{Kupp_max_pred}) prädiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der zu erwartende thermische Belastungsgrad (E_{Reib_pred_zero}) prädiziert wird und der zu erwartende thermische Belastungsgrad (E_{Reib_pred_zero}) in Abhängigkeit des zu erwartenden maximalen Kupplungsschlupfes (dn_{Kupp_max_pred}) prädiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl der maximale Kupplungsschlupf (dn_{Kupp_max_pred}) als auch der zu erwartende thermische Belastungsgrad (E_{Reib_pred_zero}) prädiziert werden und das Prädizieren eines zu erwartenden thermischen Belastungsgrades (E_{Reib_pred_zero}) umfasst: - Prädizieren des thermischen Belastungsgrades (E_{Reib_pred}), welcher zum Zeitpunkt (t_{dn_max}) des maximalen Kupplungsschlupfes (dn_{Kupp_max_pred}) herrscht, in Abhängigkeit des maximalen Kupplungsschlupfes (dn_{Kupp_max_pred}).
Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüche 3-7, wobei zumindest der maximale Kupplungsschlupf (dn_{Kupp_max_pred}) prädiziert wird und die benötigte Zeitdauer (Δt_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch}) für den Kupplungsschlupfabbau ab dem Zeitpunkt (t_{dn_max}) des maximalen Kupplungsschlupfes (dn_{Kupp_max_pred}) in Abhängigkeit des maximalen Kupplungsschlupf (dn_{Kupp_max_pred}) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zeitdauer (Δt_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch}) für den Kupplungsschlupfabbau ferner in Abhängigkeit eines Abbaumoments bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüche 3-9, wobei der zu erwartende thermische Belastungsgrad (E_{Reib_pred_zero}) prädiziert wird und das Prädizieren des zu erwartenden thermischen Belastungsgrades (E_{Reib_pred_zero}) umfasst: - Prädizieren des zu erwartenden thermischen Belastungsgrades (E_{Reib_pred_zero}), welcher nach Verstreichen der Zeitdauer (Δt_{dn_Abbau_E_Reib_Wunsch}) für den Kupplungsschlupfabbau herrscht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Entscheidens über die Schutzmaßnahme umfasst: - Vergleichen des prädizierten Wertes (E_{Reib_pred_zero}) mit einem Schwellwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zu erwartende thermische Belastungsgrad (E_{Reib_pred_zero}) prädiziert wird und der zu erwartende thermische Belastungsgrad (E_{Reib_pred_zero}) einer Reibenergie der Allradkupplung (3) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorderachse (2) der Sekundärachse und die Hinterachse (1) der Primärachse entsprechen.
Steuergerät mit einer Funktion zum Schutz einer Allradkupplung (3) eines zweiachsigen Kraftfahrzeugs mit kupplungsgesteuertem Allradantrieb, welcher eingerichtet ist, eine Primärachse (1) anzutreiben und eine Sekundärachse (2) wahlweise mittels der gesteuerten Allradkupplung (3) anzutreiben, umfassend - Mittel (9) zum Prädizieren des zu erwartenden Werts einer mit der thermischen Belastung der Allradkupplung zusammenhängenden Größe (E_{Reib_pred_zero}) für den Fall einer angenommenen Durchführung einer Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung (3); - Mittel (9) zum Entscheiden über die Schutzmaßnahme in Abhängigkeit des prädizierten Werts (E_{Reib_pred_zero}); und - Mittel (9) zum Auslösen oder Durchführen der Schutzmaßnahme gegen eine thermische Überlast der Allradkupplung (3) bei Entscheidung für die Schutzmaßnahme.