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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kupplungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug, die durch eine Steuerungseinrichtung gesteuert wird und die in einem ersten Kupplungszustand ausschließlich eine erste Gruppe von Rädern mit einer Antriebseinrichtung koppelt und in einem zweiten Kupplungszustand sowohl die erste als auch eine zweite Gruppe von Rädern mit der Antriebseinrichtung koppelt, wobei die Kupplungseinrichtung bei Erfüllung einer Umschaltbedingung während des Betriebs in dem ersten Kupplungszustand durch die Steuerungseinrichtung während eines vorgegebenen Zeitintervalls in den zweiten Kupplungszustand überführt wird.
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Kraftfahrzeuge mit einem Allradantrieb weisen in vielen Fahrsituationen ein stabileres Fahrverhalten auf. Nachteilig an einem Allradantrieb ist jedoch, dass er in Abhängigkeit der konkreten Fahrsituation zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs führen kann. Daher ist es grundsätzlich bekannt, dass Kraftfahrzeuge sowohl über einen Allradantrieb angetrieben werden können als auch über eine einzelne Achse. Dabei kann beispielsweise eine Vorderachse eines Kraftfahrzeugs als Primärachse stets angetrieben werden und bei Bedarf die Sekundärachse, also die Hinterachse, angekoppelt werden. Eine entsprechende Umschaltung war bei älteren Systemen zunächst nur im Stillstand des Kraftfahrzeugs möglich. In modernen Allradsystemen kann ein Allradantrieb bei Bedarf im laufenden Fahrbetrieb zugeschaltet werden.
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Es ist, beispielsweise aus der Druckschrift
GB 2488241 A bekannt, eine Umschaltung von einem einachsigen Antrieb auf einen Allradantrieb automatisiert durch ein Fahrzeugsystem durchzuführen, wenn bestimmte Betriebsparameter erfüllt sind. Für eine derartige Umschaltung ist ein bestimmtes Zeitintervall erforderlich, da Drehzahlen verschiedener Komponenten angepasst werden müssen um sie koppeln zu können. Dabei erfordern unterschiedliche Fahrsituationen ein unterschiedlich schnelles Umschalten zwischen beispielsweise einem Vorderradantrieb und einem Allradantrieb. Ist ein Umschalten auf einen Allradantrieb in einem sehr kurzen Zeitintervall gewünscht, beispielsweise weil das Kraftfahrzeug in einer akut vorliegenden instabilen Fahrsituation stabilisiert werden soll, so entstehen dabei aufgrund von schnellen Drehzahländerungen bzw. Kopplungsvorgängen Störgeräusche, die von einem Fahrer als unangenehm wahrgenommen werden können. Die bereits genannte Druckschrift schlägt daher vor, die Länge des Zeitintervalls zur Ankupplung eines Vierradantriebs von einer Fahrgeschwindigkeit oder von der Lautstärke einer Audiowiedergabe abhängig zu machen, so dass nur bei einer bereits vorliegend hohen Grundlautstärke ein schneller Übergang von einem Zweirad- zu einem Vierradantrieb möglich ist.
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Daneben ist aus der Druckschrift
US 2008/0292110 A1 ein System zur aktiven Geräuschkompensation für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem durch die Erzeugung von Antischall ein Geräusch, das durch die Vibration eines Getriebes eines Kraftfahrzeugs in den Innenraum gelangt, kompensiert wird.
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Aus
DE 10 2012 113 038 A1 ist eine Geräuschoptimierung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei der vorgesehen ist, dass zumindest ein Lagerelement, das mit wenigstens einem Element des Antriebsstrangs auf der Karosserie gelagert ist, einen Aktuator als Schwingungserzeuger aufweist, welcher von einer Steuereinheit ansteuerbar ist. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Aktuators können Schwingungen im Antriebsstrang erzeugt werden, die durch eine Überlagerung mit dem Antriebsgeräusch eine Beeinflussung des Gesamtgeräuschs bewirken.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Kupplungseinrichtung anzugeben, das einen schnellen Wechsel zwischen verschiedenen Antriebszuständen ermöglicht, ohne den Fahrer durch Störgeräusche zu belästigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass während zumindest eines Teils des Zeitintervalls wenigstens ein Aktor durch die Steuerungseinrichtung durch ein Ansteuersignal zur Erzeugung eines Schallsignals angesteuert wird, das ein durch ein Umschalten des Kupplungszustands erzeugtes Geräusch zumindest teilweise kompensiert, wobei bei Erfüllung der Umschaltbedingung durch die Steuerungseinrichtung die Antriebseinrichtung und/oder ein automatisches Getriebe und/oder eine Abgasklappe zur Anpassung eines durch die Antriebseinrichtung erzeugten Geräuschs angesteuert werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, während des Wechsels von dem ersten in den zweiten Kupplungszustand gezielt einen Aktor zur Erzeugung eines Schallsignals anzusteuern. Das Schallsignal kann das durch das Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch überdecken. Besonders vorteilhaft wird durch die Ausgabe des Schallsignals aber das Geräusch in zumindest einem Fahrzeugbereich in seiner Lautstärke reduziert, beispielsweise durch eine Nutzung von Antischall.
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Dabei kann eine Steuerungseinrichtung einer Kupplungseinrichtung des Kraftfahrzeugs genutzt werden, um die Kupplungseinrichtung zu steuern und um den Aktor anzusteuern. Alternativ kann die Steuerungseinrichtung jedoch auch durch separat ausgebildete Steuerungsvorrichtungen gebildet sein, wobei beispielsweise die Ansteuerung des Aktors durch eine Steuerungsvorrichtung eines Multimediasystems erfolgt und die Steuerung der Kupplungseinrichtung durch eine Steuerungsvorrichtung des Antriebsystems. Die entsprechenden Steuerungsvorrichtungen sind in diesem Fall zur Bildung der Steuerungseinrichtung über ein Netzwerk, insbesondere einen Datenbus, verknüpft.
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Dabei ist es möglich, dass bei Nichterfüllung der Umschaltbedingung und Erfüllung einer weiteren Umschaltbedingung die Kupplungseinrichtung während eines vorgegebenen weiteren Zeitintervalls, das länger als das Zeitintervall ist, in den zweiten Kupplungszustand überführt wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Ansteuerung des Aktors mit einem Ansteuersignal zur Erzeugung eines Schallsignals, dass das Umschaltgeräusch kompensiert, ausschließlich dann erfolgt, wenn die Umschaltbedingung erfüllt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also zwischen einem schnellen Umschalten des Kupplungszustandes bei einem Erfüllen der Umschaltbedingung und einem langsamen Umschalten des Kupplungszustandes bei einer ausschließlichen Erfüllung der weiteren Umschaltbedingung unterschieden werden. Bei einem langsamen Umschalten des Kupplungszustandes ergibt sich der Vorteil, dass kaum Geräusche erzeugt werden, womit eine Kompensation von Geräuschen nicht notwendig ist.
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Als Aktor kann insbesondere ein Schallwandler eines Beschallungssystems zur Beschallung des Innenraums des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Dabei kann der Schallwandler insbesondere ein Lautsprecher sein. Im einfachsten Fall kann ein Schallwandler, der beispielsweise einem Multimediasystem des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist und der während des Umschaltens des Kupplungszustandes ohnehin Schallsignale ausgibt, genutzt werden, um diese Schallsignale lauter auszugeben. Es kann also die Lautstärke einer Audioausgabe erhöht werden, um das Geräusch des Umschaltens des Kupplungszustandes zu überdecken.
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Ergänzend oder alternativ kann als Aktor zur Schallausgabe ein Aktor genutzt werden, der an einer Scheibe oder im Abgastrakt des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und bei einer Ansteuerung Vibrationen auf die Scheibe oder eine Komponente des Abgastraktes überträgt.
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Besonders vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das durch ein Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch reduziert. Hierzu kann durch die Steuereinrichtung der Aktor zur Ausgabe eines Antischalls angesteuert werden, der das durch ein Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch in zumindest einem Teil des Innenraums des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise aufhebt. Das Ansteuersignal wird dabei derart festgelegt, dass in wenigstens einem Bereich des Kraftfahrzeugs die Amplitude wenigstens eines Frequenzbandes eines durch den Wechsel des Kupplungszustandes erzeugten Geräusches verringert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können dabei zum einen Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs ermittelt werden, um Eigenschaften des beim Umschalten des Kupplungszustandes erzeugten Geräusches vorauszusagen und dieses damit besser kompensieren zu können, zum anderen kann ein bereits vorliegendes Geräusch über wenigstens ein Mikrofon erfasst werden, um es zu kompensieren.
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Die Kupplungseinrichtung kann ein kraftschlüssiges Kupplungselement zur kraftschlüssigen Kopplung einer Welle und eines Getriebes und/oder ein formschlüssiges Kupplungselement zur formschlüssigen Kopplung der Welle und des Getriebes umfassen, wobei das Ansteuersignal durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der Welle und/oder des Getriebes und/oder des ersten Kupplungselements und/oder des zweiten Kupplungselements festgelegt wird. Die Welle kann dabei insbesondere eine Kardanwelle des Kraftfahrzeugs oder eine Antriebswelle eines Hinterrads des Kraftfahrzeugs sein. Das Getriebe kann der Gangschaltung oder einem Differential zugeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, dass im Kraftfahrzeug in mehreren Bereichen, insbesondere an einem Getriebe im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs und an einem Differential im hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs, jeweils ein kraftschlüssiges und/oder ein formschlüssiges Kupplungselement vorgesehen ist. Dabei können Betriebsparameter eines Welle-Getriebe-Paares oder auch von mehreren Welle-Getriebe-Paaren berücksichtigt werden.
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Als formschlüssiges Kupplungselement kann eine Klauenkupplung genutzt werden. Das kraftschlüssige Kupplungselement kann beispielsweise eine Lamellenkupplung sein. Die Betriebsparameter der Welle, des Getriebes, des kraftschlüssigen Kupplungselements und/oder des formschlüssigen Kupplungselements können dabei durch Sensoren erfasst werden. Als Betriebsparameter können jedoch auch Steuersignale erfasst werden, die von der Steuerungseinrichtung oder einer weiteren Steuerungseinrichtung des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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Insbesondere kann in Abhängigkeit des Betriebsparameters bzw. der Betriebsparameter ein Steuersignal für einen Schallwandler bestimmt werden. Dabei können in Abhängigkeit der Betriebsparameter beispielsweise ein Frequenzspektrum, ein Ausgabeintervall und/oder eine Amplitudenhüllkurve, insbesondere eine Amplitudenhüllkurve für eines oder mehrere Frequenzbänder, des Ansteuersignals angepasst werden, um durch den oder die Betriebsparameter parametrisierten Antischall zu erzeugen.
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Als Betriebsparameter kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Drehzahlunterschied und/oder ein Drehmomentunterschied und/oder eine Zeitableitung des Drehzahlunterschiedes und/oder eine Zeitableitung des Drehmomentunterschiedes zwischen dem Getriebe und der Welle ausgewertet werden. Dabei beschreiben die entsprechenden Größen, inwieweit ein Getriebe mit einer zugeordneten Welle bereits synchronisiert ist bzw. wie schnell die Synchronisation erfolgt. Weisen ein Getriebe und eine Welle beispielsweise bereits eine nahezu gleiche Drehzahl auf, so ist eine Kopplung dieser Welle mit diesem Getriebe relativ schnell möglich und es werden kaum Störgeräusche erzeugt. Gleichzeitig ist das Frequenzspektrum eines Geräuschs, das während einer Synchronisation, also einer Anpassung der Drehzahlen, insbesondere durch kraftschlüssige Kopplung mit nicht zu großer Kraft, erzeugt wird, stark abhängig von dem Drehzahlunterschied zwischen den zu koppelnden Komponenten.
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Alternativ oder ergänzend kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Betriebsparameter eine durch das kraftschlüssige Kupplungselement ausgeübte Kraft ausgewertet werden. Diese Kraft beeinflusst insbesondere die Amplitude und das Frequenzspektrum des bei der Kopplung erzeugten Geräusches. Dabei kann insbesondere die Kraft in Radialrichtung der Welle ausgewertet werden.
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Als Betriebsparameter kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Zeitpunkt des Koppelns der Welle und des Getriebes durch das formschlüssige Kupplungselement ausgewertet werden. Insbesondere kann in Abhängigkeit dieses Zeitpunktes der Beginn der Erzeugung des Schallsignals bestimmt werden und/oder ein Amplitudenverlauf des Schallsignals angepasst werden. Als Betriebsparameter kann auch ein Drehzahlunterschied und/oder ein Drehmomentunterschied zwischen der Welle und dem Getriebe zum Zeitpunkt des Koppelns der Welle mit dem Getriebe durch das formschlüssige Kupplungselement ausgewertet werden. Ein formschlüssiges Koppeln kann als nahezu sofortiges Ereignis betrachtet werden und das Geräusch, das dabei erzeugt wird, ist stark abhängig vom Drehzahl- bzw. Drehmomentunterschied zwischen der Welle und dem Getriebe.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es auch vorgesehen sein, dass durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit eines vorgegebenen Modells und des Betriebsparameters ein Modellsignal berechnet wird, das einen Verlauf eines durch den Wechsel des Kupplungszustandes erzeugten Geräusches in wenigstens einem Bereich des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise beschreibt, wonach das Ansteuersignal durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit des Modellsignals berechnet wird. Das Modell kann dabei insbesondere die Position von Schallquellen, beispielsweise die Position des kraftschlüssigen bzw. formschlüssigen Kupplungselements bezüglich eines Bereichs des Kraftfahrzeuginnenraums, insbesondere der Sitzposition des Fahrers, berücksichtigen. Daneben kann in dem Modell eine Vielzahl von Parametern von Kraftfahrzeugkomponenten vorgegeben sein. Beispielsweise können Trägheitsmomente von Wellen oder Getriebeelementen, Informationen über die Oberflächen von Wellen und/oder Kupplungselementen, resonierende Kraftfahrzeugkomponenten und Ähnliches gespeichert sein.
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Der Aktor, der insbesondere ein Schallwandler sein kann, kann mit einem invertierten Modellsignal angesteuert werden, wobei zusätzlich Laufzeiten von Schallwellen berücksichtigt werden können. Insbesondere können auch mehrere Aktoren bzw. Schallwandler angesteuert werden, um definierte Schallwellen in einem bestimmten Kraftfahrzeugbereich zu erzeugen. Dabei können insbesondere bekannte Algorithmen zur Schallfeldsynthese genutzt werden.
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Es ist möglich, dass das Kraftfahrzeug wenigstens ein Mikrofon, insbesondere in dem Innenraum des Kraftfahrzeugs, umfasst, durch das das durch das Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch als Referenzsignal erfasst wird, sodass das Ansteuersignal durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit des erfassten Referenzsignals berechnet wird. Durch die Erfassung wenigstens eines entsprechenden Referenzsignals über wenigstens ein Mikrofon können dabei insbesondere Phaseninformationen über rauschhafte Signalanteile gewonnen werden, die eine reine Modellrechnung ergänzen und beispielsweise ein Modellsignal besser an ein tatsächliches durch den Wechsel des Kupplungszustands erzeugtes Geräusch anpassen können.
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Es ist möglich, dass das Kraftfahrzeug ein hydraulisches Bremssystem umfasst und dass das Ansteuersignal bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters wenigstens einer Komponente des hydraulischen Bremssystems, insbesondere eines Hydroaggregats, angesteuert wird. Ist die Umschaltbedingung erfüllt und insbesondere ein schnelles Umschalten vom ersten in den zweiten Kupplungszustand gewünscht, kann der Fall eintreten, dass die momentane Fahrsituation instabil ist und diese Instabilität durch das Umschalten kompensiert werden soll. Da jedoch auch ein schnelles Umschalten des Kupplungszustandes ein gewisses Mindestzeitintervall in Anspruch nimmt, werden in bestimmten Fahrsituationen weitere Systeme zur Fahrzeugstabilisierung, beispielsweise ein ABS- oder ein ESP-System in den Fahrbetrieb eingreifen. Dabei kann durch das Hydroaggregat unabhängig von einem Bremseingriff des Fahrers ein Bremsdruck aufgebaut werden, um eines oder mehrere Räder des Kraftfahrzeugs zu bremsen. Derartige plötzliche Bremseingriffe und insbesondere der Druckaufbau für derartige Bremseingriffe erzeugen jedoch Geräusche, die teilweise als störend empfunden werden. Durch eine Berücksichtigung von wenigstens einem Betriebsparameter einer Komponente des hydraulischen Bremssystems können auch die Geräusche, die durch das Eingreifen des Bremssystems erzeugt werden, kompensiert werden.
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Ergänzend ist es im erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich das Ansteuersignal in Abhängigkeit eines Motorparameters, wie beispielsweise einer Motordrehzahl, zu ermitteln, um auch Geräusche durch plötzliche Eingriffe in die Motorsteuerung aufgrund einer vorliegenden instabilen Fahrsituation zu kompensieren.
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Bei Erfüllung der Umschaltbedingung wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Steuerungseinrichtung die Antriebseinrichtung und/oder ein automatisches Getriebe und/oder eine Abgasklappe zur Anpassung eines durch die Antriebseinrichtung erzeugten Geräusches angesteuert. Damit kann insbesondere das durch ein Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch durch ein Motorgeräusch überdeckt werden, welches von Fahrern als angenehmer empfunden wird als das durch das Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch. Dabei kann beispielsweise durch das automatische Getriebe ein niedrigerer Gang gewählt werden und/oder die Drehzahl des Motors erhöht werden und/oder eine Abgasklappe geöffnet werden, um ein insgesamt sportliches Motorengeräusch bereitzustellen.
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Zudem betrifft die Erfindung eine Kupplungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die durch eine Steuerungseinrichtung gesteuert ist und die in einem ersten Kupplungszustand ausschließlich eine erste Gruppe von Rädern mit einer Antriebseinrichtung koppelt und in einem zweiten Kupplungszustand sowohl die erste als auch eine zweite Gruppe von Rädern mit der Antriebseinrichtung koppelt, wobei die Kupplungseinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Zudem betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Kupplungseinrichtung umfasst. Das Kraftfahrzeug umfasst einen durch die Steuereinrichtung ansteuerbaren Aktor, wobei die Steuereinrichtung zum Ansteuern des Aktors gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, das eine erfindungsgemäße Kupplungseinrichtung umfasst, und
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2 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das abhängig von einem Kupplungszustand einer Kupplungseinrichtung entweder durch einen Vorderradantrieb oder einen Allradantrieb angetrieben wird. In einem ersten Kupplungszustand ist eine Antriebseinrichtung 2, nämlich ein Motor, über das Getriebe 3 mit dem Differential 4 der Vorderachse verbunden, das das vom Motor bereitgestellte Drehmoment auf die Vorderräder 5 des Kraftfahrzeugs verteilt. Das Getriebe 3 ist dabei von der als Kardanwelle ausgebildeten Welle 10 getrennt. Um einen Allradantrieb zu ermöglichen, ist im Kraftfahrzeug 1 eine Kupplungseinrichtung mit zwei Kupplungselementen 6, 7 vorgesehen, die es ermöglicht, zusätzlich auch die Hinterräder 9 durch die Antriebseinrichtung 2 anzutreiben. Sind beide Kupplungselemente 6, 7 gekoppelt, so ist das Getriebe 3 über das Kupplungselement 6 mit der Welle 10 und die Welle 10 wiederum über das Kupplungselement 7 mit dem Differential 8 der Hinterachse verbunden. Damit ist eine Drehmomentübertragung von der Antriebseinrichtung 2 über das Getriebe 3, die Welle 10 und das Differential 8 zu den Hinterrädern 9 möglich. Das Kupplungselement 6, das das Getriebe 3 mit der Welle 10 verbindet, ist als kraftschlüssiges Kupplungselement 6, nämlich als Lamellenkupplung ausgebildet. Das Kupplungselement 7, das die Welle 10 mit dem Differential 8 verbindet, ist ein formschlüssiges Kupplungselement 7, nämlich eine Klauenkupplung.
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In alternativen Ausgestaltungen des Kraftfahrzeugs ist es auch möglich, zur Kupplung zwischen dem Getriebe 3 und der Welle 10 ein kraftschlüssiges Kupplungselement oder sowohl ein formschlüssiges Kupplungselement als auch ein kraftschlüssiges Kupplungselement zu nutzen und/oder zur Kopplung der Welle 10 an das Differential 8 ein formschlüssiges Kupplungselement oder sowohl ein formschlüssiges als auch ein kraftschlüssiges Kupplungselement vorzusehen. Die Nutzung einer Kombination eines formschlüssigen Kupplungselements und eines kraftschlüssigen Kupplungselements ermöglicht eine formschlüssige Kupplung mit vorangehender Synchronisation, wenn zunächst ausschließlich eine kraftschlüssige Kopplung erfolgt und erst nach der Synchronisation eine formschlüssige Kopplung.
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In einem zweiten Kupplungszustand der Kupplungseinrichtung koppelt sowohl das Kupplungselement 6 das Getriebe 3 mit der Welle 10 als auch das Kupplungselement 7 die Welle 10 mit dem Differential 8. Der Kupplungszustand wird dabei durch die Steuerungseinrichtung 11 bestimmt, die in Abhängigkeit des Kupplungszustandes, über einen Datenbus, nämlich einen CAN-Bus, die Kupplungselemente 6, 7 ansteuert. Bei einem Wechsel von dem ersten zum zweiten Kupplungszustand der Kupplungseinrichtung, also bei einem Wechsel vom Vorderradantrieb zum Allradantrieb, ist es erforderlich die Drehzahl der Welle 10 an die am Getriebe 3 bzw. am Differential 8 vorliegenden Drehzahlen anzupassen. Für eine derartige Synchronisation der Welle 10 steuert die Steuerungseinrichtung 11 zunächst das kraftschlüssige Kupplungselement 6 an, um die Welle 10 mit einer vorgegebenen Kraft an das Getriebe 3 zu koppeln. Die Drehzahl der Welle 10 wird durch diese Kopplung erhöht, bis die Drehzahl der Welle 10 der Drehzahl am Differential 8 der Hinterachse entspricht. Sind die entsprechenden Drehzahlen angeglichen, steuert die Steuereinrichtung 11 die formschlüssige Kupplungseinrichtung 7 an, um die Welle 10 mit dem Differential 8 zu koppeln. Bei alternativen Ausführungsformen des Kraftfahrzeugs 1 ist es möglich, an beiden Enden der Welle 10 sowohl ein formschlüssiges als auch ein kraftschlüssiges Kupplungselement der Kupplungseinrichtung vorzusehen, um ein gleichmäßiges Ankoppeln zu erreichen.
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Die Steuerungseinrichtung 11 des Kraftfahrzeugs 1 erfasst eine Vielzahl von das Kraftfahrzeug 1 betreffenden Egoinformationen und das Umfeld des Kraftfahrzeugs 1 betreffenden Umfeldinformationen. Hierzu können beispielsweise Drehzahlen und Drehzahländerungen des Motors und Drehzahlen von Rädern 5, 9 bzw. Achsen erfasst werden. Zur Drehzahlerfassung werden Drehzahlsensoren genutzt, von denen zur größeren Übersicht nur der der Welle 10 zugeordnete Drehzahlsensor 13 dargestellt ist. Mit einem nicht gezeigten Navigationssystem kann zudem erfasst werden, ob sich das Kraftfahrzeug auf einer befestigten Straße oder im Gelände befindet.
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Während eines Betriebs der Kupplungseinrichtung im ersten Kupplungszustand wertet die Steuerungseinrichtung 11 in regelmäßigen Intervallen eine Umschaltbedingung aus, die erfüllt ist, wenn der Fahrzustand instabil ist, und zur Stabilisierung des Kraftfahrzeugs eine schnelle Umschaltung in den zweiten Kupplungszustand erforderlich ist. Zudem wertet die Steuereinrichtung 11 eine weitere Umschaltbedingung aus, die anzeigt, ob ein Umschalten der Kupplungseinrichtung in den zweiten Kupplungszustand über einen längeren Zeitraum vorteilhaft ist. Die entsprechende Auswertung wird im Folgenden noch mit Bezug auf 2 erläutert.
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Wird erfasst, dass die Umschaltbedingung erfüllt ist, das heißt ein sehr schneller Wechsel in den zweiten Kupplungszustand gewünscht ist, so müssen beide Kupplungselemente 6, 7 innerhalb eines kurzen Zeitraums gekoppelt werden, wodurch ein im Fahrzeuginnenraum deutlich hörbares Geräusch erzeugt wird. Im Kraftfahrzeug 1 wird dieses Geräusch durch Antischall teilweise kompensiert. Hierzu wird ein Aktor 12, der ein Schallwandler eines Beschallungssystems zur Beschallung des Innenraums des Kraftfahrzeugs 1 ist, durch die Steuereinrichtung 11 zur Ausgabe von Antischall angesteuert. Hierzu werden mehrere Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs erfasst. Im Getriebe 3 sowie im Differential 8 sind jeweils nicht gezeigte Drehzahlsensoren angeordnet, die die Drehzahlen im mit der Welle 10 zu koppelnden Bereich erfassen. Zusätzlich ist an der Welle 10 der Drehzahlsensor 13 angeordnet. Die Steuereinrichtung 11 erfasst zudem eine Kraft, die das kraftschlüssige Kupplungselement 6 zur Kopplung des Getriebes 3 mit der Welle 10 ausübt. In der Steuereinrichtung 11 ist ein Modell der Kupplungseinrichtung gespeichert, das zum einen die Positionen der Kupplungselemente 6, 7 der Kupplungseinrichtung im Kraftfahrzeug 1, zum anderen die Trägheit der Welle 10, Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit auf der Welle 10 und der Kupplungselemente 6, 7 sowie Informationen zur Schallausbreitung im Kraftfahrzeug 1 und zu resonierenden Komponenten.
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Dieses Modell wird durch die vorangehend genannten Betriebsparameter parametrisiert, um ein Modellsignal zu berechnen, das den Verlauf eines durch den Wechsel des Kupplungszustandes erzeugten Geräusches zumindest teilweise beschreibt. Im Rahmen dieser Berechnung wird zusätzlich der Zeitpunkt ausgewertet, zu dem die Steuereinrichtung 11 die kraftschlüssige Kupplungseinrichtung 7 zur Kopplung ansteuert sowie der Drehzahlunterschied zwischen der Welle 10 und dem Differential 8 zu diesem Zeitpunkt. Mithilfe des Modells werden ein Frequenzspektrum des Modellsignals sowie eine Amplitudenhüllkurve für wenigstens ein Frequenzband bestimmt.
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Für Teile des zu kompensierenden Geräusches ist die Phasenlage nicht bekannt. Daher ist im Kraftfahrzeug 1 zusätzlich ein Mikrofon 14 vorgesehen, das im Innenraum des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet ist und das das tatsächlich beim Wechsel des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch erfasst. Eine derartige Erfassung des tatsächlichen Störgeräusches ist vorteilhaft, um rauschhafte Signalanteile des Störgeräusches besser kompensieren zu können.
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Aus dem Modellsignal wird durch die Steuerungseinrichtung 11 ein Ansteuersignal für den Aktor 12 generiert. Zur Generierung des Ansteuersignals werden dabei insbesondere die relative Lage des Aktors 12 zu dem Bereich des Innenraums, in dem das Geräusch kompensiert werden soll, berücksichtigt. In alternativen Ausführungsformen des Kraftfahrzeugs 1 können mehrere Aktoren vorgesehen sein, die mit separaten Ansteuersignalen angesteuert werden, um ein Geräusch zu kompensieren. Dabei kann aus dem Modellsignal ein voraussichtliches Signal in einem Bereich des Innenraums des Kraftfahrzeugs 1 berechnet werden, in dem das Geräusch kompensiert werden soll, und Antischall kann durch Schallfeldsynthese berechnet werden.
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Das Kraftfahrzeug 1 weist zudem ein hydraulisches Bremssystem auf, von dem ausschließlich die Bremse 16 an einem der Vorderräder 5 sowie ein Hydroaggregat 15 zur Erzeugung von fahrerunabhängigen Bremsdrücken gezeigt sind. Ist eine Umschaltung in den zweiten Kupplungszustand aufgrund einer instabilen Fahrsituation notwendig, wird während des Zeitintervalls des Umschaltens durch die Steuereinrichtung 11 das Hydroaggregat 15 angesteuert, um elektronische Spurkontrollfunktionen bereitzustellen. Auch dadurch werden zusätzliche Geräusche erzeugt. Die Steuereinrichtung 11 berücksichtigt eine derartige Ansteuerung bei der Berechnung des Modellsignals, weshalb auch der durch das Hydroaggregat 15 erzeugte Schall zumindest teilweise kompensiert wird.
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Ergänzend zur Erzeugung von Antischall zur Reduzierung des durch das Umschalten des Kupplungszustandes erzeugten Geräuschs ist bei dem Kraftfahrzeug 1 vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 11 während zumindest eines Teils des Zeitintervalls des Umschaltens die Antriebseinrichtung 2, das Getriebe 3 sowie eine nicht dargestellte Abgasklappe ansteuert, um die Lautstärke des durch die Antriebseinrichtung 2 erzeugten Geräuschs zu erhöhen und das durch das Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch zu überdecken.
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2 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer Kupplungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug. In Schritt S1 wird eine Vielzahl von Parametern des Kraftfahrzeugs und des Umfeld erfasst. Diese Parameter erfassen zum einen, ob die Fahrsituation des Kraftfahrzeugs instabil ist und ein zeitnaher Betrieb des Kraftfahrzeugs in einem Allradmodus erforderlich ist und zum anderen, ob die Gesamtfahrsituation es mittelfristig vorteilhaft erscheinen lässt, in einen Allradmodus zu wechseln. Als Parameter werden Straßeninformationen aus einem Navigationssystem, die Betriebstemperaturen von mehreren Komponenten des Kraftfahrzeugs, nämlich der Reifen, des Motors und des Kühlwassers, eine Stellung eines Bedienelementens, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, die Gierrate des Kraftfahrzeugs, der Lenkwinkel und eine Vielzahl weiterer Parameter erfasst.
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In Schritt S2 werden die erfassten Parameter ausgewertet, um zu ermitteln, ob eine Umschaltbedingung erfüllt ist, die eine Instabilität des Kraftfahrzeugs anzeigt. Diese Umschaltbedingung ist erfüllt, wenn wenigstens eine von mehreren Auslösebedingungen erfüllt ist. Die Auslösebedingungen sind eine Übertragung eines Drehmoments, das ein vorgegebenes Drehmoment übersteigt, durch ein Getriebe oder ein Differential, das Überschreiten eines Grenzwerts durch einen ermittelten Schwimmwinkel, das Überschreiten eines Grenzwerts durch eine ermittelte Gierrate und das Überschreiten eines Grenzwerts durch Drehzahlunterschiede zwischen Rädern. Ergänzend können weitere Bedingungen, die eine aktuelle Instabilität des Kraftfahrzeugs anzeigen, ausgewertet werden.
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Ist die Umschaltbedingung erfüllt, so erfolgt ein schneller Wechsel von dem ersten Kupplungszustand in den zweiten Kupplungszustand, sodass die Erzeugung eines Störgeräuschs unvermeidbar ist. Durch das Verfahren wird das erzeugte Geräusch beim Umschalten des Kupplungszustands daher zumindest teilweise kompensiert. Hierzu erfolgt die Umschaltung in den Schritten S3 bis S9, die wiederholt durchlaufen werden. Im Schritt S3 erfolgt jeweils die Ansteuerung der Kupplungseinrichtung. Es werden Kräfte erzeugt, damit die kraftschlüssigen Kupplungselemente der Kupplungseinrichtung koppeln und es können zudem, wenn ermittelt wird, dass eine Synchronisation bereits erfolgt ist, ein oder mehrere formschlüssige Kupplungselemente zur Kopplung angesteuert werden.
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Im Schritt S4 werden Parameter erfasst, die in dem weiteren Verfahren zur Voraussage des erzeugten Geräusches genutzt werden. Dies sind die Drehzahlen bzw. Drehmomente bzw. die zeitlichen Ableitungen der jeweiligen Größen von Wellen und Getrieben, die durch die Kupplungseinrichtung beim Wechsel in den zweiten Kupplungszustand gekoppelt werden. Ergänzend werden Ansteuerparameter für ein Hydroaggregat erfasst, um auch die Geräusche des Hydroaggregats kompensieren zu können.
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Im Schritt S5 wird, wie bereits zu 1 erläutert, ein Modellsignal berechnet, das einen Verlauf eines durch den Wechsel des Kupplungszustandes erzeugten Geräusches in wenigstens einem Bereich des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise beschreibt. Hierzu werden ein in einer Steuereinrichtung gespeichertes Modell des Kraftfahrzeugs sowie die im Schritt S4 erfassten Parameter genutzt.
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Um die Phasenlage der einzelnen Komponenten des Modellsignals genauer bestimmen zu können, wird im Schritt S6 mit wenigstens einem Mikrofon ein Schallsignal erfasst. Das Mikrofon kann dabei im Innenraum des Kraftfahrzeugs und/oder im Bereich eines der Kupplungselemente angeordnet sein.
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Im Schritt S7 wird für einen Aktor oder mehrere Aktoren ein Ansteuersignal berechnet. Hierzu werden prinzipiell bekannte Verfahren der Schallfeldsynthese genutzt, um in wenigstens einem Kraftfahrzeugbereich ein Signal zu kompensieren, das sich aus dem in Schritt S5 berechneten Modellsignal und der Phasenlage ergibt, die mithilfe des in Schritt S6 erfassten Schalls bestimmt wurde. Das Ansteuersignal dient dabei der Erzeugung von Antischall, also von Schall, der dem durch das Umschalten des Kupplungszustandes erzeugten Geräusch in einem Fahrzeugbereich möglichst gut entspricht, wobei die Amplitude des Antischalls jedoch gegenüber dem Geräusch invertiert ist, wodurch das Geräusch durch den Antischall zumindest teilweise ausgelöscht wird.
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Im Schritt S8 wird wenigstens ein Aktor zur Ausgabe des in Schritt S7 berechneten Ansteuersignals angesteuert. Anschließend wird im Schritt S9 überprüft, ob sich die Kupplungseinrichtung bereits im zweiten Kupplungszustand befindet. Falls dies nicht der Fall ist, wird das Verfahren ab dem Schritt S3 wiederholt. Befindet sich die Kupplungseinrichtung jedoch bereits im zweiten Kupplungszustand, so endet das Verfahren mit dem Schritt S10.
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Wird im Schritt S2 ermittelt, dass die Umschaltbedingung nicht erfüllt ist, so wird im Schritt S11 eine weitere Umschaltbedingung geprüft. Dabei wird entschieden, ob ein Umschalten in einen zweiten Kupplungszustand mittelfristig gewünscht oder vorteilhaft ist. Die weitere Umschaltbedingung ist erfüllt, wenn ein Fahrer durch die Betätigung eines Bedienelements aktiv den zweiten Kupplungszustand, nämlich den Allradantrieb, einschaltet. Die weitere Umschaltbedingung ist auch erfüllt, wenn aus den Daten eines Navigationssystems erkennbar ist, dass sich das Kraftfahrzeug nicht auf einer befestigten Straße befindet, die Außentemperatur unter einem gewissen Wert liegt oder die Temperatur bestimmter Komponenten, insbesondere der Räder des Kraftfahrzeugs, unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.
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Die weitere Umschaltbedingung wertet somit Bedingungen aus, die zwar keine sofortige Umschaltung in den zweiten Kupplungszustand erfordern, bei denen ein Betrieb im zweiten Kupplungszustand aber insgesamt vorteilhaft und/oder erwünscht ist. In diesem Fall kann im Schritt S12 ein Wechsel in den zweiten Kupplungszustand während eines Zeitintervalls erfolgen, das deutlich länger ist als das Zeitintervall für den Wechsel bei Erfüllung der Umschaltbedingung im Schritt S2. Aufgrund dieser langsameren Umschaltung können Synchronisationen und andere Schaltprozesse derart gesteuert werden, dass das durch das Umschalten des Kupplungszustandes erzeugte Geräusch sehr leise und daher effektiv für den Fahrer im laufenden Fahrbetrieb nicht wahrnehmbar ist. Daher ist keine Kompensation dieses Geräusches erforderlich. Das Verfahren endet auch in diesem Fall mit dem Schritt S10 im zweiten Kupplungszustand.