DE19938613A1 - Vierradantriebsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Vierradantriebsvorrichtung für ein Motorfahrzeug weist ein Verteilergetriebe, durch welches kontinuierlich Leistung auf ein erstes Paar von Antriebsrädern übertragen wird, und eine Kupplung auf, die den Drehmomentbetrag, der an ein zweites Paar von Antriebsrädern übertragen wird, abhängig von dem Tastverhältnis eines elektrischen Stroms steuert. Der Strom wird durch eine Steuereinheit an die Kupplung angelegt. Die Steuereinheit erzeugt ein Ausgangstastverhältnis in Abhängigkeit von einem durch den Benutzer gewählten Bereich, der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Stellung der Drosselklappe, die eine mit der Eingangsseite des Verteilergetriebes antreibend verbundene Antriebsquelle steuert.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Vierradantriebsvor­ richtungen für Motorfahrzeuge, insbesondere die Steuerung einer Verteilergetriebekupplung zur Verteilung eines Drehmo­ ments auf eine vordere und eine hintere Antriebsachse.

Bei einem Vierradantriebssystem (4WD) wird das Motordrehmo­ ment abhängig von einem Steuersignal, das an eine innerhalb eines Verteilergetriebes angeordnete Verteilerkupplung ange­ legt wird, auf ein zweites Paar von Antriebsrädern übertra­ gen. Das Steuersignal wird erzeugt, wenn bestimmte, den Si­ gnalen elektronischer Sensoren entsprechende Parameter an­ zeigen, daß das Fahrzeug unter Bedingungen betrieben wird, die durch gemeinsames Aktivieren der ersten und zweiten An­ triebsräder verbessert werden können. Aus US 47 57 870 ist eine Verteilerkupplung bekannt, die in Abhängigkeit von dem Rotationsgeschwindigkeit-Unterschied zwischen ersten und zweiten Antriebsrädern gesteuert wird. Aus US 50 10 974 ist ein ähnliches System zur Steuerung einer Verteilerkupplung in Abhängigkeit von der genannten Geschwindigkeitsdifferenz, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Unterdruck im Ansaug­ krümmer des Motors bekannt.

Üblicherweise weist ein 4WD-System ein Verteilergetriebe auf, das mit der Abgangswelle eines mehrstufigen Getriebes antreibend verbunden ist. Das Verteilergetriebe weist eine Verteilerkupplung, einen Untersetzungsgetriebesatz zur Erhö­ hung des Verteilerabgangsdrehmoments sowie einen Mechanismus zum Ein- und Auskuppeln des Getriebesatzes gegenüber dem Drehmomentstrang auf, wie beispielsweise einem Kugel-Rampen­ antrieb (ball-ramp drive), um Leistung durch das Verteiler­ getriebe zu der vorderen Antriebswelle über die Verteiler­ kupplung zu übertragen.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Vierradantriebsvorrichtung mit einem Antriebsstrang mit Kraftübertragung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung auf vor­ dere und hintere Antriebsräder bereitgestellt wird, bei der im Falle einer Drehrichtungsänderung der Antriebsräder in dem Verteilergetriebe auftretende Geräusche und ein rauher Eingreifvorgang vermieden werden, wobei sämtliche Vorteile eines geschlossenen bzw. verriegelten Verteilergetriebes ge­ währleistet sind.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vierradantriebsvorrichtung zu schaffen, bei der die Kupp­ lungskapazität (clutch capacity) einer Verteilerkupplung durch Anlegen eines elektrischen Stroms mit einem vorbe­ stimmten Tastverhältnis an die Kupplung gesteuert wird. Dazu entspricht das Tastverhältnis einem ausgewählten Betriebsbe­ reich des Verteilergetriebes, der Motordrosselklappenstel­ lung und der niedrigeren Drehzahl aus der Durchschnittsdreh­ zahl des vorderen und des hinteren Reifenpaares.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine erfindungsgemäßes Vier­ radantriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Motor, der durch eine Drosselklappe gesteuert wird, ein erstes Paar von Antriebsrädern und ein zweites Paar von Antriebsrädern auf, mit einen Bereichswähler zum Erzeugen eines Signals, das ei­ ne Betriebswahl in einem Vierradbetriebsmodus mit hoher Ge­ schwindigkeit bzw. Drehzahl und einem Vierradbetriebsmodus mit niedriger Geschwindigkeit bzw. Drehzahl anzeigt; einem Verteilergetriebe zur antreibenden Verbindung der Antriebs­ quelle mit einem ersten Radpaar und zur antreibenden Verbin­ dung der Antriebsquelle mit einem zweiten Radpaar durch eine Verteilerkupplung, deren Drehmomentkapazität in Abhängigkeit von einem an der Kupplung anliegenden Steuersignal variiert; einer Bestimmungseinrichtung zur Erzeugung eines Signals, das der niedrigeren Drehzahl aus der Durchschnittsdrehzahl des ersten Paares und der Durchschnittsdrehzahl des zweiten Antriebsräder-Paares entspricht; einem Sensor zur Erzeugung eines Signals, das die Stellung der Drosselklappe oder ein anderes Maß des abgeleiteten (inferred) Drehmoments des Mo­ tors darstellt, und einer Steuereinrichtung, die mit dem Be­ reichswähler, der Bestimmungseinrichtung und dem Sensor ver­ bunden ist, um ein Steuersignal, das den Signalen, die den ausgewählten Bereich darstellen, der Drosselklappenstellung und der niedrigen Durchschnittsdrehzahl entspricht, zu er­ zeugen und um das Steuersignal an die Verteilerkupplung an­ zulegen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsge­ mäße Vierradantriebsvorrichtung,

Fig. 2 einen Steuerdrehschalter auf der Instrumententafel zur manuellen Auswahl zwischen verschiedenen 4 × 4 Be­ triebsbereichen,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer Steuervorrichtung zum Betrieb der Vierradantriebsvorrichtung gem. Fig. 1,

Fig. 4 eine Tabelle mit den Tastverhältniswerten für die Verteilerkupplung, die für den hohen 4WD-Bereich an­ wendbar sind, und

Fig. 5 eine Tabelle mit Tastverhältniswerten für die Ver­ teilerkupplung, die für den niedrigen 4WD-Bereich anwendbar sind.

Gemäß Fig. 1 weist der Antriebsstrang eines Motorfahrzeugs, bei welchem die vorliegende Erfindung Anwendung finden kann, vordere und hintere Räder 10, 12, ein durch den Motor (nicht dargestellt) angetriebenes Automatik- oder Schaltgetriebe zur Erzeugung mehrerer Vorwärts- bzw. Rückwärtsübersetzungen sowie ein Verteilergetriebe 16 auf, das eine kontinuierlich antreibende Verbindung des Getriebeabgangs mit einer hinte­ ren Antriebswelle 18 und eine selektiv antreibende Verbin­ dung mit einer vorderen Antriebswelle 20 erlaubt, wenn der Vierradantrieb elektronisch aktiviert wird. Die Antriebswel­ le 18 überträgt die Antriebsleistung an ein Hinterraddiffe­ rential 22, von welchem die Leistung auf die Hinterräder 12 durch an dem Differentialgehäuse vorgesehene Tragachsen 24, 26 übertragen wird. Die unter bestimmten Bedingungen an­ getriebenen Vorderräder sind mit einer rechten und einer linken Tragachse 32, 34 verbunden, zu welchen die Antriebs­ leistung von der vorderen Antriebswelle 20 durch ein vorde­ res Differential 36 übertragen wird.

In Fig. 2 ist ein auf der Instrumententafel angeordneter Drehschalter 38 für die Betriebsart des Verteilergetriebes dargestellt, der es dem Bediener gestattet, manuell zwischen folgenden Einstellungen zu wählen: Automatischer Modus, 4WD- Bereich "Hoch" (High) und 4WD-Bereich "Niedrig" (Low). Der Benutzer kann den automatischen Modus und den 4WD-Bereich "Hoch" bei jeder Fahrzeuggeschwindigkeit wählen, wohingegen der 4WD-Bereich "Niedrig" nur für Fahrzeuggeschwindigkeiten von weniger als 5 km/h vorgesehen ist.

Im Automatik-Modus wird durch ein handelsübliches elektroni­ sches Modul 40 (Generic Electronic Module, GEM) ein minima­ les Tastverhältnis an die Verteilerkupplung 42 angelegt, wenn das Fahrzeug steht oder sich mit Autobahngeschwindig­ keit bewegt, wodurch ein geringes Motordrehmoment durch die Kupplung an die vordere Antriebswelle übertragen wird. Da­ durch wird eine geringe Drehzahldifferenz zwischen vorderer und hinterer Antriebswelle ermöglicht, wie sie normalerweise beim Einleiten einer Kurve auf trockener Fahrbahn auftritt. Das GEM erhöht das durch die Verteilerkupplung zu den Vor­ derrädern übertragene Drehmoment immer dann, um einen Schlupf zu verhindern oder unter Kontrolle zu bringen, wenn ein Schlupf anhand von Ausgangssignalen, die von an der vor­ deren und hinteren Antriebswelle vorgesehenen Drehzahlsenso­ ren erzeugt werden, detektiert oder das Fahrzeug stark be­ schleunigt wurde, sowie bei geringer oder geschlossener Drosselklappenstellung und moderater Fahrzeuggeschwindig­ keit.

Bei einem herkömmlichen Verteilergetriebe, das in einem niedrigen 4WD-Bereich betrieben wird, werden die vordere und hintere Antriebswelle durch eine elektromagnetische Kupplung 42 gegeneinander verriegelt, um einen maximalen 4WD-Antrieb zu erhalten. In einem erfindungsgemäßen Verteilergetriebe wird ein Schiebenocken durch einen Motor 44 rotiert, wodurch eine Reduktionsgabel in die 4WD-Stellung "Niedrig" bewegt wird. Die Bereichsverschiebung in den "Niedrig"-Bereich wird durch einen Umlaufgetriebesatz 46 erreicht, der das Drehmo­ mentverhältnis zu der Antriebswelle von 1 : 1 auf 2,48 : 1 än­ dert.

In einem herkömmlichen Verteilergetriebe, das in einem hohen 4WD-Bereich betrieben wird, werden vordere und hintere An­ triebswelle durch eine Kupplung 42 miteinander verriegelt, um einen maximalen 4WD-Antrieb zu erzielen. In einem erfin­ dungsgemäßen Verteilergetriebe werden der vordere und der hintere Antriebsstrang 18, 20 durch das GEM 40 verriegelt, um einen maximalen 4WD-Antrieb zu erhalten. Der Betrieb in dem 4WD-Bereich "Hoch" ist nur für Geländefahrten oder für extremes Winterwetter konzipiert, jedoch nicht zur Verwen­ dung bei trockenem oder geringfügig nassem Straßenbelag.

Das Verteilergetriebe beinhaltet einen Untersetzungs-Pla­ netengetriebesatz 46, der in dem niedrigen 4WD-Bereich dazu dient, das Getriebeabgangsdrehmoment zu erhöhen, und der überbrückt wird, wenn der hohe 4WD-Bereich gewählt wurde. Eine Bereichsänderung von dem hohen 4WD in den niedrigen 4WD-Bereich wird erreicht, indem eine Reduktionsschiebegabel eine Reduktionshülse bewegt und damit den Untersetzungsge­ triebesatz 46 gegenüber der Abgangswelle verriegelt. Das Drehmoment von der Getriebeabgangswelle wird dann durch ein Sonnenrad in dem Getriebesatz geleitet, wodurch eine Dreh­ zahlreduktion in dem Verteilergetriebe erzeugt wird.

Die Antriebsleistung wird durch eine elektromechanische Ver­ teilerkupplungseinrichtung 42 übertragen, durch die ein Zahntrommelrad angetrieben wird, wenn das GEM 40 die Spule der Verteilerkupplung aktiviert. Das Zahntrommelrad dreht eine Kette 50, die ein Abgangszahntrommelrad an der vorderen Antriebswelle 20 antreibt.

Der Verteilergetriebeverschiebemotor 44, der extern an der Rückseite des Verteilergetriebes angeordnet ist, treibt ei­ nen Drehnocken an, welcher eine Bereichsgabel in dem Vertei­ lergetriebe bewegt, um zwischen dem hohen Bereich (für Auto­ matik und 4WD-Betrieb "Hoch") und den niedrigen 4WD-Bereich- Stellungen für den gewünschten Fahrzeugbetrieb zu wechseln.

Ein Drosselklappenstellungssensor 52 erzeugt ein Ausgangs­ signal für das GEM 40 durch ein Antriebsstrangsteuermodul PCM 54. Dieses Signal wird durch das GEM in Verbindung mit anderen Signalen zur Steuerung der Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung 42 verwendet. Alternativ kann ein dem ab­ geleiteten Motordrehmoment entsprechendes Signal durch einen Luftmassenstromsensor oder einen Unterdrucksensor im Mo­ toreinlaßkrümmer erzeugt werden.

Vordere und hintere Antriebswellendrehzahlsensoren 56, 58 erzeugen Signale, welche der Drehzahl der vorderen und hin­ teren Antriebswellen 18, 20 entsprechen. Die durch die Dreh­ zahlsensoren erzeugten Signale werden als Eingabe an das GEM 40 verwendet, primär, um die Drehmomentkapazität der Vertei­ lerkupplung 42 zu steuern. Die Steuerung umfaßt eine Kompa­ ratoreinheit, um die Größe der geringeren Durchschnittsdreh­ zahl des vorderen Radpaares 10 und des hinteren Radpaares 12 zu bestimmen. Bei einem Fahrzeug, bei welchem die hinteren Räder kontinuierlich durch das Verteilergetriebe von dem Ge­ triebeabgang und die vorderen Räder in dem 4WD-Bereich durch eine Antriebswelle angetrieben werden, wird die Größe der niedrigeren Durchschnittsdrehzahl durch einen Vergleich der Drehzahlen, die durch die Ausgangssignale der Sensoren 56 und 58 dargestellt werden, bestimmt. In einer anderen Form des Antriebsstrangs, auf welche die Erfindung angewendet werden kann, z. B. bei einem Fahrzeug, dessen Vorderräder kontinuierlich direkt von dem Getriebeabgang angetrieben werden und dessen hintere Räder nur in dem 4WD-Betrieb ange­ trieben werden, kann die Durchschnittsdrehzahl von den Vor­ derrädern und von den Hinterrädern bestimmt werden. An­ schließend werden die Durchschnittsdrehzahlen verglichen, um die niedrigere Durchschnittsdrehzahl der Reifenpaare zu be­ stimmen.

Das GEM 40 variiert die Größe des Drehmoments, das zu der vorderen Antriebswelle 20 übertragen wird, durch Steuerung des Schlupfes in der Verteilerkupplung 42, d. h. der Grad, in welchem die Verteilergetriebekupplung vollständig eingreift. Der Schlupf der Verteilerkupplung variiert in Übereinstim­ mung mit der Größe des angelegten Tastverhältnisses.

Wenn der Fahrzeugbenutzer den hohen 4WD-Bereich oder den niedrigen 4WD-Bereich durch Betätigung des Schalters 38 wählt, bestimmt die Steuerung den gewählten Betriebsbereich. Die Steuerung bestimmt außerdem die aktuelle Drosselklappen­ stellung durch den Drosselklappensensor 52 und die niedrige­ re Durchschnittsdrehzahl der Radpaare, wie vorstehend be­ schrieben. Diese Information wird verwendet, um das entspre­ chende Tastverhältnis aus der Tabelle in den Fig. 4 und 5 aufzufinden. Das GEM 40 erzeugt und legt das entsprechende Tastverhältnis dann an der Verteilerkupplung 42 an.

Wie in Fig. 4 dargestellt, steigt das angelegte Tastver­ hältnis mit dem Öffnen der Drosselklappe, wenn die niedrige­ re Raddurchschnittsdrehzahl gering ist oder im wesentlichen null beträgt. Oberhalb einer vorbestimmten unteren Durch­ schnittsraddrehzahl ist das Tastverhältnis groß, wodurch die Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung auf den maximalen Wert erhöht und ein maximales Drehmoment an die nur im Vier­ radbetrieb angetriebenen Räder übertragen wird. Ein ähnli­ ches Verhalten tritt gemäß Fig. 5 auch im 4WD-Bereich "Niedrig" auf, abgesehen davon, daß das maximale Tastver­ hältnis, wegen der Drehzahlreduktion und der Drehmomentver­ stärkung, die bei der Wahl des niedrigen Bereichs gegeben ist, bei einer niedrigeren Durchschnittsdrehzahl vorgesehen ist.

Der Kugel-Rampenmechanismus kann Geräusche erzeugen, wenn das Getriebe die Drehrichtung seiner Abgangswelle wechselt, wie etwa bei einem Schalten zwischen Vorwärts- und Rück­ wärtsgang oder wegen eines Lastwechsels bzw. einer Laster­ leichterung, während das Verteilergetriebe Drehmoment über­ trägt.

Bevorzugt kann das so bedingte Geräusch vermieden werden, indem sichergestellt wird, daß das Verteilerkupplungsdrehmo­ ment niedrig ist, wann immer die Betriebsparameter der An­ triebsübertragung anzeigen, daß eine Richtungsumkehr auftre­ ten könnte oder wahrscheinlich ist. Deshalb sind das an der Verteilerkupplung anliegende Tastverhältnis und die entspre­ chender Drehmomentkapazität niedrig, wenn die Raddrehzahl und das Motordrehmoment niedrig sind. Wenn das Motordrehmo­ ment zunimmt, steigen Tastverhältnis und die entsprechende Drehmomentkapazität der Verteilerkupplung an. Das Tastver­ hältnis und die Kupplungsdrehmomentkapazität steigen ähnlich bei einer konstanten Drosselklappenstellung, wenn die Raddrehzahl steigt. Diese Technik beschränkt nicht die Er­ wartungen des Fahrzeugbenutzers an ein vollständig geschlos­ senes bzw. verriegeltes Verteilergetriebe.

Claims (2)

1. Vierradantriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Antriebsquelle, die durch eine Drosselklappe gesteuert wird, und mit einem ersten und einem zweiten Paar von Antriebsrädern (10, 12), mit:
einem Bereichswähler (38) zum Erzeugen eines Si­ gnals, das eine Betriebswahl in einem hohen bzw. in ei­ nem niedrigen Vierradbetriebsmodus anzeigt,
einem Verteilergetriebe (16) zur antreibenden Ver­ bindung der Antriebsquelle mit einem ersten Radpaar (12) und zur antreibenden Verbindung der Antriebsquelle mit einem zweiten Radpaar (10) durch eine Verteilerkupplung (42), deren Drehmomentkapazität in Abhängigkeit von ei­ nem an der Kupplung anliegenden Steuersignal variiert,
einer Bestimmungseinrichtung zur Erzeugung eines Si­ gnals, das der niedrigeren Drehzahl aus der Durch­ schnittsdrehzahl des ersten Paares und der Durch­ schnittsdrehzahl des zweiten Paares von Antriebsrädern entspricht,
einem Sensor zur Erzeugung eines Signals, das die Stellung der Drosselklappe darstellt, und mit
einer mit dem Bereichswähler, der Bestimmungsein­ richtung und dem Sensor in Verbindung stehenden Steuer­ einrichtung, die ein Steuersignal entsprechend den Si­ gnalen des ausgewählten Bereiches, der Drosselklappen­ stellung und der niedrigeren Durchschnittsdrehzahl er­ zeugt und dieses Steuersignal an die Verteilerkupplung anlegt.

2. Vierradantriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einem durch eine Drosselklappe gesteuerten Motor und einem er­ sten Paar und zweiten Paar von Antriebsrädern (10, 12), mit:
einem Bereichswähler (38) zur Erzeugung eines Sig­ nals, das einen ausgewählten Betrieb in einem hohen bzw. einem niedrigen Vierradbetriebsmodus anzeigt, einem Verteilergetriebe (16) zur antreibenden Ver­ bindung der Antriebsquelle mit einem ersten Radpaar (12) und zur antreibenden Verbindung der Antriebsquelle mit einem zweiten Radpaar (10) durch eine Verteilerkupplung (42), deren Drehmomentkapazität in Abhängigkeit von ei­ nem an der Kupplung anliegenden Steuersignal variiert,
einer Bestimmungseinrichtung zur Erzeugung eines Si­ gnals, das der niedrigeren Drehzahl aus der Durch­ schnittsdrehzahl des ersten Paares von Antriebsrädern und der Durchschnittsdrehzahl des zweiten Paares von An­ triebsrädern entspricht,
einer Einrichtung zum Anzeigen eines abgeleiteten Motordrehmoments, und
einer mit dem Bereichswähler, der Bestimmungsein­ richtung und der Einrichtung zum Anzeigen in Verbindung stehenden Steuereinrichtung, die ein Steuersignal ent­ sprechend den Signalen des ausgewählten Bereiches, des abgeleiteten Motordrehmoments und der niedrigeren Durch­ schnittsdrehzahl erzeugt und dieses Steuersignal an die Verteilerkupplung anlegt.