A BMW xDrive összkerékhajtás-rendszere

Az új X3 és X5 hajtás rendszere

Az új modellekbe az X3/2004-be a 3.0i, valamint a 3.0d, az X5/2004-be a 3.0i, 4.4i, valamint a 3.0d Otto- és dízelmotorokat szerelik be. A hathengeres Otto-motoroknál és a 3.0 literes dízelmotornál az új hatfokozatú, kézi kapcsolású sebességváltót használják. Az X5-nél a 3.0 literes dízelmotort és a nyolchengeres Otto-motort hatfokozatú, automatikus sebességváltóval építik össze. Az öszszes kézi kapcsolású és automatikus sebességváltóhoz sikerült egy egységes osztóművet csatlakoztatni. Sőt, a motorsebességváltó egység az elődnél kb. 70 mm-rel megrövidült, így a kompaktabb építéssel a hajlítási és torziós saját frekvencia is emelkedett, javítva az egész rendszer akusztikai viszonyait. Egyébként a BMW 4x4 hajtás korábbi, hosszú éveken át eredményesen működő konstrukcióját megtartották. Az első tengely hajtóművét az olajteknő menetirány szerinti bal oldalára csavarozták fel. A jobb oldali kihajtó tengelyt öntött csőben vezették át az olajteknőn. Ezáltal vált lehetővé azonos hosszúságú kihajtó tengelyek beépítése, mellőzve az aszimmetrikus saját lengési viszonyok kialakulását. A csuklós és kihajtó tengelyeket, valamint az első és hátsó tengelyhajtásokat meszszemenően a meglévő BMW beépítési csoportjából vették át. Az új összkerékhajtás koncepciójának a lelke a teljesen új fejlesztésű osztómű. Rendkívül kompakt kialakítású, a kézi kapcsolású vagy az automatikus működésű sebességváltó után közvetlenül építették be. Ez az elrendezés alacsony súlypont-elhelyezkedést és ezáltal a menetdinamikai jellemzők kedvezőbb alakulását teszi lehetővé.

Az xDrive osztóműve

A menetdinamika, a vontatás és a menetteljesítmény továbbfejlesztésének igénye vezetett a teljesen új hajtáskoncepcióhoz – az első és hátsó tengelyek közötti forgatónyomaték elosztásának nagyfokú változtathatóságához. Ezzel elvetették a forgatónyomaték klasszikus merev elosztását az osztóműben elhelyezett bolygókerékhajtással – szimmetrikus (50/50), illetve pl. a BMW-nél rendszerbe állított aszimmetrikus (38/62) elosztással. Különböző koncepciók elemzésével a hátsó tengelyhez a forgatónyomatékot az osztóművön (VG) keresztül vezetett merev tengellyel vitték át. Az első tengelyhez a változtatható nyomaték átvitelét egy szabályozható tengelykapcsoló segítségével oldották meg. Ezt a koncepciót funkcionálisan integrálták a meglévő menetdinamikai rendszerbe, és BMW xDrive-nak nevezték el. A menetdinamikai követelmények teljesítése érdekében különös figyelmet fordítottak a szabályozható tengelykapcsolót működtető egységek (az aktuátorok) nagyfokú állítási dinamikájára és állítási pontosságára. Az X3 és az X5 részére kifejlesztett osztóműcsalád (ATC400 és ATC500) zömmel azonos alkatrészekből áll. Lényegileg a két osztómű az elsőtengely-kihajtás geometriai kialakításában különbözik, de az xDrive működéséért felelős alkatrészek mindkét hajtóműnél azonosak. A hagyományos osztóműnél a bolygókerekes differenciálmű az első és a hátsó kihajtás között helyezkedik el, míg a behajtás a bolygókeréktartón keresztül következik be. Az xDrive-koncepciónál egy merev főtengely vezet a hátsó futóműhöz, rajta helyezkedik el a szabályozható, nedves lamellás tengelykapcsoló. Innen vezetik a fokozatmentesen változtatható forgatónyomatékot az első tengely behajtásához. Az osztómű főtengelyén helyezték el a tengelykapcsoló lamellák és egyéb alkatrészek hűtését és kenését biztosító olajszivattyút. Mindkét osztóműnél az első tengelyre a forgatónyomatékot fogazott hevederes lánccal viszik át. A tengelykapcsolót működtető egység ollós emelővel és görgős pályarendszerrel kialakított szorító mechanizmus, egy vezérlőtárcsán keresztül működtetve. A lamellákra kifejtett axiális erő hozza létre az első tengelyre átviendő nyomatékot. Maga a működtetőegység elektromechanikus rendszerű, az egyenáramú motor forgó mozgása egy szöghajtóművön keresztül jut a vezérlőtárcsára. A motor szükséges pontosságát egy jellegmező vezérlésű helyzetszabályzó garantálja. A nagy dinamikájú állító mozgás során rövid időre feszültségcsúcsok lépnek fel, de a forgatónyomaték tartós tartásához már nem nagy az áramfelvétel.

Forgatónyomaték-folyamatábra a szorító mechanizmussal és a vezérlőtárcsa

BMW X3 osztómű CAD- és demonstrációs modellje

Az osztómű vezérlőkészüléke

Az xDrive-rendszerben a megkövetelt forgatónyomaték pontos átadására az osztómű vezérlőkészüléke (VGSG) a DSCrendszeren (Dinamische Stabilitaets-Control) keresztül felelős. A VGSG szoftverében helyezték el a tengelykapcsoló jelleggörbéit. Ezek szolgáltatják a működtetőegység állító mozgásához a tengelykapcsoló nyomatékára vonatkozó utasításokat és teszik lehetővé a forgatónyomaték pontos beállítását. A lamellák kopását a rendszer automatikusan kompenzálja. Az állítási pontosság és a dinamika követelményét a „kell” tengelykapcsoló nyomaték (MK-soll) ugrásszerű „előre megadásával” elégítik ki. A példában az ugrásiutasítás-adás 200 Nm-ről az új „kell” értékre, a 600 Nm-re 90 ms-on belül – túllengésmentesen, az előre megadott beállási pontosság eltéréssel – következik be.

Aktív menetdinamikai szabályozás

A dinamikus stabilitásszabályozás (DSC), a fékvezérlés (BM) és a motorvezérlés az xDrive-koncepciójával egy további szabályozó körrel a hossznyomaték- (LM) vezérléssel egészült ki. A hossznyomatékvezérlés feladata az osztóműben az első és a hátsó futómű között a menetdinamikai viszonyoknak megfelelő hajtónyomaték optimális felosztása. A hosszirányú forgatónyomatékhoz szükséges algoritmusok a DSC-rendszerben vannak összefogva. Az első tengely számára szükséges „kell” tengelykapcsoló nyomatékot a DSC folyamatosan kiszámolja és CAN-buszon keresztül tovább küldi az osztómű vezérlőkészülékébe. A vezérlőkészülék a tengelykapcsolót működtető egységen keresztül kivezérli az igényelt „kell” tengelykapcsoló-forgatónyomaték beállítását. Kamm elmélete írja le a kerekeken hosszés oldalirányban maximálisan átvihető erők közötti összefüggéseket, azaz a hossz és oldalirányú erők eredője egy körön helyezkedik el. Ha a hossz- és oldalirányú erők egyidejűleg lépnek fel a keréken, az ebből eredő erő egy adott súrlódási tényezőtől és keréktapadási erőtől függő határértéket nem léphet túl. Az xDrive változtatható hajtónyomatékelosztásával az első és a hátsó tengely kerekein fellépő hosszirányú és ezzel az oldalirányú erők is befolyásolhatók. Ha változnak a kerekeken az oldalirányú erők, változik a nyomatékegyensúly is a jármű függőleges súlyvonala körül. Egy instabil jármű (pl. túlkormányzott) az első és a hátsó tengelyen fellépő különböző oldalirányú erőlehetőségek kihasználásával – a perdítő nyomatéknak a hosszirányú nyomatékkal történő kompenzálásával – stabillá tehető. Az első és a hátsó tengely között változtatható hosszirányú nyomatékelosztással az önkormányzási és ezzel a jármű menetdinamikája aktívan befolyásolható. Az xDrive egy semleges és biztonságos menetállapotot tesz lehetővé, egészen a határterületekig. A DSC-rendszer a motorvezérlés- és a fékvezérlés-szabályzó köreivel a háttérben ugrásra készen aktív állapotban van, de csak akkor avatkozik be, ha a stabilizálási lehetőségek a hosszirányú nyomatékelosztással már kimerültek. Az xDrive beépítésével ezek a szükséges beavatkozások lényegesen ritkábbak, a menetkomfort összességében észrevehetően javult.

Túlkormányzás

A jármű – az első és a hátsó tengely között – egy stabil, ideálisnak vehető nyomatékfelosztással (40/60%) fut be egy bal kanyarba (lásd az ábrán az 1. fázist), és következetesen halad a túlkormányzás felé (2. fázis). A menetdinamikai szabályozó felismeri a lassú túlkormányzási tendenciát, új nyomatékelosztásra (50/50%) ösztönzi a hosszirányú nyomaték vezérlőegységét. A jármű még hajlik a további túlkormányzásra (3. fázis). A menetdinamikai szabályzó felismeri ezt, és az xDrive tengelykapcsolóját „túlzárt” helyzetbe hozza. A forgatónyomaték-elosztás (65/35%) tartományban aktívan nem állítható, hanem a kerekeken fellépő kipörgés és az ezzel együtt járó tapadási tényező alapján áll be. Ebben a túlkormányzott menethelyzetben eltolódnak a nyomatékviszonyok az első tengely javára (az abszolút kerékcsúszás a hátsó tengelyen nagyobb, mint az első tengelyen és ezzel a hosszerő potenciálja az első tengelyen hatékonyabb, mint a hátsó tengelyen). Az első tengelyen fellépő nagyobb, hosszirányú erők és ezzel együtt a hátsó tengelyen megnövekedett oldalerő potenciál a „túlzárt” állapotban csökkentik a jármű perdítő nyomatékát. A menetdinamikai szabályozó felismeri a jármű ismét stabilizálódott állapotát és kiszámolja az új 50/50%-os nyomatékelosztást (4. fázis). A jármű pályastabil, és az ideálisan felvett 40/60%-os nyomatékelosztással gyorsítva kijuthat a kanyarból (5. fázis).

Alulvezérelt

A jármű az előző példához hasonlóan stabilan, 40/60%-os nyomatékfelosztással hajt be egy bal kanyarba (1. fázis), és tendenciózusan lassan tart az alulkormányzott állapothoz (2. fázis). A menetdinamikai szabályozó ösztönzi a hossznyomaték irányítóját 20/80%-os új nyomatékelosztásra. Mivel a jármű egyre inkább alulkormányzottá válik (3. fázis), a hosszirányú nyomaték vezérlése beállítja a 0/100%-os nyomatékelosztást. A hátsó tengelyen ezáltal tovább növekszik a nyomaték, az oldalerő pedig csökken. Az első tengelyen (amelyen nincs hosszirányú erő) a maximális értékre növekszik az oldalirányú erő, és a jármű közelít a stabil pályagörbéhez. A nyomaté kelos z t á st most már a 10/90%-os elosztásról (4. fázis) az ideálisan felvett 40/60%-os értékre állítja vissza a vezérlőkészülék. A járműpálya stabilan hajt ki a kanyarból. Az ábrák az ívmeneteket mindkét esetben szakaszokra bontva mutatták be, a valóságban az optimális nyomatékelosztás kiszámítása és beállítása folyamatos.

Dr. Pordán Mihály

Forrás:
ATZ 2/2004.
xDrive Der neue Allradantrieb
im BMW X3 und BMW X5