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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Steuerungseinrichtung, die
dazu eingerichtet ist, eine Anfahrkupplung eines Kraftfahrzeugs
und Gangsteller eines Wechselgetriebes des Kraftfahrzeugs durch Hydraulikventile
hydraulisch zu betätigen,
die in die hydraulische Steuerungseinrichtung integriert sind und
die jeweils wenigstens ein Steuerelement aufweisen.
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Dabei
wird unter einer hydraulischen Betätigung verstanden, dass die
Betätigungskraft
in gesteuerter Weise ohne aktives Mitwirken des Fahrers aus einem
hydraulischen Druck erzeugt wird. Eine Kupplungsbetätigung,
bei der ein Fahrer die Betätigungskraft
mit einem Kupplungspedal in einen Geberzylinder einspeist und der
resultierende Druck lediglich hydraulisch auf einen mit der Kupplungsmechanik
gekoppelten Nehmerzylinder übertragen
wird, stellt daher keine hydraulische Betätigung im Sinne dieser Anmeldung
dar.
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Das
Steuerelement besteht zum Beispiel aus einem federbelasteten Kolben
des Hydraulikventils.
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Der
Anteil von Kraftfahrzeugen, die mit Getrieben mit hydraulisch betätigten Kupplungsstellern und
Gangstellern ausgerüstet
sind, steigt derzeit an. Dabei kann es sich bei den Getrieben um
Automatikgetriebe (Planetengetriebe) mit einer Anfahrkupplung, um
automatisierte Schaltgetriebe oder um Doppelkupplungsgetriebe handeln.
Die hydraulische Steuerungseinrichtung dieser Getriebe weist in
der Regel mehrere Hydraulikventile auf, von denen eines der Anfahrkupplung
individuell zugeordnet ist.
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Eine
solche hydraulische Steuerungseinrichtung ist zum Beispiel aus der
DE 102 43 282 A1 bekannt,
die insbesondere ein Doppelkupplungsgetriebe mit zwei Teilgetrieben
mit jeweils einer aktiv schließbaren
Motorkupplung (Reibungskupplung) und mehreren über Gangschaltkupplungen (Klauenkupplungen)
schaltbaren Gängen
offenbart. Der Kraftfluss über
Motorkupplungen von denen wenigstens eine als Anfahrkupplung dient,
wird nach der
DE 102
43 282 A1 bevorzugt über
eine Reihenschaltung aus einem Druckregelventil und einem Durchflussventil
gesteuert. Dabei dient das Druckregelventil zur Regelung der Stellkraft
und das Durchflussventil zur Regelung der Stellgeschwindigkeit.
Wegen der asynchronen Betätigung
der einem Teilgetriebe zugeordneten Gangsteller und Kupplungssteller
wird lediglich ein Druckregelventil pro Teilgetriebe für die Steuerung
der Arbeitsdrücke
der Kupplungssteller und der Gangsteller verwendet. Jedoch ist jeder
Motorkupplung ein eigenes Durchflussventil individuell zugeordnet.
Die
DE 102 43 282
A1 offenbart auch, dass die Ansteuerung der Kupplungssteller
und Gangsteller nicht zwingend über
eine Reihenschaltung aus einem Druckregelventil und einem Durchflussventil
erfolgen muss und auch durch jeweils eines der genannten Ventile
direkt erfolgen kann.
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Aus
der
DE 196 06 318
A1 ist ein Druckregelventil für elektro-hydraulische Getriebesteuerungen eines
Kraftfahrzeuges bekannt, das einen federbelasteten Anker als Steuerelement
aufweist.
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Wie
bei Kupplungen, deren Betätigungskraft von
einem Fahrer aufgebracht wird, kann auch bei Kraftfahrzeugen mit
hydraulisch betätigter
Kupplung ein sogenanntes Rupfen beim Anfahren auftreten. Rupfen
ist eine Schwingung im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, die während der
Schlupfphase der Kupplung auftritt. Rupfen entsteht durch periodische Wechseldrehmomente,
die im Bereich der schlupfenden Kupplung erzeugt werden und die
im Eigenfrequenzbereich des durch die schlupfende Kupplung dynamisch
getrennten Antriebsstrangs liegen.
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Aus
der
DE 10 2004
003 288 A1 ist ein Verfahren zum Reduzieren von Radschwingungen
bekannt, wobei die Rupfschwingungen durch eine im Antriebsstrang
befindliche Kupplung ausgelöst
werden und wobei ein Schwingsystem zum Reduzieren der Rupfschwingungen
vorgesehen ist, das zumindest an die Kupplung angebunden ist, dass
das Schwingsystem durch die Rupfschwingungen zum Schwingen mit Rupffrequenz angeregt
wird und dass die mit Rupffrequenz schwankenden Kräfte des Schwingsystems
auf die Kupplung übertragen
werden.
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Bei
Kraftfahrzeugen mit hydraulisch gesteuerten und betätigten Kupplungen
kann ein störendes Kupplungsrupfen
beim Anfahren mehr oder weniger ausgeprägt auftreten. Vor diesem Hintergrund
besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer technischen
Lehre zur Vermeidung oder Verringerung des Kupplungsrupfens bei
Kraftfahrzeugen mit hydraulisch betätigter und gesteuerter Anfahrkupplung,
bei denen das Kupplungsrupfen beim Anfahren vergleichsweise oft
und/oder ausgeprägt
auftritt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein hydraulisches Sreuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst
und basiert auf der Erkenntnis, dass die Ausrichtung eines den Kupplungseingriff
steuernden hydraulischen Ventils relativ zur Längsachse des Kraftfahrzeuges
dafür entscheidend
ist, ob Längsschwingungen
des Kraftfahrzeugs und/oder seines Triebstrangs, und/oder seines
Antriebsaggregates in die hydraulische Steuerung und Betätigung der Kupplung
einkoppeln. Unter ungünstigen
Bedingungen kann eine solche Einkopplung bzw. Rückkopplung der Kupplungsanregung
zu Druckschwingungen in der Hydraulik der Kupplungssteuerung führen, die sich
in Schwankungen des auf die Reibflächen der Kupplung wirkenden
Anpressdrucks abbilden und damit zu dem störenden Rupfen bzw. zu einem
stärkeren
Rupfen führen.
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Die
hydraulischen Steuereinrichtungen mit integrierten Hydraulikventilen
werden in der Regel als bauliche Einheit hergestellt und als solche
an ein Getriebe montiert. Häufig
bestehen hydraulische Steuereinrichtungen aus einer sogenannten
Kanalplatte und einem Ventilgehäuse
oder Ventilträger
zur Aufnahme der Hydraulikventile. Die Kanalplatte weist in der
Regel eine Vielzahl von Kanälen
auf, mit denen die Hydraulikventile an eine Öldruck-Versorgung des Getriebes angeschlossen
sind. Die Einbaulage der Hydraulikventile wird damit durch die Konstruktion der
Kanalplatte und des Ventilträgers,
insbesondere durch das Layout der Kanäle, festgelegt und ist damit nicht
ohne Weiteres veränderbar.
In der Regel werden die Hydraulikventile dabei nebeneinander in
gleicher Einbaurichtung zueinander angeordnet. Die hydraulische
Steuereinrichtung wird ferner meistens an der Unterseite des Getriebes,
also am Ölsumpf
des Getriebes montiert. In Abhängigkeit
von den Einbauplatzverhältnissen
ergibt sich in der Regel eine gleichgerichtete Anordnung sämtlicher
Hydraulikventile entweder in der Längsrichtung, der Querrichtung oder
der Hochrichtung des Kraftfahrzeugs.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass das störende Kupplungsrupfen bei Kraftfahrzeugen
mit in Längsrichtung
des Kraftfahrzeuges ausgerichteten Hydraulikventilen stärker und/oder öfter auftritt
als bei Kraftfahrzeugen mit in Querrichtung ausgerichteten Hydraulikventilen.
Aufgrund notwendiger konstruktiver Anpassungen des Hydrauliksteuergeräts an das
Getriebe und ferner aufgrund der Einbauplatzverhältnisse lässt sich das komplette Hydrauliksteuergerät gegebenenfalls
nur in Längsrichtung
anordnen. In diesen Fällen
liefert die Erfindung, bei der nur das zur Kupplungsansteuerung
dienende Hydraulikventil gewissermaßen aus der Längsachse
des Kraftfahrzeugs herausgedreht wird, eine konstruktiv vergleichsweise
wenig aufwändige
und platzsparende Lösung.
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Dadurch,
dass die integrierten Hydraulikventile in der hydraulischen Steuerungsrichtung
so ausgerichtet sind, dass eine Bewegungsrichtung eines schwingungsfähigen Elements
eines nur die Anfahrkupplung betätigenden
Ventils von der Bewegungsrichtung der schwingungsfähigen Elemente
der übrigen
Ventile abweicht und eine kleinere Übereinstimmung mit der Längsachse
des Kraftfahrzeugs aufweist, wird eine Einkopplung bzw. Rückkopplung
von Längsschwingungen
in die hydraulische Kupplungsansteuerung verringert. Ein unerwünschtes
Aufschwingen des Triebstrangs, das sich in dem störenden Rupfen äußert, wird
dadurch wirkungsvoll verringert. Das schwingungsfähige Element
weist zum Beispiel einen federbelasteten Kolben des Hydraulikventils
auf und kann weitere schwingende Massen, zum Beispiel mitschwingende
Hydraulikflüssigkeit, aufweisen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten
Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 das
technische Umfeld der Erfindung;
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2 ein
hydraulisches Steuergerät;
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3 eine
schematische Darstellung eines Hydraulikventils; und
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4 ein
Ventilgehäuse
des hydraulischen Steuergeräts
aus der 2 mit einem Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Anordnung
von Hydraulikventilen.
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Im
Einzelnen zeigt die 1 ein Kraftfahrzeuggetriebe 10 mit
einer Getriebeeingangswelle 12 und einem möglichen
Getriebeausgang 14. Im montierten Zustand ist die Getriebeeingangswelle 12 über eine
Anfahrkupplung mit einem Abtrieb eines Verbrennungsmotors verbunden,
während
der Getriebeausgang 14 über
weitere Getriebe und/oder Wellen mit den Antriebsrädern des
Kraftfahrzeugs verbunden ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist weder
der Verbrennungsmotor noch die Kraftübertragung zwischen Getriebeausgang 14 und
den Antriebsrädern
in der 1 dargestellt. Die Anfahrkupplung befindet sich
innerhalb einer Kupplungsglocke 16.
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Eine
bekannte Anfahrkupplung weist wenigstens eine Mitnehmerscheibe und
eine Druckplatte auf. Die Mitnehmerscheibe ist durch eine Keilverzahnung
drehfest mit der Getriebeeingangswelle verbunden und weist kreisringförmige Reibbeläge auf, die
bei geöffneter
Kupplung zwischen einer Schwungscheibe des Verbrennungsmotors und
einer mit der Schwungscheibe drehfest verbundenen, aber axial beweglichen
Kupplungsdruckplatte ruhen, während
Schwungscheibe und Druckplatte bei laufendem Verbrennungsmotor rotieren.
Beim Schließen der
Kupplung wird die Druckplatte in Richtung der Schwungscheibe gepresst,
wodurch die Mitnehmerscheibe sowohl gegen die Druckplatte als auch
gegen die Schwungscheibe gedrückt
wird. Auf diese Weise wird Drehmoment des Verbrennungsmotors auf
die Mitnehmerscheibe und über
das Getriebe auf die Antriebsräder übertragen.
Das Kraftfahrzeug setzt sich längs
seiner Längsrichtung 18 in
Bewegung.
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Ferner
sind trocken oder nass laufende Lamellenkupplungen als Anfahrkupplungen
bekannt. Eine Lamellenkupplung weist in der Regel mehrere Innenlamellen
und mehrere Außenlamellen
auf. Die Innenlamellen sind mit einer drehenden verzahnten Welle
aufgenommen und die Außenlamellen
werden von einem innenverzahnten, rohrförmigen Träger aufgenommen, so dass sie
drehfest mit dem Träger verbunden
sind. In axialer Richtung sind die Lamellen verschiebbar. Durch
Aufeinanderpressen der Innenlamellen und der Außenlamellen wird ein Kraftschluss
zwischen den Innenlamellen und den Außenlamellen hergestellt, der
eine Drehmomentübertragung
zwischen dem Träger
und der Welle und damit zwischen Motor und Getriebe erlaubt. Bei
einer hydraulisch betätigten
Lamellenkupplung werden die Lamellen durch hydraulische Druckkräfte aufeinander
gepresst. Durch Steuern der hydraulischen Drücke wird das über die
Lamellenkupplung zwischen Motor und Getriebe übertragbare Drehmoment gesteuert.
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Bei
den hier betrachteten Getrieben wird das Getriebe 10 und
die Kupplung von einem hydraulischen Steuergerät 20 und einem elektronischen Steuergerät 22 gesteuert.
Das elektronische Steuergerät 22 ist
dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, Informationen über Betriebsparameter des
Kraftfahrzeugs wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrerwunsch, Drehmomentabgabe
und Drehzahl des Verbrennungsmotors zu verarbeiten und daraus Ansteuersignale
für das
hydraulische Steuergerät 20 zu
bilden. Das hydraulische Steuergerät 20 ist dazu eingerichtet,
hydraulische Kupplungssteller und Gangsteller in Abhängigkeit
von den genannten Ansteuersignalen hydraulisch anzusteuern.
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Herkömmliche
Automatikgetriebe, automatisierte Schaltgetriebe und Doppelkupplungsgetriebe besitzen
in der Regel einen Druckölkreislauf,
an den das hydraulische Steuergerät 20 angeschlossen
werden kann. Das hydraulische Steuergerät 20 ist meistens
an den Ölsumpf
an der Unterseite des Getriebes 10 angeschlossen, wie es
in der 1 dargestellt ist.
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2 zeigt
schematisch ein hydraulisches Steuergerät 20 mit einer Kanalplatte 24 und
einem Ventilträger
oder Ventilgehäuse 26.
In dem Ventilgehäuse 26 sind
Hydraulikventile angeordnet, die von dem Steuergerät 22 elektrisch
angesteuert werden und Öldrücke und/oder Ölströme für die Kupplungssteller
und Gangsteller steuern und/oder regeln. In einer Ausgestaltung
sind die Gangsteller als hydraulisch betätigte Schaltstangen realisiert,
mit denen der Kraftfluss zwischen verschiedenen Zahnrädern und einer
Getriebehauptwelle im Getriebe 10 umgeschaltet wird.
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Als
Kupplungssteller kommt ein Nehmerzylinder in Frage, der, wenn er
unter Druck gesetzt wird, die Druckplatte über eine Mechanik von der Mitnehmerscheibe
gegen eine anpressend wirkende Federkraft abhebt. Alternativ kann,
insbesondere bei einer im Ölbad
laufenden Kupplung, ein anpressend wirkender Öldruck variiert werden. In
jedem Fall hängt die
auf die Mitnehmerscheibe oder die Lamellen der Lamellenkupplung
wirkende Anpresskraft von dem Druck des Öls ab, das durch ein Hydraulikventil strömt, welches
in Form eines Druckregelventils und/oder eines Durchflussregelventils
in dem Ventilgehäuse 26 angeordnet
ist, für
die Kupplungssteuerung vorgesehen ist und entsprechend angesteuert wird.
Dabei werden die Hydraulikventile des hydraulischen Steuergeräts 20 in
seinem Ventilgehäuse 26 oder
Ventilträger über die
Kanalplatte 24 des hydraulischen Steuergeräts mit unter
Druck stehendem Öl gespeist.
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3 zeigt
schematisch ein zur Druckregelung und/oder Durchflussregelung dienendes
Hydraulikventil 28, das nur die Anfahrkupplung steuert und
betätigt.
Das Hydraulikventil 28 weist ein bewegliches Element 30 auf,
mit dem ein Ölstrom
von einem Zulauf 31 zu einem Ablauf 33 gesteuert
wird. Das bewegliche Element 30 weist in einer bevorzugten
Ausgestaltung einen Steuerkolben 32 auf, der mit einem
Anker 34 gekoppelt ist, der mit Hilfe einer Spule 36 elektromagnetisch
gegen die Kraft einer Feder 38 aus einer Ruheposition auslenkbar
ist. Mit Hilfe von Steuerkanten, Steuerbohrungen oder Nuten 40 gibt
der Steuerkolben 32 in verschiedenen Positionen verschiedene
Strömungsquerschnitte
für unter Druck
stehendes Öl
zwischen dem Zulauf 31 und dem Ablauf 33 frei,
so dass ein zur Betätigung
der Kupplung dienender Öldruck
und/oder eine zur Kupplungsbetätigung
dienende Ölmenge
durch eine entsprechende Ansteuerung der Spule 36 des Hydraulikventils 28 eingestellt
wird.
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4 zeigt
schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Getriebe 10 und
einer vergrößert dargestellten
Steuerung durch das Getriebesteuergerät 22 und das hydraulische
Steuergerät 20 mit
dem Ventilgehäuse 26.
Das Ventilgehäuse 26 weist
insbesondere drei in Längsrichtung 18 des
Kraftfahrzeugs ausgerichtete Hydraulikventile 44, 46, 48 und
ein quer dazu angeordnetes Hydraulikventil 28 auf. Die Bewegungsrichtung
der schwingungsfähigen
Elemente 50, 52, 54 in jedem der Hydraulikventile 44, 46, 48 entspricht
dabei weitestgehend der Längsrichtung 18 des
Kraftfahrzeugs.
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Das
für die
Steuerung der Anfahrkupplung dienende Hydraulikventil 28 ist
dagegen erfindungsgemäß so ausgerichtet,
dass die Bewegungsrichtung seines schwingungsfähigen Elements 30 von
der Bewegungsrichtung der schwingungsfähigen Elemente 50, 52, 54 der übrigen Hydraulikventile 44, 46, 48 abweicht
und eine kleinere Übereinstimmung
mit der Längsachse 18 des
Kraftfahrzeugs aufweist. Die Elemente 56, 58, 60, 62 stellen
federbelastete Schieber dar, von denen je einer je einem der Hydraulikventile 44, 46, 48, 28 zugeordnet
und mit diesem hydraulisch verbunden ist.
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Die
Schieber 56, 68, 60, 62 dienen
zur Verstärkung
der Steuerdrücke,
die von den Hydraulikventilen 44, 46, 48, 28 aus
einem gemeinsamen, durch die Kanalplatte 24 bereitgestellten Öldruck erzeugt
werden. Mit anderen Worten: Jedes Hydraulikventil dient dazu, einen
bestimmten Druck einzustellen, und jeder Schieber dient dazu, einen
solchen eingestellten Druck in vorbestimmter Weise zu verstärken. Mit
den verstärkten
Drücken
werden die Kupplungs- und Gangsteller betätigt.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass die schwingungsfähigen Elemente von Hydraulikventilen,
die in der Längsrichtung 18 des
Kraftfahrzeugs eingebaut sind und daher in Längsrichtung schwingen können, durch
Längsschwingungen
des Fahrzeugs bzw. des Getriebes zu eigenen Längsschwingungen angeregt werden
können
und/oder dass eine Längsschwingung
der schwingungsfähigen
Elemente solcher Hydraulikventile durch Längsschwingungen des Fahrzeugs,
bzw. des Getriebes, verstärkt
werden kann.
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Wenn
ein solches schwingungsfähiges
Element, zum Beispiel ein Steuerkolben 32, einen Öldruck für eine Kupplungsansteuerung
steuert, bildet sich seine Längsschwingung
unter Umständen
in einer Modulation des Anpressdrucks der Mitnehmerscheibe(n)/Lamellen
ab. Dadurch wird das von der Kupplung beim Anfahren übertragene
Drehmoment ebenfalls moduliert, was zu einer Verstärkung der Längsschwingungen
führen
kann. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass dieses unerwünschte Verhalten einen
wesentlichen Beitrag zu dem unerwünschten Rupfen der Kupplung
beim Anfahren liefern kann.
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Dadurch,
dass das zur Steuerung der Anfahrkupplung dienende Hydraulikventil 28 gewissermaßen aus
der Längsrichtung 18 des
Kraftfahrzeugs herausgedreht angeordnet ist, verringern sich die durch
Längsschwingungen
des Kraftfahrzeugs hervorgerufenen Amplituden von Längsschwingungen des
Steuerkolbens 32, oder allgemeiner, des schwingungsfähigen Elements 30 des
Hydraulikventils 28.
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Die
durch Längsschwingungen
des Kraftfahrzeugs erzeugte Kraftkomponente in der Bewegungsrichtung
des elastischen Elements 30 ist unter anderem proportional
zum Kosinus des Winkels α zwischen
der Längsrichtung 18 des
Kraftfahrzeugs und der Bewegungsrichtung des elastischen Elements 30.
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Daher
reichen kleine Winkel α noch
nicht aus, um die unerwünschte
Einkopplung wirksam zu reduzieren. Im Idealfall ist das Hydraulikventil 28 und damit
die Bewegungsrichtung seines schwingungsfähigen Elements 30 orthogonal
zu der Längsrichtung 18 des
Kraftfahrzeugs angeordnet. Dann ist der Kosinus α gleich Null und die Einkopplung/Rückkopplung
entsprechend minimal. Wenn dieses Ideal aus irgendwelchen Gründen, zum
Beispiel wegen eines Platzmangels, nicht realisiert werden kann,
wird eine Anordnung bevorzugt, bei der der Winkel α zwischen 85
und 95° liegt.
Dann wird größenordnungsmäßig nur
etwa 1/10 der Kraft, die in Längsrichtung
des Kraftfahrzeugs wirken würde,
in der Bewegungsrichtung des elastischen Elements eingekoppelt.
Sollte dies auch nicht möglich
sein, sollte der Winkel zumindest zwischen 60 und 150° liegen,
weil die eingekoppelte Kraft dann immer noch kleiner oder gleich
der halben Kraft ist, die in der Längsrichtung 18 des Kraftfahrzeugs
wirken würde.
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Dabei
kann die Bewegungsrichtung des schwingungsfähigen Elements 30 des
nur die Anfahrkupplung steuernden Hydraulikventils 28 stärker mit
der Querachse des Kraftfahrzeugs übereinstimmen als die Bewegungsrichtung
der übrigen
schwingungsfähigen
Elemente. Alternativ oder ergänzend kann
das nur die Anfahrkupplung steuernde Hydraulikventil 28 auch
so angeordnet sein, dass die Bewegungsrichtung seines schwingungsfähigen Elements 30 stärker mit
der Hochachse des Kraftfahrzeugs übereinstimmt.