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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Steuer- oder Regelsystem für
ein zumindest zeitweise vierradgetriebenes Kraftfahrzeug nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein
derartiges Steuersystem ist beispielsweise in der
DE 103 33 650 A1 beschrieben.
Bekannt ist demnach eine Drehmomentverteilungseinrichtung zum Verändern
des Drehmomentverteilungsverhältnisses zwischen den Rädern
der Vorderachse und den Rädern der Hinterachse durch entsprechende Steuerung
einer Reibungskupplung als Längssperre (Übertragungskupplung).
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Beispielsweise
kann ein zeitweise vierradgetriebenes Kraftfahrzeug ein grundsätzlich
vorderradangetriebenes Kraftfahrzeug mit über eine Übertragungskupplung
zuschaltbarem Hinterradantrieb, ein grundsätzlich hinterradangetriebenes
Kraftfahrzeug mit über eine Übertragungskupplung
zuschaltbarem Vorderradantrieb oder ein Permanent-Allradfahrzeug
mit regelbarer Übertragungskupplung zur Änderung
der Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse sein.
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Im
Folgenden werden diesbezüglich verallgemeinernd als primäre
Antriebsräder die permanent mit der Antriebseinheit verbundenen
Räder und als sekundäre Antriebsräder
die über die Übertragungskupplung bedarfsweise
mit der Antriebseinheit verbindbaren Räder bezeichnet.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Steuer- oder Regelsystem eingangs
genannter Art im Hinblick auf den Fahrkomfort, die Fahrzeugtraktion
und die Bauteilfestigkeit zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen
Patentansprüche.
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Die
Erfindung betrifft ein Steuer- oder Regelsystem für ein
zumindest zeitweise vierradgetriebenes Kraftfahrzeug mit einer elektronischen
Steuereinheit, durch das abhängig von Betriebsparametern des
Fahrzeuges das Antriebsmoment einer Antriebseinheit auf primäre
Antriebsräder, die permanent mit der Antriebseinheit verbunden
sind, und auf sekundäre Antriebsräder, die bedarfsweise
mit der Antriebseinheit verbindbar sind, variabel verteilbar ist. Zur
Verteilung des Antriebsmoments wird ein Kupplungsmoment einer zwischen
der Antriebseinheit und den sekundären Antriebsrädern
angeordneten Übertragungskupplung mittels der Steuereinheit
eingestellt (sogenannte Längsmomentenverteilung). Erfindungsgemäß weist
die Steuereinheit ein Schwingungserkennungsmodul auf, das insbesondere durch
Auswertung drehzahl- oder drehmomentproportionaler Signale der Räder
und/oder Drehwellen der Achsen oder des Antriebsstranges Antriebsrad- bzw.
Antriebsstrangschwingungen erfasst und wodurch das Kupplungsmoment
der Übertragungskupplung im Sinne einer Reduzierung oder
Erhöhung verändert bzw. moduliert wird, wenn mittels
des Schwingungserkennungsmoduls eine Antriebsrad- bzw. Antriebsstrangschwingung
erfasst wird, deren Frequenz innerhalb eines definierten Frequenzbandes
liegt und/oder deren Amplitude größer als eine vorgegebene
Minimalamplitude ist.
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Das
Antriebsmoment ist das Ausgangsdrehmoment einer Antriebseinheit,
die beispielsweise aus einer Brennkraftmaschine und einem ihr nachfolgenden
Getriebe besteht.
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Der
Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:
Unter bestimmten
Fahrbahn- und Kraftschlussverhältnissen können
im Fahrbetrieb teilweise verstärkt Antriebsrad- und Antriebsstrangschwingungen,
meist hervorgerufen durch sogenannte Stick-Slip-Effekte zwischen
Reifen und Fahrbahnoberfläche auftreten, die das Fahrkomfortempfinden
der Fahrzeuginsassen stören. Hinzu kommen die durch Schwingungen hervorgerufenen
Performanceeinbußen im Fahrzeugtraktions- bzw. Fahrzeugbremsverhalten
und zudem gegebenenfalls auch Bauteilfestigkeitsprobleme durch erhöhte
Belastungen (beispielsweise im Antriebsstrang bei Getriebe, Kupplungen,
Radträger und Fahrwerksbauteilen).
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Diese
Antriebsrad- und Antriebsstrangschwingungen sind subjektiv im Fahrzeug
deutlich spürbar und teilweise auch hörbar und
werden von einem „Rubbeln” oder „Poltern” der
Antriebsräder (Stick-Slip-Effekte), zyklisch sich wiederholenden Längsrucken
des Fahrzeugs und teilweise vertikalen Karosserie-Aufbauschwingungen
begleitet.
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Im
Allgemeinen treten diese gekoppelten Antriebsrad- und Antriebsstrangschwingungen
mehr oder minder lang besonders bei Anfahrvorgängen oder
bei Bremsvorgängen auf. Voraussetzung dafür ist,
dass einerseits die erforderliche Anregung über Antriebs-
bzw. Bremsmomente und andererseits die dazu passenden Reifen-/Fahrbahn-Kraftschlussverhältnisse
in Verbindung mit den im Fahrzeug wirksamen Elastizitäten
und Dämpfungen (der schwingungsfähigen Wirkkette
vom Reifen über Abtriebswellen, Ausgleichsgetrieben oder
Sperren, Kardanwellen, Getrieben, Kupplungen bis hin zum An triebsmotor,
gesamthaft als Antriebsstrang bezeichnet) vorhanden sind, damit
sich eine länger andauernde, störende Schwingungsphase über
beispielsweise mehrere Sekunden ausbilden kann.
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Die
Schwingung der Antriebsräder bzw. des Antriebsstranges
kann beispielsweise erkannt werden mittels Nutzung der Signale aus
den Raddrehzahl- oder Radgeschwindigkeitssensoren. Zusätzlich oder
alternativ können dafür auch – falls
vorhanden – Drehzahlsignale oder Drehmomentsignale des
Getriebes, von Kupplungen, Sperren, An-/Abtriebswellen oder des
Motors verwendet werden.
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Durch
Auswertung der Signale in einer geeigneten elektronischen Steuereinheit
(z. B. Bremssteuergerät in BMW Fahrzeugen, „DSC” bzw. „DXC”) kann
das Maß (Amplitude und Frequenz) und die Dauer der Schwingungen
mittels verschiedener Erkennungs- und Rechenalgorithmen ermittelt
werden, was bereits zumindest intern bekannt ist.
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Beispielsweise
könnte das Antriebsmoment bei einer erkannten beginnenden,
sich aufbauenden Schwingung temporär in geeigneter Weise
solange moduliert (z. B. reduziert) werden, bis das störende Schwingungsverhalten
ausreichend reduziert wird bzw. vollständig abklingt. Durch
Verringerung des Antriebsmoments erfolgt eine Reduzierung der Schwingungsanregung.
Nach hinreichender Zeit kann das Antriebsmoment in geeigneter Weise
wieder erhöht werden, damit das vorhandene kraftschlussbezogene
Potenzial für die Fahrzeugtraktion wieder ausgeschöpft
werden kann.
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Die
Steuerung/Regelung des Antriebsmoments kann im selben elektronischen
Steuergerät mittels der in bekannten DSC-/DXC Steuergeräten bereits
implementierten Antriebsmomentenregelung (AMR) erfolgen, die über
eine Schnittstelle zur Motorregelung dem Antriebsmotor ein Sollmoment
vorgibt. Überlagert sein kann der vorgenannten Steuerung/Regelung
des Antriebsmoments ebenso eine Steuerung/Regelung des Bremsmoments.
Das heißt, dass im Falle einer erkannten Schwingung mit
hinreichender Intensität auch eine temporäre Modulation (z.
B. Reduzierung) vorhandener Bremsmomente an den Antriebsradbremsen
erfolgen kann, damit das Schwingungssystem eine „Verstimmung” widerfährt bzw.
gegenphasig über eine entsprechende Bremsmomenteinsteuerung
beaufschlagt wird und dadurch die Schwingung schnell reduziert wird
bzw. abklingt. Die Steuerung/Regelung der Bremsmomentenmodulation
kann beispielsweise mittels der im DSC/DXC ebenfalls implementierten
Bremsmomentenregelung (BMR) erfolgen, worüber das DSC-/DXC-Hydraulikmodul
in geeigneter Weise angesteuert und Bremsmomente an den Radbremsen
verändert werden können.
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Bei
Fahrzeugen mit Sperren bzw. Kupplungen in Querrichtung und insbesondere
bei Allradfahrzeugen (Sperren oder Kupplungen in Längs-
und ggf. zusätzlich in Querrichtung) können die
Antriebsrad-/Antriebsstrangschwingungen prinzipiell ebenso mit den
Hilfsmitteln AMR und BMR, wie oben beschrieben, bekämpft
werden. Zusätzlich bietet sich hier als erfinderischer
Vorschlag die Möglichkeit an, dass bei Fahrzeugen mit steuer-/regelbaren Längs-/Quersperren
bzw. -kupplungen zusätzlich oder alternativ ein zumindest
teilweises Öffnen der Sperre(n) bzw. Kupplung(en) erfolgen
kann.
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Bei
Allradfahrzeugen besteht gegenüber einachsig angetriebenen
Fahrzeugen zusätzlich das Problem, dass sich durch die
Koppelung von Vorder- und Hinterachse über Längssperren
bzw. -kupplungen zweiachsig Schwingungsmoden an den Antriebsrädern
bzw. Antriebsachsen ausbilden, die sich zudem infolge der Elastizitäten
des quasi „beidseitig gefesselten” Antriebsstranges
häufig gegenphasig aufbauen können, wodurch die
oben beschriebenen Komfort-, Traktions-, Brems- und Bauteilfestigkeitsprobleme
sich gegebenenfalls drastisch verstärken.
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Erfindungsgemäß wird
daher vorgeschlagen, dass bei Erkennung von Antriebsrad- bzw. Antriebsstrangschwingungen
in Allradfahrzeugen (Erkennungsmechanismen wie oben beschrieben),
ein temporär zumindest teilwei ses bzw. vollständiges Öffnen
bzw. Schließen der steuer- bzw. regelbaren Sperre(n) bzw.
Kupplung(en) erfolgen soll. Durch das teilweise bzw. vollständige Öffnen
bzw. Schließen wird die gesamte Schwingungskette verstimmt
und die Schwingungen dadurch reduziert bzw. abgebaut (zumindest
an der abgekoppelten Achse bzw. den abgekoppelten Rädern).
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Die
Reduzierung (bzw. Erhöhung) des Kupplungs- bzw. Sperrenmoments
kann dabei z. B. möglichst schnell, d. h. schlagartig,
oder rampen- bzw. stufenförmig erfolgen, ebenso die spätere
Wiederanhebung (bzw. Reduzierung) des Moments.
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Falls
die Schwingungsreduzierung über eine Reduktion bzw. Anhebung
des Kupplungs-/Sperrenmoments nicht ausreichend ist, können
zusätzlich oder überlagert auch die oben angegebenen
Maßnahmen über AMR und BMR angewendet werden.
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Die
Reduktion bzw. Anhebung des Kupplungs-/Sperrenmoments kann in Abhängigkeit
von der Fahrbahnneigung (z. B. sensiert über Neigungs- und/oder
Längs-/Querbeschleunigungssensoren), von der Massen-/Achslastverteilung
(z. B. sensierte oder modellhaft ermittelte Radaufstandskräfte),
von einer Anhängererkennung (z. B. sensiertes elektrische
Anhängersignal), vom vorliegenden Kraftschlussniveau (sensierter
oder modellhaft ermittelter, momentan ausgenutzter Reifen-/Fahrbahnreibwert), von
Fahrdynamikkenngrößen wie Querbeschleunigung,
Längsbeschleunigung, Gierrate, Lenkwinkel (Fahrbahnradius)
etc., von der Höhe des aktuellen Antriebsmomentniveaus
(Motormoments) und/oder dem Maß der Sperrgrades der Kupplung(en)/Sperre(n)
erfolgen, wobei prinzipiell auch weitere zusätzliche Abhängigkeiten
möglich sind, ohne dass dadurch die grundsätzliche
Idee des erfindungsgemäßen Gegenstandes verlassen
wird.
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Anhand
der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt die für die Erfindung erforderlichen
wesentlichen Komponenten.
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In
der Figur ist ein zeitweise vierradgetriebenes Fahrzeug in Form
eines grundsätzlich hinterradangetriebenen Kraftfahrzeugs
mit bedarfsweise über eine Übertragungskupplung 1 zuschaltbarem Vorderradantrieb
dargestellt. Die Übertragungskupplung 1 ist über
eine Steuereinheit 8 einstellbar. Die Steuereinheit 8 kann
ein ausgelagertes Zusatzsteuergerät 10, das beispielsweise
das vorgegeben Soll-Kupplungsmoment in einen elektrischen Strom zur
Ansteuerung der elektromechanischen Verstelleinheit (hier nicht
extra dargestellt) der Übertragungskupplung 1 umsetzt,
enthalten.
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Bei
einem Fahrzeug gemäß der Zeichnung wird mit offener Übertragungskupplung 1 das
gesamte Drehmoment (Antriebsmoment) der Antriebseinheit 9,
beispielsweise bestehend aus einer Brennkraftmaschine, einem Getriebe
und mindestens einem Antriebssteuergerät, auf die Räder 6 und 7 der Hinterachse 3 übertragen.
Hier sind die Hinterräder 6 und 7 die
primären Antriebsräder, da sie permanent mit der
Antriebseinheit 9 verbunden sind. Mit zunehmendem Kupplungsmoment
an der Übertragungskupplung 1 treibt die Antriebseinheit 9 auch
die Räder 4 und 5 der Vorderachse 2 an.
Somit sind die Vorderräder 4 und 5 die
sekundären Antriebsräder.
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Die
Steuereinheit 8 erfasst zu weiteren Eingangssignalen hinzu
insbesondere die Raddrehzahlen nVL, nHL, nVR, nHR aller Räder 4, 5, 6, 7.
Aus diesen Raddrehzahlen nVL, nHL,
nVR, nHR werden
im Zusammenhang mit weiteren in der Steuereinheit 8 vorliegenden
Informationen, wie z. B. den Reifenumfängen, die Radgeschwindigkeiten
vVL, vHL; vVR, vHR aller Räder 4, 5, 6, 7 sowie
die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt.
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Zur
Verteilung des Antriebsmoments der Antriebseinheit 9 wird
ein einzustellendes Kupplungsmoment MKsoll für
die zwischen den primären Antriebsrä dern 6 und 7 und
den sekundären Antriebsrädern 4 und 5 angeordneten Übertragungskupplung 1 vorgegeben.
Grundsätzlich kann das Kupplungsmoment erhöht
werden, wenn zwischen der Radgeschwindigkeit vVL oder
vVR oder vHL oder
vHR eines Rades 4 oder 5 oder 6 oder 7 und
der Fahrzeuggeschwindigkeit vFzg eine Differenz
erfasst wird. Ebenso kann beispielsweise eine Modulation (z. B.
Erhöhung) des Kupplungsmoments erfolgen, wenn zwischen
den mittleren Geschwindigkeiten der Radachsen des Fahrzeugs und/oder
zwischen den seitenweisen Einzelradgeschwindigkeiten Radschlupf
erkannt wird (sogenannter Schlupfregler). Darüber hinaus
kann differenzgeschwindigkeitsunabhängig im Rahmen einer
sogenannten Momentenvorsteuerung eine Längsmomentenverteilung
ausgelöst werden, die beispielsweise in Abhängigkeit
vom Antriebsmoment (Rad- bzw. Motormoment), und/oder seinem Gradient,
von der Motordrehzahl und/oder seinem Gradient, von sensierten Schaltvorgängen,
von prädizierten bzw. erfassten Lastwechselzuständen,
vom Fahrpedalwert bzw. vom Fahrpedalgradient, von prädizierten
bzw. erfassten Über-/Untersteuerfahrzuständen
und/oder von einer vorgegebenen Soll-Momentenverteilung zwischen
Vorderachse und Hinterachse (z. B. VA: 40%/HA: 60%) erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß wird
jedoch bei zumindest teilweise geschlossener Übertragungskupplung 1 das
Kupplungsmoment MKsoll reduziert oder alternativ erhöht,
wenn Antriebsrad- oder Antriebsstrangschwingungen erkannt werden.
Dazu weist die Steuereinheit 8 ein Schwingungserkennungsmodul 11 auf und
ist derart ausgestaltet, dass das Kupplungsmoment MKsoll moduliert – z.
B. reduziert – wird, wenn mittels des Schwingungserkennungsmoduls 11 durch
Auswertung der Radgeschwindigkeiten vVL, vVR, vHL, vHR jedes Rades 4, 5, 6, 7 eine
Antriebsrad- bzw. Antriebsstrangschwingung erfasst wird, deren Frequenz
innerhalb eines definierten Frequenzbandes liegt und deren Amplitude
größer als eine vorgegebene Minimalamplitude ist.
Zusätzlich können beispielsweise auch die Phasenbeziehungen
einzelner Radgeschwindigkeiten einer Fahrzeugseite und/oder der
Radgeschwindigkeiten einer Achse miteinander bzw. der mittleren
Radgeschwindigkeiten der Achsen untereinander verglichen werden,
ob diese in einem bestimmten Band liegen bzw. eine bestimmte vorgegebene
Schwelle überschreiten, um darüber z. B. gegenphasige
Schwingungen eindeutig erfassen zu können.
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Vorzugsweise
wird das Kupplungsmoment MKsoll nur dann
moduliert – z. B. reduziert –, wenn die erfasste
Antriebsrad- bzw. Antriebsstrangschwingung für eine vorgegebene
Mindestzeit sowohl innerhalb des definierten Frequenzbandes liegt
und gleichzeitig eine Amplitude aufweist, die größer
als die vorgegebene Minimalamplitude ist.
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Die
Reduzierung bzw. Erhöhung des Kupplungsmoments MKsoll kann abhängig von einer ersten Bedingung
sprunghaft und abhängig von einer zweiten Bedingung rampenförmig
oder gemäß einer anderen definierten, nichtlinearen
Funktion vorgenommen werden. Die erste Bedingung kann im Zusammenhang
mit dem Ziel einer möglichst schnellen Regelung stehen.
Die zweite Bedingung kann im Zusammenhang mit dem Ziel einer möglichst
komfortablen Regelung stehen. Zusätzlich kann die Modulation
des Kupplungsmoments unterschiedlich schnell erfolgen, abhängig
davon, ob Rad- bzw. Antriebsstrangschwingungen nur auf einer Fahrzeugseite
erkannt werden (z. B. beim Anfahren auf μ-Splitt-Fahrbahn)
oder ob Radschwingungen zusätzlich auch an gegenüberliegenden
Rädern auftreten (z. B. beim Anfahren auf quasihomogenem
Untergrund).
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Beispielsweise
kann hierbei in Abhängigkeit vom Maß der Schwingungsamplitude
und/oder vom Maß der erkannten Frequenz und/oder vom Maß der Phasenbeziehung
zwischen den schwingenden Radgeschwindigkeiten (z. B. gegen- oder
gleichphasig) und/oder von der Verteilung der Schwingungen über das
Fahrzeug (d. h. nur auf einer Fahrzeugseite bei μ-Splitt,
oder bei Schwingungen auf allen Rädern bei μ quasi-homogen,
oder bei Schwingungen nur an der Vorderachse oder an der Hinterachse,
usw.) die Reduzierung bzw. Erhöhung des Kupplungsmoments unterschiedlich
schnell erfolgen.
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Außerdem
kann in Abhängigkeit von den vorgenannten Randbedingungen – zumindest
temporär – die Reduzierung auf ein unterschiedlich
begrenztes Momentenniveau stattfinden, das (schwingungsbedingt)
nicht unterschritten werden darf, um ungewollte Traktionsverluste
begrenzen zu können. Eine Reduzierung auf ein Kupplungsmoment
von Null ist nicht immer unbedingt zielführend bzw. wünschenswert.
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Zusätzlich
kann die Momentenzugabe – zumindest temporär – auch
nur bis zu einem Wert erfolgen, der leicht unterhalb des zum Eintrittszeitpunkt der
Schwingungen zwischengespeicherten Momentenwertes liegt, um einem
sofortigen erneuten Auftreten von Schwingungen vozubeugen, sofern
zwischenzeitlich keine geänderten Fahrzustands-Randbedingungen
vorliegen.
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Vorzugsweise
ist das definierte Frequenzband in der Größenordnung
von 3 bis 10 Hz, ist also relativ schmal und tieffrequent. Das definierte
Frequenzband kann fahrzeugabhängig variieren. Es wird insbesondere
durch die Eigenfrequenz des Antriebsstranges und der Antriebsräder
bestimmt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung findet
die erfindungsgemäße Modulation (Reduzierung bzw.
Erhöhung) des Kupplungsmoments nur statt, wenn die Antriebsschwingungen
des Vorder- und Hinterrades einer Fahrzeugseite die oben genannten
Bedingungen erfüllen. Diese Maßnahme erfasst die
häufig auftretenden Antriebsschwingungen beim Anfahren,
wenn sich das Fahrzeug auf einer sogenannten μ-Splitt-Fahrbahn
bewegt, also auf einem Untergrund mit unterschiedlichen Kraftschlussverhältnissen
zwischen Reifen und Fahrbahn (wenn beispielsweise auf der einen
Fahrzeugseite eine Eisfahrbahn und auf der anderen eine Asphaltfahrbahn
vorhanden ist).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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