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Fachgebiet
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Technisches Feld der Erfindung
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- Kurvenneigende Mehrspurfahrzeuge.
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Zu Grunde liegende Aufgabe
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, schmale, mehrspurige Fahrzeuge mit drei oder vier Rädern derart zu konstruieren, dass sich diese wie ein Motorroller bzw. Motorrad in die Kurve legen und gleichzeitig die auftretenden Fliehkräfte auf die Insassen reduziert werden. Insbesondere soll die Technik für den Einsatz in schmalen, mehrspurigen Fahrzeugen einsetzbar sein; für schwereren Fahrzeuge dieser Bauart bietet sie Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist die rein mechanische Umsetzung der Aufteilung des Lenkwinkels (der Lenkeingabe des Fahrers am Lenkrad) und der Geschwindigkeit in den Neigewinkel des Fahrzeugs und die Lenkeinschläge der lenkbaren Räder.
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Stand der Technik von Getrieben
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Im Stand der Technik gibt es verschiedene Arten der Übertragung von Kräften, Momenten, Positionen oder Ausrichtungen innerhalb stufenloser Getriebe, die physikalisch auf unterschiedlichen Grundlagen beruhen:
Reib- bzw. Kraftschluss: Es gibt stufenlose Umschlingungsgetriebe, bekannt als Variomatik oder CVT (Continuously Variable Transmission), die als Teil des Antriebsstrangs in Motorrollern oder Automobilen eingesetzt werden. Hierbei wird ein Riemen, eine Kette oder ein Schubgliederband über zwei im Durchmesser entgegengesetzt variable (z. B. kegelförmige) Scheiben geführt, um vor allem eine Annäherung an und ein Beibehalten des wirkungsgradmäßig optimalen Arbeitspunktes von Verbrennungsmotoren zu erreichen.
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Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Bauweise, die ohne Umschlingung auskommt, ist die des Reibradgetriebes mit konvexen oder konkaven Radkörpern (oder eine Kombination daraus). Die Paarung unterschiedlicher Durchmesser geschieht hier nicht über die Position eines Zug- oder Druckmittels, sondern über die Verstellung des Winkels zwischen den Drehachsen der Räder. Aufgrund der sich damit ändernden Ausrichtung mindestens einer der Drehachsen, ist die Verwendung von Reibrädern ohne zwischenliegenden Übertragungskörper zur stufenlosen Steuerung nicht praktikabel. Eine Lösung hierfür stellt das sog. „NuVinci”-Getriebe dar, bei dem eine auf einer verstellbaren Drehachse angeordnete Kugel zwischen zwei Torodialkörpern die Übertragung und die stufenlose Einstellung ermöglicht. In allen Fällen des Reibschlusses ist Schlupf vorhanden, wodurch sich eine solche Bauform nicht für die exakte und wiederholgenaue Steuerung von Positionen eignet, wie sie im Bereich von Fahrzeuglenkungen/-steuerungen obligatorisch ist.
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Formschluss: In Hybridfahrzeugen summiert ein Planetengetriebe die Antriebsleistung eines Verbrennungsmotors mit der eines Elektromotors, was als Stufenlosgetriebe angesehen werden kann, weil eine der beiden Eingangsdrehrichtungen auch entgegengesetzt der anderen sein könnte und dies, ohne Schaltvorgänge zu involvieren, realisiert wird. So wird dieses Prinzip als eigene Einheit in Kraftfahrzeuglenkungen genutzt, um bei Stadtfahrten größtmögliche Wendigkeit und bei Fahrten beispielsweise auf Autobahnen besseren Geradeauslauf (selbst bei ungewollten Lenkradbewegungen) zu gewährleisten (bei der Firma BMW AG wird dies als „Aktivlenkung” bezeichnet, bei der Firma Audi AG als Multitronik). Hierbei wird die eingangsseitige Lenkradstellung entweder geschwindigkeitsabhängig verstärkt oder abgeschwächt, was allerdings nicht ohne (elektronische) Messungen der Eingangsgrößen zu realisieren ist. Ein Aufbau, wie er bei Reibradpaarungen oder Umschlingungsgetrieben vorkommt, kann hier nicht sinnvoll sein, da die Übersetzung von den Zähnezahlen der einzelnen Zahnräder abhängig gemacht werden muss und nicht allein vom Durchmesser eines Zahnrades im Kontaktpunkt; die Paarung kämmt miteinander und es gibt keinen Schlupf, der für sanfte, also stufenlose Übergänge nötig wäre.
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Hydraulik: In land- oder forstwirtschaftlich genutzten Arbeitsgeräten, wie Traktoren oder Baumerntern, kommen leistungsverzweigte Hydraulikgetriebe zum Einsatz, bei denen über stufenlose Einstellungen von Pumpen und Hydraulikmotoren erreicht werden kann, dass sowohl für den Vortrieb des Fahrzeugs als auch für den Antrieb von Werkzeugen ein einziger Motor ausreicht.
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Vorteil ist hierbei, dass jeder Getriebeausgang einzeln gesteuert werden kann und ein solches System völlig frei einzustellen ist. Auch können Hydraulikleitungen relativ willkürlich verlegt und im Betrieb verformt werden, was bauliche Vorzüge und große Bewegungsfreiheit ermöglicht. Im Carver One der Firma 2Drive Deutschland GmbH & Co KG, der das einzige in Europa straßenzugelassene, geschlossene, kurvenneigende Fahrzeug ist, kommt zur Steuerung der Lenkung und der Neigung ein hydraulisches System zum Einsatz, bei dem das vom Fahrer zum Lenken benötigte Drehmoment am Vorderrad erfasst wird und über eine Art hydraulische Waage die Neigung der Kabine eingestellt wird, bis das Lenkmoment gleich Null ist. Somit entsteht eine optimale und kräftefreie Kurvenfahrt. Der große Nachteil dieser Technologie ist, dass sie eine Bereichssteuerung benötigt, da das Messsystem die zwei Hauptkomponenten des Lenkmoments nicht unterscheiden kann, die aus jeweils dem Bohrmoment (Reibung zwischen Reifen und Straße) und dem Rückstellmoment (durch Nachlaufstrecke und -winkel) bestehen. Da nur das Rückstellmoment des Rades die dynamische und damit zur Kurvenneigung ausschlaggebende Anteil ist, der jedoch erst ab einer Mindestgeschwindigkeit dem des statischen Bohrmoments überwiegt, darf die Neigeaktuatorik bei diesem Fahrzeug unter 10 km/h nicht wirksam werden, da sonst schon beim Lenken im Stand ein Neigungswinkel vorliegen würde. Allgemeine Nachteile von Hydraulikgetrieben sind hohe Aufwände und Kosten in Anschaffung und Wartung, sowie das relativ hohe Gewicht der aus Pumpen, Ventilen, Gebern, Leitungen und Flüssigkeiten bestehenden Anlagen. Hinzu kommt ein vergleichsweise geringer Wirkungsgrad, der jedoch (zumindest bei Nutzfahrzeugen) meist durch die Anwendungsmöglichkeiten und deren Praktikabilität wieder ausgeglichen werden kann.
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Anforderungen an die Erfindung
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Für Lenk- und Steuergetriebe kurvenneigender Mehrspurfahrzeuge ergeben sich die folgenden Anforderungen:
Symmetrie: Es ist zwingend notwendig, dass die Einleitung, Durchführung und das Halten in einer Kurvenfahrt richtungsunabhängig und wertidentisch (also spiegelverkehrt) funktioniert, was bedeutet, dass eine Lenkung und die damit verbundenen Eigenschaften und Reaktionen des Fahrzeugs nach links oder rechts bei gleichen Bedingungen ebenfalls dem Betrag nach gleich, jedoch umgekehrt sein müssen.
Formschlüssigkeit: Für die Lenkung und Neigung ist als grundlegendes Kraft- und Positionsübertragungsprinzip ausschließlich der Formschluss erlaubt. Schlupf hätte an dieser Stelle fatale Folgen, da Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit für verschiedene Positionen und das Übertragen von Kräften, insbesondere in bestimmten Situationen (Anschlagen eines gelenkten Rades an Bordsteinkanten, ruckartiges „Paniklenken”) gefordert sind. Gerade die Steuerung eines Fahrzeugs muss den vom Fahrer vorgegebenen Vorgaben schlupffrei folgen, da nur auf diese Weise die höchste Bediensicherheit erreicht werden kann.
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Zwei Getriebeeingänge und zwei -ausgänge: Ein Getriebe zur Steuerung der Neigung des gesamten Fahrzeugs und auch der Lenkeinschläge der gelenkten Räder muss in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und in Zusammenhang mit dem vom Fahrer gewünschten Kurvenradius stehen. Dies bedeutet, dass es für die Lenkung und die Neigung jeweils einen Getriebeausgang geben muss, die wiederum von jeweils einem Getriebeeingang für die Geschwindigkeit und einem Getriebeeingang für die Lenkradstellung abhängen.
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Zulassungsbestimmungen: Sowohl § 38 (1) StVZO als auch die EU-Verordnung 70/311/EEC (2.2.2.1 und 2.2.2.2) schreiben ein ununterbrochen mechanisches Lenksystem vor, das bei komplettem oder teilweisem Ausfall aller Hilfssysteme, seien es Hydraulik, Elektrik oder Pneumatik, weiterhin funktionsfähig bleiben muss. Diese Regelungen gelten der Sicherheit im Betrieb, da ein Ausweichen einer Gefahrensituation nicht von weiteren Faktoren als dem Fahrer abhängig gemacht werden soll. Bei einem Totalausfall und in der Situation des Abschleppens muss das gezogene Fahrzeug ebenso zum eigenständigen Lenken fähig sein. Wäre die Lenkung in irgendeiner Weise von einem Antriebsmotor (z. B. Hydraulik) oder einer elektrischen Versorgung (z. B. Batterie) abhängig, könnte dies nicht gewährleistet werden; eine Straßenzulassung in Europa wäre dann unmöglich.
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Bisherige Lösungsversuche und in diesem Stand der Technik auftretende, technische Probleme
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Einen starken Einzug erhielt die kurvenneigende Technik im Segment der Motorroller. Durch die Konstruktion dreirädriger Motorroller (zwei Vorderräder, ein Hinterrad) hat sie dort mittlerweile breite Anwendung gefunden. Mehrere Firmen, überwiegend Motorrollerhersteller (Gilera, Piaggio, Peugeot, Qiadro, Yamaha) bieten kurvenneigende Modelle an. Die hierbei verwendete Kurvenneigetechnik, die Neigungen bis zu 40 Grad ermöglicht, unterscheidet sich von dem erfindungsgemäßen Getriebe elementar darin, dass zwischen Lenkung und Neigung keine Kopplung besteht, d. h. man kann frei Lenken und sich auch frei Neigen. Diese Fahrzeuge funktionieren quasi wie normale Motorräder oder Motorroller.
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Als eines der wenigen Beispiele zum Stand der Technik bei schmalen, kurvenneigenden Fahrzeugen, welche den Sprung in die Serienproduktion schafften, kann der dreispurige Carver One der Firma 2Drive Deutschland GmbH & Co KG angeführt werden, der ein Vorderrad und zwei Hinterräder besitzt. Die verwendete Neigetechnik basiert auf dem sog.
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„Dynamic Vehicle Control”-System, einer in Deutschland in der Schrift
DE000069506129T2 veröffentlichten und zum Patent erteilten hydraulischen Neigetechnik, welche aber zusätzlich eine elektronische Steuerung benötigt.
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Lösung der Aufgabe der Erfindung
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In der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass bei einem dreirädrigen Fahrzeug (zwei Vorderräder, ein Hinterrad) bei einer definierten Geschwindigkeit der Winkel der optimalen Kurvenneigung und der Winkel des Lenkeinschlags in guter Näherung in einem festen Verhältnis zueinander stehen.
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Aufbau des erfindungsgemäßen Getriebes
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Der Aufbau einer Getriebekonfiguration bevorzugter Ausführung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen ist in dargestellt. Die Anzahl der Getriebeausgänge ist prinzipiell unbeschränkt. Es kann auch nur einen Ausgang geben, der aus beiden Eingangsgrößen kombiniert wird.
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Funktion des erfindungsgemäßen Getriebes
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Die Steuerwelle (1) besitzt als zentrales Element zwei Freiheitsgrade als Eingangsgrößen des Getriebes, deren Kombination das Verhältnis und die Werte der Getriebeausgänge einstellt.
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Durch den Drehwinkel der Steuerwelle wird der zu fahrende Kurvenradius vorgegeben, während durch ihre von der Fahrgeschwindigkeit gesteuerte Verschiebung die geschwindigkeitsabhängig Aufteilung des Drehwinkels in Lenkeinschlag der gelenkten Räder und in den Neigungswinkel des Fahrzeugs vorgenommen wird. Die Verschiebungen der Getriebeausgänge sind parallel und entgegengesetzt zueinander und im rechten Winkel zur Verschiebung der Steuerwelle angeordnet und werden über in der Steuerwelle verschieblich gelagerte Hebel übertragen. Diese Hebel sind über Gelenke in den Führungsschlitten der Getriebeausgänge gelagert, welche gleichzeitig die Grenzen der Verschiebung der Steuerwelle darstellen. Fluchtet die Drehachse der Steuerwelle mit einer Drehachse eines Hebels in einem Führungsschlitten, so wird dieser Schlitten bei Drehung der Steuerwelle nicht bewegt, der gegenüberliegende schon. Wird die Steuerwelle daraufhin verschoben, so verringert sich der gerade entstandenen Ausschlag des einen Ausgangs, während der Ausschlag des eben noch nicht bewegten Ausgangs erst generiert oder vergrößert wird. Sind die Getriebeausgänge als Zahnstangen ausgeführt, so kann ein mit diesen kämmendes Zahnrad die Verschiebung direkt in eine Rotation umwandeln, um so den Neigungswinkel oder die Lenkeinschläge zu erzeugen.
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Ausführungsbeispiele:
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Bevorzugter Aufbau
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Das Getriebe besteht im Wesentlichen aus den folgenden in gezeigten Komponenten, einer Steuerwelle (1), zwei Hebeln (3), zwei Zahnstangen (5), zwei Zahnrädern (6) und einer Positioniervorrichtung für die Steuerwelle.
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Die Steuerwelle (1) ist ähnlich der Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors ausgeführt. Sie ist zweifach in gegensätzlicher Richtung gekröpft, wobei sich in den Kröpfungen durchgängige Öffnungen (2) befinden, die längs gleitfähig sein müssen und damit jeweils Gleitverbindungen zwischen Steuerwelle (1) und Hebel (3) darstellen.
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In diesen Durchgangen stecken verschiebbare Hebel (3), die einseitig ein Gelenkauge (4) besitzen; die Gelenkachsen sind jeweils parallel zur Achse der Steuerwelle ausgerichtet.
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Diese Gelenkaugen (4) sind jeweils mit einer der Zahnstangen (5) verbunden, auf denen wiederum je ein Zahnrad (6) sitzt. Die Zahnstangen sind spiegelverkehrt und entlang der Steuerwellenachse versetzt in gewissem Abstand gegenüber angeordnet und laufen parallel zueinander in feststehenden Führungen (7).
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Die Positioniervorrichtung der Steuerwelle (nicht in eingezeichnet) kann eben diese zwischen den Zahnstangen hin und her fahren, so dass in einer Extremstellung die Achse jeweils einer Zahnstange und eines Hebelauges mit der Achse der Steuerwelle fluchtet. Das jeweilige Gelenkauge (4) befindet sich dann im Anschlag in der Kröpfung der Steuerwelle (1).
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zeigt das Getriebe eingebaut in einen Rahmen, der die Achse der Steuerwelle (1) und die Zahnstangenführungen (7) festlegt.
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Prinzipielle Funktionsweise
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Die prinzipielle Funktionsweise des Getriebes ist in schematisch für drei ausgezeichnete Fälle dargestellt. Oben soll der Ausgang für die Neigung, unten der Ausgang für die Lenkung sein.
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Wird die Steuerwelle (1) um ihre Längsachse gedreht, drehen sich auch die beiden Hebel (3), wodurch sich abhängig von der Position x der Steuerwelle mindestens eine der Zahnstangen verschiebt und hierdurch das auf ihr befindliche Zahnrad dreht. In den Extremstellungen, also wenn die Achse der Steuerwelle mit der einer Zahnstange fluchtet, wird sich diese bei Drehung der Steuerwelle nicht bewegen, die andere dafür umso mehr.
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Wird nun ein bestimmter Drehwinkel der Steuerwelle ϒ beibehalten und die Steuerwelle zwischen den Zahnstangen verschoben, so wird die eben verschobene Zahnstange wieder in Richtung der 0-Position fahren, die gerade noch nicht oder weniger ausgelenkte wird nun weiter oder überhaupt erst ausgelenkt.
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Wird die Verschiebung x der Steuerwelle als geschwindigkeitsabhängige Einstellung des Verhältnisses von Neigungswinkel zu Lenkeinschlagswinkel angesehen, ihr Drehwinkel ϒ als Lenkeingabe des Fahrers, so können Neigungswinkel und Lenkeinschlagswinkel an den jeweiligen Zahnrädern abgegriffen werden, wobei die Stellung bei ν = 0 (Stillstand) diejenige ist, bei der die Steuerwellenachse mit der Zahnstangenachse der Neigungsseite fluchtet. Somit ist das Verhältnis „0” hergestellt.
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zeigt die Verhältnisse bei Geradeausfahrt. Der Abstand zwischen den Gelenkaugen der Zahnstangen ist H, die Zahnräder besitzen die Wälzdurchmesser 2rφ und 2rτ. Die Steuerwellenachse fluchtet mit der Achse des Gelenkauges der Zahnstange der Neigeweite.
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In gibt der Fahrer den Lenkwinkel ϒ vor. Da die Steuerwellenachse noch mit der Achse der oberen Zahnstange fluchtet, wird nur ein Lenkeinschlag τ am unteren Zahnrad generiert.
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stellt den Fall einer Kurvenfahrt dar, bei der die Geschwindigkeit gegenüber der in größer ist. Wird die Steuerwellenachse bei gleichbleibendem Lenkwinkel ϒ um x verschoben, weil das Fahrzeug schneller wird, geht der in verursachte Lenkeinschlag τ zurück und der Neigewinkel φ steigt.
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Das Verhältnis der Ausschläge dφ/dτ bzw. der Drehwinkel der Zahnräder φ/τ kann über die Verschiebung x beliebige Verläufe annehmen, die von unterschiedlichsten Parametern herrühren. Im hier diskutierten Fall sieht die Funktion für die Verschiebung x der Steuerwelle im Idealfall folgendermaßen aus:
Die benötigte Verschiebung der Zahnstangen für Neigungs- und Lenkeinschlagswinkel errechnen sich aus dem Produkt des jeweiligen Winkels und dem Wälzradius des Zahnrades: dφ = rφ·φ dτ = rτ·τ
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Aus der Tangens-Winkelbeziehung des Lenkwinkels ϒ (siehe
) kann die notwendige Verschiebung x der Steuerwelle bei sich änderndem Verhältnis von Neigung zu Lenkeinschlag durch steigende Geschwindigkeit bestimmt werden:
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In ist der Verlauf der Steuerwellenverschiebung x für einen senkrechten Abstand der Gelenkaugen der Zahnstangen von H = 120 mm und die Wälzradien der Zahnräder mit rϕ = rτ = 40 mm in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ν dargestellt.
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Die Verschiebung x stellt dabei nur das Verhältnis ϕ/τ dar, nicht aber die Werte selbst, da diese nicht nur von der Geschwindigkeit, sondern mehr noch vom Kurvenradius abhängig sind. Der benötigte Drehwinkel der Steuerwelle ergibt sich wieder aus der Tangensbeziehung (vgl.
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In ist der Lenkwinkel ϒ der Steuerwelle über der Geschwindigkeit ν dargestellt.
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Es zeigt sich, dass bei steigender Geschwindigkeit auch der Lenkwinkel ϒ gesteigert werden muss, um die Idealbahn des Fahrzeugs einhalten zu können. Würde dieses Verhalten bei einem normalen Automobil ohne variable Lenkeigenschaften auftauchen, würde man es als untersteuernd bezeichnen. Da jedoch hier nicht nur von der Lenkung gesprochen wird, kann diese Aussage nicht unbedingt gelten, weil ohne steigendes ϒ nur der Kurvenradius mit der Geschwindigkeit größer würde, aber keine direkte Aussage mehr über das Verhältnis von Querkraft und Masse getroffen wird, da dieses bereits über die verhältnisgebende Größe x aufgefangen wird.
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Hält man einen zu Beginn einer Kurvenfahrt mit bestimmten Schwerpunktradius nötigen Lenkwinkel trotz steigender Geschwindigkeit konstant, wird nicht das Verhältnis von Neigung zu Lenkeinschlag berührt, sondern nur der gefahrene Radius. Die Kombination und Reihenfolge von Verschiebung x und Lenkeinschlag ϒ ist vollkommen frei wählbar. Es kann also bei jedem beliebigen x ein praktisch beliebiges ϒ (prinzipbedingt unter 90°) eingeschlagen werden und andersherum.
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Somit entstehen drei verschiedene Winkel und eine gerade Verschiebung, wobei die zwei Winkel φ und τ direkt voneinander abhängig sind, die Verschiebung x und der dritte Winkel ϒ sind jedoch unabhängig voneinander.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000069506129 T2 [0013]
