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Die vorliegende Erfindung betrifft eine intelligente Differentialanordnung für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Flurförderzeug.
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Insbesondere bei der Entwicklung von angetriebenen Achsen von Fahrzeugen ist es notwendig, es den beiden Rädern zu erlauben, sich bei einer Kurvenfahrt unterschiedlich schnell drehen können. Hierzu werden in der Regel Differentialgetriebe verwendet, die mit einer Antriebswelle und zwei Abtriebswellen versehen sind, wobei die Antriebswelle beispielsweise durch einen Verbrennungsmotor, einen Elektromotor oder einen Hydraulikmotor angetrieben wird, während die beiden Abtriebswellen an ihren Enden die beiden angetriebenen Räder des Fahrzeugs tragen. Zudem werden in allradgetriebenen Fahrzeugen Zentraldifferentiale eingesetzt, mittels derer die an der Antriebswelle wirkende Leistung auf zwei oder mehr angetriebene Achsen mittels der Differentialanordnung verteilt werden soll.
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In einer vielfach verwendeten und relativ einfach aufgebauten Bauweise wird das Differentialgetriebe als sogenanntes offenes Differential gebaut, beispielsweise mithilfe von Kegelrädern oder als Planetengetriebe mit innenverzahntem Hohlrad. Bei solchen offenen Differentialen kann es jedoch in bestimmten Betriebssituationen, wie beispielsweise einem Einfahren in eine Kurve mit hoher Geschwindigkeit und gleichzeitigem starken Bremsen, dazu kommen, dass sich das kurveninnere Rad entgegen der Fahrtrichtung dreht und somit ein unkontrolliertes Schleudern des Fahrzeugs begünstigt.
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Andererseits sind komplizierter aufgebaute mechanische Sperrdifferentiale bekannt, deren ausgleichende Wirkung ein- und ausgeschaltet werden kann (Differentialsperren), wodurch die Räder fest miteinander gekoppelt werden können und in diesem Zustand stets mit gleicher Drehzahl drehen. Weiterhin sind Selbstsperrdifferentiale bekannt, in denen stets für eine gleiche Aufteilung der anliegenden Drehmomente auf die beiden Abtriebswellen gesorgt wird. Im allgemeinsten Fall ist es die Aufgabe eines Sperrdifferentials, jedem Rad stets ein minimales Antriebsmoment zuzuführen und dennoch unterschiedliche Drehzahlen an den beiden Rädern zuzulassen. Hierzu sind insbesondere variabel sperrbare Differentiale entwickelt werden, die vorwiegend im Automobilsportbereich eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich hauptsächlich um Differentiale mit fest eingestellten Sperrwerten, aufwändig ausgebildeten elektrischen Sperrmöglichkeiten oder um variable Visko-Lok-Differentiale.
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Die bisher beispielsweise im Automobilsport eingesetzten elektronisch geregelten Sperrdifferentiale, die abhängig von Fahreigenschaften und ihrem spezifischen Anwendungsbereich arbeiten, sind daher auch meist für hohe Geschwindigkeiten und lediglich eine Fahrrichtung ausgelegt. Hierdurch sind sie relativ unflexibel und beispielsweise nicht für den Einsatz in Flurförderzeugen geeignet, die regelmäßig sowohl vorwärts als auch rückwärts fahren müssen. Des Weiteren sind die genannten Lösungen sehr teuer.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine intelligente Differentialanordnung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile des bekannten Stands der Technik ausräumt und hierbei kostengünstig, zuverlässig und flexibel ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine intelligente Differentialanordnung für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Flurförderzeug, bereit, umfassend ein offenes Differential mit einem Differentialgehäuse, eine Antriebswelle und zwei Abtriebswellen, wobei die Antriebswelle und die Abtriebswellen wenigstens abschnittsweise in dem Differentialgehäuse aufgenommen sind, wobei jeder der beiden Abtriebswellen eine Bremseinrichtung zugeordnet ist, wobei die Bremseinrichtungen hinsichtlich ihrer Bremswirkung individuell regelbar sind, wenigstens einen Sensor, der dazu eingerichtet ist, einen Betriebsparameter des Fahrzeugs oder der Differentialanordnung zu erfassen, und eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, von dem wenigstens einen Sensor Daten zu erhalten, welche den erfassten Betriebsparameter repräsentieren, wobei die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, die Bremswirkung der den Antriebswellen zugeordneten Bremseinrichtungen auf Grundlage der erhaltenen Daten individuell zu regeln.
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Erfindungsgemäß wird durch die Auswertung des wenigstens einen von dem wenigstens einen Sensor erfassten Betriebsparameters eine notwendige Sperrwirkung des Differentials ermittelt, die von 0 % bis 100 % betragen kann. Diese Sperrwirkung wird durch ein einseitiges Abbremsen einer der beiden Abtriebswellen erzeugt. Hierdurch kann dafür gesorgt werden, dass beispielsweise bei Kurvenfahrten die Sperrwirkung so gering ist, dass der Kurvenradius nicht beeinflusst wird. Sollte hingegen beispielsweise beim Abbremsen ein Rad seine Haftung am Boden verlieren und die Tendenz zeigen, sich gegen die Fahrtrichtung zu drehen, so kann durch die erfindungsgemäße intelligente Differentialanordnung diesem Phänomen entgegengewirkt werden, indem eine entsprechende Sperrwirkung eingestellt wird. Ferner kann beispielsweise bei einem Anfahren der Schlupf eines durchdrehenden Rads ebenfalls begrenzt werden, indem eine Sperrwirkung in dem Differential eingestellt wird.
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In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differentialanordnung kann wenigstens eine der Bremseinrichtungen wenigstens abschnittsweise in dem Differentialgehäuse aufgenommen sein. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht, die ferner unempfindlich gegen äußere Einflüsse ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eine der Bremseinrichtungen eine Lamellenbremse umfassen, welche vorzugsweise vollständig innerhalb des Differentialgehäuses aufgenommen ist. Eine derartige Bauart von wenigstens einer der Bremseinrichtungen trägt ebenfalls zu einer besonders kompakten Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung bei, da durch den Einsatz von Lamellenbremsen eine hohe Bremswirkung bei einem niedrigen Platzbedarf erreicht werden kann. Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich jedoch auch andere Typen von Bremsen vorgesehen werden, wie beispielsweise Trommelbremsen, elektrische Bremsen, Scheibenbremsen, etc.
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Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann wenigstens eine der Bremseinrichtungen hydraulisch betätigt sein und insbesondere wenigstens ein Proportionalventil umfassen. Eine derartige Ausgestaltung bietet sich insbesondere in Fahrzeugen mit einem hydrostatischen Antrieb an, da diese ohnehin über ein Hydrauliksystem verfügen, so dass an dieser Stelle Synergieeffekte erzielt werden können. Selbstverständlich könnten die Bremseinrichtungen jedoch auch in einer anderen Weise betätigt sein, beispielsweise elektromechanisch.
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Des Weiteren könnte wenigstens eine der Bremseinrichtungen in einem unbetätigten Zustand geschlossen sein, beispielsweise durch die Wirkung wenigstens einer mechanischen Feder. Indem in dieser Weise wenigstens eine der Bremsen im Ausgangszustand ihre volle Bremswirkung entfaltet, ist ein zusätzlicher Sicherheitsmechanismus bereitgestellt, der andererseits auch vorteilhaft als Parkbremse eingesetzt werden kann. Des Weiteren können derartige Bremseinrichtungen als regelbare Betriebsbremsen verwendet werden, die beispielsweise das Anfahren oder ein punktgenaues Stehenbleiben an einem Hang unterstützen können.
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Der wenigstens eine zum Erfassen eines Betriebsparameters des Fahrzeugs eingerichtete Sensor kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Geschwindigkeit oder/und eine Beschleunigung oder/und eine Neigung oder/und einen Lenkwinkel oder/und eine Motordrehzahl des Fahrzeugs zu erfassen. Alle der genannten Betriebsparameter können dementsprechend als Eingabeparameter für die Steuerung der erfindungsgemäßen intelligenten Differentialanordnung verwendet werden, da auf ihrer Grundlage ein gewünschtes oder Soll-Verhalten des Fahrzeugs abgeleitet werden kann, das ggf. durch geeignetes bremsendes Eingreifen in die erfindungsgemäße Differentialanordnung angenähert bzw. hergestellt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich könnte der wenigstens eine Sensor dazu eingerichtet sein, eine Drehzahl wenigstens einer der Abtriebswellen und/oder der Antriebswelle der Differentialanordnung selbst zu erfassen. Diese Betriebsparameter eignen sich ferner insbesondere für eine Rückkopplung innerhalb des Systems, beispielsweise um die Wirkung der Bremseinrichtung auf das Verhalten des Differentials zu verifizieren.
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Ferner könnte die Steuereinheit der erfindungsgemäßen intelligenten Differentialanordnung dazu eingerichtet sein, Daten aus weiteren Quellen zu erhalten, beispielsweise von Assistenzsystemen des Fahrzeugs. Da solche Assistenzsystems häufig bereits eine Prozessierung und Aufbereitung von Sensordaten vornehmen, kann durch diese Maßnahme eine erhöhte Integration der intelligenten Differentialanordnung in ohnehin durchgeführte Steuerprozesse des Fahrzeugs erreicht werden. Selbstverständlich könnte hierzu die Steuereinheit ferner auch dazu eingerichtet sein, selbst Daten an derartige Assistenzsysteme zu senden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Flurförderzeug, umfassend eine erfindungsgemäße intelligente Differentialanordnung und einen Antriebsmotor, der dazu eingerichtet ist, die Antriebswelle der Differentialanordnung anzutreiben. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass, wenngleich die vorliegende Erfindung bisher hauptsächlich im Zusammenhang mit Achsdifferentialen diskutiert worden ist, in denen die Differentialanordnung einer angetriebenen Achse des Fahrzeugs zugeordnet ist und den beiden Abtriebswellen jeweils ein angetriebenes Rad zugeordnet ist, derartige intelligente Differentialanordnungen selbstverständlich auch als Zentraldifferential in allradgetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden könnten, bei denen die an der Antriebswelle wirkende Leistung mittels der Differentialanordnung auf zwei oder mehr angetriebene Achsen verteilt werden soll.
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Wie bereits angesprochen, eignet sich die erfindungsgemäße intelligente Differentialanordnung insbesondere für den Einsatz in Flurförderzeugen, da diese einerseits aufgrund ihres mit einer äußerst harten Dämpfung ausgelegten Fahrwerks relativ leicht in Fahrzustände gelangen, die ein Eingreifen in die Differentialanordnung nötig machen, beispielsweise wenn eines der angetriebenen Räder bei einer Überfahrt eines Bordsteins seinen Bodenkontakt verliert. Andererseits ist wie angesprochen auch eine Integration der erfindungsgemäßen Differentialanordnung mit den in Flurförderzeugen häufig verwendeten hydrostatischen Antrieben besonders vorteilhaft.
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Zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Differentialanordnung eines Fahrzeugs, insbesondere einer erfindungsgemäßen Differentialanordnung, umfassend ein Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters des Fahrzeugs und/oder der Differentialanordnung und ein Regeln von den Abtriebswellen der Differentialanordnung zugeordneten Bremseinrichtungen auf Grundlage der erhaltenen Daten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform deutlich, wenn diese zusammen mit den beiliegenden Figuren betrachtet wird. Diese zeigen im Einzelnen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen intelligenten Differentialanordnung;
- 2 ein Flussdiagramm eines Steuerungsvorgangs der erfindungsgemäßen Differentialanordnung während eines Beschleunigens des Fahrzeugs;
- 3 ein Flussdiagramm eines Steuerungsvorgangs der erfindungsgemäßen Differentialanordnung bei einer Kurvenfahrt; und
- 4 ein Flussdiagramm eines Steuerungsvorgangs der erfindungsgemäßen Differentialanordnung bei einem hydrostatischen Verzögern.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Differentialanordnung in einer schematischen Darstellung gezeigt und ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Differentialanordnung 10 ist einer angetriebenen Achse eines nicht weiter dargestellten Flurförderzeugs zugeordnet und bildet hierin einen Teil der angetriebenen Vorderachse, während die Hinterachse des Flurförderzeugs eine gelenkte, jedoch nicht angetriebene Achse ist.
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Die Differentialanordnung 10 umfasst ein in einem Differentialgehäuse 12 aufgenommenes offenes Differential 14, das in bekannter Weise als offenes Kegelrad-Differentialgetriebe gebildet ist. Hierbei wird eine über eine Antriebswelle 16 in das Differential 14 eingebrachte und beispielsweise von einem Verbrennungsmotor hervorgerufene Drehbewegung in jeweilige Drehbewegungen der beiden Abtriebswellen 18a und 18b umgesetzt. Durch die Konstruktion des offenen Differentials 14 wird ermöglicht, dass die beiden den Abtriebswellen 18a und 18b zugeordneten Räder 20a und 20b sich bei einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen.
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Weiterhin sind den beiden Abtriebswellen 18a und 18b jeweilige Bremsvorrichtungen 22a und 22b zugeordnet, die als in unbetätigtem Zustand geschlossene Lamellenbremsen ausgebildet sind. Um die Lamellenbremsen 22a und 22b, die ihrerseits vollständig in dem Differentialgehäuse 12 aufgenommen sind, zu öffnen, sind zwei Proportialventile 24a und 24b vorgesehen, die eine hydraulische Betätigung der beiden Lamellenbremsen 22a und 22b über einen Wirkungsbereich von 0 % bis 100 % einer bauartbedingten maximal möglichen Bremswirkung erlauben. Die Proportionalventile 24a und 24b werden hierbei von einer Steuereinheit 26 betätigt, die hierzu einerseits auf in einem ihr zugeordneten Speicher 28 abgelegte Programme und Daten als auch andererseits auf von einer Mehrzahl von Sensoren übermittelte Daten zugreifen kann.
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Wenngleich in alternativen Ausführungsformen auch andere Bremstypen als die genannten Lamellenbremsen eingesetzt werden könnten, wie beispielsweise Trommelbremsen, Scheibenbremsen oder elektrische Bremsen, so müssen diese jedoch stets regelbar sein, beispielsweise mittels hydraulischer oder elektrischer Proportionalschaltungen.
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Die Sensoren stehen hierbei jeweils in Datenübertragungsverbindung mit der Steuereinheit 26. In 1 sind mehrere Sensoren dargestellt, wobei doch nicht ausgeschlossen ist, dass noch weitere Sensoren vorgesehen sind, die ebenfalls in Datenverbindung mit der Steuereinheit 26 stehen. Es handelt sich zum einen um den jeweiligen Abtriebswellen 18a und 18b zugeordnete Drehgeschwindigkeitssensoren 30a und 30b sowie einen der Antriebswelle 16 zugeordneten weiteren Drehgeschwindigkeitssensor 32. Weiterhin ist der nicht in 1 dargestellten Lenkeinrichtung des Flurförderzeugs, in dem die Differentialanordnung 10 eingesetzt wird, ein Lenkwinkelsensor 34 zugeordnet, der der Steuereinrichtung 26 Daten zur Verfügung stellt, die den momentanen Lenkwinkel des Lenkrads und damit den momentanen Lenkeinschlag der gelenkten Räder anzeigen.
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Mögliche Betriebsabläufe der erfindungsgemäßen intelligenten Differentialanordnung 10 aus 1 sind nun in den 2 bis 4 in Form von Flussdiagrammen dargestellt. Zunächst ist in 2 ein Steuerungsvorgang dargestellt, den die Steuereinheit 26 bei einem Beschleunigen des Fahrzeugs durchführen kann. Hierzu bildet sie aus den von den Drehgeschwindigkeitssensoren 30a und 30b gelieferten Daten, die jeweils die Drehzahl des linken und rechten Rads repräsentieren, bei Schritt S100 eine tatsächliche oder Ist-Differenz der Drehzahl der beiden Räder. Andererseits erhält die Steuereinrichtung 26 vom Lenkwinkelsensor 34 Daten, die den momentanen Lenkwinkel des Lenkrads repräsentieren, der mit einer Auslenkung der gelenkten Räder des Fahrzeugs in Verbindung steht. Aus diesem von dem Lenkwinkelsensor 34 erfassten Lenkwinkel berechnet die Steuereinheit 26 bei Schritt S102 eine gewünschte oder Soll-Differenz, die repräsentiert, wie sehr sich die Raddrehzahlen der beiden Räder beim momentanen Lenkwinkel unterscheiden sollten.
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Anschließend vergleicht die Steuereinheit 26 bei Schritt S104 die in Schritt S100 berechnete Ist-Differenz mit der bei Schritt S102 abgeleiteten Soll-Differenz. Ergibt sich bei dem Vergleich in Schritt S104, dass sich entweder das linke Rad oder das rechte Rad zu schnell dreht, was jeweils durch die Pfeile S106 und S108 in 2 dargestellt ist, so steuert die Steuereinrichtung 26 das erste Proportionalventil 24a oder das zweite Proportionalventil 24b an, um über die Lamellenbremse 22a bzw. 22b selektiv eine Bremskraft auf die jeweilige dem linken Rad 20a bzw. rechten Rad 20b zugeordnete Abtriebswelle 18a bzw. 18b auszuüben. Diese jeweils mögliche Ansteuerung der Bremsventile 24a bzw. 24b ist in 2 als Schritt S110 bzw. Schritt S112 bezeichnet. Durch den in 2 dargestellten Betriebsablauf kann gewährleistet werden, dass bei einem Beschleunigen des Fahrzeugs ein Durchdrehen von einem oder beiden der angetriebenen Räder 20a und 20b zuverlässig verhindert wird.
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Als nächstes sei auf 3 verwiesen, in der ein durch die Steuereinheit 26 bei einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs durchgeführter Steuerungsvorgang dargestellt ist. In diesem Prozess errechnet die Steuereinheit 26 aus von dem bereits angesprochenen Lenkwinkelsensor 34 sowie in 1 nicht dargestellten Sensoren 36 und 38 erhaltenen Daten bei Schritt S200 einen tatsächlichen oder Ist-Kurs des Fahrzeugs. Hierbei handelt es sich bei dem Sensor 36 um einen drei- oder sechs-achsigen Beschleunigungssensor, d. h. einen Sensor, der Beschleunigungen in drei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen und/oder Winkelbeschleunigungen um drei senkrecht aufeinander stehende räumliche Achsen erfasst. Des Weiteren handelt es sich bei dem Sensor 38 um einen herkömmlichen Geschwindigkeitssensor, der die momentane Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst.
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Zudem berechnet die Steuereinheit 26 unter anderem anhand von aus dem Speicher 28 ausgelesenen Daten, die Fahrsollwerte und Lenksollwerte betreffen, einen gewünschten oder Soll-Kurs des Fahrzeugs. Ferner werden bei Schritt S204 „Beobachter“-Daten in die Steuereinheit von außerhalb des Fahrzeugs eingegeben, die beispielsweise durch Sensoren geliefert werden, die der Umgebung des Fahrzeugs zugeordnet sind und den Kurs des Fahrzeugs von außen verfolgen und ihre Daten über eine Funkverbindung zu der Steuereinheit 26 übertragen.
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Erneut führt die Steuereinheit 26 dann bei Schritt S206 einen Vergleich des bei Schritt S200 abgeleiteten Ist-Kurses mit dem bei Schritt S202 abgeleiteten Soll-Kurs durch und ermittelt, ob das Fahrzeug momentan untersteuert oder übersteuert. In 2 ist hierbei ein Ermitteln eines Untersteuerns mit S208 bezeichnet, während ein Ermitteln eines Übersteuerns mit S210 bezeichnet ist. Ergibt sich bei S208, dass das Fahrzeug in der Tat untersteuert, so steuert die Steuereinheit 26 bei Schritt S212 dasjenige der beiden Proportionalventile 24a und 24b zum Bremsen an, das dem momentan kurveninneren Rad zugeordnet ist, d. h. beim Durchfahren einer Linkskurve das Steuerventil 24a, das der Lamellenbremse 22a und somit dem linken angetriebenen Rad 20a zugeordnet ist, während bei einer Rechtskurve das Proportionalventil 24b angesteuert wird. Sollte hingegen bei S210 ein Übersteuern des Fahrzeugs festgestellt werden, so weist die Steuereinheit 26 bei Schritt S214 das dem momentan kurvenäußeren Rad zugeordnete Proportionalventil 24a bzw. 24b dazu an, das jeweils kurvenäußere Rad abzubremsen. Im Falle einer momentan durchfahrenen Linkskurve handelt es sich hierbei um das zweite Proportionalventil 24b, während es sich bei einer Rechtskurve um das erste Proportionalventil 24a handelt.
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Durch den in 3 dargestellten Steuerungsprozess kann bei einer Kurvenfahrt die sogenannte dynamische Standsicherheit des Fahrzeugs sichergestellt werden, d. h. ein Schleudern oder gar Kippen des Fahrzeugs wird durch Verhindern des Untersteuerns bzw. Übersteuerns wirksam ausgeschlossen.
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Zuletzt ist in 4 ein Steuerungsablauf dargestellt, der bei einem hydrostatischen Verzögern des Fahrzeugs zum Einsatz kommen kann. Hierzu erhält die Steuereinrichtung 26 erneut von dem linken und rechten Raddrehzahlsensor 30a und 30b sowie dem Lenkwinkelsensor 34 Daten, aus denen bei den Schritten S300 und S302 die Ist-Differenz bzw. die Soll-Differenz der Raddrehzahl errechnet wird. Ferner wird bei Schritt S304 eine weitere Datenverarbeitung durchgeführt, die zur weiteren Plausibilisierung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs aus den „Beobachter“-Daten erfolgt.
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Ergibt sich nun bei der Verarbeitung der genannten Daten bei Schritt S306, dass sich das linke Rad rückwärts oder zu schnell dreht (S308) oder dass sich das rechts Rad rückwärts oder zu schnell dreht (S310), so sendet die Steuereinheit 26 erneut bei S312 bzw. S314 Steuersignale an das linke bzw. rechte Proportionalventil 24a bzw. 24b, um die genannten unerwünschten Drehzahlen der jeweiligen Räder zu verhindern.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den in 2 bis 4 dargestellten Abläufen lediglich um Beispiele für mögliche Steuervorgänge handelt, die von der Steuereinheit 26 ausgeführt werden könnten. Es ist aber festzuhalten, dass eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen werden kann, die jeweils in Datenverbindungen mit der Steuereinheit 26 stehen, wobei sämtliche Daten, die von den genannten Sensoren geliefert werden, in geeigneter Weise von der Steuereinheit 26 verwendet werden können, um stets optimalen Einfluss auf die beiden Bremseinrichtungen nehmen zu können, um das Fahrzeugs stets in dem gewünschten Fahrzustand zu halten.
