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Vierradantrieb mit Steuerung der Antriebskraftverteilung
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in Abhängigkeit von Drehzahlunterschieden zwischen Vorder-und Hinterrädern
Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für die Steuerung der
Verteilung einer Antriebskraft auf die vorderen und hinteren Radpaare eines Fahrzeugs
mit Vierradantrieb durch Veränderung des mittels einer Kupplung von einem Motor
entweder auf das vordere oder das hintere Radpaar übertragenen Drehmoments.
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Ein Fahrzeug mit Vierradantrieb zeigt auf einer einen niedrigen Reibungskoeffizienten
aufweisenden Fahrbahn ein sehr günstiges Fahrverhalten aufgrund der Verteilung der
Antriebskraft auf die Vorder- und Hinterräder. Andererseits hat ein Fahrzeug mit
Vierradantrieb den Nachteil, daß beim Durchfahren von engen Kurven auf einer einen
hohen Reibungskoeffizienten aufweisenden Fahrbahn wegen der starren Verbindung zwischen
den Vorder- und Hinterrädern eine plötzliche Brems- oder Sperrwirkung auftritt.
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Die vorläufig veröffentlichten japanischen Gebrauchsmuster 58-100132
und 58-139226 beschreiben vierradgetriebene Fahrzeuge mit einer Anordnung zum Steuern
des Umschalteens zwischen Zweiradantrieb und Vierradantrieb in Abhängigkeit vom
Fahrverhalten des Fahrzeugs.
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Ein in der Veröffentlichung 58-100132 beschriebenes vierradgetriebenes
Fahrzeug ist mit Einrichtungen versehen, welche ein Durchdrehen der angetriebenen
Räder durch Umschalten vom Zweiradantrieb auf den Vierradantrieb verhindern sollen,
wenn ein Regenfühler eine durch Regen verursachte Verschlechterung des Reibungskoeffizienten
der Fahrbahn meldet. Ein in der Veröffentlichung 58-139226 beschriebenes vierradgetriebenes
Fahrzeug ist dagegen mit einer Einrichtung versehen, welche die Bremswirkung bei
enger Kurvenfahrt
verhindern soll, indem sie vom Vierradantrieb
auf den zweiradantrieb umschaltet, wenn ein auf den öldruck einer hydraulischen
Servolenkung ansprechender öldruckfühler einen starken Lenkeinschlag der gelenkten
Räder meldet.
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Es reicht jedoch nicht aus, entweder nur das Durchdrehen der Räder
oder nur den Bremseffekt bei enger Kurvenfahrt zu verhindern, es ist vielmehr notwendig,
diesen beiden Erscheinungen vorzubeugen. Wollte man die Lehren der beiden Veröffentlichungen
miteinander kombinieren, so würde dies die Verwendung mehrerer Sensoren, z.B. eines
Regenfühlers, eines öldruckschalters und eines Fahrtgeschwindigkeitsmessers erfordern,
was zu einer Erhöhung der Fertigungskosten und zu einer aufwendigen Konstruktion
führen würde.
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Darüber hinaus weisen die in den beiden Veröffentlichungen beschriebenen
Fahrzeuge den Nachteil auf, daß das plötzliche Umschalten zwischen Zweiradantrieb
und Vierradantrieb das Fahrverhalten und insbesondere die Lenkung des Fahrzeugs
stark beeinträchtigt.
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Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Steuerung für einen Vierradantrieb
zu schaffen, welche bei einfacher und wenig aufwendiger Konstruktion in der Lage
ist, die Vorteile des Vierradantriebs zu nutzen und die genannten Nachteile desselben
zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung gehören zu einem Vierradantrieb für ein Fahrzeug
mit einem Motor und einem Paar Hauptantriebsräder sowie einem Paar Zusatzantriebsräder
ein Vorgelege, den Haupt- und Zusatzantriebsrädern zugeordnete Drehzahlfühler und
eine die Verteilung der Antriebskraft steuernde Einrichtung.
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Das Vorgelege überträgt das Antriebsdrehmoment vom Motor auf die beiden
Hauptantriebsräder und überträgt außerdem das Antriebsdrehmoment vom Motor über
eine Vorgelegekupplung auf die beiden Zusatzantriebsräder, wobei das von der
Vorgelegekupplung
übertragene Drehmoment durch Änderung einer die Kupplung beaufschlagenden Betätigungskraft
veränderbar ist.
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Die genannten Drehzahlfühler melden die jeweilige Drehzahl der beiden
Hauptantriebsräder bzw. der beiden Zusatzantriebsräder.
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Die die Verteilung der Antriebskraft stuernde Einrichtung ist mit
den Drehzahlfühlern der Haupt- und Zusatzantriebsräder verbunden und steuert die
Betätigung der Vorgelegekupplung. Dabei erfolgt die Steuerung des durch die Vorgelegekupplung
übertragenen Drehmoments in Abhängigkeit von der bei Subtraktion der Drehzahl der
Hauptantriebsräder von der Drehzahl der Zusatzantriebsräder verbleibenden Drehzahldifferenz.
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Die genannte Steuereinrichtung steuert die Verteilung der Antriebskraft
auf die Haupt- und Zusatzantriebsräder durch entsprechende Veränderung des von der
Vorgelegekupplung übert-ragenen Drehmoments vorzugsweise derart, daß ein kleineres
Verteilungsverhältnis vorliegt, wenn die vorstehend genannte Drehzahldifferenz größer
ist als Null, und daß ein größeres Verteilungsverhältnis vorliegt, wenn die Drehzahldifferenz
kleienr ist als Null.
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Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisierte Dar-stellung eines Fahrzeugs mit
Vierradantrieb in einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine Schnittansicht
eines Vorgeleges des Fahrzeugs nach Fig. 1, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Steuerung
des Fahrzeugs nach Fig. 1, Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen
einem Kupplungsbetätigungsdruck und einem Erregerstrom eines in Fig. 3 gezeigten
Magnetventils,
Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen
dem Kupplungsbetätigungsdruck und der Differenz zwischen den Drehzahlen der Vorder-
und Hinterräder, Fig. 6 ein Fig. 3 entsprechendes Blockschaltbild in einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung und Fig. 7 eine grafische Darstellung der Beziehung
zwischen dem Kupplungsbetätigungsdruck und der Differenz zwischen den Drehzahlen
von Vorder- und Hinterrädern zur Erläuterung der Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform.
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Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 bis 3 dargestellt.
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Ein in Fig. 1 gezeigtes vierradgetriebenes Fahrzeug hat einen Motor
21, ein an den Motor angesetztes Getriebe 22 und ein Vorgelege 23, welches eine
Ausgangswelle des Getriebes mit einer Antriebswelle 24R für die Hinterräder und
einer Vorderrad-Antriebswelle 24F verbindet. Die Hinterrad-Antriebswelle 24R ist
über ein hinteres Differentialgetriebe 25R und rechte und linke Halbachsen 26RR
und 26RL mit dem rechten und dem linken Hinterrad 27RR bzw. 27RL verbunden. Die
Vorderrad-Antriebswelle 24F ist über ein vorderes Differentialgetriebe 25F und rechte
und linke Halbachsen 26FR und 26FL mit dem rechten und dem linken Vorderrad 27FR
bzw. 27FL verbunden.
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Wie man in Fig. 2 erkennt, hat das Vorgelege 23 ein Gehäuse 28, welches
aus zwei Teilen 28a und 28b besteht, welche durch Schrauben 29 zusammengehalten
sind. Eine im Gehäuse 28 gelagerte Eingangswelle 30 ist direkt mit der Ausgangswelle
des Getriebes 22 verbunden. Ein Lager 32 trägt eine Hinterrad-Ausgangswelle 31,
welche mit der Hinterrad-Antriebswelle 24R verbunden ist. Der drehfesten Verbindung
der Eingangswelle 30 mit der Hinterrad-Ausgangswelle 31 dient eine auf die Enden
der beiden Wellen aufgeschobene innenverzahnte Kupplungsmuffe 33. Diese findet
drehbar
Aufnahme in einer öffnung eines Lagerhalters 34, welcher mittels Schrauben 34a im
Gehäuse 28 befestigt ist.
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Die Eingangswelle 30 ist von einer ersten und einer zweiten Hohlwelle
38 bzw. 39 umgeben, welche über eine Keilnutverzahnung miteinander verbunden sind.
Die zweite Hohlwelle 39 ist mittels eines oder mehrerer Nadellager 43 drehbar auf
der Eingangswelle 30 gelagert. Auf dem Umfang der ersten Hohlwelle 38 ist ein Zahnrad
38a ausgebildet.
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Dieses kämmt mit einem am Umfang einer Zwischenwelle 40 ausgebildeten
Zwischenrad 40a. Die Zwischenwelle 40 ist mittels eines Lagers 41 drehbar im Gehäuse
28 gelagert.
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Das Zwischenrad 40a kämmt außerdem mit einem Abtriebszahnrad 42 auf
einer mit der Vorderrad-Antriebswelle 24F verbundenen Ausgangswelle.
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Zwischen der von der Eingangswelle 30 angetriebenen Kupplungsmuffe
33 und der zweiten Hohlwelle 39 ist eine hydraulisch betätigbare Mehrscheiben-Reibungskupplung
49 (Vorgelegekupplung) angeordnet. Eine kupplungstrommel 44 ist am äußeren Umfang
der Kupplungsmuffe 33 ausgebildet, während am äußeren Umfang der zweiten Hohlwelle
39 eine Kupplungsnabe 39a ausgebildet ist. Die Vorgelegekupplung 49 enthält eine
Reihe von mit einer Innenverzahnung der Kupplungstrommel 44 in Eingriff stehenden
Antriebsscheiben 45 und damit abwechselnd eine Anzahl von mit einer Außenverzahnung
der Kupplungsnabe 39a in Eingriff stehenden Abtriebsscheiben 46. Ein ringförmiger
Kolben 48 ist am äußeren und inneren Umfang abdichtend geführt, so daß er eine Druckölkammer
47 abschließt. Eine zwischen den Kolben 48 und eine auf der Kupplungsmuffe 33 befestigte
Abstützung 52 eingesetzte Druckfeder 53 belastet den Kolben 48 in Richtung auf die
Druckölkammer 47. Diese ist über einen in der Kupplungsmuffe 33 ausgebildeten ersten
Durchlaß 35a, einen im Lagerhalter 34 ausgebildeten zweiten Durchlaß 35b und einen
im Gehäuse 28 ausgebildeten dritten Durchlaß 35c mit einem Druckölanschluß 35d am
Gehäuse 28 strömungsverbunden. Bei Druckölspeisung der Druckölkammer 47 vom Anschluß
35d über die Durchlässe 35c, 35b und 35a bewegt sich
der Kolben
48 unter Überwindung der von der Feder 53 auf ihn ausgeübten Belastung nach links
(Fig. 2) und bringt dadurch die Antriebs- und Abtriebsscheiben 45 bzw. 46 in reibschlüssige
Anlage aneinander. Damit stellt die Kupplung 49 eine kraftschlüssige Verbindung
zwischen der Eingangswelle 30 und der Ausgangswelle für den Antrieb der Vorderräder
her.
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In der Eingangswelle 30 und der Ausgangswelle 31 für den Antrieb der
Hinterräder ausgebildete erste und zweite Schmierstoffbohrungen 30a bzw. 31a dienen
dazu, den Nadellagern 43 und anderen Teilen einen Schmierstcff zuzuführen.
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In der zweiten Hohlwelle 39, der Nabe 39a und der Trommel 44 ausgebildete
erste, zweite und dritte Schmierstoffbohrungen 39b, 39c bzw. 44a dienen der Schmierstoffzufuhr
zu den Antriebs- und Abtriebsscheiben 45 bzw. 46 der Kupplung 49. Das Vorgelege
enthält außerdem einen Tachometerabtrieb 36.
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In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erkennt man eine Steuerung
51 für die Betätigung der Kupplung 49 des Vorgeleges 23. Die Steuerung 51 ist mit
einem auf die Drehzahl der Vorderräder 27FR und 27FL ansprechenden Vorderrad-Drehzahlgeber
54 und einem auf die Drehzahl der Hinterräder 27RR und 27RL ansprechenden Hinterrad-Drehzahlgeber
55 verbunden. Der Vorderrad-Drehzahlgeber 54 erzeugt ein Signal mit einer der Drehzahl
der Vorderräder 27FR und 27FL entsprechenden Impulsfrequenz. In gleicher Weise erzeugt
der Hinterrad-Drehzahlgeber 55 ein Signal mit einer der Drehzahl der Hinterräder
27RR und 27RL entsprechenden Impulsfrequenz. Die beiden Signale werden der Steuerung
51 zugeleitet. Der Vorderrad-Drehzahlgeber 54 kann so angeordnet sein, daß er auf
die Drehzahl der Vorderrad-Ausgangswelle oder der Zwischenwelle 40 des Vorgeleges
23 anspricht.
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In gleicher Weise kann der Hinterrad-Drehzahlgeber 55 so angeordnet
sein, daß er auf die Drehzahl der Hinterrradausgangswelle 31 des Vorgeleges 23 anspricht.
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Wie man in Fig. 3 erkennt, gehören zur Steuerung 51 ein Hydraulikkreis
56 für die Druckölspeisung der Druckölkammer 47 der Vorgelegekupplung 49 und eine
elektrische oder elektronische Steuereinheit 57, z.B. ein Mikrocomputer für die
Steuerung des im Hydraulikkreis 56 erzeugten Öldrucks. Zum Hydraulikkreis 56 gehört
eine Hydraulikpumpe 59 für die Druckförderung von aus einem Behälter 58 angesaugtem
Öl. Ein Druckauslaß der Pumpe 59 ist mit der Druckölkammer 47 der Vorgelegekupplung
49 und außerdem über ein Magnetventil 60 wiederum mit dem Vorratsbehälter 58 verbunden.
Eine Magnetspule 60a des Magnetventils 60 ist mit der Steuereinheit 57 verbunden.
Das Magnetventil 60 dient der Herstellung einer Strömungsverbindung von der Druckölkammer
47 und dem Druckauslaß der Hydraulikpumpe 59 einerseits zum Vorratsbehälter 58 über
einen Durchlaß, dessen jeweiliger Querschnitt der Stärke des von der Steuereinheit
57 der Magnetspule 60a zugeführten Stroms entspricht. Damit kann das Magnetventil
60 unter Kontrolle durch die Steuereinheit 57 den in der Druckölkammer 47 herrschenden
Kupplungs-Betätigungsdruck durch Veränderung des jeweiligen Durchlaßquerschnitts
steuern. Das Magnetventil 60 enthält beispielsweise einen Kolben, welcher in Abhängigkeit
vom Ausgangsdruck der Pumpe 59 und einer auf ihn einwirkenden elektromagnetischen
Kraft bewegbar ist, so daß der Speisedruck P für die Druckölkammer 47 in einer bestimmten
Beziehung zum jeweiligen der Magnetspule 60a zugeführten Erregerstrom steht (Fig.
4).
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Die elektrische Steuereinheit 57 umfaßt einen ersten Wandler oder
Zähler 61, einen ~zweiten Wandler oder Zähler 62, ein Subtraktionsglied 63, einen
Rechnerkreis 64 und eine Treiberschaltung 65 (Fig. 3). Der erste Wandler 61 ist
mit dem Impulssignal des Vorderrad-Drehzahlgebers 54 gespeist und erzeugt ein Ausgangssignal
Nf mit einer der Impulsfrequenz des Eingangssignals entsprechenden Spannung.
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Der zweite Wandler 62 erzeugt ein Ausgangssignal Nr mit einer der
Impulsfrequenz des Ausgangssignals des Hinterrad-Drehzahlgebers 55 entsprechenden
Spannung. Das Subtraktionsglied
63 ermittelt die Differenz # N
N zwischen dem der Drehzahl der Vorderräder und dem der Drehzahl der Hinterräder
entsprechenden Signal Nf bzw. Nr und erzeugt ein entsprechendes Differenzsignal
A N. Der Rechnerkreis 64 ist mit dem Differenzsignal A N gespeist und erzeugt ein
Steuersignal entsprechend der folgenden Gleichung: V = K . #N + V0, worin K und
V0 vorbestimmte Konstanten sind.
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Unter Steuerung durch das Steuersignal V des Rechnerkreises 64 speist
die Treiberschaltung 65 die Magnetspule 60a des Magnetventils 60 mit einem Erregerstrom,
dessen Wert I dem jeweiligen Steuersignal V entspricht. Die Steuereinheit 57 speist
die Magnetspule 60a des Magnetventils 60 also mit einem der Drehzahldifferenz A
N zwischen den Vorder- und Hinterrädern entsprechenden Erregerstrom I und steuert
damit den Betätigungsdruck P der Kupplung 49 in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz
A N (Fig.5).
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Der beschriebene Vierradantrieb arbeitet folgendermaßen: Die Steuerung
des Kupplungs-Betätigungsdrucks P und somit des durch die Vorgelegekupplung 49 übertragenen
Drehmoments erfolgt in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz A N zwischen den Vorderrädern
und den Hinterrädern eines Fahrzeugs, wie in Fig. 5 dargestellt. Ein beginnendes
Durchdrehen der Hinterräder 27RL und 27RR bei Geradeausfahrt des Fahrzeugs auf schlüpfriger
Fahrbahn führt bei Antrieb der Hinterräder allein zur Entstehung einer Drehzahldifferenz
# N, auf welche die Steuerung anspricht und dementsprechend den Betätigungsdruck
P für die Vorgelegekupplung 49 in der in Fig. 5 dargestellten Weise erhöht, um damit
die auf die Vorderräder 27FR und 27FR übertragene Antriebskraft auf einen der Drehzahldifferenz
A N entsprechenden Wert zu erhöhen. Auf diese Weise verhindert oder verringert die
Steuerung das Durchdrehen der Hinterräder 27RL und 27RR relativ zur Fahrbahn durch
Übertragung eines Teils der verfügbaren Antriebskraft auf die Vorderräder
27FL
und 27FR. Im Anschluß daran variiert die Steuerung die auf die Vorderräder 27FL
und 27FR über tragene Antriebskraft in der in Fig. 5 gezeigten Weise, um so einem
Durchdrehen der Hinterräder 27RL und 27RR vorzubeugen.
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Bie enger Kurvenfahrt des Fahrzeugs auf einer einen hohen Reibungskoeffizienten
aufweisenden Fahrbahn und mit über die Vorgelegekupplung 49 antriebsübertragend
mit dem Motor 21 verbundenen Vorderrädern 27FL und 27FR entsteht eine Drehzahldifferenz
# N zwischen den Vorderrädern und den Hinterrädern dadurch, daß der von der Vorderrädern
durchfahrene Kreisbogen einen größeren Radius hat, so daß gegenüber der Fahrbahn
ein Schlupf auftritt. Die die Verteilung der Antriebskraft bestimmende Steuerung
spricht auf diese Drehzahldifferenz ß N an und verringert das über die Vorgelegekupplung
49 übertragene Drehmoment durch Verringerung des Kupplungs-Betätigungsdrucks P in
der in Fig. 5 dargestellten Weise. Damit erfolgt der Antrieb nun im wesentlichen
über die Hinterräder, so daß die Vorderräder 27fL und 27FR im wesentlichen ohne
Schlupf auf der Fahrbahn abrollen und die für einen bekannten Vierradantrieb typische
Bremswirkung nicht auftritt.
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Die erfindungsgemäße Steuerung für die Verteilung der Antriebskraft
bewirkt keine plötzliche Änderung des Lenkverhaltens eines Fahrzeugs, da sie das
über die Vorgelege kupplung 49 übertragene Drehmoment allein in Abhängigkeit von
Drehzahldifferenzen # N zwischen den Vorder- und Hinterrädern steuert.
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Die beschriebene erste Ausführungsform ermöglicht eine Verringerung
der Fertigungskosten, da die gesamte Anlage mit einer kleinen Anzahl von Sensoren
und sonstigen Teilen auskommt.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 und 7 dargestellt.
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Wie man in Fig. 6 erkennt, ist in der zweiten Ausführungsform ein
Fahrbahnzustandsmelder 70 vorgesehen, beispielsweise in Form eines Ultraschallsensors.
Der Fahrbahnzustandsmelder 70 ist mit dem Rechnerkreis 64 der Steuereinheit 57 verbunden
und erzeugt ein dem Zustand der Fahrbahn entsprechendes Ausgangssignal, welches
in Abhängigkeit von Unebenheiten, Rauhigkeit, Trockenheit, durch Regen oder Schnee
hervorgerufene Feuchtigkeit usw. variiert.
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Der mit dem Fahrbahnzustandssignal gespeiste Rechnerkreis 64 variiert
in Abhängigkeit davon den Wert der in der vorstehend angegebenen Gleichung erscheinenden
Konstante K, so daß sich auch eine entsprechende Änderung des Steuersignals V ergibt.
Der Rechnerkreis 64 bestimmt also das Steuersignal V und damit den Kupplungsbetätigungsdruck
P nach der vorstehend angegebenen Gleichung unter Verwendung der dem jeweiligen
Fahrbahnzustand angepaßten Konstanten K. Damit steuert die erfindungsgemäße Steuerung
in der zweiten Ausführungsform also den Kupplungsbetätigungsdruck P und damit das
über die Vorgelegekupplung 49 übertragene Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz
# N zwischen den Vorderrädern und den Hinterrädern unter Berücksichtigung des Fahrbahnzustands
innerhalb der in Fig. 7 eingezeichneten schraffierten Bereiche.
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Bei der Fahrt des Fahrzeugs auf einer schneebedeckten oder sonstwie
einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisenden Fahrbahn wird in der zweiten
Ausführungsform der absolute Wert der Konstante K herabgesetzt, so daß die Steuerung
des Kupplungsbetätigungsdrucks P entsprechend einer der Linie A in Fig. 7 entsprechenden
Charakteristik erfolgt. Die zweite Ausführungsform der beschriebenen Steuerung ist
somit selbst bei sehr schlüpfriger Fahrbahn in der Lage, die Verteilung der Antriebskraft
so zu steuern, daß das Fahrzeug ein gutes Lenkverhalten zeigt.
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Der Fahrbahnzustandsmelder der zweiten Ausführungsform kann beispielsweise
auch ein Sensor sein, welcher auf die Betätigung des Scheibenwischers bzw. auf den
Schaltzustand
des Scheibenwischerschalters anspricht, oder auch
ein Beschleunigungssensor, welcher auf senkrechte Beschleunigungen des Fahrzeugs
anspricht.