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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit wenigstens zwei Antriebsrädern, das
einen ersten Getriebezweig und einen zweiten Getriebezweig umfasst,
wobei die Getriebezweige miteinander mittels einer Gabel verbunden
sind und ein Getriebezweig direkt mit wenigstens einer Radkontaktfläche verbindbar
ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
fundamentales Problem bei allen Fahrzeugen mit einem Antrieb zu
mehreren Radkontaktflächen
besteht darin, wie die Antriebskraft verteilt wird. Es ist gewünscht, die
Geschwindigkeit der Räder
so zu steuern, dass der Radschlupf in Längsrichtung bei allen Randkontaktflächen der
gleiche ist, da ein übermäßiger Radschlupf
an einzelnen Radkontaktflächen
hierdurch verhindert wird. Der Radschlupf ist die abgemessene Differenz
zwischen der Geschwindigkeit des Rades an der Radkontaktfläche und
der Geschwindigkeit des Bodens an der gleichen Stelle. Eine geringe
Traktionskraft an Kontaktflächen mit
geringer Reibung wird automatisch durch eine erhöhte Traktionskraft an Kontaktflächen mit
höherer Reibung
kompensiert.
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Nimmt
man ähnliche
Bodenbedingungen an, sind die verwendeten Reibungskoeffizienten
annähernd
gleich unabhängig
von der vorherrschenden vertikalen Last an jeder Radkontaktfläche. Dies
bedeutet, dass die Traktionskraft automatisch proportional zur Vertikallast
verteilt wird, wodurch ein optimaler Wirkungsgrad bei der Übertragung
von Kraft auf den Boden erreicht wird.
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Ein
einfacher Weg zur Erzeugung der gewünschten Gleichmäßigkeit
des Längsschlupfes
besteht darin, die Antriebsräder
aller Radkontaktflächen in
dem Antriebszug mechanisch zu verbinden. Wenn man um die Kurve fährt, treten
jedoch Probleme auf. In diesem Zusammenhang bewegt sich der Boden mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten an den verschiedenen Radkontaktflächen. Der
Boden unter den äußeren Rädern bewegt
sich mit einer höheren
Geschwindigkeit als die entsprechenden inneren Räder, da die äußeren Räder in der
gleichen Zeit eine größere Distanz
abdecken müssen
als die inneren Räder.
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Aus
dem gleichen Grund bewegt sich der Boden unter den Vorderrädern insgesamt
mit einer höheren
Geschwindigkeit, als unter den Hinterrädern. Bei bestimmten Sattelschleppern,
wie z. B. Ladern, ist der Antrieb zu der Vorder- und Hinterachse
mechanisch verknüpft.
Das Ziel besteht darin, das Problem unterschiedlicher Geschwindigkeiten
unter den zwei Achsen durch Anordnung des Lenkgelenks in der Mitte
zwischen der Vorder- und Hinterachse zu beseitigen, wodurch beim
Fahren mit einem konstanten Kurvenradius die gleiche Bodengeschwindigkeit unter
beiden Achsen erreicht wird. Die Drehzahlen sind aufgrund des mechanisch
verknüpften
Antriebs die gleichen. Bei einer Überhöhung des stationären Fahrzeugs,
was eine allgemeine Arbeitssituation für die Lader darstellt, werden
die zwei Achsen jedoch näher
aneinander gezogen, was bedeutet, dass der Boden unter jeder Achse
sich in entgegengesetzte Richtungen bewegt. Dies resultiert in einem
Schlupf an den Radkontaktflächen
und in Lasten an dem Antriebszug, die seine Lebensdauer reduzieren.
Es besteht offensichtlich auch das außergewöhnliche Innen-/Außenradproblem.
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Bei
der Mehrzahl der Fahrzeuge, wie z. B. Vierradantriebsautos, Lastwägen mit
4 × 4-
und 6 × 6-Antrieb
und Sattelschleppen, sind die Fahrzeugkonzepte so, dass es unmöglich ist,
das Vorder-/Hinterradachsenproblem durch eine geeignete Anordnung
des Lenkgelenks zu lindern.
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Das
Problem auch die Traktionskraft zu verteilen, wenn um die Kurve
gefahren wird, wird normalerweise dadurch gelöst, dass das Drehmoment in
einem speziellen Verhältnis
durch ein Differential verteilt wird. Die Drehzahl wird dann durch
die Geschwindigkeit des Bodens an den verschiedenen Kontaktflächen und
durch den Radschlupf gesteuert. Die Tatsache, dass der Radschlupf
nicht steuerbar ist, stellt jedoch einen gewissen Nachteil dar.
Wenn das Produkt der vertikalen Last und der Bodenreibung nicht
dem Drehmomentverhältnis
im Differential entspricht, kann der Radschlupf unkontrollierbar
ansteigen, der Radschlupf und die gesamte übertragene Traktionskraft ist
durch die schlupfende Radkontaktfläche begrenzt.
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Die
Schwierigkeit des unkontrollierten Radschlupfes wird normalerweise
durch verschiedene Maßnahmen
zum Bremsen des Radschlupfes gelindert, beispielsweise durch Verwendung
so genannter Differentialsperren. Eine Klauenkupplung, die mechanisch
das Differential sperrt, ist die älteste und immer noch vielleicht
die gewöhnlichste
angewandte Lösung.
Der Nachteil besteht darin, dass das die Geschwindigkeitsdifferenz
sich beim um die Kurve fahren als Radschlupf an den momentanen Radkontaktflächen offenbart.
Hierdurch werden große
Drehmomentlasten erzeugt, die die Lebensdauer des Antriebszuges
verkürzen,
Verluste erhöhen
und in stärkerer
Reifenabnutzung resultieren.
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Eine
andere Lösung,
durch die der Schlupf im Falle von Differentialen beschränkt werden
soll, besteht darin, die Betriebsbremse zur Erhöhung des Drehmoments an den
schlupfenden Radkontaktflächen
zu erhöhen
und hierdurch den Schlupf zu steuern. Die Differenz der Drehzahl
beim Bremsen entspricht der Fahrzeuggeschwindigkeit, was in bestimmten
Verlusten resultieren kann.
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Wenn
das Bremsmoment stattdessen innerhalb des Drehdifferentials angewendet
wird, entspricht die Drehzahldifferenz der Differenz in dem Kurvenradius,
wodurch geringere Verluste auftreten, als bei der Lösung, bei
der die Betriebsbremse verwendet wird. Beim Geradeausfahren werden
keine Verluste erlitten, da die Drehzahldifferenz Null ist. Es wurden
verschiedene Lösungen
zur Lösung
des Problems der Steuerung des Bremsdrehmoments über das Differential angenommen.
Eine gewöhnliche
Lösung
basiert auf der Tatsache, dass das Bremsdrehmoment durch Scheiben
oder Reibung in dem Getriebesystem proportional zu dem übertragenen
Antriebsdrehmoment ansteigt. Durch solche Lösungen wird ein Bremsen beim
um die Kurve fahren verursacht, auch wenn zu dieser Zeit kein Schlupf
an einer Radkontaktfläche
vorhanden ist. Dies verursacht Verluste und Abnutzungen.
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Insbesondere
bei Personenwagen mit 4WD ist es normal, dass der Hauptantrieb an
einer Achse auftritt, wobei die zweite Achse an dem Antrieb teilnimmt,
wenn eine Drehzahldifferenz zwischen den Achsen vorhanden ist. So
genannte Viskosekupplungen sind ein Beispiel dieser Lösungsart,
wobei das Drehmoment an der zweiten Achse ansteigt, wenn die Drehzahldifferenz
ansteigt. Bei einer anderen ähnliche
Lösung
baut die Drehzahldifferenz einen kumulativen Hydraulikdruck auf,
der eine Mehrfachscheibenkupplung betätigt, die Antriebsdrehmoment auf
die zweite Achse überträgt. Wenn
die Antriebsachse schlupft, wird eine Drehzahldifferenz erzeugt, die
ein Drehmoment auf die zweite Achse überträgt. Dies ist alles sehr gut,
wenn das Fahrzeug geradeaus fährt.
Beim Kurvenfahren tritt eine Drehzahldifferenz zwischen der Vorder-
und Hinterachse auf, da die Vorderachse einen größeren Weg fährt, als die Hinterachse zur
gleichen Zeit. Die Kopplung zwischen Vorder- und Hinterachse kann
nicht differenzieren, ob die Geschwindigkeitsdifferenz das Ergebnis
eines Radschlupfes oder eines Kurvenfahrens ist. Es wird deshalb
durch die Antriebskupplung eine Last zwischen der Vorder- und Hinterachse
erzeugt. Dies zeigt sich als Schlupf in entgegen gesetzte Richtungen
an den Radkontaktflächen
der zwei Achsen, wodurch Kräfte
ansteigen, Bremskräfte
an der Vorderachse und Antriebskräfte an der Hinterachse. Hierzu
addieren sich Antriebsdrehmomentkräfte, die dazu führen können, dass
die Hinterachse beim Kurvenfahren wegschlupft, wobei der Fahrer
ein solches Verhalten nicht antizipieren kann. Dies stellt augenscheinlich
ein Sicherheitsrisiko dar.
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Dies
wird durch die Reifen hervorgehoben, die bei Personenwagen heutzutage
verwendet werden und so konstruiert sind, dass sie eine hohe "Kurvensteifheit" haben, d. h. eine
hohe Aufnahme von Seitenkräften
bei einem kleinen Driftwinkel. Hierdurch ergibt sich auch eine hohe
Längskraftaufnahme
im Falle eines leichten Radschlupfes, was bedeutet, dass eine hohe
Längskraft
erhalten wird auch wenn ein moderater Radschlupf auftritt. Das Vermögen, einer
Seitenkraft zu widerstehen, fällt
jedoch schnell mit einer erhöhten
Längskraft,
so dass die Bedingungen für
ein unkontrolliertes Durchdrehen schnell erreicht werden.
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Das
Dokument
US 5 017 183 ,
welches als nächst
liegender Stand der Technik betrachtet wird, beschreibt eine Kraftübertragungsvorrichtung,
die den Differentialbetrieb zwischen zwei Getriebewellen beschränken und
auch unterstützen
kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine sichere,
einfache und robuste energie- und kosteneffektive Lösung des
oben beschriebenen Problems zu schaffen, die durch die Möglichkeit,
hohe Drehmomentlasten beim Kurvenfahren zu vermeiden, geringe Verluste
und eine lange Lebensdauer bietet.
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Dieses
Ziel wird durch ein Fahrzeug nach Anspruch 1 erreicht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Fahrzeugs
verwendet die Steuereinheit den Lenkanschlagwinkel des Fahrzeugs
als Steuerparameter.
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Gemäß einer
Variante des erfindungsgemäßen Fahrzeugs
umfasst die Steuereinheit ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad,
Planetenrädern und
einem Hohlrad, wobei das Sonnenrad mit einem Steuermotor verbunden
ist, der so konstruiert ist, dass er das Übersetzungsverhältnis des
Planetengetriebes beeinflusst.
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In
diesem Fall kann sich die Verbindung zwischen dem Hohlrad und dem
Achsdifferential koaxial durch das Sonnenrad erstrecken, wobei der
Steuermotor mit dem Sonnenrand mittels eines Zahnrades zusammenwirkt.
Zusätzlich
können
eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle koaxial oder parallel
abhängig
von der tatsächlichen
Installation angeordnet werden.
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Alternativ
kann die Steuereinheit zwischen einer Ausgangsantriebswelle, die
aus dem Achsdifferential heraustritt, und einem zweiten Achsdifferential so
eingesetzt werden, dass die Antriebswelle direkt mit den Planetenrädern des
zweiten Achsdifferentials zusammenwirkt, das direkt mit dem Hohlrad
zusammenwirkt.
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Alternativ
kann die Steuereinheit zwischen einer Antriebswelle und einem Nabenreduziergetriebe
so eingesetzt werden, dass die Antriebswelle direkt mit dem Hohlrad
der Steuereinheit zusammenwirkt und die Planetenräder der
Steuereinheit direkt mit dem Sonnenrad des Nabenreduziergetriebes
zusammenwirken. Die Steuereinheit und das Nabenreduziergetriebe
können
deshalb gemeinsam in einen Aufhängungsarm
eingesetzt werden, der koaxial zur Antriebswelle angelenkt ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist das Fahrzeug ein Sattelschlepper, wie z. B. ein
Kipper.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand in den beigefügten Zeichnungen gezeigten
Ausführungsformen
näher beschrieben,
in denen
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1 eine
Draufsicht auf einen Sattelschlepper gemäß dem Stand der Technik zeigt,
bei dem beim Kurvenfahren der Teil des Fahrzeugs, der den Motor
trägt bezüglich des
Last tragenden Teils verschwenkt wird,
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2 zeigt
ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung,
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3 zeigt
ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung in einer
ersten Anwendung, die einen Teil eines Getriebes für ein Geländefahrzeug
bildet,
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4 zeigt
ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung in einer
zweiten Anwendung, die einen Teil eines Getriebes für ein Geländefahrzeug
bildet,
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5 zeigt
ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung in einer
dritten Anwendung, die einen Teil eines Getriebes für ein Geländefahrzeug
bildet, und
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6 zeigt
ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung in einer
vierten Anwendung, die einen Teil eines Getriebes für ein Geländefahrzeug
bildet.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
eine Draufsicht auf einen Sattelschlepper 10, einen so
genannten Kipper, der auf bekannte Weise einen vorderen Fahrzeugteil 11,
der den Motor trägt,
und einen hinteren Fahrzeugteil 12 aufweist, der die Last
trägt.
Die zwei Fahrzeugteile sind durch eine vertikale Gelenkwelle 13 miteinander verbunden.
Der lasttragende Fahrzeugteil ist mit einem Kipp lastkörper 14 versehen,
der durch hydraulische Zylinder 15 angehoben/gekippt werden
kann. Die Fahrzeugteile 11, 12 sind außerdem auf
bekannte Weise so verbunden, dass sie um eine horizontale Gelenkwelle
(nicht gezeigt) schwenken können,
so dass die Fahrzeugteile bezüglich
zueinander um die Längsachse
des Fahrzeugs gedreht werden können. Auf
beiden Seiten der Gelenkwelle 4 angeordnete hydraulische
Zylinder (nicht gezeigt) werden zum Lenken des Fahrzeugs während einer
Kurvenfahrt verwendet, wobei der vordere Teil des Fahrzeugs um die vertikale
Gelenkwelle 13 abgewinkelt wird.
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Gemäß dem Stand
der Technik wird das von dem Fahrzeugmotor gelieferte Drehmoment
auf die an dem lasttragenden Teil 12 angeordnete erste
Radachse 16 durch ein mechanisches Getriebe übertragen,
das eine erste Kardanwelle umfasst, die das Fahrzeuggetriebe mit
dem Differential der Radachse 16 verbindet. Eine zweite
Kardanwelle ist zwischen der ersten Radachse und einer weiteren,
an dem lasttragenden Teil des Fahrzeugs 12 angeordneten Radachse 17 angeordnet,
um das Antriebsmoment zu übertragen,
das von dem Motor geliefert wird. Jede der Radachsen 16, 17 ist
mit Rädern 16a, 16b, 17a, 17b versehen.
Der motortragende Teil 11 des Fahrzeugs ist mit einer Radachse 18 versehen,
die Räder 18a, 18b aufweist.
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Da
der Abstand zwischen jeder Fahrzeugachse 16, 17 und 18 und
der vertikalen Welle 13 stark variiert, folgen die Radachsen
im Wesentlichen unterschiedlichen Wenderadii beim Kurvenfahren. Deshalb
folgen die Radachsen 16, 17 an dem lasttragenden
Teil des Fahrzeugs dem Wenderadius R1, während die Radachse 18 an
dem motortragenden Teil des Fahrzeugs dem Wenderadius R2 folgt.
Aufgrund der Tatsache, dass der Wenderadius R2 wesentlich größer ist,
als der Wenderadius R1, müssen die
Räder 18a, 18b einen
deutlich längeren
Weg abdecken, als die Räder
an dem lasttragenden Teil des Fahrzeugs. Um zu verhindern, dass
diese Differenzen die Drehmomentlast in der Kraftübertragung
von dem Motor zu den einzelnen Rädern
erhöhen,
besteht ein Bedarf an einer individuellen Einstellung der Drehzahl
an jeder Radachse.
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2 zeigt
eine Getriebeanordnung zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, die eine Steuereinheit 19 umfasst, die mit
einem Motor mittels einer Eingangswelle 20 verbunden werden
kann und mit einer Antriebswelle durch eine Ausgangswelle 21 verbunden ist.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform
umfasst die Steuereinheit 19 ein Planetengetriebe 22 mit einem
Sonnenrad 23, einem Planetenträger (nicht gezeigt) mit einer
Anzahl von Planetenrädern 24 und ein
Hohlrad 25. Das Sonnenrad 23 ist mittels eines Zahnrades 26 mit
einem Steuermotor 27 verbunden. Der Steuermotor 27 läuft normalerweise
leer, wobei ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen
der Eingangswelle 20, die bei dieser beispielhaften Ausführungsform
mit dem Planetenträger 24a verbunden ist,
und der Ausgangswelle 21 erreicht wird, die bei dieser
beispielhaften Ausführungsform
mit dem Hohlrad 25 verbunden ist. Wenn der Steuermotor 27 das Sonnenrad 23 zu
drehen beginnt, wird das Übersetzungsverhältnis verändert, so
dass das Hohlrad mit einer fortlaufend veränderbaren Drehzahl schneller dreht,
die sich als Funktion der Drehzahl des Steuermotors verändert. Es
sind auch andere Varianten des oben beschriebenen Planetengetriebes
möglich.
Der Steuermotor 27 kann ein kontinuierlich variables Getriebe
umfassen.
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Der
Steuermotor 27 kann mit dem Planetengetriebe mittels eines
Elements verbunden werden, das einen stark differierenden Wirkungsgrad
zwischen den zwei Antriebsrichtungen aufweist. Beispielsweise kann
dieses Element als Schnecken- oder Hypoidrad mit dem Steuermotor
zusammengebaut werden.
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Andere
Varianten von Planetengetrieben oder einem konventionellen, mechanischen
fortlaufend veränderbaren
Getriebe können
Alternativen zu dem Planetengetriebe 22 sein, das bei der
Steuereinheit gemäß 2 verwendet
wird.
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3 zeigt
eine Variante der Getriebeanordnung, bei der die Steuereinheit 19 zwischen
einer Antriebswelle 28, die sich zwischen einem Motor 29 und einem
Differentialgehäuse,
das in dem lasttragenden Teil 12 des Fahrzeugs angeordnet
ist und mit beiden Radachsen 16, 17 verbunden
ist, und einer Antriebswelle 30 erstreckt, die mit einem
Differentialgehäuse verbunden
ist, das in dem motortragenden Teil 11 des Fahrzeugs angeordnet
und mit der Radachse 18 verbunden ist. Hier wird die Steuereinheit 19 zur
Drehzahleinstellung der Radachse 18 beispielsweise beim
Kurvenfahren verwendet.
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4 zeigt
eine andere Variante der Getriebeanordnung, bei der die Steuereinheit 19 zwischen der
Antriebswelle 28 und der Antriebswelle 30 auf eine
Weise angeordnet ist, die der vorherigen beispielhaften Ausführungsform
entspricht. Ein Unterschied besteht darin, dass das Hohlrad 25 mit
der Antriebswelle 30 durch eine Welle verbunden ist, die sich
konzentrisch durch das Sonnenrad 23 erstreckt. Diese Variante
der Erfindung bietet eine kompaktere Installation als die vorhergehende
beispielhafte Ausführungsform.
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5 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug,
bei dem die Radachse 18 mit zwei Steuereinheiten 19 ausgestattet
ist, eine für
jedes Vorderrad. In diesem Fall wird das Antriebsdrehmoment durch
die Antriebswelle 30 und ein Winkelgetriebe 31 auf
die Radachse 18 geführt,
die mit dem Hohlrad 25 konzentrisch durch das Sonnenrad 23 verbunden
ist. Der Planetenträger 24a ist
seinerseits mit dem Rad 18b durch ein herkömmliches
Nabenredu ziergetriebe 32 verbunden. In diesem Fall kann
die Drehzahl beider Räder
auf der Radachse 18 individuell und fortlaufend variiert
werden, was bedeutet, dass kein konventionelles Zwischenachsdifferential und
Achsdifferential erforderlich ist.
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6 zeigt
eine Variante der vorhergehenden beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Radachse 18 mit zwei Steuereinheiten 19 versehen
ist, eine für
jedes Vorderrad, von denen nur eine Steuereinheit in 6 gezeigt
ist. In diesem Fall kann jede Steuereinheit in einem Aufhängungsarm 33 angeordnet
werden, der konzentrisch auf einer Seite des Fahrzeugrahmens bezüglich der
Radachse 18 gelagert ist. Diese Lösung ergibt eine große Einbaufreiheit
in dem Fahrzeug, beispielsweise bei der Anordnung des Antriebssystems.
Außerdem
kann die Getriebeeinheit jedes Vorderrades so hergestellt werden,
dass sie für
Servicearbeiten schnell zugänglich
ist.
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Die
Steuereinheit 19 ist entsprechend so konstruiert, dass
sie bei der gewöhnlichsten
Anwendung für
das Fahrzeug, beispielsweise beim Geradeausfahren, mit minimalem
Leistungsverlust funktioniert. Durch Erfassung des Lenkanschlagwinkels
des Lenkungssystems kann die Geschwindigkeit jedes Rades an Kurvenfahrterfordernisse
eingestellt werden. Die Steuereinheit kann während des Kurvenfahrens aktiv
antreiben/bremsen, um den Lenkradius des Fahrzeugs zu reduzieren.
Das Antriebs-/Brems-Drehmoment des Fahrzeugs kann außerdem an
jedem Gestellrad reduziert werden, um die Gefahr des Durchrutschens
zu reduzieren. Im Vergleich mit herkömmlichen Traktionssteuersystemen
kann die erfindungsgemäße Anordnung
das Antriebsdrehmoment effektiver steuern, da das Antriebsmoment
von einem schlupfenden Rad (verringert) auf ein nicht schlupfendes
Rad (erhöht)
verlagert werden kann. Die Erfindung macht es außerdem möglich, bei Berücksichtigung
der Lastbedingungen die Antriebsdrehmomentverteilungen in einem
Fahrzeug leicht einzustellen. Beispielsweise kann die Antriebskraft
zwischen den Achsen abhängig
davon, ob das Fahrzeug belastet ist oder nicht, unterschiedlich verteilt
werden.
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Die
Erfindung ist nicht so zu betrachten, dass sie auf die oben beschriebenen
beispielhaften Ausführungsformen
beschränkt
ist, es sind eine Anzahl von weiteren Varianten und Modifikationen
möglich, ohne
von dem Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen. Die Erfindung
kann an einer Vielzahl von Stellen in einem Fahrzeug verwendet werden,
beispielsweise als Ersatz für
verschiedene Differentiale, oder in Kraftübertragungen zwischen einem Zugfahrzeug
oder einem angetriebenen Auto oder Anhänger.