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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell Verteilergetriebe mit zwei
Gängen
(Hoch-Niedrig), genauer gesagt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Vorsehen von synchronisierten Schaltvorgängen zwischen einem niedrigen
Gang und einem hohen Gang in einem digital gesteuerten Verteilergetriebe
mit zwei Gängen
in einem Motorfahrzeug, bei dem ein digitales Steuerbereichsnetzwerk(CAN)-Datenbussystem
Verwendung findet.
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Verteilergetriebe
finden in Fahrzeugen mit Vollzeit- und Teilzeit-Vierradantrieb Verwendung,
um die über
eine Eingangswelle vom Fahrzeuggetriebe empfangene Antriebsenergie
auf ein Paar von Ausgangsantriebswellen zu verteilen. Eine der Antriebswellen
treibt die Vorderräder
des Fahrzeuges an, während
die andere Antriebswelle die Hinterräder des Fahrzeuges antreibt.
In Fahrzeugen, die ein Umschalten zwischen einem Zweiradantriebsmodus
und einem Vierradantriebsmodus ermöglichen, sorgt die Eingangswelle
des Verteilergetriebes für
eine kontinuierliche Antriebskraft für eine ihrer Ausgangswellen
und beaufschlagt die andere Ausgangswelle auf selektive weise mit
Antriebsenergie über
irgendeinen Typ einer ausrückbaren
oder in sonstiger Weise einstellba ren Kupplung, wie einer Viskokupplung,
einer elektromagnetischen Kupplung oder einem positionierbaren Stirnradgetriebe.
Manchmal sind auch andere Antriebsmodi vorgesehen, einschließlich einem Hoch-Vierradantrieb
(4H) für
höhere
Vierradantriebsgeschwindigkeiten, einem Niedrig-Vierradantrieb (4L)
für niedrigere
Vierradantriebsgeschwindigkeiten, Neutral zum Trennen des Getriebes
von der Vorderachse und der Hinterachse, um ein Abschleppen des Fahrzeuges
zu ermöglichen,
und einem blockierten Vierradantrieb zum Regeln des Radschlupfes.
In der Vergangenheit wurden Verteilergetriebe so ausgebildet, dass
das Fahrzeug vor dem Umschalten zwischen einem niedrigen und einem
hohen Gang abgestoppt werden musste. Diese Notwendigkeit resultierte
typischerweise aus dem Fehlen irgendeiner Synchronisationseinrichtung
im Verteilergetriebe, um diesen Schaltvorgang zu erleichtern. In
diesen Fällen wurde
eine einstellbare Kupplung verwendet, um unter Verwendung einer
mechanischen Schaltbetätigungseinheit
manuell zwischen den Antriebsmodi zu schalten.
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Eine
Synchronisation der Eingangswelle und Ausgangswelle des Verteilergetriebes
vor dem Schalten zwischen einem niedrigen und einem hohen Gang und
in einen Vierradantrieb oder aus diesem heraus erleichtert die Schaltvorgänge, während sich
das Fahrzeug bewegt. Dieser Operationsmodus wurde als „fliegender
Schaltvorgang" bezeichnet. Zahlreiche
Synchronisationsvorrichtungen sind im Stand der Technik vorgeschlagen
worden. Beispielsweise ist es bekannt, eine Kupplung zu verwenden, die
Drehmoment entweder direkt zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle
(hohe Geschwindigkeit) oder zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle über einen
Planetenreduktionsgetriebesatz übertragen
kann. Kupplungen dieses Typs können
so federvorgespannt sein, dass der Schaltvorgang nicht vollständig beendet
ist, bis die Relativgeschwindigkeiten der sich drehenden Elemente,
die miteinander gekoppelt werden sollen, ein bestimmtes Synchronisationsniveau
erreicht haben. Einige Synchronisationsvorrichtungen des Standes
der Technik besitzen jedoch den Nachteil, dass sie komplex ausgebildet
sind und zusätzliche
Kosten für
das Verteilergetriebe verursachen. Andere haben den Nachteil, dass
sie vor dem Schaltereignis keine angemessene Synchronisation erzielen,
was zu einem Rutschen und/oder nichtakzeptablen Geräuschen führt.
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Mechanische
Schaltbetätigungseinheiten haben
zu elektronisch gesteuerten Schaltbetätigungseinheiten geführt, insbesondere
für Sehaltbetätigungseinheiten,
die über
eine Rotationsquelle, wie beispielsweise einen Elektromotor, betätigt werden
können.
Die US-PS 4 664 217 beschreibt eine derartige elektrische Schaltbetätigungseinheit.
Genauer gesagt lehrt diese Veröffentlichung
die Verwendung eines reversiblen Gleichstrommotors, um eine mit
Nocken versehene Schaltbetätigungseinheit zu
drehen und wahlweise den Antriebsmodus im Verteilergetriebe zwischen
einer neutralen Position, einem Zweiradantriebsmodus und einem Niedrig-
und Hochgeschwindigkeitsvierradantriebsmodus zu schalten. Die Auswahl
eines gewünschten
Antriebsmodus wird durch Betätigung
des Motors unter der Steuerung einer Steuerschaltung auf Mikroprozessorbasis
erreicht. Der Mikroprozessor gibt einen Befehl an eine Motorantriebsschaltung
ab, den Motor zu aktivieren, so dass sich dieser entweder im Uhrzeigersinn
oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, um den gewünschten Antriebsmodus zu erreichen.
Obwohl diese Art von elektronischer Schaltsteuerung eine Verbesserung
im Stand der Technik darstellte, blieb das Problem einer effektiven
und effizienten Synchronisation der Drehung der zu koppelnden Elemente
während
irgendeines vorgegebenen Schaltvorganges.
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Die
US-PS 5 771 477 schlug eine Lösung
für dieses
Problem vor. Genauer gesagt, diese Veröffentlichung beschreibt ein
gattungsgemäßes Verfahren
und eine gattungsgemäße Vorrichtung
zum Synchronisieren von Schaltvorgängen bei Verteilergetrieben
von NIEDRIG auf HOCH unter Verwendung von Sensoren zum Abtasten
der Drehzahl der Eingangswelle und der Ausgangswelle des Verteilergetriebes. Ein
Mikroprozessor findet Verwendung, um die Änderung der Drehzahl über die
Zeit der Eingangswelle und der Ausgangswelle zu messen und eine
Vorhersage darüber
zu machen, wann die Relativdrehzahlen der Wellen gleich sein werden.
Der Mikroprozessor gibt dann einen Befehl für die Betätigung einer Schaltbetätigungseinheit
zu einem vorgegebenen Zeitpunkt vor dem Synchronisieren der Wellen
ab, so dass der Schaltvorgang durchgeführt wird, wenn die Drehzahlen
der Eingangswelle und Ausgangswelle im wesentlichen gleich sind.
Obwohl dieses Verfahren und diese Vorrichtung eine Verbesserung
gegenüber
dem Stand der Technik darstellten, bleibt immer noch die Notwendigkeit
einer größeren Steuerung und
einer genaueren Synchronisation vor dem Umschalten zwischen einer
niedrigen und einer hohen Geschwindigkeit in einem Verteilergetriebe.
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Mit
der Entwicklung der Verteilergetriebe hat sich auch die Komplexität der Fahrzeuge,
in denen Verteilergetriebe ver wendet werden, vergrößert, was zu
weiteren Unzulänglichkeiten
bei den gegenwärtig vorhandenen
Konstruktionen von Verteilergetrieben führt. Eine Art und Weise, in
der sich die Fahrzeugkomplexität
erhöht
hat, ist der erkennbare Trend in Richtung auf integrierte Fahrzeugsysteme
und Steuerungen bzw. Regelungen. Dies hat zu einer Zunahme der Erfindungen
bei computergesteuerten Fahrzeugsystemen geführt, wobei sich jedes aufeinanderfolgende
Modelljahr näher
an eine vollständige Computer-
und elektronische Steuerung bzw. Regelung des Fahrzeuges bewegt.
Die Unzulänglichkeiten bei
den gegenwärtigen
Konstruktionen von Verteilergetrieben sind deutlich geworden, als
der Fortschritt in Richtung auf ein komplettes Fahrzeugsystem und die
Integration von Untersystemen seinen Weg zu Vierradantriebsfahrzeugplattformen
gefunden hat. Zusätzlich
zur Notwendigkeit des Erreichens eines verbesserten synchronisierten
Schaltens aus Gründen
der Wirtschaftlichkeit und Effizienz müssen Verteilergetriebe auch
in die Gesamtfahrzeugsystemsteuerung bzw. -regelung aufgenommen
werden.
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Bei
der Bewegung in Richtung auf eine totale elektronische Steuerung
bzw. Regelung von Fahrzeugsystemen müssen die Hersteller mit der
expandierenden Komplexität
in sämtlichen
Systemen von Automobilen und Untersystemen fertig werden. Da die
Fahrzeugsysteme selbst komplexer und miteinander verknüpfter geworden
sind, ist die Zahl der einzelnen Verdrahtungsverbindungen von Punkt
zu Punkt zwischen Systemen, Steuereinheiten und Sensoren dramatisch
angestiegen. Dies hat zu größeren, schwereren
und aufwendigeren Kabelbäumen
geführt,
die für
variierende Spannungen und Ströme
geeignet sein müssen,
schwierig in der Herstellung und Installation sind und gegenüber mechanischen
Belastungen und Umweltbeanspruchungen empfänglich sind. Darüber hinaus
tragen die größeren und weiterentwickelten
Kabelbäume
zu den Herstell- und Wartungskosten
des Fahrzeuges bei. Angesichts dieses Problems haben Fahrzeughersteller
begonnen, die getrennte Verdrahtung durch gemeinsame digitale Schnittstellen
oder Datenbusnetzwerke zu ersetzen. Diese Art einer digitalen Systemschnittstelle
ist als Netzwerk für
einen kleinen Bereich (SAN) bekannt.
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In
der Praxis handelt es sich bei diesen SANs um einfache digitale
Verdrahtungssysteme, die auch als digitaler Datenbus bekannt sind, ähnlich wie bei
Computernetzwerksystemen. Dieses SAN wird durch das Fahrzeug geführt und
ersetzt einen großen Teil
der teuren und aufwendigen Einzelverdrahtung von Punkt zu Punkt.
Ein spezieller Typ des SAN, der in Automobilen Verwendung findet,
ist das Steuerbereichsnetzwerk(CAN)-System. Dieses CAN-System ist
eine bewährte,
vorher vorhandene internationale SAN-Norm, die von einigen Fahrzeugherstellern übernommen
wurde. Es handelt sich hierbei um ein ohne weiteres zur Verfügung stehendes
System, bei dem ein Minimum an zusätzlichen Komponenten im Fahrzeug
Verwendung findet. Das CAN-System verbindet auf elektronische Weise
sämtliche
Netzwerkelemente über
ein einfaches Kabel aus zwei verdrillten Drähten und sorgt für eine serielle
digitale Datenübertragung
mit hoher Geschwindigkeit zwischen sämtlichen Elementen im System.
Die Netzwerkelemente bestehen aus den verschiedenartigen Fahrzeugsystemen
und Untersystemen oder in vielen Fällen aus ihren elektronischen
Steuer- bzw. Regeleinheiten.
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Im
Betrieb kann es sich bei einem der CAN-System-Elemente um einen
Bordcomputer oder Mikroprozessor handeln, der als Fahrzeugmanagementsystem
dient, das für
die Gesamtsteuerung bzw. -regelung des Fahrzeuges verantwortlich
ist. Dieses Managementsystem des Fahrzeuges steht mit den diversen
Systemsteuereinheiten (Motor, Kraftstoffsteuerung, Bremsen, Aufhängung, Klimasteuerung
etc.) über
das CAN-System in Verbindung, wobei einzelne Eingabesignale und
Feedback-Signale
vom Fahrzeuglenker und von diversen Sensoren am Fahrzeug abgeleitet
werden. Das CAN-System kann auch mit einem zentralisierten Mikroprozessor
versehen sein, der eine direkte Schnittstelle zwischen sämtlichen
Systemsteuereinheiten über das
digitale Datenbuskabel ermöglicht.
Das CAN-System bietet eine genaue digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstelle
zwischen sämtlichen
Systemen und Untersystemen des Fahrzeuges. Da des weiteren die Fahrzeugsysteme
miteinander verbunden sind, steht eine konstante systemweite Überwachung
für eine
detaillierte Wartung und das Sammeln von Problemdaten zur Verfügung.
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Auf
diese weise wird durch das CAN-System die Effizienz und Kosteneffektivität der Planung,
Herstellung und Funktionsweise eines Fahrzeuges stark verbessert.
Dies stellt jedoch einen momentanen Nachteil von gegenwärtigen Verteilergetriebekonstruktionen
heraus, die nicht angepasst worden sind, um mit einem digitalen
Datenbussystem, wie dem CAN-System,
zu arbeiten. Momentane Verteilergetriebekonstruktionen haben nicht
die Fähigkeit,
mit einem CAN-System zu funktionieren, so dass ein momentan erhältliches
Verteilergetriebe gegenüber
dem Rest der computergesteuerten und überwachten Fahrzeugsysteme
isoliert ist. Da diese Vertei lergetriebe keine elektronische Steuerung
und keine digitale Schnittfläche
mit den anderen Fahrzeugsystemen besitzen, sind sie nicht in der
Lage, ein genau koordiniertes und synchronisiertes Schalten von NIEDRIG
auf HOCH zu ermöglichen,
das gewünscht wird.
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Im
Hinblick auf die Nachteile der Verteilergetriebe des Standes der
Technik, die für
auf herkömmliche
weise verdrahtete Fahrzeuge ausgebildet sind, nicht an ein digitales
Datensystem, wie das CAN-System, angeschlossen werden können und nur
begrenzte Synchronisationsverfahren aufweisen, besteht daher ein
Bedarf nach einem Verteilergetriebe, das digital gesteuert werden
kann, und nach einem Verfahren zur Durchführung eines vollständig synchronisierten
Schaltvorganges eines digital gesteuerten Verteilergetriebes in
einem Fahrzeug, in dem ein digitales Datennetzwerksystem (CAN) Verwendung
findet.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Nachteile von herkömmlichen
Verteilergetrieben, indem sie ein Verteilergetriebe vorsieht, das
digital gesteuert werden kann, synchronisierte Schaltvorgänge von
NIEDRIG auf HOCH liefert und in ein Fahrzeug mit einem Steuerbereichsnetzwerk(CAN)-System integriert
werden kann. Genauer gesagt, das Verteilergetriebe besitzt eine
Eingangswelle, eine Ausgangswelle und ein Reduktionsgetriebe, das wahlweise
betätigbar
ist, um Drehmoment zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle
bei reduzierten Drehzahlen zu übertragen.
Eine Kupplung kann Drehmoment zwischen der Eingangswelle und der
Ausgangswelle entweder direkt oder über das Reduktionsgetriebe übertragen.
Eine Betätigungseinheit
mit einem rotie renden Ausgangselement steht mit der Kupplung in
Verbindung, um die Kupplung zwischen vorgegebenen Positionen zu
bewegen. Eine Steuer- bzw. Regeleinheit findet in Verbindung mit
dem Verteilergetriebe Verwendung, um das Verfahren zum Synchronisieren
des Schaltens von NIEDRIG auf HOCH im Verteilergetriebe durchzuführen. Hierbei
bewegt die Steuer- bzw.
Regeleinheit die Kupplung aus einem Eingriff mit dem Reduktionsgetriebe
in eine neutrale Position. Die Steuer- bzw. Regeleinheit tastet die Geschwindigkeit
der Betätigungseinheit
ab, wenn diese die Kupplung in die neutrale Position bewegt. Sie
ermittelt ferner die Zeit, bis zu der die Kupplung einen vorgegebenen
neutralen Synchronisationspunkt erreicht, unter Verwendung der abgetasteten
Geschwindigkeit der Betätigungseinheit
und der verbleibenden bekannten Drehdistanz, über die sich die Betätigungseinheit
für die Kupplung
bewegen muss, damit der vorgegebene neutrale Synchronisationspunkt
erreicht wird. Die Steuer- bzw. Regeleinheit kann ferner die Betätigungseinheit
stoppen, wenn die Kupplung den neutralen Synchronisationspunkt erreicht
hat. Sie tastet dann die Drehzahlen der Eingangswelle und Ausgangswelle
ab und vergleicht diese und gibt an die Betätigungseinheit das Signal ab,
den Schaltvorgang vom neutralen Synchronisationspunkt bis auf HOCH durch
Bewegung der Kupplung zu beenden, um eine direkte Drehmomentübertragung
zwischen der Eingangswelle und Ausgangswelle vorzusehen, wenn die
Differenz zwischen den Drehzahlen der Eingangswelle und Ausgangswelle
geringer ist als ein vorgegebener Wert. Die Steuer- bzw. Regeleinheit besitzt
ferner eine Schnittstelle für
digitale Daten, um die Übertragung
von digitalen Daten zwischen der Steuer- bzw. Regeleinheit und anderen
Fahrzeugsystemen über
das CAN-System zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Erreichen einer
Synchronisation von Schaltvorgängen
von NIEDRIG auf HOCH in einem Verteilergetriebe, das in einem Fahrzeug,
bei dem das CAN-System Verwendung findet, digital gesteuert bzw.
geregelt wird, wobei ein hohes Steuer- bzw. Regelniveau und eine
genaue Synchronisation während
des Schaltens zwischen niedrigen und hohen Geschwindigkeiten ermöglicht wird.
Diese Ziele werden mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auf
effiziente, kosteneffektive und relativ einfache Weise erreicht.
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Die
vorliegende Erfindung sieht des weiteren ein Verteilergetriebe mit
synchronisierter Schaltung von NIEDRIG auf HOCH vor, das in einem
Kraftfahrzeug mit einem Steuerbereichsnetzwerk Verwendung findet,
welches digitale Datensignale über
einen digitalen Datenbus leitet, wobei das Verteilergetriebe umfasst:
eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle und ein Getriebe, das wahlweise
betätigbar
ist, um Drehmoment zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle
bei reduzierten Drehzahlen zu übertragen,
eine Kupplung, die Drehmoment zwischen der Eingangswelle und der
Ausgangswelle entweder direkt oder über das Getriebe übertragen kann,
eine Betätigungseinheit
mit einem Ausgangsdrehelement, das mit der Kupplung in Verbindung steht,
um die Kupplung zwischen vorgegebenen Positionen zu bewegen, und
eine Steuer- bzw. Regeleinheit, die die Geschwindigkeit der Betätigungseinheit
berechnet, wenn diese die Kupplung in eine neutrale Position bewegt,
und die ferner die zu sätzliche Zeit,
bis die Kupplung einen vorgegebenen Synchronisationspunkt erreicht,
unter Verwendung der Geschwindigkeit der Betätigungseinheit und der verbleibenden
Drehdistanz, über
die sich die Betätigungseinheit
für die
Kupplung bewegen muss, damit der vorgegebene neutrale Synchronisationspunkt
erreicht wird, ermittelt, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit ferner in der Lage
ist, die Betätigungseinheit zu
stoppen, wenn die Kupplung den neutralen Synchronisationspunkt erreicht
hat, über
nicht mehr als eine vorgegebene Zeit, und die Steuer- bzw. Regeleinheit
ferner die Drehzahlen der Eingangswelle und Ausgangswelle abtastet
und vergleicht sowie der Betätigungseinheit
signalisiert, den Schaltvorgang von NIEDRIG auf HOCH zu beenden,
indem die Kupplung bewegt wird, um eine direkte Drehmomentübertragung
zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle zu bewirken, wenn
die Differenz in den Drehzahlen zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle
geringer ist als ein vorgegebener Wert, und wobei das Steuerbereichsnetzwerk
eine Schnittstelle für
digitale Daten aufweist, um die Übertragung
von digitalen Daten zwischen der Steuer- bzw. Regeleinheit und anderen
Fahrzeugsystemen zu ermöglichen.
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Andere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
besser verständlich.
Hiervon zeigen.
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1 eine
schematische Ansicht eines Fahrzeugantriebszuges und von zugehörigen Komponenten
eines Synchronschaltsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
vollständige
Seitenschnittansicht eines Verteilergetriebes für zwei Geschwindigkeiten gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
Abwicklungsdarstellung der lastübertragenden
Kugeln und Rampe der Modulationskupplung des Verteilergetriebes
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
vergrößerte Teilschnittseitenansicht
der elektromagnetischen Kupplungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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5a und 5b ein
Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Synchronisieren von Schaltvorgängen von
NIEDRIG auf HOCH in einem Verteilergetriebe in einem Fahrzeug mit
einem digitalen CAN-Datenbussystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung wiedergibt.
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Ein
Fahrzeug mit einem Vierradantriebssystem und einem Verteilergetriebe
für zwei
Geschwindigkeiten, bei dem die vorliegende Erfindung Verwendung
findet, ist schematisch in 1 dargestellt und
generell mit 10 bezeichnet. Dieses Fahrzeug 10 besitzt
ein Paar von Vorderachsen (Sekundärachsen) 12, die mittig
mit einem vorderen (sekundären) Differential 14 in
Verbindung stehen. Die äußeren Enden
der Vorderachsen (Sekundärachsen) 12 können mit
einem entsprechenden Paar von Verriegelungsnaben 16 verbunden
sein. Die Ver riegelungsnaben 16 sind vorzugsweise unterdruckbetätigt und
stehen in Strömungsmittelverbindung
mit einer gesteuerten Unterdruckquelle (nicht gezeigt) über zugehörige Unterdruckleitungen
(ebenfalls nicht gezeigt). Wenn ein Unterdruck in den Unterdruckleitungen
vorhanden ist, verriegeln die Naben 16 die Vorderachsen
(Sekundärachsen) 12 mit
einem entsprechenden Paar von vorderen (sekundären) Rad/Reifeneinheiten 22 und
koppeln dieselben. Es versteht sich, dass bei der vorliegenden Erfindung
entweder elektrisch oder mechanisch betätigte Verriegelungsnaben 16 verwendet werden
können.
Als eine erste Alternative können Vorderachsen
(Sekundärachsen) 12 mit
einer Vorderachsen(Sekundärachsen)-trennung (nicht gezeigt),
die im vorderen (sekundären)
Differential 14 angeordnet ist, verwendet werden. Ferner
können die
Vorderachsen (Sekundärachsen) 12 auch
permanent mit beiden vorderen Rad/Reifeneinheiten 22 und
dem vorderen Differential 14 gekoppelt sein und über dessen
Eingang angetrieben werden. Das vordere Differential 14 wird
von einer vorderen (sekundären)
Antriebswelle 24 angetrieben, die wiederum von der vorderen
(sekundären)
Ausgangswelle 26 eines Verteilergetriebes angetrieben wird,
das generell mit 28 bezeichnet ist.
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Das
Fahrzeug 10 besitzt ferner ein Paar von zueinander ausgerichteten
Hinterachsen (Primärachsen) 32.
Die äußeren Enden
der Achsen 32 sind mit hinteren (primären) Rad/Reifeneinheiten 34 gekoppelt,
während
ihre gegenüberliegenden
Enden mit einem hinteren (primären)
Differential 36 in Verbindung stehen und hiervon angetrieben
werden. Das hintere Differential 36 wird wiederum von einer
hinteren (primären)
Antriebswelle 38 angetrieben, die von einer hinteren (pri mären) Ausgangswelle 40 des
Verteilergetriebes 28 angetrieben wird. Die verschiedenen vorstehend
erwähnten
Wellen sind über
eine Vielzahl von Universalgelenken verbunden, falls erforderlich, wie
dies bei den Antriebszügen
von herkömmlichen Fahrzeugen
der Fall ist. Eine primäre
Bewegungseinheit, wie eine Brennkraftmaschine 42, treibt
ein herkömmliches
Getriebe 44 an, bei dem es sich entweder um ein manuell
schaltbares Getriebe mit einer Kupplung oder um ein automatisches
Getriebe handeln kann.
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Die
vorstehend erwähnten
Begriffe „primär" und „sekundär" beziehen sich auf
Antriebslinien in einem Fahrzeug 10, die primär und sekundär dazu dienen,
das Fahrzeug 10 anzutreiben. In der nachfolgenden Beschreibung
wird ein System erläutert,
bei dem die hintere Antriebswelle 38 das gesamte Antriebsdrehmoment
auf die Hinterräder 34 im
Zweiradantriebsmodus überträgt und einen
Teil des Drehmomentes im Vierradantriebsmodus abgibt. Daher kann bei
dem Fahrzeug 10 die hintere Antriebswelle 38 allgemeiner
als primäre
Antriebswelle 38 bezeichnet werden, wobei diese Welle 38 und
die zugehörigen Komponenten,
die Achsen 32, die hinteren Rad/Reifeneinheiten 34 und
das hintere Differential 36 die primäre Antriebslinie bilden. Demgegenüber ist
die vordere Antriebswelle 24 im Zweiradantriebsmodus ausgerückt, überträgt jedoch
Drehmoment im Vierradantriebsmodus. Somit kann die vordere Antriebswelle 24 allgemeiner
als sekundäre
Antriebswelle 24 bezeichnet werden, wobei diese Welle 24 und
die zugehörigen
Komponenten, Vorderachsen 12, das vordere Differential 14,
die Verriegelungsnaben 16 und die vorderen Rad/Reifeneinheiten 22 die
sekundäre
Antriebslinie bilden.
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Es
versteht sich, dass die hier beschriebenen Antriebslinienkomponenten
des Fahrzeuges 10 vollständig geeignet sind zur Verwendung
mit Fahrzeugantriebssystemen mit herkömmlich ausgebildetem Vorderradantrieb,
wobei die vordere Antriebswelle 24 und die zugehörigen Komponenten
die primäre
Antriebslinie und die hintere Antriebswelle 38 mit zugehörigen Komponenten
die sekundäre
Antriebslinie bilden.
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In
Verbindung mit 2 wird das Verteilergetriebe 28 der
vorliegenden Erfindung nunmehr in größeren Einzelheiten erläutert. Dieses
Verteilergetriebe 28 besitzt ein generell mit 30 bezeichnetes
Gehäuse, das
vorzugsweise aus Metall in zwei passende Abschnitte gegossen ist
und Öffnungen,
Sacklöcher,
Lager, Lageraufnahmeflächen
und andere Merkmale aufweist, die speziell vorgesehen sind, um die
Komponenten des Verteilergetriebes 28 aufzunehmen. Genauer
gesagt besitzt das Verteilergetriebe 28 ein generell mit 48 bezeichnetes
Planetengetriebe, das von einer Eingangswelle 50 angetrieben
wird, die drehbar im Verteilergetriebe 28 angeordnet ist.
Die Eingangswelle 50 wird vom Ausgangselement des Getriebes 44 angetrieben
und steht damit in Verbindung. Die Eingangswelle 50 besitzt
eine Eintrittsbohrung 52, die eine Rollenlagereinheit 54 aufnimmt.
Die Rollenlagereinheit 54 nimmt wiederum das Vorderende 56 der
hinteren (primären)
Ausgangswelle 40 des Verteilergetriebes 28 auf
und lagert dieses drehbar. Eine Gerotorpumpe 57 ist um
die Ausgangswelle 40 befestigt und dreht sich mit dieser,
so dass Schmiermittel unter Druck einem Kanal 57A zugeführt wird, der
sich axial außerhalb
der Ausgangswelle 40 erstreckt und Schmiermittel auf die
Komponenten des Verteilergetriebes 28 verteilt.
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Die
Außenfläche der
Eingangswelle 50 besitzt eine Vielzahl von Außenzähnen 58,
die mit komplementär
ausgebildeten Zähnen 60 an
der inneren Umfangsfläche
eines Sonnenrades 62 des Planetenradsatzes 48 in
Eingriff stehen. Das Sonnenrad 62 ist daher mit der Eingangswelle 50 gekoppelt,
um sich zusammen mit dieser zu drehen. Das Sonnenrad 62 besitzt
eine Vielzahl von Zähnen 64,
die um seinen Umfang herum angeordnet sind. Ein Ringrad 68 ist mit
den Sonnenradzähnen 64 ausgerichtet.
Das Ringrad 68 besitzt einwärts gerichtete Zähne 70.
Eine Vielzahl von Ritzeln 72 ist drehbar auf einer entsprechenden
Vielzahl von Stummelwellen 74 angeordnet, die in einem
Träger 76 montiert
sind. Der Träger 76 besitzt
eine Vielzahl von einwärts
gerichteten Zähnen 78,
die auf einer Fläche
angeordnet sind, welche benachbart zu den von der Eingangswelle 50 gebildeten
Außenzähnen 58 vorgesehen
ist. Der Planetenradsatz 48 ist in größeren Einzelheiten in der US-PS 4
440 042 beschrieben, die auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung
zurückgeht
und hiermit durch Bezugnahme eingearbeitet wird.
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Eine
Kupplung 84 ist um die Ausgangswelle 40 angeordnet
und darauf gelagert, um eine axiale Gleitbewegung relativ zur Ausgangswelle 40 durchzuführen. Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform handelt es sich
bei der Kupplung 84 um eine Klauenkupplung. Die Kupplung 84 besitzt
eine einwärts
gerichtete Vielzahl von Zähnen 86,
die komplementär
zu einer entsprechenden Vielzahl von Außenzähnen 88, die auf der
Ausgangswelle 40 angeordnet sind, ausgebildet und hieran
angepasst sind. Die Klauenkupplung 84 dreht sich somit
zusammen mit der Ausgangswelle 40, kann jedoch ent lang
dieser in Axialrichtung gleiten. Die Zähne 86 sind ebenfalls
komplementär
zu den Außenzähnen 58 auf
der Eingangswelle 50 ausgebildet. Die Klauenkupplung 84 besitzt
ferner eine Vielzahl von Außenzähnen 90, die
komplementär
zu den Zähnen 78,
die auf dem Träger 76 angeordnet
sind, ausgebildet sind und wahlweise hiermit in Eingriff gebracht
werden können,
wie nachfolgend in größeren Einzelheiten
beschrieben.
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Die
Klauenkupplung 84 ist axial in eine erste vordere Position
bewegbar, in der die Außenzähne 58 mit
den Zähnen 86 gekoppelt
sind und somit für eine
direkte Drehmomentübertragung
und somit einen Antrieb zwischen der Eingangswelle 50 und
der Ausgangswelle 40 sorgen. Um den sanften Eingriff zwischen
den Außenzähnen 58 an
der Eingangswelle 50 und den Zähnen 86 der Klauenkupplung 84 zu erleichtern,
kann das Verteilergetriebe 28 eine mechanische Synchronisationseinrichtung
(nicht gezeigt) aufweisen, die die Drehzahl der Eingangswelle 50 so
reduziert, dass sich diese der Drehzahl der Ausgangswelle 40 während Schaltvorgängen von NIEDRIG
auf HOCH annähert,
wie dies bekannt ist. Wenn andererseits die Klauenkupplung 84 vollständig nach
hinten bewegt worden ist, koppelt sie den Träger 76 mit der Ausgangswelle 40 über das
Eingreifen der Zähne 78 und
Außenzähne 90 auf
der Klauenkupplung 84. In dieser Position wird die Drehzahl
der Ausgangswelle 40 relativ zur Eingangswelle 50 in
Abhängigkeit
vom ausgewählten Übersetzungsverhältnis des
Planetenradsatzes 48 reduziert. Ferner kann die Klauenkupplung 84 auch
in eine dritte neutrale Position in der Mitte zwischen der vorderen
Position mit Direktantrieb und der hinteren Position mit Antrieb
mit reduzierter Drehzahl bewegt wer den. Diese neutrale Position
ist in 2 gezeigt. In der mittleren neutralen Position
ist die Eingangswelle 50 von der Ausgangswelle 40 getrennt,
und es wird kein Drehmoment hierzwischen übertragen.
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Die
Position der Klauenkupplung 84 wird von einer Betätigungseinheit 100 festgelegt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei der Betätigungseinheit
um einen elektrischen Schaltsteuermotor 100. Dieser elektrische
Schaltsteuermotor 100 dreht eine Antriebswelle 102 über einen
Schneckenradantrieb, der generell mit 104 bezeichnet ist. Die
Antriebswelle 102 ist in geeigneter Weise zur Drehung mit
dem Gehäuse 30 des
Verteilergetriebes 28 gelagert. Die Position der Antriebswelle 102 wird von
einer Codiereinheit überwacht
und gelesen, die generell mit 106 bezeichnet ist und Informationen über die
momentane Position der Antriebswelle 102 und der Klauenkupplung 84 liefert.
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Die
Antriebswelle 102 endet in einem Arm 108, der
mit einer Federeinheit 110 verbunden ist. Die Federeinheit 110 ist
um die Antriebswelle 102 gewickelt und steht ferner mit
einem Arm 112 in Eingriff, der sich axial von einem zylindrischen
Nocken 114 aus erstreckt. Die Federeinheit 110 funktioniert
als elastische Kupplung zwischen der Antriebswelle 102 und
dem zylindrischen Nocken 114, um die Verzögerung zwischen
der vom Antriebsmotor 100 und den Antriebskomponenten befohlenen
Bewegung zu absorbieren, so dass der Schaltmotor 100 seine
erforderliche Endposition erreichen kann. Die Federeinheit 110 ermöglicht ein
sanftes und schnelles Ansprechen auf eine geforderte Repositionierung
der Klauenkupplung 84 in Situationen, in denen die einwärts gerichteten Zähne 86 der
Klauenkupplung 84 nicht sofort mit den Zähnen 58 der
Eingangswelle 50 in Eingriff treten. Wenn eine Synchronisation
der Eingangswelle 50 und der Klauenkupplung 84 im
wesentlichen erreicht worden ist, dreht die in der Federeinheit 110 gespeicherte
potentielle Energie den zylindrischen Nocken 114 in seine
geforderte Position und beendet auf diese Weise den Schaltvorgang.
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Der
zylindrische Nocken 114 besitzt eine schraubenförmige Bahn 116,
die sich über
etwa 270° um
den Nocken 114 erstreckt. Diese schraubenförmige Bahn 116 nimmt
einen Stift und Nockenfolger 118 auf, der mit einer Gabeleinheit 120 verbunden
ist. Die Gabeleinheit 120 ist für eine bidirektionale Bewegung auf
einer festen Welle 122 gelagert und steht mit dem Umfang
der Klauenkupplung 84 in Eingriff. Die bidirektionale Bewegung
der Gabeleinheit wird durch den Nockenfolger 118 induziert,
wenn sich dieser entlang der schraubenförmigen Bahn 116 bewegt. Genauer
gesagt, durch die Drehung der Welle 102 wird die Nockenfolgereinheit 118 axial
repositioniert und positioniert somit in Axialrichtung die Klauenkupplung 84 durch
die Gabeleinheit 120 in einer der drei vorstehend beschriebenen
Positionen.
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Wie
die 2 und 4 zeigen, besitzt das Verteilergetriebe 28 ferner
eine elektromagnetisch betätigte
Scheibenpackungs-Kupplungseinheit 124. Diese Kupplungseinheit 124 ist
um die Ausgangswelle 40 angeordnet und besitzt ein kreisförmiges Antriebselement 126,
das mit der Ausgangswelle 40 über eine Keilverbindung 128 verbunden
ist. Das kreisförmige
Antriebselement 126 hat eine Vielzahl von mit Umfangsabstand
angeordneten Ausnehmungen 130A in der Form eines schiefen
Schnittes durch einen Schraubentorus, wie in 3 gezeigt.
Jede der Ausnehmungen 130A nimmt eine aus einer entsprechenden
Vielzahl von Lastübertragungskugeln 132 auf.
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Ein
kreisförmiges
angetriebenes Element 134 ist benachbart zum kreisförmigen Antriebselement 126 angeordnet
und besitzt eine entsprechende Vielzahl von gegenüberliegenden
Ausnehmungen 130B, die die gleiche Form wie die Ausnehmungen 130A besitzen.
Die schiefen Seitenwände
der Ausnehmungen 130A und 130B wirken als Rampen
oder Nocken und wirken mit den Kugeln 132 zusammen, um
die kreisförmigen
Elemente 126, 134 in Abhängigkeit von einer Relativdrehung
hierzwischen voneinander weg zu treiben. Für den Fachmann ist jedoch klar,
dass die Ausnehmungen 130A und 130B sowie die
Lastübertragungskugeln 132 auch
durch andere analoge mechanische Elemente ersetzt werden können, die
eine axiale Verschiebung der kreisförmigen Antriebselemente und
angetriebenen Elemente 126, 134 in Abhängigkeit
von einer Relativdrehung hierzwischen bewirken. Beispielsweise können auch
konische Rollen Verwendung finden, die in komplementär ausgebildeten
konischen Schraubengängen
angeordnet sind.
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Das
kreisförmige
angetriebene Element 134 erstreckt sich radial nach außen und
ist an einem Rotor befestigt, der auch als Gehäuse 136 für eine elektromagnetische
Spule dient. Das Spulengehäuse 136 besitze
eine Fläche 138,
die gegenüber
einer Kupplungsfläche 140 an
einem Anker 142 angeordnet ist. Das Spulengehäuse 136 ist
im Querschnitt U-förmig
ausgebildet und umgibt eine elektromagnetische Spule 144 auf
drei Seiten.
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Diese
elektromagnetische Spule 144 wird mit inkrementell eingestellten
Pegeln an elektrischer Energie von einer Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM)
(nicht gezeigt) versorgt. Das bei der vorliegenden Erfindung benutzte
Pulsbreitenmodulationsschema ist herkömmlicher Art und erhöht oder
erniedrigt den der Spule 144 der elektromagnetischen Spuleneinheit 124 zugeführten Durchschnittsstrom und
somit den Drehmomentdurchsatz, indem die EIN-Zeit (Taktzyklus) eines
Signals von 33 Hz erhöht oder
erniedrigt wird. Es versteht sich jedoch für den Durchschnittsfachmann,
dass auch andere Modulationssteuertechniken Verwendung finden können, um ein
inkrementelles Einrücken
und Ausrücken
der modulierenden Kupplungseinheit 124 zu bewirken.
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Durch
die Zuführung
von elektrischer Energie zur elektromagnetischen Spule 144 wird
der Anker 142 magnetisch an das Spulengehäuse 136 angezogen.
Diese magnetische Anziehung führt
zu einem Reibkontakt des Ankers 142 mit dem Spulengehäuse 136.
Wenn sich die Ausgangswelle 40 mit einer anderen Drehzahl
dreht als der Anker 142, der sich mit der gleichen Drehzahl
wie die sekundäre Ausgangswelle 26 dreht,
führt dieser
Reibkontakt zur Übertragung
eines Reibungsdrehmoments von der Ausgangswelle 40 über das
kreisförmige
Antriebselement 126 und über die Lastübertragungskugeln 132 bis
zum kreisförmigen
angetriebenen Element 134. Durch das resultierende Reibungsdrehmoment laufen
die Kugeln 132 die Rampen der Ausnehmungen 130A und 130B hinauf
und bewirken eine axiale Verschiebung des kreisförmigen Antriebselementes 126.
Diese Axialverschiebung des kreisförmigen Antriebselementes 126 bewegt
eine Beaufschlagungsplatte 146 und eine zwischen dem Anker 142 und
der Beaufschlagungsplatte 146 angeordnete Unterlegscheibe 148 in
Axialrichtung gegen eine Scheibenpackungskupplungseinheit, die generell
mit 150 bezeichnet ist. Eine Druckfeder 151 sorgt
für eine
Rückstellkraft,
die das kreisförmige
Antriebselement 126 in Richtung auf das kreisförmige angetriebene
Element 134 vorspannt und die Lastübertragungskugeln 132 in
mittlere Positionen in den kreisförmigen Ausnehmungen 130A und 130B zurückführt, um
für ein maximales
Spiel und eine minimale Reibung zwischen den Komponenten der elektromagnetischen Kupplungseinheit 124 zu
sorgen, wenn diese deaktiviert ist.
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Die
Scheibenpackungskupplungseinheit 150 besitzt eine Vielzahl
von miteinander verschachtelten Reibplatten oder Scheiben 152.
Eine erste Vielzahl von Scheiben 152A ist über miteinander
in Eingriff stehende Keile 154 mit einer Kupplungsnabe 155 verbunden,
die drehbar mit der Ausgangswelle 40 verbunden ist. Eine
zweite Vielzahl von Scheiben 152B ist über miteinander in Eingriff
stehende Keile 158 drehbar mit einem ringförmigen Gehäuse 156 verbunden.
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Das
ringförmige
Gehäuse 156 ist
frei drehbar um die Ausgangswelle 40 angeordnet und über eine Vielzahl
von miteinander in Eingriff stehenden Nasen und Ausnehmungen 162 mit
einem Antriebskettenrad 160 verbunden. Das Antriebskettenrad 160 ist ebenfalls
drehbar auf der Ausgangswelle 40 angeordnet. Wenn die Kupplungseinheit 124 eingerückt ist, überträgt sie Energie
von der Ausgangswelle 40 auf das Antriebskettenrad 160.
Eine Antriebskette 164 ist auf den Zähnen des Antriebskettenrades 160 angeordnet
und steht mit einem angetriebenen Kettenrad 166 in Eingriff
und überträgt Rotationsenergie auf
dieses. Das angetriebene Kettenrad 166 ist über miteinander
in Eingriff stehende Keile 168 mit der vorderen (sekundären) Ausgangswelle 26 des
Verteilergetriebes 28 gekoppelt.
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Für den Durchschnittsfachmann
ist klar, dass die Konstruktion und die Geometrie der Ausnehmungen 130A, 130B sowie
der Kugeln 132, die Konstruktion der Unterlegscheibe 148 und
der Druckfeder 151 sowie das Spiel in der Kupplungseinheit 124 sicherstellen,
dass sich die Kupplungseinheit 124 nicht selbst verriegelt.
Die elektromagnetische Kupplungseinheit 124 darf nicht
selbstverriegelnd sein, sondern muss vielmehr in der Lage sein,
das Festklemmen der Kupplungsscheiben 152 und die Drehmomentübertragung
in direkter Ansprache auf eine Erhöhung oder Erniedrigung der
schrittweise arbeitenden PWM-Steuereinheit zu modulieren. Ferner
ist dem Durchschnittsfachmann klar, dass, obwohl die vorstehend
beschriebene elektromagnetische Kupplungseinheit 124 elektromagnetische
Aktivierungseinrichtungen aufweist, die Kupplungseinheit auch in der
gleichen Weise über
hydraulische oder pneumatische Betätigungseinheiten betätigt werden
kann, welche mit einem gesteuerten unter Druck stehenden Hydraulikmittel
oder Druckluft arbeiten.
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Wie
speziell in 2 gezeigt ist, umfasst das Verteilergetriebe 28 ferner
ein Eingangszählrad 174, das
mit der vorderen Eingangswelle 50 gekoppelt ist und sich
mit dieser dreht. Ein erster Hall-Sensor 170 ist in enger
abtastender Beziehung zu einer Vielzahl von Zähnen 172 auf dem Zählrad 174 angeordnet. Das
Ausgangssignal des ersten Hall-Sensors wird in elektrischen Leitern 176 geführt. In
entsprechender Weise ist ein Ausgangszählrad 184 auf der
hinteren (primären)
Ausgangswelle 40 angeordnet. Ein zweiter Hall-Sensor 180 ist
in enger abtastender Beziehung zu einer Vielzahl von Zähnen 182 auf
dem Ausgangszählrad 184 angeordnet.
Das Ausgangssignal des zweiten Hall-Sensors 180 wird in
elektrischen Leitern 186 geführt. Vorzugsweise entspricht
die Zahl der Zähne 172 auf
dem Zählrad 174 der
Zahl der Zähne 182 auf
dem Zählrad 184,
so dass identische Wellendrehzahlen zur gleichen Zahl von Impulsen pro
Zeiteinheit von den Hall-Sensoren 170 und 180 führen. Dies
vereinfacht die Berechnungen in Bezug auf die Wellendrehzahlen und
verbessert die Genauigkeit aller Logikentscheidungen auf der Basis
dieser Daten und Berechnungen. Die tatsächliche Zahl der Zähne 172 auf
dem Zählrad 174 und
der Zähne 182 auf
dem Zählrad 184 kann
in Abhängigkeit
von den Drehzahlen und der Sensorkonstruktion von 25 bis 50 oder
mehr oder weniger variieren.
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Der
erste und zweite Hall-Sensor 170 und 180 tasten
die entsprechenden Zähne 172 und 182 ab
und erzeugen eine Reihe von Impulsen, die dazu verwendet werden
können,
um die momentanen Drehzahlen der Eingangswelle 50 und der
hinteren Ausgangswelle 40 zu berechnen. Diese Drehzahlen der
Eingangswelle 50 entsprechen den Drehzahlen des Ausganges
des Getriebes 44. In entsprechender Weise entspricht die
Drehzahl der hinteren Ausgangswelle 40 der Drehzahl der
hinteren Antriebswelle 38.
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Hall-Sensoren
werden bevorzugt, da sie ein Ausgangssignal erzeugen, das beim Passieren
der abgetasteten Zähne
zwischen einem genau definierten hohen und niedrigen Signal wert
variiert. Es versteht sich jedoch, dass der Durchschnittsfachmann auch
andere Abtastvorrichtungen verwenden kann, wie beispielsweise Sensoren
mit variabler Reluktanz. Derartige Sensoren liefern jedoch nicht
die von den Hall-Sensoren
erzeugte saubere Welle, insbesondere bei niedrigen Wellendrehzahlen,
und können
somit eine gesonderte Eingangskonditionierung erforderlich machen,
um verwertbare Daten zu liefern. Es versteht sich ferner, dass die
Hall-Sensoren 170 und 180 und
die entsprechenden benachbarten Zähne 172 und 182 auf
dem Zählrad 174, 184 vorzugsweise im
Gehäuse 30 des
Verteilergetriebes 28 angeordnet sind. Sie können jedoch
auch an irgendeiner anderen bequemen Stelle entlang der Getriebeausgangs/Verteilergetriebeeingangswelle 50 und
der hinteren (primären)
Ausgangswelle 40 sowie der primären Antriebslinie angeordnet
sein. Es ist auch möglich,
die Drehzahl von einer Welle oder von beiden Wellen über eine
Reduktionsgetriebeeinheit, wie beispielsweise das hintere Differential 36,
abzutasten, wenn der Signalprozessor geeignete Maßstabsänderungsfaktoren
zur Kompensation des Übersetzungsverhältnisses
der Einheit aufweist. Somit können
die in geeigneter Weise umgerechneten Ausgangssignale von Hinterraddrehzahlsensoren,
beispielsweise bei einem Antiblockierbremssystem, Verwendung finden und
gemittelt werden, um die Drehzahl der Ausgangswelle 40 zur
Verfügung
zu stellen, und zwar unter dem vorstehend genannten Vorbehalt, was
die Drehzahlabtastung an diversen Stellen entlang den Antriebslinien
betrifft.
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Wie
die 1 und 2 zeigen, werden direkte elektrische
Signale vom ersten Hall-Sensor 170 in den Leitern 176 durch
einen kleinen getrennten elektrischen Kabelbaum 204 zu einem
Mikroprozessor, wie der Steuer- bzw. Regeleinheit 200,
geführt.
In entsprechender Weise wird das Signal vom zweiten Hall-Sensor 180,
das in den Leitern 186 geführt wird, über den Kabelbaum 204 der
Steuer- bzw. Regeleinheit 200 zugeführt. Schließlich werden Signale, die Schaltvorgänge von
der Steuereinheit 200 der Betätigungseinheit, bei der es
sich in diesem Fall um den Schaltsteuermotor 100 handelt,
zuführen,
von der Steuereinheit 200 über den getrennten elektrischen Kabelbaum 204 zur
Betätigungseinheit 100 zurückgeführt. Bei
einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Steuereinheit 200 physikalisch auf
oder im Verteilergehäuse 28 angeordnet
sein, so dass die Hall-Sensoren 170 und 180 und
die Betätigungseinheit 100 direkt
mit der Steuereinheit 200 verdrahtet sind und ein externer
Kabelbaum 204 nicht erforderlich ist.
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Die
Steuer- bzw. Regeleinheit 200 steht über den CAN-Datenbus 250 mit den anderen
vernetzten Fahrzeugsystemen und Sensoren über die digitale Datenschnittstelle 201 in
Verbindung. Die digitale Datenschnittstelle 201 sorgt für die richtige
Signalsteuerung und Übertragungsprotokolle
der digitalen Daten, so dass die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 digitale Daten
durch den CAN-Datenbus 250 senden und empfangen kann. Wie
in 1 gezeigt, empfängt die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 Eingangssignale
von dem vom Operator gesteuerten Schaltänderungsselektor 202 durch
den CAN-Bus 250 und die digitale Datenschnittstelle 201,
die eine entsprechende Gangänderung
im Verteilergetriebe 28 initiiert. Bei einer anderen beispielhaften
Ausführungsform
kann die Schnittstelle 201 für digitale Daten direkt ein
Teil des CAN-Systems bilden und keinen Teil der vorliegenden Erfindung
darstellen.
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In
Verbindung mit den 5a und 5b wird
nunmehr das Verfahren zum Synchronisieren von Niedrig-Hoch-Schaltvorgängen in
einem Verteilergetriebe der vorliegenden Erfindung in größeren Einzelheiten
erläutert.
Das Verfahren wird in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm 206 beschrieben,
das im wesentlichen ein Unterprogramm der Verteilergetriebesteuer-
bzw. Regeleinheit 200 bildet, wenn es mit dem CAN-System und anderen
Fahrzeugsystemen gekoppelt ist. Für den Durchschnittsfachmann versteht
es sich, dass dieses Ablaufdiagramm 206 nur eines aus einer
Reihe von anderen Programmen oder Unterprogrammen sein kann, die
die Funktionsweise der Verteilergetriebesteuer- bzw. Regeleinheit 200 steuern
bzw. regeln. Es versteht sich ferner und wird nicht auf wiederholte
Weise erwähnt,
dass sämtliche
Datensignale für
die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 und von dieser zum CAN-Datenbus 250 durch die
Schnittstelle 201 für
digitale Daten geleitet werden.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie es im Ablaufdiagramm 206 (5a und 5b) dargestellt
ist, steuert bzw. regelt den Schaltsteuermotor oder die Betätigungseinheit 100,
um einen virtuell nicht wahrnehmbaren fliegenden Niedrig-Hoch-Schaltvorgang
des Getriebes im Verteilergetriebe 28 zu erreichen. Somit
steuert bzw. regelt das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen Schaltvorgang
aus einem niedrigen Bereich, in dem Drehmoment von der Eingangswelle 50 zur
Ausgangswelle 40 über
den Planetenreduktionsgetriebesatz 48 übertragen wird, in einen hohen
Be reich, in dem Drehmoment direkt zwischen der Eingangswelle 50 und
der Ausgangswelle 40 über
die Klauenkupplung 84 übertragen
wird.
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Das
Verfahren beginnt bei 208. Der Entscheidungspunkt 210 kann
einen Teil eines Exekutivsystems oder einer großen Regelschleife in einem Mikroprozessor-Fahrzeugmanagementsystem
(nicht gezeigt) bilden, das über
das CAN-System überwacht
oder detektiert, ob der Schaltungsänderungsselektor 202 in
eine niedrige oder hohe Position bewegt worden ist, so dass ein
Schaltvorgang vom Fahrzeuglenker angefordert worden ist. Wenn kein Schaltvorgang
angefordert wurde, kann das entsprechende Exekutivsystem oder Unterprogramm
mit anderen Befragungen, Berechnungen und Aktionen, die für das Verfahren
der vorliegenden Erfindung nicht relevant sind, fortfahren. Der
Entscheidungspunkt 210 wird jedoch kontinuierlich überwacht,
um zu detektieren, wenn ein Schaltvorgang gewählt worden ist, wie durch die
Feedback-Schleife 212 angedeutet.
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Wenn
andererseits ein Schaltvorgang gewählt wurde, erhält der Fahrzeuglenker
ein visuelles Signal, dass ein Schaltvorgang fortschreitet, wie durch
den Prozessschritt 214 angedeutet. Bei dieser Anzeige kann
es sich um ein Blinklicht im Fahrgastabteil des Kraftfahrzeuges
handeln, oder sie kann die Form irgendeiner geeigneten visuellen
oder Audio-Anzeige
annehmen. Da das Fahrzeugmanagementsystem eines der vorstehend erwähnten Feedback-Verfahren
(Schritt 214) benutzt, um dem Fahrzeuglenker anzuzeigen,
dass der Schaltvorgang fortschreitet, sendet es auch in Schritt 216 einen Schaltanforderungsbefehl
durch den CAN-Datenbus 250 (1) zur Verteilergetriebesteuer-
bzw. Regeleinheit 200.
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Die
Steuer- bzw. Regeleinheit 200 initiiert die Schaltung,
indem sie die Fahrzeuggeschwindigkeit vom CAN-Datenbus 250 liest,
wie im Block 218 angedeutet. In Abhängigkeit vom Designprotokoll
innerhalb der Anwendung des CAN-Systems des Fahrzeuges können bestimmte
Fahrzeug- und Umweltbedingungen und/oder Parameter immer an den
Datenbus abgegeben werden und für
die anderen Netzwerksysteme jederzeit für einen Zugriff zur Verfügung stehen.
Andererseits kann das CAN-System
auch so ausgebildet sein, dass es zuerst fordert, dass eine Anfrage
dem in Rede stehenden System oder Untersystem vor dem Betrieb zugeführt wird
oder Umweltdaten durch den CAN-Datenbus 250 vom abgefragten
System als Antwort zurückgeschickt
werden. Unabhängig
davon gilt, dass die Betriebsdesigncharakteristik jenseits des Umfanges
dieser Beschreibung liegt. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass
die Betriebsdaten des Fahrzeuges dem Datenbus automatisch mit periodischen
Aktualisierungen zugeführt
werden.
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Es
wird nunmehr wieder auf das Ablaufdiagramm 206 Bezug genommen.
Wenn einmal ein Schaltvorgang angezeigt worden ist und die Steuer- bzw.
Regeleinheit 200 (1) eine
anfängliche
Lesung der Fahrzeuggeschwindigkeit durchführt, wird der Entscheidungspunkt 220 erreicht.
Hier ermittelt die Steuer- bzw. Regeleinheit 200, ob eine
Schaltung von NIEDRIG auf HOCH angefordert worden ist. Wenn die
Antwort Nein ist, was bedeutet, dass die Schaltung von HOCH auf
NIEDRIG erfolgt, wird der Entscheidungspunkt mit NEIN ver lassen.
Danach wird der Entscheidungspunkt 221 erreicht, und die Steuer-
bzw. Regeleinheit 200 bestimmt, ob die Geschwindigkeit
des Fahrzeuges geringer ist als 16 km/h. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit
größer ist als
16 km/h, wird der Entscheidungspunkt 221 bei NEIN verlassen
und kehrt das Unterprogramm zum Datenblock 218 zurück und liest
erneut die Fahrzeuggeschwindigkeit. Wenn andererseits die Fahrzeuggeschwindigkeit
geringer ist als 16 km/h wird der Entscheidungspunkt 221 bei
JA verlassen und von der Steuer- bzw.
Regeleinheit 200 ein Schaltbefehl abgegeben, wie im Prozessschritt 223 angedeutet
(über den
Anschluss „A" zu 5b).
Der Schaltsteuermotor oder die Betätigungseinheit 100 bewegt
die Klauenkupplung 84 aus ihrer Hoch-Position, d.h. einer Position, in der
sie links von der in 2 gezeigten Position angeordnet
ist, in die neutrale Position, d.h. die Position der Klauenkupplung 84,
die in 2 gezeigt ist. Wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeuges geringer
ist als 16 km/h, wird dann der Schaltvorgang beendet, wenn die Betätigungseinheit 100 die
Klauenkupplung 84 vollständig von der in 2 gezeigten Position
nach rechts bewegt, so dass Drehmoment der Eingangswelle 50 auf
die Ausgangswelle 40 über das
Reduktionsgetriebe 48 und die Klauenkupplung 84 übertragen
wird.
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Wenn
im Gegensatz dazu ein Schaltvorgang von NIEDRIG auf HOCH gewählt wurde,
wird der Entscheidungspunkt 220 bei JA verlassen. In diesem Fall
erreicht das Unterprogramm 206 den Entscheidungspunkt 222 und
ermittelt die Steuer- bzw. Regeleinheit 200, ob die Geschwindigkeit
des Fahrzeuges geringer ist als 35 km/h oder diesem Wert entspricht. Wenn
dies nicht der Fall ist, wird der Entscheidungspunkt 222 bei
NEIN verlassen und kehrt das Unterprogramm zum Datenblock 218 zurück und liest
erneut die Fahrzeuggeschwindigkeit. Somit muss bei der bevorzugten
Ausführungsform
das Fahrzeug mit 35 km/h oder weniger laufen, da der Entscheidungsblock 222 eine
Fortsetzung des Unterprogramms nicht ermöglicht, wenn dieser Zustand
nicht erfüllt
ist.
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Wenn
die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 ermittelt, dass sich
das Fahrzeug mit weniger als 35 km/h bewegt, wird der Entscheidungspunkt 222 bei JA
verlassen und der interne Schaltungstimer der Steuer- bzw. Regeleinheit
gelöscht
und gestartet, wie in Prozessschritt 226 angedeutet. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das Verteilergetriebe 28 zuerst auf
neutral geschaltet, bevor der Schaltvorgang von NIEDRIG auf HOCH
beendet wird, wie im Prozessvorbereitungsschritt 224 angedeutet.
Wie in Schritt 228 angedeutet, wird der Befehl an die Kupplungsbetätigungseinheit 100 abgegeben,
die Kupplung 84 aus dem Eingriff mit dem Reduktionsgetriebesatz 48 (niedrig)
in eine erste vorgegebene neutrale Position zu bewegen (die in 2 gezeigt
ist). wenn die Betätigungseinheit 100 die
Kupplung 84 bewegt, misst die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 im
Prozessschritt 230 die Geschwindigkeit der Betätigungseinheit 100 und überwacht
diese. Ferner berechnet in diesem Schritt die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 die
Zeit, die die Kupplungsbetätigungseinheit 100 benötigt, um
zuerst die vorgegebene neutrale Position und dann einen vorgegebenen
neutralen Synchronisationspunkt zu erreichen. Durch die Bewegung
der Klauenkupplung 84 auf den vorgegebenen neutralen Synchronisationspunkt
werden die Kupplungszähne 86 in
enge physikalische Nähe
mit den Eingangswellen zähnen 58 gebracht
(vor einem direkten Eingriff). Die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 berechnet
die Zeit in Abhängigkeit
von der überwachten
Drehzahl der Betätigungseinheit 100 und
der bekannten Winkeldistanz, über
die sich der Betätigungsmechanismus
bewegen muss, um den neutrale Synchronisationspunkt zu erreichen.
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Wenn
die Berechnung durchgeführt
und eine zeitliche Lösung
ermittelt worden ist, wird die berechnete Zeit mit der abgelaufenen
Laufzeit im Schalttimer verglichen, wie im Entscheidungsblock 232 gezeigt.
Wenn die abgelaufene Zeit noch nicht der berechneten Zeit entspricht,
wird der Entscheidungspunkt 232 bei NEIN verlassen und
kehrt die Steuer- bzw.
Regeleinheit 200 wieder zum Entscheidungspunkt 232 zurück (als
Feedback-Schleife 234 gezeigt), bis die verglichene Zeit
gleich ist. wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann das Unterprogramm
den Entscheidungsblock 232 bei JA verlassen und bewegt
sich zum Prozessschritt 236. Bei 236, wenn die abgelaufene
Zeit nunmehr der berechneten Zeit entspricht, ist der neutrale Synchronisationspunkt
erreicht worden und stoppt die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 die
Betätigungseinheit 100.
Wenn Schritt 236 beendet und die Kupplung aus der Niedriggangstellung
geschaltet worden ist und den neutralen Synchronisationspunkt erreicht
hat, sendet die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 ein NEUTRAL-Signal über den
CAN-Datenbus 250 in Schritt 238. Diese digitale Information
soll vom Motorsystem und vom Automatikgetriebesystem verwendet werden.
Wenn das Fahrzeug mit dem vorstehend erwähnten Fahrzeugmanagementsystem
versehen ist, können
die Signale zuerst vom Managementsystem verarbeitet werden, bevor
sie dem Motorsystem und Automatikgetriebesys tem zugeführt werden.
In Schritt 240 tastet die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 unter
Verwendung der Eingangs- und Ausgangs-Hall-Sensoren 170, 180 die
Drehzahlen der Verteilergetriebeeingangswelle und -ausgangswelle 50, 40 ab
und führt
die Daten dem CAN-Datenbus 250 zu. Wenn diese Signale über den
CAN-Datenbus 250 gesendet werden, werden sie entweder von
der Programmierung des Fahrzeugmanagementsystems oder von der Programmierung
der Motor- und Automatikgetriebesteuersysteme auf der Basis der
Fahrzeugkonstruktion abgetastet. Die Detektion dieser Signale führt in Verbindung
mit der vom Fahrzeuglenker gewählten
Schaltveränderung
und dem NEUTRAL-Signal zu einer anbefohlenen UpM-Verringerung des
Motors und einer Auswahl eines niedrigeren Automatikgetriebeganges in
den Schritten 242 und 244. Dies ist erforderlich,
so dass die Verteilergetriebewellendrehzahlen gleich werden können. Bei
einer anderen Ausführungsform kann
das Automatikgetriebe ausgerückt
und in seine neutrale Position gebracht werden, bis die Wellendrehzahlen
gleich sind und die Verteilergetriebeschaltung beendet ist.
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Die
Steuer- bzw. Regeleinheit 200 setzt die Überwachung
der Verteilergetriebewellendrehzahlen fort. Wenn der UpM-Wert der
Ausgangswelle größer ist
als der der Eingangswelle, verlässt
der Entscheidungsblock den NEIN-Zweig und kehrt zurück zu Schritt 242,
bis die Änderung
des Motor-UpM-Wertes und
die Automatikgetriebeeinstellungen dem Entscheidungspunkt gerecht
werden. Wenn die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 ermittelt,
dass die Drehzahl der Eingangswelle 50 geringer ist als
die Drehzahl der Ausgangswelle 40 oder dieser entspricht,
legt die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 fest, dass ein Synchronisationszustand
erreicht ist, und rückt
das Ablaufdiagramm vom JA-Ausgang des Entscheidungsblocks 246 zu
Schritt 254 vor, wie im Prozessvorbereitungsschritt 252 angedeutet.
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In
Schritt 254 gibt die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 den
Befehl an die Kupplungsbetätigungseinheit 100 ab,
die Klauenkupplung 84 auf HOCH zu bewegen. Dies wird erreicht,
indem die Betätigungseinheit 100 die
Klauenkupplung 84 und dadurch die Kupplungszähne 86 vom
neutralen Synchronisationspunkt in einen direkten Eingriff mit den
Zähnen 58 der
Eingangswelle 50 bewegt. Gleichzeitig gleiten auch die
Kupplungszähne 86 in
Axialrichtung entlang den Zähnen 88 der
Ausgangswelle 40, bleiben jedoch direkt mit diesen in Eingriff.
Wenn die Kupplungszähne 86 gleichzeitig
mit den Zähen 58 der
Eingangswelle 50 und den Zähnen 88 der Ausgangswelle 40 in
Eingriff stehen, sorgt die Kupplung 84 für eine direkte
Drehmomentübertragung
zwischen der Eingangswelle 50 und der Ausgangswelle 40.
Der Schaltvorgang ist jedoch erst dann beendet, wenn die Differenz
in den Drehzahlen der Eingangswelle 50 und der Ausgangswelle 40 geringer
ist als ein vorgegebener Wert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
kann diese Differenz geringer sein als 100 UpM. Alternativ dazu
wird der Entscheidungspunkt 246 auch bei JA verlassen,
um den Schaltvorgang von NIEDRIG auf HOCH zu beenden, wenn die Differenz
in den Drehzahlen der Eingangswelle 50 und der Ausgangswelle 40 größer ist
als ein vorgegebener Wert über
eine vorgegebene Zeit. Genauer gesagt, der Schaltvorgang kann beendet
werden, wenn die Differenz in den Drehzahlen der Eingangs- und Ausgangswelle 50, 40 über einen
vorgegebenen Teil der abgelaufenen Zeit größer ist als 100 UpM. Bei einem
bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung kann dieser vorgegebene
Teil 20 der abgelaufenen Zeit vom Beginn des Schaltvorganges
an bilden. Sonst und bei Fehlen von irgendeiner dieser Bedingungen
wird der Entscheidungspunkt 246 bei NEIN verlassen und
kehrt das Unterprogramm zu Schritt 242 zurück.
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Wenn
die Klauenkupplung 84 am Anfang des Schaltereignisses von
NIEDRIG auf HOCH nicht aus dem Eingriff mit dem Niedrig-Planetenreduktionsgetriebe 48 in
eine NEUTRAL-Position bewegt werden kann (hier als „eingefangener" Zustand bezeichnet), schlagen
die Schaltanforderungen an die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 fehl.
Dem Fahrzeuglenker wird vom Fahrzeugmanagementsystem mitgeteilt, wenn
dieser Zustand eintritt. Der Hinweis „Beendigung des fortschreitenden
Schaltvorganges" entspricht
der vorstehend in Verbindung mit Prozessschritt 214 angegebenen
Schaltungsanzeige.
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich daher um ein Verfahren
und um eine Vorrichtung zum Synchronisieren von Schaltvorgängen von NIEDRIG
auf HOCH in einem digital gesteuerten bzw. geregelten Verteilergetriebe,
das bzw. die ein hohes Niveau an Steuerung bzw. Regelung und eine genaue
Synchronisation während
des Schaltens zwischen niedrigen und hohen Gängen innerhalb eines Fahrzeuges,
bei dem ein CAN-System Verwendung findet, ermöglicht. Diese Ziele werden
mit dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
auf wirksame, kostengünstige
und relativ einfache Weise erreicht.
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Die
Erfindung wurde vorstehend auf beispielhafte Weise erläutert. Es
versteht sich, dass die verwendete Terminologie lediglich beschreibender
Natur ist und in keiner Weise eine Beschränkung darstellt. Viele Modifikationen
und Variationen der Erfindung sind angesichts der vorstehend wiedergegebenen Lehren
möglich.
Im Rahmen der beigefügten
Patentansprüche
kann daher die Erfindung auch anders ausgeführt werden als hier speziell
beschrieben.