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Kraftfahrzeug mit Allradantrieb
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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug
mit Allradantrieb ohne Mittendifferential im Antriebsstrang zwischen Vorder und
Hinterachse gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Fahrzeuge haben den Nachteil, daß bei Kurvenfahrten Momente
von der Hinterachse auf die Vorderachse übertragen werden. Bedingt durch den größeren
Weg, den die Vorderräder entlang der Schleppkurve zurücklegen, und den kleineren
Weg der Hinterräder müßten die Räder der beiden Achsen eigentlich mit unterschiedlichen
Drehzahlen umlaufen.
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Dieses ist aber durch die starre Kopplung zwischen Vorder- und Hinterachse
nicht möglich. Um eine Drehzahlangleichung der Räder zu erzielen, werden die eigentlich
schneller laufen wollenden Vorderräder abgebremst, während die langsamer laufen
wollenden Hinterräder durch die Fahrbahn soweit angetrieben werden bis die mittlere
Drehzahl der beiden Vorder-und der beiden Hinterräder trotz unterschiedlich langer
Abrollwege gleich ist. Dabei entstehen Verspannmomente, die einerseits von der Größe
des aufgezwungenen Schlupfes und andererseits von der Kraftschlußbeiwert-Schlupf-Funktion
des Systems Reifen/Fahrbahn abhängen.
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Bei Kurvenfahrten, insbesondere im Winter, können die auftretenden
Verspannmomente über der Haftwertgrenze zwischen Reifen und Fahrbahn liegen, so
daß die zur Kurvenfahrt benötigte Haftung in Richtung der Seitenführungskräfte nicht
mehr zur Verfügung steht. Da der Vektor aus Längs-und Querkraft für ein stabiles
Fahrverhalten maßgebend ist, der Längskraftvektor aus der Leistungsübertragung von
den Hinterrädern auf die Vorderräder aber schon oberhalb der Haftwertgrenze liegt,
bricht das Fahrzeug aus und kommt von der Fahrbahn ab oder auf die Gegenfahrbahn.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Antriebsanordnung der
eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß keine unerwünschten Momente von der
Fahrbahn über die Hinter- oder Vorderräder auf das Verteilergetriebe und von da
auf die jeweils anderen Räder übertragen werden können.
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Als Lösung dieser Aufgabe wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß in der Welle zwischen Getriebe und hinterem Differential eine Überholkupplung
eingebaut ist, die eine Momentenübertragung von den Hinterrädern zum Getriebe verhindert.
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Nicht nur bei Kurvenfahrt, auch bei Geradeausfahrt kann, bedingt durch
Unterschiede im Abrollumfang der Reifen, sowohl eine Leistungs- bzw.
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Momentübertragung von den Hinterrädern auf die Vorderräder erfolgen.
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Bei unterschiedlichem Abrollumfang ist nicht nur eine Leistungs- bzw.
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Momentenübertragung von den Hinterrädern auf die Vorderräder, sondern
auch in umgekehrter Richtung möglich. Die dabei umgewälzte Leistung (Blindleistung)
im Verspannkreis "Vorderräder - Getriebe - Hinterräder -Fahrbahn - Vorderräder"
kann weit oberhalb der Motorleistung liegen und zu Schäden an allen im Verspannkreis
angeordneten Aggregaten führen.
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Es wird weiter vorgeschlagen, die Getriebe so auszulegen, daß die
Vorderräder mit geringfügig höherer Drehzahl als die Hinterräder angetrieben werden.
Dadurch läuft das Fahrzeug unter normalen Straßenbedingungen wie ein vorderradangetriebenes
Fahrzeug. Erst nachdem durch das Antriebsmoment ein gewisser Schlupf überschritten
wird, greifen automatisch zusätzlich auch die Hinterräder. Bei ungünstigen Toleranzen
im Abrollumfang bis zu einer Größe entsprechend der Drehzahlvorgabe der Vorderräder
kommt es nicht zur Übertragung einer Verspannleistung von den Vorderrädern über
das Getriebe auf die Hinterräder.
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Der gleiche Effekt kann dadurch erreicht werden, daß bei gleicher
Übersetzung im Getriebe der Sollwert des Abrollumfanges für die Vorderräder etwas
größer gewählt wird als der Sollwert des Abrollumfanges für die Hinterräder.
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Die toleranzbedingte Leistungsübertragung bei Geradeausfahrt von den
Vorderrädern über das Getriebe auf die Hinterräder kann erfindungsgemäss dadurch
vermieden werden, daß zusätzlich zu der Überholkupplung zwischen Hinterrädern und
Getriebe auch eine Überholkupplung zwischen Getriebe und Vorderrädern eingebaut
wird, die nur eine Leistungsübertragung zu den Vorderrädern, aber keine Leistungsübertragung
von den Vorderrädern zum Getriebe zuläßt. Das hat jedoch den Nachteil, daß der Motor
ohne zusätzliche Maßnahmen nicht mehr zum Bremsen genutzt werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von schematischen
Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 : eine Antriebsanordnung eines allradangetriebenen
Fahrzeuges ohne Mittendifferential; Fig. 2 : eine Antriebsanordnung eines allradangetriebenen
Fahrzeuges ohne Mittendifferential mit einer erfindungsgemäß angeordneten Überholkupplung
zwischen den Hinterrädern und dem Getriebe;
Fig. 3 : eine Anordnung
gemäß Fig. 2, jedoch mit einer weiteren Überholkupplung zwischen den Vorderrädern
und dem Getriebe; Fig. 4 : den Kraftschlußbeiwert µ beim Bremsen als Funktion des
Schlupfes bei verschiedenen Straßenzuständen; Fig. 5 : einen etwa in Frage kommenden
Kraftschlußbeiwert µ beim Antreiben und Bremen für den Bereich kleiner Schlupfwerte.
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Entsprechend Fig. 1 werden vom Fahrzeugmotor 1 über das Getriebe 2
die Wellen 3 und 4 angetrieben. Von der Welle 3 wird das Antriebsmoment über das
vordere Differential 8, die Achswellen 10 und 11, die Kardangelenke 12 und 13 auf
die Vorderräder 14 und 15 übertragen. Die Welle 4 leitet das Antriebsmoment über
das hintere Differential 9 sowie über die Achswellen 6 und 7 auf die Hinterräder
16 und 17.
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Bei einer Kurvenfahrt stehen die Vorderräder in Position 1 4a und
15a.
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Die Räder folgen den strichpunktierten Linien, wobei SVL für das vordere
linke Rad, SVR für das vordere rechte Rad, SHL für das hintere linke Rad und SHR
für das hintere rechte Rad gilt.
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HR Bei einer Rechtskurve legt das Rad in Position 14a links vorn
den längsten und das Rad 17 rechts hinten den kürzesten Weg zurück. Die unterschiedlichen
Wege links vorn und rechts vorn werden vom vorderen Differential 8 ausgeglichen
und geben an die Welle 3 eine mittlere Drehzahl n3, entsprechend dem mittleren Weg
der Räder in den Positionen 14a und 15a.
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An der Hinterachse werden die unterschiedlichen Wege der Räder 16
und 17 im hinteren Differential 9 ausgeglichen und führen zu einer mittleren Drehzahl
n4 an der Welle 4.
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Da der Mittelwert der Wege an den Hinterrädern kürzer ist als der
Mittelwert der Wege an den Vorderrädern, müßte beim Abrollen ohne Zwang die Drehzahl
n4 der Welle 4 kleiner sein als die Drehzahl n3 der Welle 3. Bei starrer Kopplung
der Wellen 3 und 4 müssen die Drehzahlen n3 und n4 aber gleich sein. Eine Folge
davon ist, daß bei Kurvenfahrten ohne Mittendifferential ein Schlupf auftreten muß.
Ein Schlupf tritt jedoch nur auf, wenn Brems- oder Antriebskräfte am Umfang der
Räder eingeleitet werden.
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Fig. 4 zeigt den Kraftschlußbeiwert µ beim Bremsen als Funktion des
Schlupfes S (S = 1 - 100 % bei blockiertem Rad); a trockener Asphalt, u u b nasser
Asphalt, c Neuschnee, d Glatteis (siehe Dubbel, 15. Auflage, Seite 837). Der für
den Verspannkreis "Vorderräder - Getriebe - Hinterräder - Fahrbahn - Vorderräder"
wichtige Bereich für kleine Schlupfwerte ist in Fig. 5 wiedergegeben. Es ist sowohl
der Antriebs- als auch der Bremsbereich dargestellt. Entsprechend der Funktion I,
die etwa für trockene Fahrbahn gilt, tritt bei einem Schlupf von z.B. 1 % (Antrieb)
ein Kraftschlußbeiwert µ von ca. 0,3 auf. Beim Schlupf von - 1 % (Bremsen) liegt
der Kraftschlußbeiwert µ bei ca. - 0,3.
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Bei einem Unterschied der Weglängen (5+5)/2und(S+S SHR)/2 von 2 %
und starrer Kopplung der Wellen 3 und 4 müssen die Hinterräder um ca. 1 % in Antriebsrichtung
und die Vorderräder um ca. 1 % in Bremsrichtung schlupfen. Entsprechend der angenommenen
Kraftschlußbeiwert-Schlupf-Funktion (Fig. 5) tritt bei µ ca. 0,3 bzw. µ ca. - 0,3
an der Hinterachse eine Antriebskraft von ca. 30 % der Achslast und an der Vorderachse
eine etwa gleich große Bremskraft auf, ohne daß vom Motor Antriebsleistung zugeführt
wird oder die Bremsen betätigt werden. Es handelt sich dabei um Blindleistung und
Verspannmomente, die im Verspannkreis mit den Elementen 14a/15a - 12/13 - 10/11
- 8 - 3 - 2 - 4 - 9 - 6/7 - 16/17 - Fahrbahn - 14a/15a umgewälzt werden. Dies sind
Leistungen
und Momente, die nicht zur Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeuges beitragen,
aber alle angesprochenen Elemente belasten.
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Neben der Belastung aller Komponenten wird dabei auch ein Teil des
verfügbaren Kraftschlußbeiwertes zwischen Rad und Fahrbahn verbraucht und steht
für Beschleunigung, Bremsen und insbesondere auch für die Seitenführung des Fahrzeuges
nicht mehr zur Verfügung. Die nutzbare Haftwertgrenze für das Fahrzeug wird durch
die Verspannmomente verringert, die Räder rutschen früher.
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Bei glatter Fahrbahn ist der maximale Kraftschlußbeiwert entsprechend
Kurve II, Fig. 5, viel geringer. Außerdem wird der Maximalwert des Kraftschlußbeiwertes
schon bei geringem Schlupf erreicht. Beim Durchfahren einer Kurve mit einem allradangetriebenen
Fahrzeug ohne Mittendifferential liegen der aufgezwungene Schlupf und damit die
Verspannmomente so hoch, daß von dem geringen Kraftschlußbeiwert nichts mehr für
Brems- und Seitenführungskräfte an den Vorderrädern zur Verfügung steht.
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Um eine Leistungs- und Momentenübertragung von den Hinterrädern auf
die Vorderräder zu vermeiden, wird, wie in Fig. 2 dargestellt, vorgeschlagen, eine
Überholkupplung 20 in die Welle 4 einzubauen. Mit dieser Anordnung ist es möglich,
Leistung vom Getriebe 2 über die Welle 4, die in dieser Richtung gesperrte Überholkupplung
20, die Welle 4', das hintere Differential 9, die Achswellen 6 und 7 auf die Hinterräder
16 und 17 zu übertragen.
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Die Überholkupplung 20 läßt jedoch keine Leistungsübertragung von
den Hinterrädern 16 und 17 in Richtung der Vorderräder 14 und 15 zu. Die Drehzahl
n4' der Welle 4' kann gleich oder größer sein als die Drehzahl 4 n4 der Welle 4,
aber nicht kleiner.
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Durch unterschiedlichen Abrollumfang der Räder, der jedoch noch im
zulässigen Toleranzbereich liegt, kann es bei allradangetriebenen Fahrzeugen ohne
Mittendifferential zu einer dauernden Leistungsübertragung zwischen den Achsen oder
zumindest zu einer sehr unterschiedlichen Verteilung der Antriebsleistung auf die
Vorder- und Hinterräder kommen.
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Besonders nachteilig ist dabei auch, daß sich das Fahrzeug entweder
wie ein vorderradangetriebenes oder hinterradangetriebenes Fahrzeug verhält, je
nachdem, ob der Abrollumfang der Räder vorn oder hinten größer ist.
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Eine gleiche Leistungsverteilung auf die vier Räder tritt nur bei
einem gleichen mittleren Rollumfang der Vorder- und Hinterräder auf. Schon der Unterschied
von 1 % im Abrollumfang führt zu erheblichen Verlagerungen der Antriebsleistung.
Zwei Prozent Unterschied im Abrollumfang können ausreichen, daß die Vorder- oder
Hinterräder bei Geradeausfahrt dauernd bremsen.
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Unterstellt man, daß der Abrollumfang vorn + 1 % und hinten - 1 %
vom Nennmaß abweicht, so ergibt sich bei der in Fig. 5, Kurve I, angegebenen K raftschlu
ßbeiwert-S chlupf-Funktion an den Vorderrädern entsprechend ca. 0,3 eine Antriebskraft
von ca. 30 % der,Achslastund an den Hinterrädern eine etwa gleich große Bremskraft.
Hierbei wurden die für den Fahrwiderstand, das Beschleunigen und Bremsen benötigten
Kräfte, Momente und Leistungen außer acht gelassen.
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Bei einem Fahrzeug mit einem Gesamtgewicht von 1500 kg (Achslast vorn
und hinten je 750 kg), tritt an den beiden Vorderrädern zusammen eine Antriebskraft
von 750 kg x 0,3 = 225 kg (ca. 2250 N) auf. Die Räder der Hinterachse werden mit
gleich großer Kraft gebremst. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 40 m/s (144 km/h)
wird dabei eine Blindleistung von N = F x v = 225 kg x 40 m/s = 9000 kgm/s = 120
PS umgewälzt. Überlagert man dieser Blindleistung die Antriebsleistung des Fahrzeuges
von z.B.
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80 PS, so tritt in erster Annäherung (linearer Anstieg von .L ) an
den
Vorderrädern eine Antriebsleistung von 120 PS + 40 PS = 160
PS auf.
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Die an den Hinterrädern durch den Verspannkreis auftretende Bremsleistung
von 120 PS wird um 40 PS auf 80 PS reduziert. Das Fahrzeug wird auch bei voller
Antriebsleistung mit dauernd bremsenden Hinterrädern fahren.
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Bei der obigen Betrachtung ist zu berücksichtigen, daß die Abweichung
von + 1 % im Abrollumfang noch nicht das Maximum ist, da die Toleranz für neue Reifen
bei + 1,5 % bis - 2,5 % liegt, die Kraftschlußbeiwert-Schlupf-Funktion noch steiler
verläuft und auch noch ein Einfluß von Reifenverschleiß, Luftdruck und Beladung
auf den Abrollumfang auftreten kann.
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Um die Übertragung von Blindleistung zu verhindern bzw. weitgehend
auszuschließen, die bei eingebauter Überholkupplung 20 nur von den Vorderrädern
14 und 15 auf-die Hinterräder 16 und 17 erfolgen kann, wenn der Abrollumfang der
Vorderräder größer ist als der der Hinterräder, wird entsprechend Fig. 3 zusätzlich
eine Überholkupplung 21 in die Verbindung zwischen den Vorderrädern 14 und 15 und
Getriebe 2 eingebaut. Diese gestattet es, Leistung vom Getriebe 2 zu den Rädern
14 und 15 zu übertragen, aber nicht in umgekehrter Richtung. Die Drehzahl n 3' der
Welle 3' kann gleich oder größer sein als die Drehzahl n3 der Welle 3, aber nicht
kleiner.
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Bei nur einer Überholkupplung 20 wird vorgeschlagen, das Nennmaß für
den Abrollumfang der Hinterräder 16 und 17 etwas kleiner (1 - 3 %) auszuführen als
für die Vorderräder, so daß, wenn überhaupt, eine Leistungsübertragung von vorn
nach hinten erfolgt, diese erst bei größeren Toleranzen im Abrollumfang auftritt.
Das Fahrzeug läuft dabei zunächst wie ein vorderradangetriebenes Fahrzeug. Erst
mit steigender Antriebsleistung und steigendem Schlupf beteiligen sich die Hinterräder
an der Leistungsübertragung auf die Fahrbahn.
Der gleiche Effekt,
wie mit unterschiedlich gewähltem Abrollumfang,kann auch erreicht werden, wenn das
Getriebe 2 so ausgelegt wird, daß die Drehzahl n3 der Welle 3 etwas größer (1 -
3 %) gewählt wird als die Dreh-3 zahl n4 der Welle 4 Bei einer Antriebsanordnung,
bei der zwischen dem hinteren und vorderen Differential ein Mittendifferential eingebaut
ist, das aber gesperrt werden kann und dann so wirkt als wenn kein Mittendifferential
vorhanden wäre, sind die erfindungsgemäßen Merkmale von Vorteil.
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