DE4314797A1 - Regeleinrichtung für Ausgleichsgetriebe von Kraftfahrzeugen zur Verbesserung von Traktion und Fahrstabilität - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für Ausgleichsgetriebe von Kraftfahrzeugen zur Verbesserung von Traktion und Fahrstabilität.

Ausgleichsgetriebe (Differentiale) ermöglichen bei Kurvenfahrten unterschiedliche Drehzahlen der Antriebsräder zum Ausgleich der unterschiedlichen Längen der Radwege.

Liegen an den beiden Antriebsrädern unterschiedliche Reibwerte zwischen Reifen und Fahrbahn vor, so ist das übertragbare Moment durch den niedrigen Reibwert bestimmt.

Kommt ein Antriebsrad auf eine glatte Fläche (z. B. Sand, Eis, Wasser usw.), kann auch vom anderen Antriebsrad kein Moment mehr übertragen werden.

Es sind verschiedene Lösungen bekannt, um ein Durchdrehen eines Antriebrades durch fehlendes Stützmoment zu verhindern.

Dabei wird ein zusätzliches Stützmoment erzeugt, durch Abstützen des "durchdrehenden" Rades an einem zweiten Element.

Beim Sperrdifferential stützt sich das eine Antriebsrad am anderen Antriebsrad der gleichen Achse ab.

Bei der automatischen Antriebsschlupfregelung (ASR) wird das durchdrehende Rad abgebremst und damit am "stillstehenden Gestell" abgestützt.

Beide Lösungen haben den Nachteil, daß das Stützmoment von einem Element erzeugt wird, das immer (ASR = Bremse) oder zumindest bei Kurvenfahrten (Sperrdifferential) eine wesentlich andere Winkelgeschwindigkeit aufweist, als das sich abstützende Antriebsrad. Derartige Regeleinrichtungen können daher erst auf festgestellten Schlupf oder Momentenabfall reagieren.

Während bisherige Maßnahmen zur Regelung der Antriebskraft wie Vierradantrieb, Sperrdifferential oder Antriebsschlupfregelung vor allem dazu dienen, die Traktion, d. h. das Beschleunigungs- und Steigvermögen auch bei ungünstigen Fahrbahnbeschaffenheiten zu erhöhen, sollen zukünftige Maßnahmen auch die Fahrstabilität d. h. das Lenkverhalten, Lastwechselreaktionen und Bremsstabilität verbessern. Dabei sind zu einem Vierradantrieb parallel geschaltete, stufenlos verstellbare (CVT-Getriebe) vorgesehen (vgl. Frankfurter Allgemeine (FAZ 91 vom 20. 4. 93 S.T1 "Das Vier-mal- Vier gehört zum Einmaleins der Sicherheit").

Lösungen, die sich erst bei vorhandenem Schlupf oder Momentenabfall zeitlich verzögert oder unstetig zuschalten, sind dafür weniger gut geeignet. Vierradantriebe (erst recht solche mit parallel geschaltetem CVT-Getriebe) sind relativ teuer, aufwendig, voluminös und schwer und haben einen erhöhten Treibstoffverbrauch.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, erzeugt ein Stützmoment an einer Welle, die mit fast gleicher Winkelgeschwindigkeit wie das zu stützende Antriebsrad gedreht wird.

Damit entsteht schlupffrei und automatisch ohne jeden aktiven Regeleingriff auch bei Kurvenfahrten eine stufenlose Verteilung des Stützmomentes auf zwei oder mehr Fahrzeugräder.

Weiterhin kann durch aktiven Regeleingriff bei der erfindungsgemäßen Lösung die Fahrstabilität in Abhängigkeit von verschiedenen Variablen wie z. B. Fahrgeschwindigkeit und Lenkradeinschlag verbessert werden und das Antiblockiersystem ABS wesentlich vereinfacht werden.

Dies alles erfolgt über eine Einrichtung, die selbst bei schlechtem Wirkungsgrad nur eine minimale Leistung verbraucht, da nur bei Kurvenfahrten Leistung darüber fließt. Dabei ist diese Regelung bei Zwei- und Vierradantrieben realisierbar.

Dies wird dadurch erreicht, daß bei Fahrzeugen mit zwei oder mehr Achsen zwei der drei Wellen des Differentials einer angetriebenen Fahrzeugachse oder die beiden Wellen der Räder der angetriebenen Achse entweder mit zwei Wellen eines dreiwelligen Umlaufgetriebes mit der Drehzahlhauptgleichung n1-n2=z*n3 (ni=Drehzahl der Welle i; z=Bauverhältnis) oder mit der Welle und dem drehbar gelagerten Gehäuse einer hydraulischen Verdrängermaschine kraftschlüssig verbunden sind. Entweder ist die dritte Welle des Umlaufgetriebes mit der dritten Welle eines dreiwelligen Umlaufgetriebes mit der Drehzahlhauptgleichung n1-n2=k*n3 kraftschlüssig verbunden, dessen zwei andere Wellen mit den Wellen der Räder einer anderen Fahrzeugachse verbunden sind, oder es sind die beiden Anschlüsse der hydraulischen Verdrängermaschine mit den beiden Anschlüssen einer hydraulischen Verdrängermaschine verbunden, die ebenfalls drehbar gelagert ist und deren Welle und Gehäuse mit den Radwellen der anderen Fahrzeugachse kraftschlüssig verbunden sind.

Die Fig. 1-9 dienen der Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung.

Fig. 1 dient der Erläuterung der grundsätzlichen Eigenarten.

In Fig. 1 ist ein Vierradantrieb gezeigt, bei dem die Räder einer Fahrzeugseite zusätzlich über ein mechanisches Getriebe mit der Kardanwelle W2 miteinander verbunden sind.

Bei einem Fahrzeug mit einer Spurbreite 200 laufen die Außenräder einer Achse bei Fahrt durch eine Kurve, bei der das Innenrad auf einem Kreis mit Radius r läuft, auf einem Kreis mit Radius r+200. Die Drehzahl des Außenrades ist also das 1+200/r-fache der Drehzahl des Innenrades. Bei einem Kreis des Radius 695 dreht damit das Außenrad um fast 30% schneller als das Innenrad, bei einem Kreis des Radius 1200 noch immer um 17% schneller.

Die Radien der beiden (vorderes und hinteres) kurveninneren Räder unterscheiden sich auch bei engsten Kurven wesentlich weniger. Mit zunehmendem Kurvenradius verringert sich der Unterschied dieser beiden Kurvenradien, so daß die Drehzahlunterschiede zweier gleichseitiger Räder wesentlich geringer sind als die Drehzahlunterschiede der Räder einer Achse. Bei einem Kreis des Radius 695 dreht das innere Vorderrad um 11% schneller als das innere Hinterrad, beim Kreis des Radius 1200 nurmehr um 4% schneller.

In Fig. 1 ist daher eine Lösung gezeigt, bei der die Antriebswellen der angetriebenen Räder einer Fahrzeugseite über eine mit einer Kupplung K2 versehene Kardanwelle W2 verbunden sind.

Sinkt z. B. der Reibschluß zwischen kurveninnerem Hinterrad und Fahrbahn, erhöht er sich zwischen kurveninnerem Vorderrad und Fahrbahn. Ein Durchdrehen eines Antriebsrades ist daher nur möglich, wenn auch das andere Rad der gleichen Fahrzeugseite durchdreht.

Gegenüber bekannten Vierradantrieben hat man eine zusätzliche Kardanwelle und eine schaltbare Kupplung, die bei engen Kurven gelöst wird.

Kuppelt man jeweils die Vorderräder und die Hinterräder über ein Getriebe mit den Drehzahlhauptgleichungen:

nav-niv=(1+z)*n3v
nah-nih=(1+z)*n3h
nah, nav=Drehzahl Außenrad hinten (vorn)
nih, niv=Drehzahl Innenrad hinten (vorn)

und wählt für beide Getriebe gleiches z, dann gilt beim kleinen Kreis 1 mit Radius 695

n3h/n3v=(695+200-695)/(695+200+67-695-74)=1.04

und beim Kreis 2 mit Radius 1200

n3h/n3v=1.02

Die freien Wellen n3v und n3h unterscheiden sich in ihren Drehzahlen auch bei engsten Kurven um maximal 4%. Damit kann man mit Hilfe der Kopplung dieser beiden Wellen sehr gut einen Schlupf verhindern und die Fahrstabilität verbessern.

In Fig. 6 sind für ein Fahrzeug die Drehzahlunterschiede der Wellen, "die sich gegenseitig stützen", für ein Fahrzeug der Radstandslänge 2,5 m und der Spurbreite 1,5 m über dem Kurvenradius gezeigt.

Die Kurve "Sperrdifferential" zeigt die relativen Drehzahlunterschiede der Räder einer Achse, die Kurve "Längssperrung" zeigt die relativen Drehzahlunterschiede von Vorder- und Hinterrad der Kurveninnenseite.

Die Kurve "Abtriebsdrehzahlen Relativgetriebe" zeigt die Drehzahlunterschiede der bei der erfindungsgemäßen Lösung zu koppelnden Wellen des "Relativgetriebes".

In der deutschen Patentanmeldung P 39 24 548.9 ist ein dreiwelliges aus zwei Planetengetrieben des gleichen Bauverhältnisses-z zusammengesetztes Getriebe beschrieben, welches eine Drehzahlgleichung der Drehzahlen ni der drei drehbaren Wellen 3, 8, 9 hat der Form n9-n3=(1-z) * n8. Ein derartiges Getriebe ist in Fig. 2 gezeigt und wird nachfolgend stets Relativgetriebe genannt.

Das erste Planetengetriebe besteht aus dem Sonnenrad 3, dem aus dem Gehäuse 4 gebildeten Steg mit den Planetenrädern 5 und dem innenverzahnten Zahnring 6.

Für dieses Getriebe gilt die Drehzahlgleichung:

(n3-0)/(n6-0)=-z

Das zweite Planetengetriebe besteht aus dem Sonnenrad 9, dem Steg 8 mit den Planetenrädern 7 und dem Zahnring 6.

Auch für dieses Planetengetriebe gilt die Drehzahlhauptgleichung:

(n9-n8)/(n6-n8)=-z

Dann folgt mit n6=-n3/z: n9-n3=(1+z)*n8

Man beachte, daß wenn die Wellen 9 und 3 gleiche Drehzahl haben (bei einem Fahrzeug haben die Räder der linken und rechten Fahrzeugseite bei Geradeausfahrt gleiche Drehzahl) der Steg 8 und damit die dritte Welle des Getriebes steht.

Anhand der Fig. 3 soll die erfindungsgemäße Anwendung eines derartigen Relativgetriebes zur Differentialregelung an einem Zweiradantrieb beschrieben werden.

Am Differential 15 des Fahrzeugs sitzt ein erstes Relativgetriebe 14 mit der Drehzahlhauptgleichung n17-n18=(1+z)*n19, dessen erste Welle 17 drehfest mit dem Differentialsteg verbunden ist und dessen zweite Welle 18 drehfest mit der Welle des linken Antriebsrades verbunden ist.

Die dritte Welle 19 ist über ein Getriebe 20 kraftschlüssig mit der dritten Welle 24 eines ebensolchen Relativgetriebes mit der Drehzahlgleichung:

n25-n26=k*n24

verbunden.

Die Wellen 25 und 26 sind drehfest mit den Wellen 22 und 21 der ungetriebenen Fahrzeugräder verbunden.

Bei Geradeausfahrt drehen die Wellen 17 und 18 und 26 und 25 mit gleicher Drehzahl.

Dann stehen die Wellen 19 und 24 und es fließt keine Leistung über das Getriebe 20.

Wählt man die Übersetzung des Getriebes 20 so, daß bei einer Drehung der Welle 19 die Welle 24 zweimal dreht, dann ist auch bei engen Kurven ein Drehzahlunterschied von unter 5% der beiden Wellen 19 und 20 gegeben, der innerhalb der zulässigen Schlupftoleranz liegt.

Ein Abweichen der Drehzahl eines Rades von der Drehzahl schlupffreien Abrollens ist sowohl bei Geradeausfahrt, wie auch bei Kurvenfahrten nur möglich, wenn auch das ungetriebene Rad der gleichen Fahrzeugseite von dieser Drehzahl abweicht oder aber auch das andere Antriebsrad durchrutscht.

Das Getriebe 20 steht bei Geradeausfahrt und dreht bei Kurvenfahrten nur mit geringen Drehzahlen. Es fließt also nur eine geringe Leistung darüber.

Daher kann ein einfaches, unverstellbares Hydraulikgetriebe mit z. B. zwei Innenzahnradmaschinen eingesetzt werden, um die Kardanwelle zu vermeiden und um zusätzliche Regelmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Differentialregelung zu erlauben.

Dies ist in Fig. 4 gezeigt. Wie in Fig. 3 wird am Differential 30 ein Relativgetriebe 31 angeordnet, bei dem zwei Wellen vom Differentialsteg 32 und der Welle 33 eines Fahrzeugrades gedreht werden. Die dritte Welle dreht eine erste Innenzahnradpumpe 35. An der ungetriebenen Achse sitzt ebenfalls ein Relativgetriebe 36, dessen zwei Wellen 37, 38 von den Wellen der ungetriebenen Fahrzeugräder gedreht werden und dessen dritte Welle eine zweite Innenzahnradpumpe 39 bildet mit halb so großem Fördervolumen pro Umdrehungen wie die erste Zahnradpumpe 35.

Die beiden Anschlüsse der Pumpen 35 und 39 sind über die Leitungen 40 verbunden.

Die maximalen Unterschiede der Fördermengen der Pumpen von unter 4% liegen im Bereich der Leckverluste. Eine aktive Regelmöglichkeit des Hydraulikkreises ist daher nicht notwendig.

Zum Ausgleich von Lastschwankungen ist ein Hydrospeicher 42 als Federelement eingebaut und als Überlastschutz Druckventile 41.

Will man aber dennoch aktiv in den Regelkreis eingreifen, um durch bestimmte Maßnahmen die Fahrstabilität und das Lenkverhalten zu verbessern, kann man dies mit Hilfe einer Verstellpumpe z. B. an der Vorderachse erreichen, die durch den Lenkradeinschlag verstellt wird.

In Fig. 4 ist eine andere Regelmöglichkeit vorgesehen:
Wählt man die Fördermenge pro Umdrehung der Pumpe an der Achse der Vorderräder so, daß sie bei Kurvenfahrten etwas mehr Öl nach hinten drückt, als die hintere Pumpe ansaugt, dann entsteht je nach Einstellung der Drossel 43 an der Vorderachse eine Kraft, die der Relativdrehung der beiden Vorderräder entgegengewirkt, also untersteuernd wirkt, an der Hinterachse wird aber die Relativverdrehung der beiden Räder verstärkt. Dies ergibt einen ähnlichen Effekt wie Vierradlenkungen mit einem geringen gleichsinnigen Einschlag der beiden Hinterräder durch eine scheinbare Radstandsverlängerung.

Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Lösung bei einem Vierradantrieb. Auch dort kann die Hydraulik die Fahrstabilität noch verbessern.

Man beachte, daß die Lösung der Fig. 3 und 4 keinen Vierradantrieb darstellt. Bei Geradeausfahrt ohne Schlupf eines Antriebsrades fließt keine Leistung über die Hydraulik.

In Fig. 7 eine einfachere Lösung gezeigt, die wohl nur bei Vorderradantrieben Sinn macht. Hier ist die freie Welle eines Relativgetriebes 69 an der Vorderachse mit einer Hydraulikpumpe 70 verbunden, deren Druckseite mit einer durch ein verstellbares Strömungsventil 71 versehenen Hydraulikleitung mit ihrer Saugseite verbunden ist.

Das Strömungsventil 71 kann z. B. in Abhängigkeit von:

- Fahrgeschwindigkeit
- Lenkwinkel
- Drehzahl der Pumpe 70
- und Druck vor dem Ventil 71

geregelt werden.

Damit hat man eine aktiv geregelte Vorderachse bzw. ein aktiv geregeltes Differential, mit der ein Übersteuern auch in Grenzsituationen vermieden werden kann.

In Fig. 8 ist die günstige Vereinfachung eines Antiblockiersystems (ABS) mit der erfindungsgemäßen Regelung gezeigt. Die beiden Bremskreise B1 und B2, die die diagonalen Räder verbinden, sind mit je einer Leitung, die durch den Kolben des Regelventils RV versperrt ist, mit einem Niederdruckraum verbunden.

Die beiden Getriebeleitungen G1 und G2 können mit Hilfe eines Wegeventils bei Betätigung der Bremse mit der linken und rechten Kolbenfläche des Steuerkolbens im Regelventil RV verbunden werden.

Wird nun gebremst und droht eines der Vorderräder zu blockieren, wird die Pumpe der Vorderachse stärker gedreht als die Pumpe der Hinterachse. Entsprechendes gilt, wenn eines der Hinterräder zu blockieren droht, für die Pumpe der Hinterachse.

In jedem Fall steigt dadurch der Druck in der Getriebeleitung G1 oder G2 und verschiebt damit den Regelkolben in RV. Dadurch wird der Bremsdruck in B1 oder B2 gesenkt und das blockierte Rad wieder freigegeben.

Nur für den Fall, daß zwei Räder gleichzeitig blockieren und die anderen beiden Räder gleiche Winkelgeschwindigkeit haben, ist diese Regelung außer Kraft gesetzt.

Zur Vermeidung, daß die Räder einer Seite oder die Räder der Vorderachse gleichzeitig blockieren sind die Sensoren SL und SR vorgesehen, mit denen die Winkelgeschwindigkeit der Vorderräder gemessen wird.

Erst bei zu großem Geschwindigkeitsabfall eines der beiden Vorderräder VL oder VR greift das Regelorgan BR1 bzw. BR2 ein und senkt den Bremsdruck dieses Rades.

Danach arbeitet wieder die Regelung über das Ventil RV. Damit ist diese Regelung auch bei Bremsen in Kurven wirksam.

In Fig. 9 ist eine andere Methode der hydraulischen Regelung angedeutet.

Hierbei kann auf das Umlaufgetriebe verzichtet werden, dafür ist aber eine besondere Hydraulik erforderlich.

Am Steg des Differentials 90 ist ein erstes Zahnrad 91 fest, welches den Anschluß und damit das innere Zahnrad 94 einer Innenzahnradpumpe dreht.

An der Welle des rechten Fahrzeugrades ist ein zweites Zahnrad 92 fest, welches das drehbar gelagerte Gehäuse 93 mit dem Zahnring 95 der Innenzahnradpumpe dreht.

Bei Geradeausfahrt haben inneres Zahnrad 94 und Gehäuse 93 der Innenzahnradpumpe gleiche Winkelgeschwindigkeit. Sie werden daher nicht zueinander verdreht und daher fördert die Innenzahnradpumpe nicht.

Erst wenn bei Kurvenfahrten eine Relativverdrehung der Innenzahnradpumpe auftritt, fließt ein Förderstrom zwischen den beiden Anschlüssen 96, 97 der Pumpe. Mit Hilfe des Drosselventils 98 kann somit das Differential genausogut wie in Fig. 7 geregelt werden.

Claims (5)

1. Regeleinrichtung für eine Fahrzeugachse oder ein Ausgleichsgetriebe (Differential) von Fahrzeugen mit vier oder mehr Rädern und zwei oder mehr Achsen,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei der drei Wellen des Differentials einer Fahrzeugachse oder die beiden Wellen der Räder einer Fahrzeugachse
entweder mit zwei Wellen 17, 18; 25, 26; 32, 33; 37, 38; eines dreiwelligen Umlaufgetriebes 14; 24, 25, 26; 31; 36; 69; mit der Drehzahlhauptgleichung na-nb=k*nc (na=Drehzahl der ersten Rad- oder Differentialwelle; nb=Drehzahl der zweiten Rad- oder Differentialwelle; nc=Drehzahl der dritten Welle des Umlaufgetriebes; k=konstantes Bauverhältnis) kraftschlüssig verbunden sind und die dritte Welle 19; 24; 35; 39; dieses Getriebes kraftschlüssig mit einem Element 20; 35, 39, 40; 70, 71; zum Regeln der Drehzahl oder des Drehmoments dieser Welle verbunden ist,
oder mit der Anschlußwelle 94 und einem Anschluß zum drehbar gelagerten Gehäuse 93 einer hydraulischen Verdrängermaschine kraftschlüssig so verbunden ist, daß nur bei Relativverdrehung der Fahrzeugräder zueinander die hydraulische Verdrängermaschine fördert und durch Regelung des Hydraulikstroms das Drehmoment oder die Relativverdrehung der Fahrzeugräder beeinflußt werden kann.

2. Regeleinrichtung unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Radwellen oder zwei Differentialwellen der anderen Fahrzeugachse
entweder ebenfalls mit den Wellen eines Umlaufgetriebes mit der Drehzahlhauptgleichung na-nb=k*nc verbunden sind und eine kraftschlüssige Verbindung 20; 35, 39, 40; zwischen den beiden freien Wellen der beiden Umlaufgetriebe 14, 24, 25, 26; 31, 36; besteht
oder mit der Anschlußwelle und dem drehbar gelagerten Gehäuse einer zweiten hydraulischen Verdrängermaschine kraftschlüssig verbunden sind und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Anschlüssen der beiden Verdrängermaschinen besteht.

3. Regeleinrichtung unter Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Umlaufgetrieben ein mechanisches oder hydraulisches Getriebe 35, 39, 40, 41, 42, 43 ist.

4. Regeleinrichtung unter Patentanspruch 1-3, bei der ein hydraulisches Getriebe 35, 39, 40, 43; 70, 71; an der freien Welle des Umlaufgetriebes 31, 36; 69, angeschlossen ist oder die aus einem hydraulischen Getriebe 93, 94, 95, 96, 97, 98; besteht dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Regelung des hydraulischen Getriebes durch eine verstellbare Verdrängermaschine oder ein verstellbares Drosselventil 43; 71; 98; möglich ist.

5. Regeleinrichtung unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenzen in den Leitungen G1, G2 des hydraulischen Getriebes bei Bremsvorgängen zur Regelung des Antiblockiersystems genutzt werden.