DE3840783C1 - Parking and manoeuvring aid for motor vehicles - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Parkier- und Manövrierhilfe, die für Kraftfahrzeuge einen speziellen Rangierbetrieb für besonders flexibles und wendiges Manövrieren auf engstem Raum ermöglichen soll, und zwar im wesentlichen durch Umschaltung(en) im mechanischen Triebwerks- (Getriebe-)System des entsprechend ausgerüsteten Kfz. Dadurch sollen u. a. seitliche Parallelverschiebungsbewegungen des Kfz (Ausführungsbeispiele: Fig. 1, 2, 7 und 8), Drehbewegungen des Kfz auf der Stelle mit geringst­ möglichem Wendekreisdurchmesser (Fig. 3, 5 und 6) oder zum mindesten Schwenkbewegungen des Kfz-Bugs mit stark verkleinertem Wendekreis (Fig. 4 und 9) ermöglicht werden.

Derartige Fähigkeiten eines Kfz sind bekanntlich nicht nur für Hindernis- oder Geländefahrten, sondern auch im normalen Straßenverkehr höchst wünschenswert, z. B. für die zügige Nutzung knapper Parkflächen. Kfz-Lenker geraten insbesondere beim Ein- und Ausparken immer wieder in Situationen, die diffizile Rangiermanöver auf engstem Raum erfordern. Als besonders gravierende Beispiele seien genannt

das seitliche Einparken in eine enge, gerade eben der Fahrzeuglänge entsprechende Nische,
oder das Ausparken aus einer ebenso kurzen Parklücke längs zum Fahrbahnrand, wenn benachbarte Fahrzeuge unter Nichteinhaltung der erforderlichen Mindestabstände Stoßstange an Stoßstange eingeparkt wurden,
oder das Ausparken aus einer engen Parklücke beim Parken quer zum Fahrbahnrand oder auf Parkplätzen ohne Parkflächenmarkierungen, wenn der von anderen Fahrzeugen freigelassene Raum hinter dem Fahrzeugheck kaum gerade eben einer Fahrzeuglänge entspricht.

Obwohl so enge Parklücken wegen der entstehenden Behinderungen an sich unzulässig sind, gehören sie gleichwohl zum Großstadt-Alltag und stellen oft erhebliche Anforderungen an die Routine des Fahrzeuglenkers bzw. werden zum Alptraum für den weniger geübten Fahrer. In solchen Fällen müßte dann nämlich nach der herkömmlichen Methode das auszuparkende Kfz zentimeterweise mit wechselnden Lenkeinschlägen vor- und zurückgesetzt werden, noch dazu nicht selten bei einer nur unvollkommenen Übersicht über das Fahrzeugheck und häufig obendrein noch unter Zeitdruck, wenn nämlich durch den Rangiervorgang der fließende Verkehr behindert wird.

Es hat nicht an vielfältigen Bemühungen und Versuchen gefehlt, diesem Übelstand abzuhelfen und Kfz mit Rangiervorrichtungen zu versehen, die eine Verringerung des Wendekreisdurchmessers gestatten, im Idealfall sogar ein Drehen des Kfz auf der Stelle oder eine Seitwärtsbewegung (Parallel­ bewegung) quer zur Längsachse des Kfz. Nach dem Stand der Technik erfordern solche Rangiermöglichkeiten entweder statt der üblichen Räder Spezialräder bzw. andere spezielle Bodenberührungselemente (z. B. gemäß dem Schweizer Patent Nr. 5 40 811, siehe weiter unten Seite 3, vorletzter Absatz) oder - bei den hier allein interessierenden Straßenfahrzeugen mit normal bereiften Rädern - zuschaltbare Zusatzräder oder Hub-Wende-Vorrichtungen. Bei den bisher bekannt gewordenen Vorschlägen dieser Art erfordert die Realisierung aber einen zu großen technischen und kostenmäßigen Aufwand, müssen diese Hilfsvorrichtungen doch in der Regel hydraulisch aktiviert werden und mit speziellen Antriebsmechanismen versehen sein. Solche Vor­ richtungen haben sich deshalb in der Praxis bisher nicht durchsetzen können.

Demgegenüber will die vorliegende Erfindung dieses Problem des Rangier­ betriebes auf engstem Raum mit einfacheren Mitteln ohne derartige spezielle Rangiervorrichtungen und nach Möglichkeit überhaupt ohne grundsätzliche Änderungen am Fahrwerk lösen, nämlich allein mit den vier normal bereiften Rädern. Dabei wird z. B. auch für Pkw möglichst auf eine weitere Vergrößerung des maximalen Lenkeinschlagwinkels der Vorderräder verzichtet, weil eine solche Vergrößerung konstruktiv mit unverhältnismäßig großem Aufwand und beispielsweise bei Pkw mit unvermeidlichen Nachteilen für die Platzverhältnisse im Fahrgast- und Motorraum verbunden wäre. Ansonsten soll dabei der gewichtsmäßige Aufwand für die Anwendung der Erfindung nach Möglichkeit höchstens nur einige Tausendstel des Kfz- Leergewichtes betragen.

Die Erfindung beruht auf folgendem Grundgedanken, der allerdings zunächst das freie Abrollen der angetriebenen Räder in Frage stellt und deshalb gegen grundlegende kinematische Gesetze zu verstoßen scheint, und der somit auf den ersten Blick abwegig zu sein scheint:

Wenn man ein einem vierrädrigen Kfz, das vorzugsweise über Allradantrieb und auch Allradlenkung, mindestens aber über zwei lenkbare Antriebsräder verfügt, durch eine Umschaltung im Getriebesystem die Vorder- und die Hinterräder in unterschiedlicher Drehrichtung (!) antreibt, also mit Drehzahlübersetzungen unterschiedlichen Vorzeichens versieht, wirken die parallel zur Kfz-Längsachse gerichteten Traktionskraft­ komponenten F _x (Längskräfte) der Vorderräder und der Hinterräder nunmehr gegeneinander und heben sich bei geeigneter Drehmoment­ aufteilung sogar gegenseitig auf (Fig. 1); als Resultierende der auf das Kfz einwirkenden Traktionskräfte bleiben dabei dann im wesentlichen nur die seitlichen, quer zur Kfz-Längsachse wirkenden Komponenten F _y (Seitenkräfte) der eingeschlagenen Antriebsräder übrig, und mit deren Hilfe können dann die Antriebsachsen entsprechend quer zur Kfz-Längsachse traktiert werden. Auf diese Weise wird es möglich, ohne daß irgendwelche sonstigen speziellen Rangiervorrichtungen erforderlich sind, das Kfz mit Allradantrieb, Allradlenkung und üblichem Fahrwerk durch Erzeugung bestimmter Lenkeinschläge entweder parallel zu seiner Längsachse seitwärts zu versetzen (Fig. 1 und 2) oder aber auf der Stelle um eine Hochachse zu drehen (Fig. 3). Zum mindesten aber kann das Kfz, wenn es nur über Frontantrieb und/oder Vorderradlenkung verfügt, mit dem Bug um die Hinterachse als Drehpunkt geschwenkt werden (Fig. 4).
Analoge Wirkungen können auch dadurch erzielt werden, daß statt der Vorder- und der Hinterräder die rechten und die linken Antriebsräder mit unterschiedlichen Drehrichtungen (!) angetrieben werden (Fig. 5-9), insbesondere wenn gleichzeitig auch noch gegensinnige Lenkeinschläge für linke und rechte Räder bzw. Antriebsräder realisiert werden können (Fig. 6-9), z. B. mittels einer servomotorischen Spurstangen-Längen­ verstellung, wie sie beim Anwendungsbeispiel 4 erläutert wird.

Ein ähnliches Antriebssystem mit analogen Manövriermöglichkeiten ist bereits in der Schweizer Patentschrift Nr. 5 40 811 (Priorität von 1970) vorgeschlagen worden, jedoch nur für Spezialfahrzeuge mit vier eigens dafür konstruierten Walzen mit schraubenförmigen Bodenberührungselementen oder mit vier Antriebsrädern, die längs ihres Umfanges kleine schräggestellte drehbare Scheiben oder Rollen tragen, wobei alle Fahr- und Drehmanöver ausschließlich durch Variation der Drehzahl und der Drehrichtung der vier Antriebselemente erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung verwendet demgegenüber die normal gummibereiften und vor allem lenkbaren Kfz-Antriebsräder und gewährleistet damit für gewöhnliche Straßenfahrzeuge folgende Eigenschaften:

Durch die oben genannten Maßnahmen kann der Wendekreisdurchmesser bei Kfz mit Vierradantrieb bis auf das absolut mögliche Minimum, nämlich unge­ fähr die Fahrzeuglänge, verringert werden, zum mindesten aber bei Fahrzeugen mit Frontantrieb so weit, daß der Wendekreisdurchmesser höchstens nur noch etwa um den Radstand größer als die Fahrzeuglänge ist.

Für das Drehen des Kfz auf der Stelle ist es dabei unter bestimmten Voraussetzungen durch geeignete gegensinnige Lenkeinschläge für rechte und linke Räder sogar möglich, ein freies Abrollen der Räder ohne Radieren auf dem Fahrbahnuntergrund zu gewährleisten (Fig. 6). Die Wendigkeit und Manövrierfähigkeit des Kfz kann durch die Erfindung entscheidend verbessert bzw. sogar optimiert werden, und zwar nicht nur durch das Wenden auf engstem Raum, sondern insbesondere auch durch die Möglichkeit, das Kfz parallel zu seiner Längsachse zu versetzen. Diese Möglichkeit dient nicht nur der Bequemlichkeit der Fahrer der so ausgestatteten Kfz, sondern ist volkswirtschaftlich auch für die Allgemeinheit vorteilhaft, weil sie die zügigere und effektivere Nutzung von beschränkten Parkflächen ermöglicht und dabei auch die Schadenshäufigkeit reduziert, u. a. weil beim Ein- und Ausparken der fließende Verkehr ggf. nur noch ganz kurzzeitig behindert und nicht mehr durch Rückwärts-Einparken irritiert wird.

Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für vierrädrige Kfz mit mindestens zwei lenkbaren Antriebsrädern, insbes. für Pkw, Nutzfahrzeuge, Omnibusse oder Geländefahrzeuge mit Allradantrieb und Allradlenkung. Allradantrieb und Allradlenkung sind keineswegs unbedingt Voraussetzung für die Anwendung der Erfindung; es ergibt sich jedoch bei vierrädrigen Kfz, für deren Ausstattung bereits Vierradantrieb und ggf. sogar Vierradlenkung vorgesehen ist, u. U. ein besonders geringer Mehraufwand für die besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung, z. B. mit lediglich einem zusätzlichen Wendegetriebe und einer servomotorischen Spurstangen-Längenverstellung. Die Erfindung kann aber mit gleich geringem Mehraufwand, jedoch mit nicht so vielseitiger Rangierfähigkeit, auch bei Kfz nur mit Frontantrieb und/oder nur mit Vorderradlenkung angewandt werden. (Im Prinzip ist es auch denkbar, die Erfindung auf einspurige Fahrzeuge anzuwenden. Dies würde beispielsweise auf ein zweirädriges "Kraftrad mit Zweiradantrieb und Ein- oder Zweiradlenkung" ohne jede praktische Bedeutung hinauslaufen, kann aber bei der theoretischen Untersuchung der auftretenden grundlegenden Traktionsprobleme dazu benutzt werden, die notwendigen Berechnungen auf ein Minimum zu reduzieren).

Da sich am Beispiel eines vierrädrigen Kfz mit Allradantrieb und Allrad­ lenkung sämtliche überhaupt nur möglichen Komponenten der Traktionskräfte eines vierrädrigen Kfz am einfachsten darstellen und übersehen lassen, soll zunächst im Anwendungsbeispiel 1 von einem solchen Kfz ausgegangen werden, und zwar zunächst mit gegensinniger Lenkung der Vorder- und Hinterräder, so daß seitliche Parallelverschiebungsbewegungen für das Kfz (Fig. 1 und 2) ermöglicht werden.

Anwendungsbeispiel (Kfz mit Vierradantrieb und Vierradlenkung, Hinterräder gegensinnig zu den Vorderrädern angetrieben und gelenkt, Fig. 1-2)

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung schematisch zunächst in der einfachsten Form und veranschaulicht dabei das Zusammenwirken aller Traktionskräfte (Antriebskräfte) am Fahrwerk. F _a ₁, F _a ₂, F _a ₃ und F _a ₄ sind dann bei dem erfindungsgemäß durchgeführten Rangierbetrieb die statischen Traktionskräfte der einzelnen Räder; sie wirken jeweils in Richtung der Radebenen, gegeben durch die jeweiligen Lenkeinschläge, wobei die Vorderräder bei eingelegtem erstem Gang des Schaltgetriebes in Vorwärts­ richtung, die Hinterräder erfindungsgemäß entgegengesetzt, also bei eingelegtem erstem Gang in Rückwärtsrichtung angetrieben werden sollen. Die Vorderräder werden mit 1 (rechtes Vorderrad) und 2 (linkes Vorderrad), die Hinterräder mit 3 (linkes Hinterrad) und 4 (rechtes Hinterrad) bezeichnet. Erst später beim Anwendungsbeispiel 4 (Seite 35) wird näher erläutert, wie die Lenkeinschläge auch für die Hinterräder 3 und 4 für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb bewirkt werden können, z. B. mittels servomotorischer Spurstangen-Längenverstellung, und zwar evtl. betragsmäßig auch größere Lenkeinschlagswinkel als bei normaler Vierradlenkung für die Hinterräder (Hinterrad-Zusatzlenkung) üblich.

Des weiteren sind in Fig. 1 die verschiedenen Teile des Getriebesystems schematisch dargestellt: Durch das Verteilergetriebe (Mittendifferential) 5 erfolgt die Verteilung des Antriebsdrehmoments M _A auf Hinter- und Vorderachse (M _Ah , M _Av ) in einem bestimmten Verhältnis m _hv (= M _Ah /M _Av ); zur Erzeugung einer Drehrichtungsumkehr für die Hinterräder 3, 4 beim speziellen Rangierbetrieb ist dieses Verteilergetriebe 5 erfindungsgemäß durch ein zusätzliches Wendegetriebe ergänzt, das auch von vornherein vollständig in das Verteilergetriebe 5 integriert sein kann. Näheres dazu wird weiter unten auf Seite 20 ff. ausgeführt. Ferner zeigt Fig. 1 schematisch das Vorderachsdifferential 6, mit dem das Vorderachs-Antriebs­ drehmoment M _Av auf das rechte Vorderrad 1 und das linke Vorderrad 2 nominell im Verhältnis 1 : 1 (F _a ₁ = F _a ₂ = F _av ) aufgeteilt wird, und schließlich das Hinterachsdifferential 7, mit dem das Hinterachs-Antriebs­ drehmoment M _Ah auf das linke Hinterrad 3 und das rechte Hinterrad 4 nominell im Verhältnis 1 : 1 (F _a ₃ = F _a ₄ = F _ah ) aufgeteilt wird. Die Differentiale 5, 6 und 7 gleichen dabei die unterschiedlichen Raddrehzahlen aus, die durch Lenkeinschläge, durch Kurvenfahrten usw. zustande kommen.

Die vorstehenden Feststellungen und die daraus abgeleiteten folgenden Formelbeziehungen gelten unter der Voraussetzung, daß Reibungsverluste in den Differentialen 5, 6 und 7 vernachlässigt werden können, und daß bei dem gegebenen Fahrbahnuntergrund keines der Räder durchzudrehen beginnt und die ggf. vorhandenen Differentialsperren (z. B. im Hinterrad­ differential 7) zunächst nicht aktiviert werden.

Für die Darstellung in Fig. 1 wurde angenommen, daß die Vorderräder 1, 2 nach links (im mathematisch positiven Drehsinn) eingeschlagen sind; die zugehörigen Lenkeinschlagwinkel δ₁, δ₂ (<0) für beide Vorderräder unterscheiden sich nur um den Lenkdifferenzwinkel (Spurdifferenzwinkel). Der Lenkdifferenzwinkel wird in der Zeichnung und teilweise auch in den folgenden Berechnungen vernachlässigt, indem δ₁ = δ₂ = δ _v angenommen wird, wobei δ _v dann annähernd der mittlere Lenkwinkel der Vorderräder ist. Auf die Berücksichtigung der Lenkdifferenzwinkel kann ohnehin ohne Fehler verzichtet werden, wenn Lenkausschläge künstlich durch servo­ motorische Spurstangen-Längenverstellung erzeugt werden, wie sie grund­ sätzlich für alle Ausführungsbeispiele möglich ist (siehe Ausführungs­ beispiel 4). Die Summe der beiden Vorderrad-Antriebskräfte F _a ₁ und F _a ₂, d. h. die gesamte Vorderachs-Antriebskraft F _Av , hat - ggf. unter Berück­ sichtigung des Lenkdifferenzwinkels - den Winkel w _v . Die Vorderräder 1, 2 werden bei normaler Vierradlenkung bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten in der Regel gegensinnig zu den Hinterrädern 3, 4 gelenkt; auch für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb auf engstem Raum, nämlich für den hier zunächst in Fig. 1 dargestellten Parallelverschiebungsbetrieb in y-Richtung, d. h. quer zur x-Richtung (Richtung der Kfz-Längsachse, normale Geradeaus- Fahrtrichtung) sind die Hinterräder gegensinnig zu den Vorderrädern 1, 2, d. h. hier nach rechts (im mathematisch negativen Drehsinn), ein­ geschlagen. Dabei unterscheiden sich die zugehörigen Lenkeinschlagwinkel δ₃, δ₄ (<0) für beide Hinterräder ebenfalls ggf. nur um den zugehörigen Lenkdifferenzwinkel, der aus den genannten Gründen in den folgenden Berechnungen teilweise vernachlässigt wird. Die Summe der beiden Hinterrad- Antriebskräfte F _a ₃ und F _a ₄, d. h. die gesamte Hinterachs-Antriebskraft F _Ah , hat dann den Winkel δ _h ; dieser entspricht annähernd dem mittleren Lenkeinschlagwinkel der Hinterräder.

Aus Fig. 1 ergeben sich dann im wesentlichen folgende in den Reifen­ aufstandsflächen der Räder 1, 2, 3, 4 auf das Kfz einwirkende Rad-Antriebs­ kräfte F _a ₁, F _a ₂, F _a ₃, F _a ₄ (mit DIN-gemäßen Bezeichnungen:

F _a ₁ = F _a ₂ = F _av statische Traktionskräfte der Vorderräder 1, 2 (in Richtung der Radebenen (δ₁, δ₂) wirkend),
F _Av resultierende statische Vorderachsantriebskraft (in Richtung des Winkels δ _v wirkend), zerlegbar in
F _xv = F _x ₁ + F _x ₂ Längskraft (in x-Richtung, Kfz-Längsachse),
R _yv = F _y ₁ + F _y ₂ Seitenkraft (in y-Richtung, quer zur x-Achse),
F _a ₃ = F _a ₄ = F _ah statische Traktionskräfte der Hinterräder 3, 4 (in Richtung der Radebenen (δ₃, δ₄) wirkend),
F _Ah resultierende statische Hinterachsantriebskraft (in Richtung des Winkels δ _h wirkend), zerlegbar in
F _xh = F _x ₃ + F _x ₄ Längskraft (in x-Richtung, Kfz-Längsachse),
F _yh = F _y ₃ + F _y ₄ Seitenkraft (in y-Richtung, quer zur x-Achse).

Hinzu kommen, insbesondere bei Gleiten oder Radieren der Räder, Reibungs­ kräfte an den Radaufstandsflächen, die entgegen der Radierbewegung gerichtet sind; diese Reibungskräfte sind in die Skizze Fig. 1 nicht eingezeichnet. Sie wirken z. B. bei dem in y-Richtung stattfindenden Parallel­ verschiebungsbetrieb, wie er hier zunächst betrachtet wird, mit ihrer Resultierenden entgegen der y-Richtung (nach rechts, bezogen auf die in x-Richtung weisende Sitzposition des Fahrers) und wirken sich dadurch auf eine Parallelverschiebungsbewegung des Kfz in y-Richtung hemmend aus; sie werden weiter unten (Seiten 13ff.) näher analysiert. Im folgenden werden alle Traktionskraftkomponenten F _x , F _y in x-Richtung (vorwärts) und in y-Richtung (nach links) als positiv, entgegengesetzte Kraftkomponenten (nach rückwärts bzw. nach rechts) als negativ gezählt. Das für den Rangierbetrieb notwendige Drehmomentverhältnis

m _hv = M _Ah /M _Av = F _ah /F _av

zwischen Hinter- und Vorderachse soll erfindungsgemäß für die Ausführungs­ beispiele 1-2 negativ sein (m _hv <0), weil bei diesen das Hinter­ achs-Antriebsdrehmoment M _Ah und das Vorderachs-Antriebsdrehmoment M _Av wegen der unterschiedlichen Drehrichtungen für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb auf engstem Raum unterschiedliche Vorzeichen haben sollen.

Der Radstand I ist der Abstand von der Vorderachsmitte 6 bis zur Hinter­ achsmitte 7, die Spurweite b ist DIN-gemäß der Abstand von der rechten Radebene zur linken Radebene (bei Geradeausfahrt), wobei Unterschiede zwischen der Spurweite der Vorder- und der Hinterachse hier nicht berücksichtigt werden sollen, da sie insbesondere beim Pkw meist nur wenige Millimeter oder Zentimeter betragen. Vernachlässigt werden für die folgenden idealisierten Prinzipdarstellungen der Einfachheit halber auch die Einflüsse von Sturz, Spreizung, Nachlauf usw., ferner zum Teil auch der Lenk­ differenzwinkel, wenn dies der Übersichtlichkeit der Formelbeziehungen dient.

Für die Traktionskräfte ergibt sich beim erfindungsgemäßen Rangierbetrieb eine resultierende Längskraftkomponente in x-Richtung

Σ F _x = F _x ₁ + F _x ₂ + F _x ₃ + F _x ₄
= F _av ((cosδ₁ + cosδ₂) + m _hv (cosδ₃ + cosδ₄))

und eine resultierende Querkraftkomponente in y-Richtung

Σ F _y = F _y ₁ + F _y ₂ + F _y ₃ + F _y ₄
= F _av ((sinδ₁ + sinw₂) + m _hv (sinδ₃ + sinδ₄)),

worin m _hv <0 ist.

Addiert man nun sämtliche auf das Kfz wirkenden Traktionskräfte F _a ₁ + F _a ₂ = F _Av , F _a ₃ + F _a ₄ = F _Ah vektoriell, so ergibt sich, bezogen zunächst im Symmetriefall auf den Radstandmittelpunkt 8 als Bezugspunkt, eine resultierende Antriebskraft F _Ages , die im Winkel ε zur x-Achse bzw. zur Kfz- Längsachse angreift:

tan ε = Σ F _y / Σ F _x
= (sinδ₁ + sinδ₂) + m _hv (sinδ₃ + sinδ₄) / (cosδ₁ + cosδ₂) + m _hv (cosδ₃ + cosδ₄)
= ca. (sinδ _v + m _hv sinw _h ) / (cosδ _v + m _hv cosδ _h ).

Außerdem ergibt sich durch die Traktionskräfte ein auf das Kfz-Fahrgestell einwirkendes Drehmoment um eine Hochachse durch den Radstandmittelpunkt 8, der häufig auch annähernd im Bereich des Fahrzeugschwerpunkts liegt,

M(8) _ges = F _av (b/2 ((cosδ₁ - cosδ₂) - m _hv (cosδ₃ - cosδ₄))
+ I/2 ((sinδ₁ + sinδ₂) - m _hv (sinδ₃ + sinδ₄))).

Die Kräfte (Skalarwerte) F _a ₃, F _a ₄, F _ah sowie die zugehörige F _xh -Komponente für die Hinterräder haben im vorliegenden Beispiel (Fig. 1) wegen der gegenläufigen Drehrichtung der Hinterräder negatives Vorzeichen; dagegen haben F _a ₁, F _a ₂, F _av , sowie die zugehörigen F _xv - und F _yv -Komponenten für die Vorderräder sämtlich positive Vorzeichen, desgleichen auch die F _yh -Komponente für die Hinterräder (mit Drehrichtungsumkehr und gleich­ zeitig negativen Winkeln δ₃, δ₄, δ _h ). Alle Seitenkräfte F _yv und F _yh sind somit im vorliegenden Fall positiv, wirken also sämtlich in y-Richtung, d. h. nach links (bezogen auf die in x-Richtung weisende Sitzposition des Fahrers).

Um möglichst große Seitenkräfte F _y übertragen zu können, sind die Beträge der Einschlagwinkel /δ _v /,/w _h / möglichst groß zu wählen. Durch Optimierung von Lenkung und Drehmomentverteilung, d. h. durch geeignete Wahl der für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb zu wählenden Lenkeinschläge und durch Anpassung an das bei diesem Rangierbetrieb gegebene Drehmomentverhältnis m _hv (oder umgekehrt durch Anpassung von m _hv ), nämlich durch Erfüllung der Bedingung

(cosδ₁ + cosδ₂) / (cosδ₃ + cosδ₄) = -m _hv (<0),

kann man erreichen, daß die durch die Traktion auf das Kfz ausgeübten Längskräfte F _x sich gegenseitig annähernd aufheben:

Σ F _x = F _x ₁ + F _x ₂ + F _x ₃ + F _x ₄ = F _xv + F _xh = 0.

Wenn diese Kompensationsbedingung erfüllt ist und damit die Längskräfte F _x sich bei dem erfindungsgemäß durchgeführten Rangierbetrieb annähernd aufheben, beträgt der Winkel der resultierenden Gesamt-Traktionskraft gegen die Kfz-Längsachse ε = ca. 90°, d. h. es bleiben im wesentlichen nur die Seitenkräfte F _y übrig, das Kfz wird dann also in seitlicher Richtung (90° quer zur Längsachse) bewegt, vorausgesetzt, das Antriebsdrehmoment des Motors bei dem gegebenen Getriebeübersetzungsverhältnis reicht aus, die Räder beim Einkuppeln trotz ihrer Verspannung zur langsamen Rotation zu bringen. Dabei müssen nicht nur die Reibungskräfte an den Radaufstands­ flächen der Räder, sondern auch die durch die Fahrzeugmasse bedingten Trägheitskräfte überwunden werden. Zusätzlich wird dabei durch die Traktionskräfte (ohne Berücksichtigung der Reibungskräfte) auf das Fahrgestell noch ein Drehmoment um die Hochachse im Radstand­ mittelpunkt 8 ausgeübt:

Der Drehmomentanteil aus der zweiten Zeile ist bei Annahme gleicher Lenkeinschläge der rechten und der linken Räder (δ₁ = δ₂ = δ _v , δ₃ = δ₄ = δ _h ) Null oder zum mindesten - bei Berücksichtigung von Lenkdifferenz­ winkeln - in der Regel vernachlässigbar. Werden die Lenkausschläge für den speziellen Rangierbetrieb durch servomotorische Spurstangen-Längen­ verstellung erzeugt (siehe weiter unten, Ausführungsbeispiel 4), so spielen die bei der normalen Lenkung auftretenden Lenkdifferenzwinkel ohnehin keine Rolle mehr, da die Lenkeinschläge der rechten und linken Räder dann unabhängig voneinander gewählt werden können. Der restliche Drehmoment­ betrag aus der dritten Zeile und damit das gesamte Hochachsen-Drehmoment

M(8) _ges = F _av I (sinδ _v + (cosδ _v /cosδ _h )sinδ _h )

verschwindet bei Vierradlenkung mit betragsmäßig allseits gleich großen ("symmetrischen"), aber vorn und hinten gegensinnigen Lenkeinschlägen (δ _h = -δ _v , d. h. δ₁ = δ₂ = -δ₃ = -δ₄ = δ).

Bei anderen Verhältnissen der Lenkeinschläge /w _h /δ _v / als 1 : 1 (/δ _h /</δ _v /) wird das Hochachsen-Drehmoment M _ges zu Null, wenn man es auf einen anderen Bezugspunkt 9 auf der Verbindungslinie zwischen 6 und 7 statt auf den Punkt 8 bezieht. Dieser Bezugspunkt 9 hat dabei vom Radstand­ mittelpunkt 8 den Abstand

Δ x = I/2 (tan/δ _v /-tan/δ _h / /tan/δ _v /+tan/δ _h /) (<I/2)

und kann dann als Angriffspunkt der allein übrigbleibenden Querkraft Σ F _y aufgefaßt werden:

Σ F _y (= F _Ages ) = F _av 2 sinδ _v (1 + tan/δ _h / /tan/w _v /).

Diese Querkraft steht allerdings nur zum Teil als Antriebskraft für die seitliche Parallelverschiebung des Kfz (Beschleunigung in y-Richtung) zur Verfügung; sie wird gemindert durch die Reibungskräfte der Räder, die an diesen je nach Lenkeinschlag teils als Umfangskräfte, teils als Querkräfte wirken, insgesamt aber der Parallelverschiebungsrichtung (y-Richtung) entgegen wirken, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird.

Vorteilhaft ist es, wenn der Angriffspunkt 9 der Querkraftresultierenden mit dem Fahrzeugschwerpunkt identisch ist oder in seine Nähe gelegt werden kann. Dies ist möglich, wenn der Fahrzeugschwerpunkt zwischen Vorderachse (Punkt 6) und Radstandmittelpunkt 8 liegt, wie das z. B. bei Pkw mit Frontmotoranordnung zum mindesten bei nur geringer Beladung der Fall ist, etwa bei Fahrten im Stadtverkehr mit nur wenig Gepäck im heckseitigen Kofferraum.

Das Kfz kann dann durch die Querkraft Σ F _y (= F _Ages ) beim Anfahren z. B. aus einer extrem engen Parklücke, die nur wenige Zentimeter länger als die Fahrzeuglänge ist, ohne Vor- oder Zurücksetzen herausmanövriert werden, nämlich durch eine bloße Versetzung (Parallelverschiebungs­ bewegung) nach links etwa so, als seien alle vier Räder in einen Einschlag­ winkel von ca. 90° gebracht worden. Mit dieser Variante des Rangierbetriebs wird ein Wunschtraum vieler Autofahrer realisiert. Um diesen auf den ersten Blick erstaunlichen Vorgang zu verstehen, kann man sich vorstellen, daß die sonst in solchen Fällen erforderlichen zentimeterweise auszuführenden Vor- und Zurücksetzmanöver gewissermaßen dadurch entfallen, daß diese beiden Bewegungen (vor und zurück mit seitlicher Komponente) jeweils gleichzeitig ausgeführt werden, wobei die Vorderachse den Antrieb für die Vorsetzbewegung und die Hinterachse den Antrieb für die überlagerte Zurücksetzbewegung übernimmt (bzw. umgekehrt, wenn z. B. statt des ersten Ganges der Rückwärtsgang eingelegt ist, vgl. weiter unten bei den Erläuterungen zu Fig. 2).

Besonders einfache und übersichtliche Verhältnisse für die seitliche Parallel­ verschiebungsbewegung gemäß Fig. 1 erhält man, wenn man zunächst - nur für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb - "symmetrische" Vierradlenkung (d. h. Vierradlenkung mit betragsmäßig gleichen Lenkeinschlagswinkeln für Hinter- wie für Vorderräder) betrachtet, wobei wieder davon ausgegangen wird, daß für diesen Rangierbetrieb die Lenkeinschläge für Vorder- und Hinterräder gegensinnig sind:

sinδ₁ + sinδ₂ = -(sinw₃ + sinδ₄) (<0)

bzw.

δ _v = -δ _h = δ (<0).

In diesem Fall kann nach der obigen Kompensationsgleichung (Σ F _x = 0) das Drehmomentverhältnis Hinterachsantrieb/Vorderachsantrieb m _hv = -1 gemacht werden (M _Ah = -M _Av , mit Drehmomentaufteilung 1 : 1 zwischen Vorder- und Hinterachse), und es tritt bei jedem beliebigen - mehr oder weniger großen - Lenkeinschlag die gewünschte Kompensation der Längskraft­ komponenten F _x ein, weil die Kompensationsgleichung für jedes Winkelpaar /δ _h / = /δ _v / erfüllt ist. Um die größtmöglichen Seitenkräfte zu erhalten, sollten natürlich möglichst große Lenkeinschläge δ gewählt werden.

Das beim erfindungsgemäßen Rangierbetrieb auf das Fahrgestell einwirkende Drehmoment um die Hochachse im Radstandmittelpunkt 8 verschwindet bei dieser "symmetrischen" Vierradlenkung mit gegensinnigen Lenkeinschlägen der Vorder- und der Hinterräder in diesem Fall völlig. Es bleibt nur eine im Punkt 8 angreifende Querkraftkomponente in y-Richtung

Σ F _y (=F _Ages ) = 4 F _av sinδ

übrig, gemindert durch die Reibungskräfte, die an den Radaufstandsflächen teils in Umfangs-, teils in Querrichtung angreifen, mit ihrer Resultierenden aber entgegen der Parallelverschiebungsbewegung wirken. Der Faktor sinδ kennzeichnet dabei die Verminderung, die die insgesamt wirksamen Traktions­ kräfte - auch bereits ohne Berücksichtigung der hemmenden Reibungs­ widerstände der radierenden Räder - im Falle eines nicht genügend großen Lenkeinschlagwinkels δ erfahren.

Ist der Radstandmittelpunkt 8 nicht auch zugleich der Fahrzeugschwerpunkt, dann überlagert sich der Parallelverschiebungsbewegung eine zusätzliche Drehbewegung auf der Stelle, deren Ausmaß und Drehrichtung von der Lage des Schwerpunktes abhängt. Falls Wert darauf gelegt wird, diese Dreh­ bewegung zu vermeiden, muß das Verhältnis der Lenkeinschläge /δ _h /δ _v / und dementsprechend auch das Drehmomentverhältnis /m _hv / für den erfindungs­ gemäßen Rangierbetrieb entsprechend anders gewählt werden, so daß der Angriffspunkt von Σ F _y in den Punkt 9 (im Abstand Δ x vom Radstand­ mittelpunkt 8), der in etwa dem Fahrzeugschwerpunkt entspricht, verlegt wird:

tan/δ _h / /tan/δ _v / = (1-(2Δ x/I)/1 + (2Δ x/I).

Es muß aber darauf hingewiesen werden, daß die mehr oder weniger "symmetrische" Vierradlenkung (/δ _h = /δ _v /), wenn sie überhaupt angewandt wird, nur für den erfindungsgemäß durchgeführten Rangierbetrieb zweckmäßig ist. Für den normalen Fahr- und Rangierbetrieb kommt dagegen nur eine variable Hinterrad-Zusatzlenkung mit relativ kleinen Lenkeinschlägen der Hinterräder in Frage. Eine Vergrößerung der Lenkeinschläge für die Hinterräder wäre, auch wenn dem dazu deutlich erhöhten Platzbedarf für die Radkästen der Hinterräder entsprochen werden könnte, im normalen Fahrbetrieb bekanntlich aus verschiedenen Gründen problematisch: Zum Beispiel im Falle δ _h = -δ _v (bei betragsmäßig gleich großen, aber gegensinnigen Vorder- und Hinterrad-Lenkeinschlägen) würde ein dicht am Bordstein oder an einer Wand geparktes Kfz beim Ausparken nach vorn links mit dem rechten Hinterrad gegen den Bordstein bzw. mit dem ausscherenden Heck gegen die Wand fahren.

Für das Verständnis der Erfindung ist es wegen des in ungewöhnlicher Weise modifizierten Triebwerkssystems hilfreich, diesen speziellen Rangierbetrieb gemäß Fig. 1 mit den herkömmlichen Methoden der Kfz-Technik zu analysieren und mit dem "normalen" Fahrbetriebszustand zu vergleichen. Für den übersichtlichen Fall der angenommenen "symmetrischen" Vierrad­ lenkung (δ _h = -w _v ) kann eine Analyse des Parallelverschiebungsbetriebs auf sehr einfache Weise durch einen gedanklichen Kunstgriff erreicht werden:

Es kann nämlich die Seitwärtsbewegung des Kfz gemäß Fig. 1 auch als "Vorwärts"bewegung in y-Richtung eines Fahrgestells aufgefaßt werden, bei dem die dargestellten Räder 2 und 3 die Vorderräder, die dargestellten Räder 1 und 4 die Hinterräder sind; die Spurweiten wären dann bei dieser Betrachtungsweise in etwa identisch mit dem ursprünglichen Radstand I. Für die vier Räder dieses so betrachteten Fahrgestells, die dann übrigens eine einheitliche Umdrehungsrichtung nach "vorn" (nämlich in y-Richtung) haben, ergibt sich dann ein außergewöhnlich großer Schräglaufwinkel α in Gestalt positiver Nachspurwinkel a = 90°-δ (bzw. der zugehörigen negativen Vorspurwinkel -α = δ-90° mit "Minus"-Spur). Vor- oder Nachspurwinkel ergeben bekanntlich Spurwiderstände F _v , die bei kleinen Schräglaufwinkeln meist vernachlässigbar sind, bei großen aber erheblich sein können.
Die Nachspurwinkel (Schräglaufwinkel α) betragen bei der vorstehend beschriebenen Betrachtungsweise mehr als 45°, z. B. bei einem Pkw mit maximalem Lenkeinschlagwinkel von δ=37° ist α=53°, bei einem Omnibus mit maximalem Lenkeinschlagwinkel von w=79° dagegen nur noch α=11°. Die Räder können dabei nicht in Richtung der Antriebs­ kräfte F _a abrollen, sondern werden durch die von der jeweils anderen Achse herrührenden, nach innen gerichteten Kompensationskräfte F _x gezwungen, in y-Richtung "abzurollen", wobei zwangsläufig in den Aufstandsflächen der Reifen in seitlicher Richtung (jeweils senkrecht zur Radfelgenebene) ein zusätzliches Radieren auftreten muß.

Im folgenden wird versucht, die Kräfte, die dabei durch Einwirkung auf jeden Reifen in der Aufstandsfläche übertragen werden können, stark vereinfacht abschätzungsweise berechnen; es sind dies im Hinblick auf die Symmetrie jeweils eine Umfangskraft vom Betrage F _a (aber entgegen­ gesetzt zu der in Fig. 1 eingezeichneten Richtung) sowie eine entgegen­ wirkende (durch das gegenüberliegende Rad der anderen Achse bedingte) Kompensationskraft vom Betrage F _x (= F _av cosδ). Überlagert man diese Kräfte vektoriell und zerlegt sie in Längskomponenten (in Umfangsrichtung, d. h. in Richtung der Radfelgenebene) und in Quer­ komponenten (quer zur Radfelgenebene), so erhält man - unter Vernach­ lässigung der auftretenden Reifendeformationen (s. weiter unten) - die gesuchte an jedem Reifen auftretende

Umfangskraft (Reifen-Längskraft) F _u = F _av - F _x cosδ = F _av sin²δ

und

Querkraft (Reifen-Seitenkraft) F _s = F _x sinδ = F _av cosδ sinδ.

Die je Rad in Umfangsrichtung und per Haftreibung wirksamen Traktions­ kräfte F _u sind gegenüber dem "normalen" Fahrzustand (Schräglaufwinkel α=0 bei Lenkeinschlagwinkel δ=90°, F _u = F _av ) um den Faktor

sin²δ (z. B. bei Pkw auf immerhin sin²δ = sin² 37° = 36%,
bei Omnibus nur auf sin²δ = sin² 79° = 96%)

vermindert. In dieser - wenn auch unter starken Vereinfachungen hergeleiteten - Gesetzmäßigkeit liegt der Schlüssel zum Verständnis des ganzen Vorgangs. Durch die Verminderung der wirksamen Traktions­ kräfte wächst nämlich der hemmende Einfluß der sonst normalerweise vernachlässigbaren, bei größeren Schräglaufwinkeln α durch zunehmende Reifendeformationen anwachsenden Spurwiderstände F _V (s. unten). Könnte man den Lenkeinschlagwinkel auf δ = ca. 90° (a = ca. 0°) vergrößern, wäre für die Bewegung in y-Richtung wieder der normale Fahrzustand mit normaler Haftreibung gegeben, dagegen würde ohne jeden Lenk­ einschlag (δ→0°) das spezielle Rangierverfahren mangels seitlicher Haftreibung überhaupt nicht durchführbar sein. Für ein einwandfreies Funktionieren des speziellen Rangierverfahrens bei einem Pkw-Lenkein­ schlagwinkel von z. B. δ=37° ist eine ausreichende Griffigkeit des Fahrbahnuntergrundes erforderlich, damit die Räder auch bei den verschlechterten Traktionsbedingungen noch nicht durchdrehen. Die üblichen Fahrbahnbeläge erfüllen diese Voraussetzungen in der Regel auch bei Nässe und Glätte, zumal die Erfindung ja vorzugsweise nur im Bereich von Kriechgeschwindigkeiten angewandt wird.

Durch die Verformung des Reifens infolge des Schräglaufs (Vorspur bzw. Nachspur) überlagert sich der oben berechneten (Reifen-)Seitenkraft F _s noch eine weitere, von der Radantriebskraft F _a unabhängige Seitenkraft F _sV . Diese ist bei Messungen an Einzelreifen bekanntlich wie folgt vom Schräglaufwinkel α abhängig: Sie nimmt zunächst bei kleinen Schräglauf­ winkeln α proportional mit α zu, wobei Proportionalitätsfaktor die sogen. Schräglaufsteifigkeit des Reifens ist. Mit größeren Schräglaufwinkeln α steigt sie dann nur noch degressiv an, d. h. der Proportionalbereich wird verlassen, und die (Reifen-)Seitenkraft F _sV erreicht ein Maximum; dies ist dadurch bedingt, daß die Seitenkraft nicht mehr in der Mitte der Reifenaufstandsfläche angreift, sondern in Umfangsrichtung verschoben. Dieses Seitenkraft-Maximum wird - je nach Normalkraft in der Reifenaufstandsfläche und je nach Reifen- und Fahrbahngriffigkeit - im Durchschnitt etwa bei Schräglaufwinkeln α zwischen 10° (Eisdecke) und 20° (trockene Fahrbahn) erreicht. In dem oben - unter Außeracht­ lassung der Reifendeformation - berechneten Fall der sich z. T. gegenseitig kompensierenden Traktionskräfte der Räder 1, 2 und 3, 4 würde das Maximum der Traktions-Seitenkräfte F _s = F _av cosδ sinδ = 0,5 F _av sin 2α bei einem Schräglaufwinkel =45° erreicht werden. Überlagert man dazu die durch die Reifendeformation bedingten Seitenkräfte F _sV , so ergibt sich dadurch eine Verschiebung Δα des Seitenkraft-Maximums. Die y-Komponente (cosδ-Komponente) der Seitenkraft ist dann der zugehörige Spurwiderstand F _V , d. h. die entgegen der y-Richtung wirkende Hemmkraft (bezogen auf ein Rad):

F _V = (F _av cosδ sinδ + F _sV ) cosδ = F _av sin²α cosα + F _sV sina.

Bis zu größeren Schräglaufwinkeln α nimmt dieser Spurwiderstand F _V mit wachsendem Schräglaufwinkel α kontinuierlich zu; der Schräglauf­ winkel α darf deshalb nicht zu groß, der Lenkeinschlagwinkel δ (=90°-α) für den Parallelverschiebungsbetrieb also nicht zu klein gewählt werden.

Mit dem Verlassen des Proportionalbereiches von F _sV tritt zunächst im hinteren Bereich der Aufstandsfläche des Reifens ein Teilradieren auf, das sich mit weiter wachsendem Schräglaufwinkel a (d. h. kleinerem Lenkeinschlagwinkel δ) immer weiter nach vorne ausbreitet. Bei einem Schräglaufwinkel α→90° (δ→0°) würde schließlich die ganze Aufstandsfläche in den Gleitzustand übergehen, immer die Fahrzeug­ bewegung in y-Richtung vorausgesetzt; dabei würde der Schlupf dann gegen 100% gehen.

Bei dem in y-Richtung stattfindenden "Abroll"vorgang tritt zwangsläufig an den Aufstandsflächen der Reifen eine seitliche Radiergeschwindigkeit auf, die mit einem seitlichen Schlupf λ _y = sinα = cosδ verbunden ist; beispielsweise bei einem Pkw mit maximalem Lenkeinschlagwinkel δ=37° beträgt dieser Schlupf immerhin noch 80%, bei kleineren Lenkeinschlägen wäre er noch größer, bei einem Omnibus mit maximalem Lenkeinschlagwinkel w=79° beträgt der Schlupf nur 19%. Die quer zu den Radfelgen­ ebenen wirkenden nach außen gerichteten ungewöhnlich großen statischen Seitenkräfte F _s - u. a. als Folge der entsprechenden Komponente der Kompensationskraft F _x des jeweils gegenüberliegenden Rades der anderen Achse - verformen dabei die Reifen elastisch; vorausgesetzt wird natürlich, daß die Reifen so dimensioniert und mit den Felgen so abgestimmt sind, daß sie den - im Vergleich zum Normalbetrieb erhöhten - Reifenseitenkräften F _s gewachsen sind, und daß die Reifen dabei nicht von den Felgen springen können, auch nicht bei verringertem Reifenluftdruck. Ein zu geringer Abwurfwiderstand muß erforderlichenfalls durch Verwendung geeigneter Felgen bzw. eines geeigneteren Reifen-Rad-Systems verhindert werden.

Mit den vorstehend beschriebenen ungewöhnlich großen Schräglaufwinkeln von z. B. α=53° (bei einem Pkw mit maximalem δ=37°) und der dadurch bedingten Radier- und Walkarbeit der Reifen ist selbstverständlich eine stärkere Abnutzung im Vergleich zum normalen Fahrbetrieb verbunden. Der zusätzliche Reifenverschleiß bei einer zurückzulegenden Rangierstrecke von z. B. 2-3 Metern hält sich aber in Grenzen, da der Rangiervorgang im Bereich von Kriechgeschwindigkeiten abgewickelt wird. Vergleichsweise ist der Verschleiß sehr viel geringer als derjenige, der z. B. normalerweise zu erwarten wäre, wenn das gleiche Kfz bei einer gleich langen Bremswegstrecke von 2-3 Metern auf dem gleichen Untergrund mit blockierten Rädern abgebremst wird (aus niedriger Geschwindigkeit bis zum Stillstand); außerdem verteilt sich die Abnutzung gleichmäßiger auf den gesamten Reifenumfang. Immerhin sollte die erfindungsgemäße Art des Rangierens auf engstem Raum wegen des höheren Reifenverschleißes und des erhöhten Kraftstoffverbrauchs nur im Bedarfsfall und nicht unnötig oft angewendet werden, insbesondere nicht dann, wenn genügend Zeit, Platz und Routine für normale Rangiermanöver zur Verfügung stehen. Andernfalls müßten Reifen, Felgen und Getriebe von vornherein entsprechend robuster dimensioniert sein, insbesondere bei Anwendung dieses speziellen Rangierbetriebs nicht nur als reine Parkierhilfe, sondern zur Erhöhung der Manövrierfähigkeit eines Geländefahrzeugs oder dgl.

Im Gegensatz zu Fig. 1, bei der das Kfz z. B. beim Ausparken parallel nach links versetzt wurde, zeigt Fig. 2 den analogen Vorgang bei Parallel­ verschiebung nach rechts, z. B. beim Einparken. Hierbei werden die Vorzeichen der Lenkeinschlagwinkel vertauscht (δ _v = -δ _h = δ<0), und entsprechend erhalten alle Seitenkräfte F _y und dementsprechend auch die Resultierende Σ F _y = 4 F _av sinδ negatives statt positives Vorzeichen. Das Kfz wird demgemäß parallel zu seiner Längsachse nach rechts versetzt, wie es z. B. erforderlich wäre für das Einparken in eine Parknische, die nur gerade eben der Fahrzeuglänge entspricht.

Eine Parallelverschiebungsbewegung des Kfz nach rechts könnte übrigens auch mit Radstellungen gemäß Fig. 1 erreicht werden, nämlich wenn für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb statt des ersten (Vorwärts-)Ganges der Rückwärtsgang eingelegt wird und damit die Vorderachse in Rückwärts-, die Hinterachse in Vorwärtsrichtung angetrieben wird. Beide Verfahren sind im Prinzip an sich gleichwertig, soweit nicht die stärkere Übersetzung des Rückwärtsganges sogar noch als vorteilhafter angesehen wird. Gegenüber Fig. 1 würden sich dann die Richtungen aller Antriebskräfte und ihrer Komponenten und dementsprechend auch die Parallelverschiebungsrichtung umkehren. Die bei der Seitwärtsbewegung durch die großen Schräglaufwinkel auftretenden Seitenkräfte F _s der Reifen (quer zu den Radfelgenebenen) wären jetzt allerdings nicht mehr nach außen, sondern nach innen gerichtet, anstelle großer Nachspurwinkel (mit "Minus"-Spur) wären große Vorspurwinkel (mit "Plus"-Spur) gegeben, die Reifen würden im Gegensatz zu Fig. 1 genau in der entgegengesetzten Richtung deformiert, und auch die Verschiebung Δα des Seitenkraft-Maximums hätte entgegengesetztes Vorzeichen. Umgekehrt kann eine Parallelverschiebungsbewegung des Kfz nach links auch mit Radstellungen gemäß Fig. 2 durch Einlegen des Rückwärtsganges erreicht werden (mit Richtungsumkehrung aller Antriebskräfte und ihrer Komponenten und natürlich auch der Bewegungsrichtung in Fig. 2).

Fortsetzg. Ausführungsbeisp. 1 (Kfz mit Vierradantrieb und -lenkung, Hinterräder gegensinnig angetrieben, aber gleichsinnig zu den Vorderrädern gelenkt, Fig. 3)

Eine zweite mögliche Variante des Verfahrens - zunächst immer noch im Rahmen des Ausführungsbeispiels 1 für ein Kfz mit Vierradantrieb und Vierradlenkung - zeigt Fig. 3. Im Gegensatz zu Fig. 1 und Fig. 2 werden bei dieser Variante für den erfindungsgemäß durchgeführten Rangierbetrieb die Hinterräder gleichsinnig wie die Vorderräder gelenkt, d. h. die Lenkeinschlag­ winkel δ _v , δ _h erhalten gleiches Vorzeichen, d. h. im wieder als Beispiel herangezogenen Fall der für den speziellen Rangierbetrieb angewandten "symmetrischen" Vierradlenkung gilt:

δ _v = δ _h = δ(<0).

Bei dieser Variante des Verfahrens sind, wenn die Längskräfte F _x sich wieder annähernd aufheben, die Seitenkräfte der Vorderräder F _yv positiv, die der Hinterräder F _yh dagegen negativ, also entgegengesetzt gerichtet, so daß das Kfz keine Parallelverschiebungsbewegung, sondern annähernd eine Drehung auf der Stelle ausführt, und zwar bei dem dargestellten Beispiel in Fig. 3 im mathematisch positiven Drehsinn (entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn) um eine Hochachse um den Radstandmittelpunkt 8. Damit ist der Wendekreis­ durchmesser, der bei einem 4-5 m langen Kfz normalerweise 10-12 m beträgt, auf das theoretisch mögliche Minimum, nämlich bei seitlich abgerundeten Stoßstangen fast bis auf die Fahrzeuglänge, jedenfalls auf weniger als 50% des normalen Wendekreisdurchmessers, verringert worden. Die resultierende Gesamt-Traktionskraft F _Ages ist hierbei 0, dafür entsteht ein entsprechend großes Drehmoment um die Hochachse im Radstandmittelpunkt 8

M(8) _ges = 2 F _av I sinδ,

das auf das Kfz-Fahrgestell einwirkt und zur Drehbewegung führt. Dabei radieren allerdings die Räder 2, 4 sehr viel stärker als die Räder 1, 3 auf dem Fahrbahnuntergrund, wie in Fig. 3 ersichtlich ist, weil nämlich die Schräglaufwinkel α der Räder gegenüber der jeweiligen Tangente an den Spurkreis 10

α₂ = α₄ = arctan (I/b) + δ

α₁ = α₃ = arctan (I/b) - δ

betragsmäßig unterschiedlich groß sind: Bei Linkseinschlag der Vorderräder δ<0, wenn die Spurweite b den Radstand erheblich übersteigt (I<b) stehen die Räder 2, 4 mehr oder weniger senkrecht zur Spurkreistangente so daß diese Räder zur Kfz-Drehbewegung praktisch nicht beitragen. Im Falle /α₂/, /α₄/ ≧ 90° würden die Räder 2, 4 sogar entgegen der Kfz-Drehbewegung radieren, soweit dies nicht durch die Vorderachs- und Hinterachsdifferentiale 6 und 7 ausgeglichen wird. Bei Schräglaufwinkeln von z. B. größenordnungsmäßig 90° ergibt sich durch die tangential zum Spurkreis 10 gerichteten seitlichen Reibungskraftkomponenten der radierenden Reifen 2, 4 eine erhebliche Hemmung der Drehbewegung. Diese hemmenden Gleitreibungskräfte werden jedoch von den - überwiegend durch Haftreibung aufgebrachten - Traktionskräften der antreibenden Räder 1, 3 überwunden, so daß, wenn auch mit geringem Wirkungsgrad, eine Drehung auf der Stelle zustande kommt. Dabei ergibt sich für die Räder mit den großen Schräglauf­ winkeln evtl. eine längs des Umfangs ungleichmäßige Reifenabnutzung, insbesondere bei nicht gesperrten Differentialen 6 und 7; unter Umständen kann es von Vorteil sein, die Differentiale dabei zu sperren. Um diese Unterschiede der Schräglaufwinkel und insbesondere die durch die Räder 2, 4 bedingten Hemmungen der Drehbewegung zu vermeiden und damit den Drehbetrieb zu optimieren, müßten diese Räder 2, 4 entgegengesetzt eingeschlagen und mit umgekehrter Drehrichtung angetrieben werden (vgl. weiter unten Ausführungsbeispiel 4, Fig. 6).

Im vorliegenden Fall (Fig. 3) erfolgt, wenn alle Räder im Vergleich zu Fig. 3 entgegengesetzt eingeschlagen werden (Vorzeichenwechsel für δ, δ<0), oder wenn der Rückwärtsgang eingelegt wird (Vorzeichenwechsel für alle Antriebs­ kräfte und ihre Komponenten), die Hochachsen-Drehung in umgekehrter Richtung, d. h. nunmehr in mathematisch negativem Drehsinn (Uhrzeigersinn). Die Umkehrung dieser Hochachsen-Drehrichtung durch Umkehrung der Lenkeinschläge - nicht aber durch Einlegen des Rückwärtsganges - hat zur Folge, daß dann nicht mehr die Räder 2, 4, sondern die Räder 1, 3 annähernd quer zur Spurkreistangente stehen und entsprechend stärker radieren.

Die Erfindung eignet sich, wie bereits dargelegt, besonders gut für die Anwendung auf vierrädrige Kfz, bei denen bereits Allradantrieb und auch Allradlenkung vorgesehen ist, z. B. auch für Geländefahrzeuge. Allradantrieb und auch Allradlenkung sind auch für normale Pkw erstrebenswerte Sicherheitsmerkmale, sie bringen für sich allein noch keine so eklatanten Vorteile im Alltagsbetrieb mit sich, daß die große Masse der Pkw-Käufer bereit wäre, für diese Vorteile eine erhebliche Verteuerung der Fahrzeuge in Kauf zu nehmen. Die Erfindung ermöglicht es, für einen nur verhältnismäßig geringfügigen Mehraufwand beim Kfz mit Vierradantrieb und Vierradlenkung auch gleich noch die frappante Lösung eines Alltagsproblems mitzuliefern, nämlich des Rangierens auf engstem Raum, bis hin zur seitlichen Parallel­ verschiebungsbewegung und zur Drehbewegung des Kfz auf der Stelle. Da mit derartigen Fähigkeiten eines Kfz praktisch ein Wunschtraum vieler Autofahrer verwirklicht wird, eignet sich die Erfindung auch speziell als Ergänzung und als zusätzliches Verkaufsargument für die Sicherheitsmerkmale Allradantrieb und Allradlenkung. Sie ist aber auch für Pkw z. B. nur mit Vorderradlenkung, ggf. auch nur mit Frontantrieb anwendbar (siehe weiter unten, Ausführungs­ beispiele 2 und 4, Fig. 4 und 9).

Für die praktische Realisierung der Erfindung ist es in der Regel notwendig oder zweckmäßig, für den vorgesehenen Rangierbetrieb ggf. bei Vierradantrieb das Antriebsdrehmoment zwischen Vorder- und Hinterachse in definierter Weise aufzuteilen und ggf. bei Vierradlenkung das Verhältnis der Lenk­ einschläge der Vorder- und Hinterräder entsprechend anzupassen. Die hierzu dann bei "symmetrischer" Vierradlenkung (/δ _h / = /δ _v /) erforderlichen Lenk­ einschläge für die Hinterräder, die für den speziellen Rangierbetrieb wesentlich größer als bei der normalen Vierradlenkung (sogen. Hinterrad- Zusatzlenkung) wären, können z. B. mittels servomotorischer Spurstangen- Längenverstellung relativ einfach realisiert werden (siehe Ausführungs­ beispiel 4), erfordern aber in der Regel mehr Raum für Radkästen etc. hinten. Der sonst notwendige Mehraufwand für die Erfindung bestünde bei einem derartigen ausgestatteten Kfz dann lediglich noch darin, daß zusätzlich zum Verteilergetriebe (Zwischen- bzw. Mittendifferential 5, oder in dieses Verteilergetriebe integriert) ein Wendegetriebe vorgesehen wird, das für den vorgesehenen speziellen Rangierbetrieb auf engstem Raum die Drehrichtungs­ umkehr für die Hinterachse bewirkt.

Dieses Wendegetriebe (Drehzahlübersetzungsverhältnis in der Regel i = n _h /h _v = -1) ergibt dann zusammen mit dem übrigen Verteilergetriebe das in diesem Falle gewünschte negative Drehmomentverhältnis m _hv = M _Ah /M _Av . Dieses Wendegetriebe besteht z. B. im einfachsten Fall nach allgemein bekanntem Vorbild im wesentlichen aus zwei auf der Abtriebsachse sitzenden Kegelrädern, die von einem dazu querstehenden dritten Kegelrad gegensinnig angetrieben werden, und aus einer schaltungsbetätigten Wendemuffe, die wahlweise eines der beiden Kegelräder mit der Abtriebsachse koppelt. Hinzu kommen weitere Elemente, wenn die koaxiale statt einer winkligen Anordnung der Antriebs- und der Abtriebsachse des Wendegetriebes gewähr­ leistet werden soll. Soll die Umschaltung des Wendegetriebes auch während der Fahrt erfolgen können, z. B. zur zeitweiligen Verbesserung der Manövrier­ fähigkeit bei Geländefahrzeugen, so ist eine Sperrsynchronisierung zweckmäßig. Bei Anwendung der Erfindung als reine Parkierhilfe kann dagegen die Betätigung des Wendegetriebes auf den Stillstand beschränkt werden und die Schaltvorrichtung entsprechend einfach ausgeführt werden; in diesem Fall ist jedoch eine zusätzliche Vorkehrung vorteilhaft, die das Schalten des Wendegetriebes - und gekoppelt damit die servomotorische Vergrößerung der Lenkeinschläge für die Hinterräder - nur bei Stillstand und außerdem nur bei eingelegtem erstem (Vorwärts-)Gang oder Rückwärtsgang ermöglicht.

Eleganter und raumsparender ist die Integration des Wendegetriebes in das zugehörige Verteilergetriebe (Mittendifferential) 5. Für eine solche wahlweise schaltbare Drehrichtungsumkehr gibt es zahlreiche Lösungsmöglichkeiten, z. B. nach bekanntem Vorbild mit Zwischenrädern, so daß die Ausführung von weiteren Details dazu sich erübrigt. Vorteilhaft ist für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb u. U. eine noch stärkere Übersetzung; zu diesem Zweck kann evtl. ein entsprechend dimensionierter zusätzlicher Vorwärts- und Rückwärts­ gang (Kriechgeschwindigkeitsgang) für diesen Rangierbetrieb vorgesehen werden oder ein wesentlich stärker übersetzter Rückwärtsgang in Verbindung mit einem getrennt schaltbaren Wendegetriebe.

Ist bei den beschriebenen Varianten des Ausführungsbeispiels 1 (Fig. 1, 2 und 3) die Vierradlenkung bezüglich der Beträge der Lenkeinschläge beim erfindungsgemäßen Rangierbetrieb nicht "symmetrisch" (/δ _h / = /δ _v /), sondern nur wie beim Normalbetrieb als Hinterachs-Zusatzlenkung ausgeführt (/δ _h / < /δ _v /), und sollen die Lenkeinschläge der Hinterräder für diesen Rangierbetrieb nicht sehr viel größer als bei Vierradlenkung im normalen Fahr- bzw. Rangierbetrieb sein, so daß auch keine besonders großen Radkästen für die Hinterräder 3, 4 erforderlich werden, dann kann die gewünschte Kompensation der Längskraftkomponenten F _x im Normalfall nur bei einer ganz bestimmten definierten Lenkradposition mit bestimmten zugeordneten Lenkeinschlagwinkeln δ _v , w _h eintreten, je nachdem wie das konstante Drehmomentverhältnis m _hv für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb gewählt wurde. Dabei empfiehlt sich für den speziellen Rangierbetrieb eine Arretierung der Lenkung in der betreffenden Position. Zweckmäßig wird natürlich auch der hintere Lenk­ einschlag nicht zu klein gewählt, weil sonst die Seitenkräfte F _yv und F _yh betragsmäßig zu unterschiedlich werden und dann echte seitliche Parallel­ verschiebungsbewegungen (Fig. 1 und 2) bzw. echte Drehbewegungen auf der Stelle (Fig. 3) u. U. nicht mehr ohne weiteres möglich sind, sondern eventuell nur noch Mischformen, z. B. im Grenzfall, wenn die Hinterachse überhaupt nicht mehr gelenkt wird, nur noch Schwenkbewegungen des Kfz-Bugs (siehe weiter unten, Ausführungsbeispiel 2, Fig. 4).

Grundsätzlich sollte dann nach der Kompensationsgleichung (Σ F _x = 0)

cosδ₁ + cosδ₂ / cosδ₃ + cosδ₄ = -m _hv

das Drehmomentverhältnis m _hv für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb betragsmäßig kleiner als 1 sein, weil in der Regel auch (cosδ₁ + cosδ₂) immer kleiner als (cosδ₃ + cosδ₄) sein wird; dies bedeutet, daß bei diesem Rangierbetrieb die Vorderachse das - betragsmäßig - größere Antriebs­ drehmoment, die Hinterachse das kleinere erhalten muß, z. B. im Verhältnis

/m _hv / = 0,80, 0,82, 0,87, 0,95 usw.

Bei vorderem mittlerem Lenkeinschlagwinkel für einen Pkw von z. B. /δ _v / = 37° ließe sich dies mit hinteren Lenkeinschlagwinkeln von

/δ _h / = 3°, 13°, 23°, 33° usw.

erreichen. Benötigt wird dazu ein Mittendifferential 5 mit einem speziellen, bei /δ _h / < /δ _v / in der Regel betragsmäßig von 1 : 1 abweichenden nominellen Drehmomentverhältnis /m _hv /. Hierfür wird zweckmäßig ein geeignetes Planetenrad-Differential 5 verwendet, ggf. auch mit wahlweise umschaltbarem Drehmomentverhältnis m _hv , wobei dieses unterschiedlich ist für Normalbetrieb und für speziellen Rangierbetrieb, evtl. auch für Parallel­ verschiebungsbetrieb und für Drehbetrieb. In dieses Mittendifferential 5 kann dann auch gleich die Vorrichtung zur Drehrichtungsumkehr für die Hinterachse (Wendegetriebe) integriert werden.

Ist im Falle δ₁ = δ₂ = δ _v , δ₃ = δ₄ = δ _h die Kompensationsbedingung Σ F _x = 0 durch m _hv = -(cosδ _v /cosδ _h ) erfüllt, ergeben sich bei Anwendung unsymmetrischer Vierradlenkung (/δ _h / < /δ _v /) erhebliche Unterschiede der Querkräfte an den beiden Achsen:

F _yv = F _y ₁ + F _y ₂ = 2 F _av sinδ _v

F _yh = F _y ₃ + F _y ₄ = -2 F _av (cosδ _v /cosδ _h ) sinδ _h ;

sie unterscheiden sich um den Faktor:

F _yh /F _yv = -tanδ _h /tanδ _v .

Dies hat zur Folge, daß beim Parallelverschiebungsbetrieb (Fig. 1, δ _v <0, δ _h <0) die Gesamt-Traktionskraft F _Ages statt im Radstandmittelpunkt 8 in einem um die Strecke Δ x mehr zur Vorderachse verschobenen Bezugspunkt 9 angreift:

Δ x = I/2 ((/tanδ _v / - /tanδ _h /) / (tanδ _v / + /tanδ _h /)).

Je näher dieser Bezugspunkt 9 am Fahrzeugschwerpunkt liegt, z. B. bei Kfz mit Frontmotoranordnung, desto günstiger; andernfalls kann sich beim Parallelverschiebungsbetrieb eine merkliche zusätzliche Drehbewegung überlagern.

Ebenso wird nach diesem Verfahren kein reiner Drehbetrieb auf der Stelle (Fig. 3, δ _v <0, δ _h <0) möglich sein, weil bei Erfüllung der Kompensations­ bedingung Σ F _x = 0 nicht auch gleichzeitig

Σ F _y = 2 F _av (sinδ _v -(cosδ _v /cosδ _h ) sinw _h )

Null sein kann; dies würde nämlich /δ _v / = /δ _h /, also "symmetrische" Vierrad­ lenkung voraussetzen, wenn man zunächst einmal von gleichen Lenk­ einschlägen für rechte und linke Räder ausgeht. (Mit ungleichen Lenk­ einschlägen für rechte und linke Räder läßt sich gleichzeitig auch Σ F _y = 0 gewährleisten. Entsprechende Ausführungsbeispiele werden weiter unten erläutert).

Deshalb wird bei diesem Ausführungsbeispiel 1 das Kfz bei unsymmetrischer Vierradlenkung statt einer reinen Drehbewegung auf der Stelle eine Drehbewegung mit einer überlagerten Seitwärtsbewegung (in Fig. 3 zunächst nach links) ausführen, wenn keine weiteren Abhilfemaßnahmen getroffen werden. Diese Seitwärtsbewegung ist dadurch bedingt, daß die Hinterachse wegen der dort wirkenden geringeren Traktionskraftkomponente F _yh nicht genauso stark nach rechts gezogen wird wie die Vorderachse von der dort wirkenden Traktionskraftkomponente F _yv nach links. Die Richtung der "Seitwärts"bewegung wird allerdings infolge der kontinuierlich fortschreitenden Drehung des Kfz fortlaufend geändert; sie ändert sich von der anfänglichen y-Richtung nach einer Vierteldrehung (90°) in die Minus-x-Richtung und nach Erreichen einer Halbdrehung (180°) in die Minus-y-Richtung. Vergleicht man nach einer solchen Halbdrehung Anfangs- und Endstellung des Kfz, so ist dieses, abgesehen von der Drehung (Kehrtwendung), in Richtung der ursprünglichen Minus-x-Richtung, also in Richtung der ursprünglichen Längsachse verschoben worden. Das Kfz hat also eine Schwenkbewegung um einen Drehpunkt ausgeführt, der zwischen Punkt 7 und 8 liegt. (Im Falle /δ _h / = /δ _v / ist dieser Drehpunkt identisch mit dem Randstandmittelpunkt 8 (Fig. 3), im Falle /δ _h / = 0 mit Punkt 7, wie im nächsten Ausführungs­ beispiel 2 erläutert wird.)

Der überlagerten Fahrzeugverschiebung in Richtung der ursprünglichen x-Richtung kann man dadurch Rechnung tragen, daß man von vornherein für den Drehbetrieb eine entgegengerichtete Längsbewegung in x-Richtung zuläßt, also Σ F _x nicht zu Null macht. Dies hat dann aber wiederum wegen der kontinuierlichen Drehung des Kfz eine zusätzliche seitliche Versetzung des Kfz in Richtung der ursprünglichen y-Richtung zur Folge. Anstatt die Längskräfte zu kompensieren, wie es durch die Erfüllung der Bedingung m _hv = -(cosw _v /cosδ _h ) geschieht, kann es bei der Drehbewegung günstiger sein, statt dessen die Querkräfte insgesamt zu verringern oder ganz zu kompensieren (Σ F _y =0). Um letzteres zu gewährleisten, müßte man gleich große Beträge der Querkräfte an der Vorder- und an der Hinterachse

F _yv = F _av 2 sinδ _v

F _yh = F _av 2 m _hv sinδ _h

herbeiführen; dies würde für den Drehbetrieb ein Drehmomentverhältnis

m _hv = -(sinδ _v /sinδ _h ) <-1

erfordern, und es würde sich dann eine nicht verschwindende Längskraft­ resultierende

Σ F _x = F _av 2 (cosδ _v - (sinδ _v /sinδ _h ) cosδ _h )
= F _av 2 cosw _v (1 + /tanδ _v / tanδ _h /)

ergeben. Diese hätte jedoch zur Folge, daß sich der Drehbewegung eine zusätzliche, zunächst in der ursprünglichen x-Richtung beginnende Längs­ bewegung überlagert und das Kfz deshalb vor dem Bug auf der linken Seite (bei δ<0) etwas mehr Platz benötigt. Das Kfz wird dann nach Ausführung einer Halbdrehung zusätzlich zu der Kehrtwendung parallel verschoben worden sein, und zwar in Richtung der ursprünglichen y-Richtung.

Zwischen den beiden Bedingungen Σ F _x =0 und Σ F _y =0, die sich nach den obigen Beziehungen - mit links und rechts gleichen Lenkausschlägen - nur bei symmetrischer Vierradlenkung (/δ _v / = /δ _h /) gemeinsam erfüllen lassen, kann bei unsymmetrischer Vierradlenkung (/δ _v / < /δ _h /) ein den gewünschten Anforderungen entsprechender Kompromiß geschlossen werden. Noch mehr Möglichkeiten erhält man, wenn man für rechte und linke Räder unterschiedliche und evtl. sogar gegensinnige Lenkeinschläge erzeugt, zum Beispiel mittels servomotorischer Spurstangen-Längenverstellung, wie später beim Anwendungsbeispiel 4 erläutert wird.

Beim erfindungsgemäßen Rangierbetrieb, insbesondere beim Parallel­ verschiebungsbetrieb, muß übrigens, wenn die Längsbewegungen des Kfz unterdrückt werden sollen, nicht unbedingt die Kompensationsbedingung Σ F _x = 0 nach der dafür angegebenen Gleichung mit einem entsprechenden Drehmomentverhältnis m _hv erfüllt werden. Die Längsbewegungen können statt dessen auch automatisch dadurch unterdrückt werden, daß ein selbstsperrendes Mittendifferential 5, z. B. ein Torsen-Differential, oder ein Differential mit automatisch gesteuerter Sperre, z. B. mit elektronisch-hydraulich gesteuerter Lamellensperre, verwendet wird. Bei geringfügigsten Drehzahlunterschieden zwischen Vorderrädern und Hinterrädern, und zwar unabhängig von deren erfindungsgemäß unterschiedlicher Drehrichtung, teilt beispielsweise das Torsen-Differential automatisch der jeweils langsamer drehenden Antriebswelle das größere Antriebsdrehmoment zu, so daß gleiche mittlere Umdrehungs­ zahlen für Vorderräder- und Hinterräder gewährleistet sind und auf diese Weise Längsbewegungen durch eine automatische Anpassung des Drehmoment­ verhältnisses m _hv unterdrückt werden können. Die Unterdrückung der Längs­ bewegungen ist auf diese Weise auch dann möglich, wenn die Kompensations­ bedingung Σ F _x =0 sonst (bei nicht sperrendem Mittendifferential 5) auf Grund des an sich vorgegebenen Drehmomentverhältnisses m _hv und des Lenk­ einschlagverhältnisses /w _h /δ _v / nicht oder nur annähernd erfüllt wäre.

Unabhängig vom Mitteldifferential 5 kann es zur Vermeidung von Unsymmetrien, wie bereits erwähnt, aus verschiedenen Gründen zweckmäßig sein, auch für die Achsdifferentiale 6 und 7 Sperren vorzusehen, z. B. damit für den speziellen Rangierbetrieb gleiche Radumdrehungen der linken und rechten Räder erzwungen werden.

Alternativ kann auch ein Verteilergetriebe 5 mit kontinuierlich veränderbarer Aufteilung des Antriebsdrehmomentes verwendet werden, z. B. nach bekanntem Vorbild mit elektronisch und/oder hydraulisch steuerbarem Drehmoment­ verhältnis m _hv . Hierzu dient z. B. ein Planetenrad-Mittendifferential, kombiniert mit einer Visco-Sperre und einem parallel geschalteten stufenlos regelbaren Getriebe (Keilriemen-, Schubgliederbandgetriebe oder dgl.); mit dem stufenlos regelbaren Getriebe können Drehzahlunterschiede zwischen den Achsen simuliert werden und auf diese Weise die Antriebsdrehmomente M _Ah , M _Av nach Bedarf beliebig umverteilt werden. Wenn eine solche Anordnung bei einem Kfz mit Allradantrieb ohnehin vorhanden ist und eine stufenlose Umverteilung ermöglicht, liegt es nahe, die Einrichtung elektronisch gleich so zu steuern bzw. zu regeln, daß beim speziellen Rangierbetrieb die Längs­ bewegungen bzw. die Längskräfte F _x oder die Querkräfte F _y automatisch kompensiert werden, d. h. z. B. das Kfz beim Parallelverschiebungsbetrieb keine Bewegungen in x-Richtung macht oder bestimmte andere gewünschte Bewegungen im Sinne der vorliegenden Erfindung ausführt.

Anstatt das Mittendifferential 5 selbst 50302 00070 552 001000280000000200012000285915019100040 0002003840783 00004 50183sperrend auszuführen oder es aber, wie oben dargelegt, mit variablem Drehmomentverhältnis m _hv auszustatten und dann beim Übergang vom normalen Fahrbetrieb auf den speziellen Rangier­ betrieb entsprechend umzuschalten oder zu regeln, ist für manche Anwendungen evtl. folgende wesentlich einfachere Alternative möglich: Man kann das Wendegetriebe als Vorgelege auslegen und ihm für den speziellen Rangierbetrieb ein bestimmtes, auch von 1 : 1 abweichendes Drehzahl­ übersetzungsverhältnis /i/ geben und außerdem dazu eventuell das Mitten­ differential 5 oder zusätzlich auch die Achsdifferentiale 6 und 7 teilweise oder vollständig sperren. (Bei 100%igem Sperrgrad für das Mitten­ differential 5 beispielsweise werden dann die mittleren Drehzahlen der Vorder- und Hinterräder vollständig ausgeglichen und die Antriebskräfte entsprechend den Haftreibungsbedingungen an die Vorder- und Hinterräder verteilt). Man kann dazu nun das Drehzahlübersetzungsverhältnis zwischen Hinter- und Vorderachse i = n _h /n _v mit den Lenkeinschlagwinkeln δ₁, δ₂, δ₃, w₄ für den Parallelverschiebungsbetrieb so abstimmen, daß bei dem betr. Sperrzustand keine Kfz-Bewegungen in x-Richtung ausgeführt werden. Die dafür im folgenden verwendeten Konstanten k₁, k₂, k₃, k₄ für die vier Räder (s. u.) können durch Versuche ermittelt werden; sie sind vom Sperrzustand, von der Drehmomentverteilung und von den Reibungsverhältnissen abhängig. Man kann davon ausgehen, daß diese Konstanten zwar nicht gleich sind, daß sie sich aber in etwa um den gleichen Faktor ändern, wenn sich die Fahrbahn­ beschaffenheit oder die Radbelastung - an allen vier Rädern annähernd gleichmäßig - ändert. Damit ergibt sich für das notwendige Drehzahl­ übersetzungsverhältnis i des Wendegetriebes folgende Berechnung:

Das Kfz wird bei diesem Rangiervorgang, z. B. mit gesperrtem Mitten­ differential 5, in einem differentiellen Zeitraum Δ t in x-Richtung die Wegstrecke

Δ x = n _v Δ t (k₁ cosδ₁ + k₂ cosδ₂) + n _h Δ t (k₃ cosδ₃ + k₄ cosδ₄)

zurücklegen. Um die Wegstrecke Δ x auf Null zu halten und damit die Längskräfte F _x zu kompensieren, ist dem Wendegetriebe ein bestimmtes, evtl. von i = -1 abweichendes Drehzahlübersetzungsverhältnis i zu geben, nämlich

i = n _h / n _v = -(k₁ cosδ₁ + k₂ cosδ₂) / (k₃ cosδ₃ + k₄ cosδ₄),

d. h. bei unsymmetrischer Vierradlenkung ist die Hinterachsdrehzahl für den speziellen Rangierbetrieb in der Regel entsprechend zu verringern. Wegen Δ x = 0 unterbleiben dann Längsbewegungen des Kfz, d. h. das Kfz führt dann je nach den für den Rangier- und Parkierbetrieb gewählten Lenkausschlägen im wesentlichen eine seitliche Verschiebung der Vorderachse und der Hinterachse aus, ggf. überlagert von einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Drehung auf der Stelle, bewirkt durch das Hochachsen­ drehmoment. Bei geeignet gewähltem Drehzahlübersetzungsverhältnis i gibt es jedenfalls immer mindestens eine Lenkeinschlagkombination δ₁, δ₂, δ₃, δ₄, bei der nur seitliche Komponenten der Traktionskraftresultierenden auftreten.

Schon wegen der bei den Berechnungen vorgenommenen Vernachlässigungen und Vereinfachungen bedarf es ohnehin grundsätzlich bei allen nach dieser Beschreibung vorzunehmenden Dimensionierungen für /m _hv /, /w _h /, /i/ usw., insbesondere natürlich ggf. auch z. B. für die Gestaltung der Sperr­ charakteristik des Mittendifferentials 5, entsprechender Versuche, um alle Einflußgrößen, die in die gewünschten Fahrzeugbewegungen mit eingehen, zu berücksichtigen.

Eine weitere alternative Möglichkeit der Umverteilung der Antriebs­ drehmomente beim speziellen Rangierbetrieb besteht übrigens einfach darin, daß entweder die Hinterräder oder direkt am Mittendifferential die Antriebs­ welle zu den Hinterrädern abgebremst werden. Insbesondere wenn das effektive Drehmomentverhältnis /m _hv / für den Normalbetrieb mindestens gleich oder größer als 1 konzipiert war, läßt sich die gewünschte Optimierung in jedem Falle durch Abbremsen in geeignetem Maße herbeiführen, ggf. auch unter Verwendung vorhandener ABS-Komponenten. Durch dieses Abbremsen wird das Mittendifferential 5 veranlaßt, automatisch der Vorderachse einen höheren Drehmomentanteil zuzuordnen, d. h. /m _hv / wird entsprechend vermindert und geht im Grenzfall bei vollständiger Blockierung gegen Null (siehe Ausführungsbeispiel 6). Auch die vorstehend aufgeführten verschiedenen Maßnahmen können automatisch so gesteuert werden, daß die Längskräfte F _x oder die Querkräfte F _y kompensiert werden oder das Kfz nur bestimmte gewünschte Bewegungen ausführt.

Ausführungsbeispiel 2 (Kfz mit Vierradantrieb und Vorderradlenkung, Vorder- und Hinterachse gegensinnig angetrieben, Fig. 4)

Ist für das Kfz nun überhaupt keine Hinterradlenkung vorgesehen, sondern nur die übliche Vorderradlenkung, so ist in den obigen Formelbeziehungen w _h = 0 zu setzen. Damit entfällt die Seitenkraft an der Hinterachse F _yh (=0). Bei geeigneter Wahl des Vorderachs-Lenkeinschlages

w _v = ± arccos(-m _hv ) = ± arccos(/m _hv /),

bzw. des Drehmomentverhältnisses Hinterachse/Vorderachse

m _hv = - cosδ _v ,

oder, wenn z. B. mit vollständig gesperrtem Mittendifferential 5 rangiert werden soll, mit entsprechend gewähltem Drehzahlübersetzungsverhältnis für das Wendegetriebe

i = n _h /n _v = - (k ₁ + k₂ / k₃ + k₄) cosδ _v

sind die Längskräfte F _x wieder annähernd kompensiert. Im Falle gleicher Konstanten für die Vorder- und die Hinterräder k _v = k _h tritt die Kompensation der Längskräfte ein, wenn für die Anwendung von Lenk­ einschlagwinkeln von z. B.

/δ _v / = 37°, 32°, 27°, 22° usw.

das Drehmomentverhältnis Hinterachse/Vorderachse /m _hv / (bzw. ersatzweise das Drehzahlübersetzungsverhältnis für das Wendegetriebe /i/ =)

= 0,80, 0,85, 0,89, 0,93 usw.

gewählt wird. Abweichungen sind wieder möglich, wenn ein selbstsperrendes Mittendifferential 5, z. B. ein Torsen-Differential, verwendet wird.

Bei richtig mit dem Drehmoment- bzw. Drehzahlverhältnis abgestimmten Lenkeinschlag w _v ergibt sich dann im ersten (Vorwärts-)Gang ein platz­ sparendes Ausschwenken des Kfz mit der Vorderachse, z. B. bei positivem Lenkeinschlag nach links, wie wenn nur die Seitenkraft F _yv an der Vorder­ achse wirkt, verbunden wiederum mit einem entsprechenden Drehmoment um die Hochachse im Hinterachsmittelpunkt 7,

M(7) _ges = 2 F _av I sinδ _v ,

siehe Fig. 4. Bei Einlegen des Rückwärtsganges ergibt sich der umgekehrte Vorgang in die entgegengesetzte Richtung. Bei diesem Vorgang wird am Kfz praktisch nur die gelenkte Vorderachse nach links oder rechts gezogen, und es werden die Vorderräder auf dem Spurkreis 11 in etwa um die Hinterachse (Punkt 7) als Drehpunkt geschwenkt. Die Aufstandspunkte der Vorderreifen bewegen sich dabei ungefähr auf dem Spurkreis 11; die Schräglaufwinkel (zwischen der Tangente an den Spurkreis und der Schnittlinie der Radebene mit der Fahrbahnfläche) betragen dabei für die Räder 1 und 2

α₁ = arctan (2 I/b) -δ

α₂ = arctan (2 I/b) + δ,

sind also sehr unterschiedlich und führen zu verschieden starkem Radieren der Vorderräder auf dem Fahrbahnuntergrund. Bei Linkseinschlag der Vorder­ räder (δ<0) steht das linke Rad wieder wie bei Fig. 3 annähernd quer zur Spurkreistangente und kann damit praktisch nichts zur Drehbewegung beitragen; es würde sogar, wenn auch nur mit sehr geringem Effekt, entgegen der Bewegung auf dem Spurkreis 11 radieren, soweit das nicht durch das Verteilergetriebe, hier das Vorderachsdifferential 6, ausgeglichen wird. (Es kann hierbei zweckmäßig sein, das Vorderachsdifferential 6 zu sperren, um beiden Rädern gleiche Umdrehungen zuzuteilen und gleichmäßigere Abnutzung der Reifen längs des Umfangs zu gewährleisten.) Wird der Lenkeinschlag negativ (nach rechts) gewählt oder wird der Rückwärtsgang eingelegt, so daß alle Antriebsdrehrichtungen sich umkehren, so laufen die Vorgänge seiten­ verkehrt im Vergleich zu Fig. 4 ab. Um das starke Radieren des annähernd quer zur Spurkreistangente stehenden Vorderrades 2 zu vermeiden, desgleichen auch die dadurch bedingten hemmenden Reibungskräfte, den erhöhten und ungleichmäßigen Reifenverschleiß und den schlechten Wirkungsgrad dieses Schwenkbetriebes, müßte das linke Vorderrad 2 entgegengesetzt zum rechten Vorderrad 1 eingeschlagen und angetrieben werden (vgl. weiter unten Ausführungsbeispiel 5, Fig. 9); dadurch wird es sogar möglich, radierfreies Abrollen der Vorderräder 1, 2 auf dem Spurkreis 11 (bzw. 12) zu gewährleisten.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel 2 ist platzsparendes Rangieren möglich, insbesondere Aus- und Einparken bei engsten Parklücken oder Wenden auf schmaler Fahrbahn. Der Spurkreis 11 hat dabei einen Radius r, der nur wenig größer als der Radstand I ist (genauer r = I + b²/(8 I), wobei das Zusatz­ glied meist nur wenige Prozent ausmacht und deshalb vernachlässigt werden kann). Wenn man annimmt, daß bei einem Kfz normalerweise der vordere Überhang annähernd gleich dem hinteren Überhang ist, ergibt sich für diese Schwenkbewegung die ungefähre Gesetzmäßigkeit

Wendekreisdurchmesser ca. = Fahrzeuglänge + Radstand,

d. h. der Wendekreisdurchmesser, der bei einem 4-5 m langen Pkw für das übliche Wenden 10-12 m beträgt, ist hierbei immerhin auf ca. 6,5-8 m, also immerhin um ein Drittel, verringert.

Zwecks Übergangs vom normalen Fahrbetrieb auf den speziellen Rangier­ betrieb (und/oder vom Parallelverschiebungsbetrieb auf den Drehbetrieb) kann wieder erforderlichenfalls, wie bereits beim Ausführungsbeispiel 1 ausgeführt wurde, das nominelle Drehmomentverhältnis Hinterachse/Vorderachse /m _hv / im Verteilergetriebe umgeschaltet, durch Drehzahlübersetzung i zwischen Hinter- und Vorderachse, Sperr- oder Abbremsmaßnahmen oder dgl. beeinflußt und ggf. automatisch so geregelt werden, daß die Längskräfte F _x bzw. die Querkräfte F _y kompensiert werden bzw. das Kfz nur die gewünschten Parallelverschiebungs-, Dreh- oder Schwenkbewegungen ausführt. Im Grenzfall ist es sogar möglich, ein Fahrzeug mit normalem Vierrad- bzw. Frontantrieb und normaler Vorderradlenkung lediglich durch Abbremsmaßnahmen zu einer Schwenkbewegung mit dem Bug zu veranlassen (siehe Ausführungsbeispiel 6 am Schluß der Beschreibung).

Ausführungsbeispiel 3 (Kfz mit Vierradantrieb, mit Vorderrad- oder Vierradlenkung, rechte und linke Räder gegensinnig angetrieben, Fig. 5)

Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Längs­ komponenten F _x der Traktionskräfte F _a für den erfindungsgemäßen Rangier­ betrieb dadurch kompensiert werden, daß nicht die Vorder- und die Hinter­ räder, sondern die rechten und die linken Räder mit unterschiedlichen Dreh­ richtungen angetrieben werden. Fig. 5 zeigt hierzu das Beispiel eines Kfz mit Vierradantrieb, bei dem zu diesem Zweck die rechten Räder 1 und 4 vorwärts, die linken Räder 2 und 3 rückwärts angetrieben werden; dies wird beispielsweise über je ein dem jeweiligen Ausgleichsgetriebe 6 bzw. 7 zugeordnetes bzw. in dieses integriertes Wendegetriebe erreicht. Falls das Kfz über einen sogen. H-Antrieb verfügt, bei dem nicht Vorderräder 1, 2 und Hinterräder 3, 4 jeweils zu Antriebseinheiten zusammengefaßt sind, sondern statt dessen rechte Räder 1, 4 und linke Räder 2, 3, so genügt sogar ein einziges Wendegetriebe für das Verteilerdifferential, z. B. integriert in den Abtrieb für die linken Räder. Es ergeben sich für die Traktionskräfte folgende resultierenden Kraft- und Drehmomentbeträge:

Σ F _x = F _a ₁ ((cosδ₁ - cosδ₂) -m _hv (cosδ₃ - cosδ₄))

Σ F _y = F _a ₁ ((sinδ₁ - sinδ₂) -m _hv (sinδ₃ - sinδ₄))

M(8) _ges = F _a ₁ (b/2 (cosδ₁ + cosδ₂ + m _hv (cosδ₃ + cosδ₄))
+ I/2 (sinδ₁ - sinδ₂ + m _hv (sinδ₃ - sinδ₄))).

Bei gleichen Lenkeinschlagwinkeln der Vorderräder δ₁ = δ₂ = w und der Hinterräder (δ₃ = δ₄, wobei letztere bei reiner Vorderradlenkung ohnehin Null bleiben, δ₃ = δ₄ = 0), sind aus Symmetriegründen sowohl die Summe der Längskräfte als auch der Querkräfte stets Null (Σ F _x = 0, Σ F _y = 0), und zwar ohne daß es dazu eines bestimmten Drehmomentverhältnisses m _hv bedarf. Dieses Drehmomentverhältnis

m _hv = F _a ₄/F _a ₁ = F _a ₂/F _a ₃

ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel definitionsgemäß immer positiv, weil die Drehrichtungen der rechten Räder 1, 4 beide gleich und auch die der linken Räder 2, 3 beide gleich sind. Das Drehmomentverhältnis braucht dabei nicht unbedingt 1 : 1 (m _hv =1) zu sein, es kann aber für den speziellen Rangierbetrieb evtl. ein selbstsperrendes Mittendifferential 5, z. B. ein Torsen-Differential, verwendet werden. Mit diesem würde der Antriebsachse (bzw. bei H-Antrieb der Antriebsseite) mit der geringeren Drehzahl automatisch mehr Drehmoment zugeführt werden. Ohne Berücksichtigung dieser Sperrwirkung ergibt sich ein Drehmoment um die Hochachse im Radstandmittelpunkt 8 bei reiner Vorderradlenkung

M(8) _ges = F _a ₁ b(cosδ + m _hv )

bzw. bei symmetrischer Vierradlenkung (mit gegensinnigen oder gleichsinnigen Lenkeinschlägen der Vorder- und Hinterräder, δ₁ = δ₂ = -δ₃ = -δ₄ = δ oder δ₁ = δ₂ = δ₃ = δ₄ = δ)

M(8) _ges = F _a ₁ b cosδ (1 + m _hv ).

Dieses Drehmoment kann durch Einschlagen der Vorderräder nach links oder rechts (bzw. ggf. auch der Hinterräder) verringert werden, bei m _hv =1 geringfügig um 10% bzw. 20% bei einem Pkw mit einem maximalen Lenkeinschlagwinkel der Vorderräder δ=37°, dagegen um rund 40% bzw. 80% bei einem Omnibus mit einem maximalen Lenkeinschlagwinkel der Vorderräder δ=79°. Das Kfz führt dann wie in Fig. 3 eine Drehbewegung auf der Stelle im mathematisch positiven Drehsinn um die Hochachse im Radstandmittelpunkt 8 aus, zum mindesten wenn dieser im Bereich des Fahrzeugschwerpunktes liegt. Dabei beschreiben die Mittelpunkte der Reifen­ aufstandsflächen im Symmetriefall einen annähernd gemeinsamen Spurkreis 10 mit dem Spurkreisradius r. Die Drehbewegung kann durch die Lenkung beeinflußt werden oder durch Abbremsen, vorzugsweise nur einzelner Antriebsseiten, -achsen oder -räder, ggf. evtl. unter Verwendung vorhandener ABS-Komponenten oder der Handbremse. Die Reifen radieren dabei wieder auf der Fahrbahn, die Schräglaufwinkel berechnen sich wie im Ausführungs­ beispiel 1 (Seite 18), sie sind im Falle δ₁ = δ₂ = δ₃ = δ₄ = 0 sämtlich gleich α = arctan (I/b). Im Grenzfall, wenn man bei Vierradlenkung Lenk­ einschläge bis /δ/→90° realisieren könnte, würden die Räder sogar völlig nutzlos radieren, ohne daß das Kfz sich dreht. Bei Einlegen des Rückwärts­ ganges (Umkehrung aller Drehrichtungen des Antriebs) ergibt sich ein Hoch­ achsen-Drehmoment im mathematisch negativen Drehsinn (Uhrzeigersinn).

In einer Analyse der Drehbewegung kann man sich diese Drehung des Kfz auf der Stelle gemäß Fig. 5, wenn einmal von den Lenkausschlägen δ₁, δ₂, δ₃, δ₄ abgesehen wird (δ _v = δ _h = 0), so entstanden denken, als handele es sich um ein Kfz, bei dem Rad 2 und 3 das rechte und das linke "Vorder"rad, Rad 1 und 4 das rechte und das linke "Hinter"rad sind. Bei diesem fiktiven, durch zyklische Vertauschung der Räder entstandenen Kfz wäre dann an sich die y-Achse die normale Fahrtrichtung, wie bereits in der Analyse des Parallelverschiebungsbetriebs Fig. 1 auf Seite 13ff. angenommen, und alle Räder würden dann normalerweise "vorwärts" (in y-Richtung) angetrieben; hier jedoch in Fig. 5 dreht sich das Kfz auf der Stelle, weil die "Vorder"räder 2 und 3 aus der y-Richtung um ca. 90° nach links, die "Hinter"räder 1 und 4 aus der y-Richtung um ca. 90° nach rechts eingeschlagen sind.

Diese Drehbewegung beruht übrigens auf einem technischen Prinzip, wie es in ähnlicher Weise bisher nur bei Fahrzeugen mit speziellen Bodenberührungs­ elementen (siehe Seite 3, vorletzter Absatz) oder bei Kettenfahrzeugen praktizierbar erschien, nämlich wenn man z. B. letztere durch Vorwärtslauf der einen und gleichzeitigen Rückwärtslauf der anderen Gleiskette auf der Stelle drehen lassen würde. (Tatsächlich wird bei Kettenfahrzeugen eine solche Drehung üblicherweise durch Abbremsen einer Kette bewirkt.) Gegenüber der vorliegenden Erfindung fehlen dabei jedoch die entscheidenden Merkmale des ausschließlichen Radantriebes (Fahrbahnkontakt nur über gummibereifte Räder) und der Beeinflussungs- und Unterstützungsmöglichkeit durch Lenkeinschläge der Antriebsräder, wie z. B. beim nächsten Ausführungs­ beispiel. Durch geeignete Lenkeinschläge läßt sich, wie das nächste Ausführungsbeispiel zeigt, eine Vervielfachung der Hochachsen-Drehmomente und außerdem unter bestimmten Voraussetzungen ein annähernd radierfreies Abrollen der Reifen erzielen.

Ausführungsbeispiel 4 (Kfz mit Vierrad-, Front- oder Heckantrieb, rechte und linke Antriebsräder gegensinnig angetrieben, rechte Räder und linke Räder sowie Vorderräder und Hinterräder gegensinnig gelenkt, Fig. 6 und analog Fig. 9)

Die Drehbewegung gemäß Fig. 5 kann besonders wirksam unterstützt und beeinflußt werden, wenn man gegensinnige Lenkeinschläge der linken zu den rechten Rädern und gleichzeitig vorzugsweise symmetrische gegensinnige Lenkung der Vorder- und der Hinterräder realisiert (δ₁ = -δ₂ = δ₃ = -δ₄ = δ, Fig. 6). Wie derartige Lenkeinschläge auf relativ einfache Weise z. B. mittels servomotorischer Spurstangen-Längenverstellung realisiert werden können, wird weiter unten erläutert. Man erhält bei Vierradantrieb

Σ F _x = 0

Σ F _y = F _a ₁ (1 - m _hv ) 2 sinδ

M(8) _ges = F _a ₁ (1 + m _hv ) (b cosδ + I sinδ).

Die hierbei auftretende Querkraftresultierende Σ F _y kann durch m _hv = 1 zu Null gemacht werden, sie kann zum mindesten vernachlässigbar klein gehalten werden, damit sich keine nennenswerte überlagerte Parallelverschiebungs­ bewegung in y-Richtung ergibt. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel 3 (Fig. 5) ist hier das mit maximalem Lenkeinschlag w _max zu erzielende Hochachsen-Drehmoment M(8) _ges um den Faktor

cosδ _max + (I/b) sinδ _max

größer, z. B. bei normalen Pkws in der Regel ca. um den Faktor 2, bei relativ langen Fahrzeugen wie Omnibussen um ein Vielfaches größer. Außerdem kann M(8) _ges auch durch entgegengesetzte (negative) Lenk­ einschläge kontinuierlich verringert und mit Lenkeinschlägen δ = -arctan(I/b) auch zu Null gemacht werden; M(8) _ges kann darüber hinaus sogar noch durch entgegengesetzte (negative) Lenkausschläge negativ gemacht werden, so daß die Drehrichtung der Hochachsen-Drehbewegung sich umkehrt, ohne daß der Rückwärtsgang eingelegt werden muß und damit alle Antriebs-Drehrichtungen sich umkehren.

In Fig. 6 ist der Spurkreis 10 (mit dem Spurkreisradius r) für das auf der Stelle drehende Kfz eingetragen. Man ersieht daraus, daß die Schräglauf­ winkel der Reifen 1, 2, 3 und 4 im Symmetriefall alle gleich und relativ klein sind; sie betragen

α = arctan(I/b) - /δ/ = arccos(b/2 r) - /δ/

und liegen damit bei normalen Pkw (mit maximalen Lenkeinschlagwinkeln von z. B. 37°) unter 30°. Sie können aber bei Kfz mit relativ kleinem Radstand oder mit sehr großem maximalem Lenkeinschlagwinkel wie in Fig. 6

/δ/ = arct(I/b) = arccos(b/2 r),

z. B. bei einem Omnibus mit /δ/=79°, I=5,14 b, sogar zu Null gemacht werden. In diesem Fall verlaufen dann die Schnittlinien der Radebenen mit der Fahrbahnfläche tangential zum eingezeichneten Spurkreis 10, so daß die Räder bei dem Drehvorgang ohne größere Schräglaufwinkel wirklich "abrollen" können und die Reifen so gut wie gar nicht auf dem Fahrbahnuntergrund radieren. Auf diese Weise kann z. B. die Rangierfähigkeit von kleinen zwei­ sitzigen Stadtfahrzeugen ebenso wie die von Sattelzugmaschinen oder Omnibussen optimiert werden.

Das radierfreie Abrollen kann auch bei betragsmäßig unterschiedlichen Lenk­ einschlagwinkeln für Vorder- und Hinterräder gewährleistet werden, nämlich mit

/δ _v / = arctan(I-2 Δ x/b) = arccos(b/2 r _v )

/δ _h / = arctan (I+2 Δ x/b) = arccos(b/2 r _h );

dabei verschiebt sich der Fahrzeughochachsen-Drehpunkt um die Strecke Δ x (<0) vom Radstandmittelpunkt 8 in Richtung auf die Hinterachse (Punkt 7), und die Vorderräder rollen dann auf einem etwas größeren Spurkreis 12 (Radius r _v ), die Hinterräder auf einem kleineren Kreis (Radius r _h ) um den gleichen Drehpunkt ab (siehe Spurkreis 12, Drehpunkt 13 und kleinerer Kreis 14 wie in Fig. 9, dort allerdings ohne Lenkeinschläge δ _h der Hinter­ räder 3, 4, die dann um einen anderen als den Drehpunkt 7 auch nicht radierfrei abrollen können). Auf diese Weise kann z. B. eine Sattelzugmaschine durch Anordnung des Drehgelenks im Drehpunkt 13 so ausgeführt werden, daß sie auf der Stelle um das Drehgelenk drehen kann, ohne daß gleichzeitig auch der aufliegende Anhänger bewegt wird; eine derartige optimale Wendigkeit wäre andernfalls (bei rechts und links gleichsinnigen Lenkeinschlägen) nur mit Lenkeinschlagwinkeln δ _v von mehr als ±90° realisierbar.

Der Drehbetrieb mit den tangential und radierfrei auf je einem Kreis abrollenden Vorder- und ggf. Hinterrädern kann übrigens in gleicher Weise auch bei Kfz nur mit Frontantrieb (m _hv =0) oder nur mit Heckantrieb (m _hv =∞, F _a ₁=0) realisiert werden; in diesem Falle werden auch bei F _yh =0 oder bei F _yv =0 die Räder nicht anders abrollen als durch die Lenkung vorgegeben, also wie in Fig. 6 (/δ _h / = /w _v /) bzw. Fig. 9 (0≦/δ _h / < /δ _v /).

Die wirtschaftliche Ausführbarkeit dieses Ausführungsbeispiels 4 (Fig. 6-9) und des folgenden Ausführungsbeispiels 5 (Fig. 9) und der dazu möglichen Varianten hängt jedoch davon ab, daß für den erfindungsgemäßen Rangier­ betrieb mit nur wenig Aufwand gegensinnige Lenkeinschläge des rechten und linken Rades jeder Antriebsachse realisiert werden können. Am einfachsten wird dies durch eine servomotorische Spurstangen-Längenverstellung bewerk­ stelligt. Handelt es sich zum Beispiel um eine Vorderradlenkung mit geteilten Spurstangen, so werden in diese Spurstangen je zwei vorzugsweise koaxiale, zwecks formschlüssiger Führung ineinanderpassende stabförmige Teile integriert, nämlich z. B.

• 1. ein Hohlstab und
• 2. ein darin geführter, verschiebbarer Stab oder dgl.,

von denen jeweils der eine Teil eine Zahnstange und der andere ein durch einen elektrischen oder hydraulischen Servomotor angetriebenes Ritzel enthält. Durch Antrieb des Ritzels kann die wirksame Länge der betreffenden zweiteiligen Spurstange verlängert, später durch Antrieb des Ritzels mit umgekehrter Drehrichtung wieder verkürzt werden. Nach dem Umschalten auf den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb läuft dieser Antrieb - vorzugsweise unabhängig von der vorherigen Ausgangsposition der Lenkung - so lange, bis ein Endkontakt z. B. am Achsschenkel meldet, daß das betreffende Rad den vorbestimmten Lenkeinschlag erreicht hat; nach dem Ausschalten des speziellen Rangierbetriebs läuft der Antrieb in umgekehrter Richtung so lange, bis ein Anschlagkontakt z. B. an der Spurstange meldet, daß diese wieder ihre Normallänge und die Lenkung wieder ihre vorherige Ausgangs­ position erreicht hat.

Diese servomotorische Spurstangen-Längenverstellung findet nur bei Fahrzeug­ stillstand oder allenfalls bei Kriechgeschwindigkeiten bzw. niedrigen Manövriergeschwindigkeiten statt; sie bereitet deshalb auch keine nennens­ werten Sicherheitsprobleme, sofern wirksame Maßnahmen gegen unbeab­ sichtigte Betätigung im normalen Fahrbetrieb getroffen sind. Sie erlaubt es, bei Bedarf ganz bestimmte Lenkwinkel zu erzeugen, z. B. - unabhängig von den im normalen Fahrbetrieb unverzichtbaren Lenkdifferenzwinkeln - genau gleich große oder auch entgegengesetzte Lenkeinschlagwinkel für rechte und linke Räder einer Antriebsachse. Sie kann auch für die Hinterradlenkung (Fig. 1-3, 6-9) sowie im übrigen bei allen Ausführungsformen der Erfindung als Lenkhilfe auch bei den Vorderrädern eingesetzt werden, um den Fahrer der Notwendigkeit zu entheben, selbst die für den erfindungsgemäßen Rangier­ betrieb erforderlichen Lenkeinschläge herzustellen.

Fortsetzg. Ausführungsbeisp. 4 (Kfz mit Vierradantrieb, rechte und linke Räder gegensinnig angetrieben und gegensinnig gelenkt, Vorder- und Hinterräder gleichsinnig gelenkt, Fig. 7 und 8)

Die Drehbewegung gemäß Fig. 6 kann in einer Variante dieses Ausführungs­ beispiels auch unterdrückt und statt dessen eine Parallelverschiebungs­ bewegung erzeugt werden, wenn die Lenkausschläge der Hinterräder nicht gegensinnig zu den Vorderrädern, sondern gleichsinnig mit diesen gewählt werden: δ₁ = -δ₂ = -w₃ = δ₄ = δ (Fig. 7). In diesem Fall von symmetrischen (vorn und hinten gleich-, rechts und links aber gegensinnigen) Lenkeinschlägen ergibt sich

Σ F _x = 0

Σ F _y = F _a ₁ (1 + m _hv ) 2 sinδ

M(8) _ges = F _a ₁ (b (1 + m _hv ) cosδ + I (1 - m _hv ) sinδ).

Bezieht man das Hochachsen-Drehmoment M _ges nicht auf den Radstand­ mittelpunkt 8, sondern auf den Angriffspunkt 9 der Querkraftresultierenden Σ F _y , der von Punkt 8 um die Strecke Δ x entfernt auf der Verbindungslinie zwischen Punkt 6 und 7 liegt, so ändert sich das Drehmoment im Vergleich zu M(8) _ges um den Wert

Δ M _ges = -F _a ₁ Δ x 2 (1 + m _hv ) sinδ.

Da im tatsächlichen Angriffspunkt der Querkraftresultierenden Σ F _y = F _Ages das Hochachsen-Drehmoment Null sein muß, läßt sich daraus die Lage dieses Angriffspunktes berechnen. Dieser Angriffspunkt liegt, wenn m _hv =1 ist, bei Δ x = b/(2 tanδ), ist also im Falle Δ x<0 (δ<0) um diese Strecke vom Radstandmittelpunkt 8 entfernt in Richtung Vorderachse Punkt 6 verschoben, dagegen im Falle Δ x<0, δ<0) in Richtung Hinterachse Punkt 7 ver­ schoben. Wenn m _hv von 1 abweicht, ergibt sich mit

Δ x = b/(2 tanδ) - (m _hv - 1/m _hv + 1)I/2

eine zusätzliche Verschiebung in Richtung Hinterachse. Das Drehmoment­ verhältnis m _hv , das ggf. durch Umschaltung für den erfindungsgemäßen Drehbetrieb gewählt wird, kann mit dem zugehörigen Lenkeinschlagwinkel δ je nach dessen Vorzeichen (und ggf. je nach eingelegtem Vorwärts- oder Rückwärtsgang) so abgestimmt werden, daß der Angriffspunkt 9 der allein verbleibenden Querkraftresultierenden Σ F _y ungefähr in den zu erwartenden Fahrzeugschwerpunkt verlegt wird und das Hochachsendrehmoment dort zu Null wird.

Während in Fig. 7 δ<0 angenommen wurde und eine Parallel­ verschiebungsbewegung des Kfz nach links zustande kam, ergibt sich bei Einlegen des Rückwärtsganges und Umkehrung aller Antriebsdrehrichtungen (Fig. 8) oder bei Umkehrung aller Lenkeinschläge eine Parallelverschiebungs­ bewegung nach rechts.

Wegen der Schwerpunktlage kann es zweckmäßig sein, z. B. ein für den Drehbetrieb gemäß Fig. 5 oder 6 ausgerüstetes Kfz nicht den vorstehend beschriebenen Parallelverschiebungsbetrieb gemäß Fig. 7 bzw. 8 ausführen zu lassen, sondern statt dessen den nach Fig. 1 und 2 (oder umgekehrt ein für den Drehbetrieb gemäß Fig. 3 ausgerüstetes Kfz statt des Parallel­ verschiebungsbetriebs gemäß Fig. 1 und 2 den gemäß Fig. 7 und 8). In derartigen Fällen wäre es erforderlich, wahlweise die Drehrichtung der Hinterräder (bzw. der Vorderräder) oder der linken Räder (bzw. der rechten Räder) umkehren zu können. Dazu könnte man 3 wahlweise schaltbare Wendegetriebe verwenden und diese z. B. entweder dem Hinterachsantrieb und den Antriebswellen der beiden linken Räder zuordnen oder z. B. den Antriebs­ wellen der beiden Hinterräder und des linken Vorderrades, bei Kfz mit H-Antrieb z. B. entweder dem Antrieb für die linken Räder und den Antriebs­ wellen der Hinterräder oder z. B. den Antriebswellen der beiden linken Räder und des rechten Hinterrades. Ideal für diesen Zweck, aber sehr aufwendig, wäre eine Umschaltmöglichkeit von normalem Vierradantrieb auf H-Antrieb; in diesem Fall würden für die Anwendung der Erfindung 1 bzw. höchstens 2 Wendegetriebe genügen.

Bei Elektrofahrzeugen mit Radantriebsmotoren für die einzelnen Räder, etwa mit 4 elektrischen Radnaben-Innenpolmotoren, könnte der Aufwand für die Wendegetriebe u. U. auf einfache Umpolungsschalter reduziert werden. Durch diese getrennt schaltbaren Umpolungsmöglichkeiten würde dann im Prinzip - allerdings nur hinsichtlich der Triebwerksumschaltung - der erfindungs­ gemäß spezielle Rangierbetrieb ermöglicht werden, z. B. um die linken Räder mit entgegengesetzter Drehrichtung zu den rechten Rädern anzutreiben. Mit der bloßen Möglichkeit oder auch mit der tatsächlichen Vornahme einer entsprechend geeigneten Umpolungsschaltung, sofern es etwa derartiges bereits irgendwann einmal gegeben haben sollte, wäre jedoch ggf. noch keineswegs die vorliegende Erfindung mit ihren speziellen Zielsetzungen für das Parkieren und Manövrieren von normalen Straßen-Kfz mit mechanischem Triebwerk vorweggenommen. Zu dem erfindungsgemäß durchgeführten Rangierbetrieb gehören nämlich weitere entscheidende Merkmale, u. a. auch die Erzeugung von ganz bestimmten, z. T. gegensinnigen Lenkausschlägen möglichst aller Antriebsräder und deren gezielte Abstimmung entweder mit dem Drehmomentverhältnis (z. B. gezielte Kompensation aller Längskräfte Σ F _x = 0) oder mit dem Radstand-Spurweite-Verhältnis (Gewährleistung eines tangentialen Abrollens der Räder auf dem Spurkreis beim Drehen auf der Stelle).

Es sind auch andere vereinfachte Varianten des Ausführungsbeispiels 4 möglich. Zum Beispiel können die rechten und linken Antriebsräder mit unterschiedlicher Drehrichtung angetrieben werden, aber nur die vorderen Räder gelenkt werden. Dieses vereinfachte Verfahren ist u. a. auch bei Kfz nur mit Frontantrieb anwendbar:

Ausführungsbeispiel 5 (Kfz mit Vierrad- oder Frontantrieb, rechtes und linkes Vorderrad gegensinnig angetrieben und gegensinnig gelenkt, rechtes und linkes Hinterrad ungelenkt, aber ggf. gegensinnig angetrieben, Fig. 9)

Werden bei einem Kfz mit Vierrad- oder Frontantrieb nur die Vorderräder 1, 2 gegensinnig gelenkt und mit unterschiedlicher Drehrichtung angetrieben, so ergeben sich wieder Schwenkbewegungen des Kfz mit den Vorderrädern auf einem Spurkreis 12 (mit dem Radius r _v ) um einen Drehpunkt 13 (Fig. 9). Wenn es sich um ein Kfz mit Vierradradantrieb handelt und beim speziellen Rangierbetrieb auch die Hinterachse angetrieben wird, tritt dabei ein zusätzliches Hochachsen-Drehmoment der Hinterräder auf und verändert je nach Drehmomentverhältnis m _hv die Lage des Drehpunktes 13, d. h. dieser Drehpunkt 13 wird mit wachsendem Drehmomentverhältnis m _hv vom Punkt 7 in Richtung auf den Punkt 8 verschoben, so daß er um die Strecke Δ x(<0) vom Radstandmittelpunkt 8 entfernt liegt. Dadurch wird der Radius r _v des Spurkreises 12 der Vorderräder noch kleiner als beispielsweise der Radius des Spurkreises 11 in Fig. 4. Während bei einem Kfz mit reinem Frontantrieb der Drehpunkt 13 im Hinterachsmittelpunkt 7 liegen wird (Fig. 4, Δ x = -I/2), wird er im Grenzfall bei einem Kfz mit Vierradantrieb und symmetrischer Vierradlenkung (m _hv =1) im Radstandmittelpunkt 8 (Fig. 6, Δ x=0) liegen. (Die Berechnung entspricht der des Punktes 9 im Ausführungsbeispiel 4, Fig. 7, nur daß hier die Lenkeinschlagwinkel der hinteren Räder ggf. δ _h =0 zu setzen sind.)

Bei Kfz mit relativ kurzem Radstand I oder bei Anwendung eines relativ großen maximalen Lenkeinschlagwinkels /δ _v / = arccos(b/2 r _v ) ist es wie beim Ausführungsbeispiel 4 möglich, die Reifen der Vorderräder 1, 2 auch mit Schräglaufwinkel α _v =0, also ohne nennenswertes Radieren auf dem Fahrbahnuntergrund, tangential zum Spurkreis 12 (Radius r _v ) abrollen zu lassen. Die Hinterräder würden dabei je nach Schräglaufwinkel α _h = /α₃/ = /α₄/ = arccos(b/2 r _h ) mehr oder weniger radierend auf einem konzentrischen kleineren Kreis 14 (Radius r _h ) um den gleichen Drehpunkt 13 bewegt werden. (Um außer den Vorderrädern auch die Hinterräder völlig radierfrei abrollen zu lassen, müßte man mindestens eine Hinterrad-Zusatzlenkung mit geeignet gewählten kleineren Lenkeinschlagwinkeln w _h vorsehen, wie beim Ausführungs­ beispiel 4 beschrieben, siehe oben Seite 34.)

Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung kann z. B. bei Frontantrieb mittels einer servomotorischen Spurstangen-Längenverstellung (siehe oben Seite 35) und mittels eines in das Differential 6 integrierten Wendegetriebes z. B. für das linke Vorderrad 2 realisiert werden. Sollen bei einem Kfz mit Vierrad­ antrieb beim Drehbetrieb (mit oder ohne die erwähnte Hinterrad-Zusatz­ lenkung) auch die Hinterräder angetrieben werden, so kann ein weiteres Wendegetriebe in das Differential 7 für das linke Hinterrad 3 integriert werden; dabei führt dann das Mittendifferential 5 den Ausgleich für die unterschiedlichen Radwege der Hinter- und der Vorderräder herbei.

Zahlreiche weitere Ausführungsformen sind möglich. Für die Anwendung der Erfindung ist, wie das vorstehende Ausführungsbeispiel 5 und auch das folgende Ausführungsbeispiel 6 zeigen, keineswegs unbedingt Allradantrieb und auch nicht Allradlenkung Voraussetzung. Bei Frontantrieb und Vorderrad­ lenkung beschränkt sich schon allein der rein gewichtsmäßige Mehraufwand für die Anwendung der Erfindung auf wenige Tausendstel des Kfz-Leer­ gewichtes und ist im Vergleich zu anderen Rangier- und Parkierhilfen, die mit Zusatzrädern oder dgl. ähnliches leisten, minimal.

Ausführungsbeispiel 6 (Kfz mit Vierrad- bzw. Frontantrieb und Vorderradlenkung, Blockierungsmöglichkeit für die Antriebswelle der Hinterräder bzw. für Hinterräder)

Die folgende besonders stark vereinfachte Variante, abgeleitet aus dem Ausführungsbeispiel 2, ist - bei normalen Reibungsverhältnissen zwischen Reifen und Fahrbahn - zwar weniger wirksam in bezug auf Verringerung des Wendekreisdurchmessers als alle anderen Ausführungsbeispiele, benötigt dafür aber kein bestimmtes und noch dazu negatives Drehmomentverhältnis m _hv , also auch keine Drehrichtungsumkehr der Hinterachse für den speziellen Rangierbetrieb, außerdem auch keine Maßnahmen für das Lenkungssystem.

Bei einem allradangetriebenen Kfz kann der gegensinnige Antrieb der Hinter­ räder 3, 4 für den speziellen Rangierbetrieb dadurch ersetzt werden, daß die gesamte Hinterachse vollständig "abgebremst" wird, indem man z. B. die Antriebswelle vom Mittendifferential 5 zum Hinterachsdifferential 7 blockiert. Voraussetzung ist hierbei natürlich, daß die beteiligten Triebwerks- und Getriebeteile den Beanspruchungen einer solchen Getriebeabbremsung gewachsen sind. Durch diese Blockierung des Hinterachsantriebs wird das Antriebsdrehmoment nunmehr vom Verteilergetriebe 5 den Vorderrädern 1, 2 zugeteilt, die Längskräfte F _x werden teilweise dadurch kompensiert, daß der normale Hinterradantrieb (m _hv <0) entfällt und dadurch nur vortriebs­ hemmende Haft- bzw. Gleitreibungskräfte der Hinterräder 3, 4 in Erscheinung treten.

Dabei bleibt der Ausgleich zwischen den beiden Hinterrädern 3, 4 über das Hinterachsdifferential 7 gewährleistet; der Übergang von der Haftreibung in die Gleitreibung erfolgt nur für eines der Räder. (Durch Sperrung des Hinterachsdifferentials 7 kann die Blockierung jederzeit auf beide Räder ausgedehnt werden.) Auf Grund der verbleibenden Seitenkräfte F _yv des nur noch wirksamen Frontantriebs führt das Kfz eine Schwenkbewegung mit dem Bug nach links um die Hinterachse aus. Wegen der nur unvollständigen Kompensation der Längskräfte F _x , wobei mindestens eines der Hinterräder in nennenswertem Umfang zu gleiten beginnt, bleibt dieser Schwenkbewegung eine geringfügige Längsbewegung in der jeweiligen x-Richtung überlagert. Der Radius des Spurkreis 11 ist infolgedessen etwas größer als der Radstand, und ist vergleichsweise etwas größer als bei dem Verfahren nach Fig. 4; gleichwohl bleibt der Wendekreisdurchmesser, insbesondere bei guten Haftreibungsbedingungen zwischen Hinterreifen und Fahrbahnuntergrund, immer noch deutlich kleiner als im normalen Fahr- und Rangierbetrieb.

Im Prinzip ungefähr die gleiche Wirkung, allerdings ohne Ausgleichmöglichkeit zwischen den beiden Hinterrädern 3, 4, läßt sich bei einem Front­ antriebs-Kfz erreichen, wenn man bei diesem eine auf die Hinterräder wirkende Handbremse fest anzieht und auf diese oder andere Weise - evtl. auch durch Verwendung ggf. vorhandener ABS-Komponenten - die Hinterräder 3, 4 blockiert: Bei Einschlagen des Lenkrades z. B. stark nach links würde das Kfz mit blockierten Hinterrädern dann beim langsamen Anfahren einen etwas engeren Bogen nach links beschreiben, als es dem normalen Wendekreis entspricht. Dieser Effekt kommt dadurch zustande, daß den Längskräften F _xv der Vorderräder 1, 2 die Reibungskräfte der blockierenden Hinterräder 3, 4 entgegenwirken, so daß die von den eingeschlagenen Vorderrädern erzeugten Seitenkräfte F _yv dominieren. Die F _x -Komponenten werden dabei allerdings nur zu einem noch kleineren Teil kompensiert, die Haftreibung der blockierenden Hinterräder geht dabei in Gleitreibung über (es sei denn, es wird z. B. zusätzlich ein Unterlegkeil für mindestens eines der Hinterräder verwendet, s. u.).

Das vorstehend aufgezeigte Verfahren einer gewissermaßen "statischen" Kurvenkriechfahrt mit mindestens einem blockierten Hinterrad ist übrigens nicht vorweggenommen durch gewisse aus dem Rallye-Sport bekannte "dynamische" Verfahren der Handbremsenbetätigung in der Kurve. Bekannt ist z. B., daß Rallye-Fahrer mit allrad-angetriebenen Fahrzeugen in einer spitzen Haarnadelkurve gern ruckartig die Handbremse betätigen, um das Fahrzeug schneller in die gewünschte Gegenrichtung zu zwingen. Oder in Sicherheits­ trainings wird z. B. für Notbremsungen empfohlen, in bestimmten kritischen Situationen erforderlichenfalls durch Betätigung der Handbremse und Herumreißen der Lenkung eine energieverzehrende Drehbewegung des Fahrzeugs einzuleiten. Derartige Handbremseffekte beruhen auf dem Wegfall der Seitenführungskräfte bei blockierenden Hinterrädern, nicht aber auf einer Kompensation der Längskomponenten der Antriebskräfte und haben deshalb mit dem hier vorliegenden allgemeinen Erfindungsgedanken nichts zu tun.

Um für die Abbremsung bzw. Blockierung eines Hinterrades den höchst­ möglichen Kraftschlußbeiwert zu gewährleisten und damit den Wendekreis­ durchmesser auf ein Minimum zu verringern, nämlich ca. Fahrzeuglänge + Radstand, kann man - vorzugsweise behelfsmäßig bei Fahrzeugen, die nicht für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb ausgerüstet sind - auch folgendes Verfahren anwenden: Für eine Schwenkbewegung des Fahrzeugbugs nach links arretiert man vorzugsweise das linke Hinterrad 3 annähernd ortsfest durch eine an diesem Rad befestigte, den Reifen an einer Stelle u-förmig umschließende Radkralle oder durch einen vorgelegten Unterlegkeil oder dgl. Dadurch wird das Hinterrad 3 am Vorwärtsrollen gehindert und wird während des weiteren Wendevorganges höchstens noch mit der Reifenaufstandsfläche des arretierten Hinterrades einen kleinen Kreis auf der Fahrbahn um das Hindernis (Radkralle, Unterlegkeil oder dgl.) beschreiben. Radkralle bzw. Unterlegkeil können beispielsweise aus einem bei Belastung auf der Fahrbahnfläche haftenden Unterteil und einem darauf drehbaren Oberteil zur Aufnahme des Reifens bestehen; sie sind zu dem genannten Zweck so geformt, daß auch beim Schwenken des Fahrzeugbugs im Verlauf des Wendevorgangs (bis mindestens 90°, eventuell bis 180°) der Hinterreifen stets arretiert bleibt, ohne beschädigt zu werden, bis - nach leichtem Zurücksetzen des Kfz - die Radkralle bzw. der Unterlegkeil wieder entfernt werden kann.

Claims (23)

1. Parkier- und Manövrierhilfe für Kraftfahrzeuge mit mindestens zwei lenkbaren Antriebsrädern, sowie zugehöriges mechanisches Getriebe- und Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Während Fahrwerk, Räder und Bereifung des Kfz konventionell ohne eine besondere Parkier- oder Manövrierhilfe ausgeführt sind, wird im Bedarfsfall ein spezieller Rangierbetrieb für besonders flexibles Parkieren und Manövrieren auf engstem Raum im wesentlichen durch Umschaltung(en) im mechanischen Antriebs-(Getriebe-)System ermöglicht, indem durch diese Umschaltungen
entweder die Antriebsachsen, z. B. die Vorder- und die Hinterachse,
oder die Antriebsräder auf der rechten und auf der linken Seite
erfindungsgemäß in unterschiedlicher Drehrichtung angetrieben werden, und zwar Vorderachse und ggf. Hinterachse mit vorzugsweise so gewähltem Drehmomentverhältnis,
daß erstens alle Traktionskraft-Komponenten in Richtung der Kfz-Längsachse sich aufheben (Summe aller Längskräfte = 0) und Längs­ bewegungen des Kfz unterdrückt werden,
und daß zweitens, vorzugsweise wenn gleichzeitig bestimmte gleichsinnige oder gegensinnige Lenkeinschläge erzeugt werden, die an den Antriebsrädern wirksam bleibenden, in der Gesamtwirkung auf das Kfz sich nicht aufhebenden Traktionskräfte
entweder als Querkräfte (quer zur Kfz-Längsachse) alle in eine Richtung weisen und dadurch eine seitliche Parallelverschiebungs­ bewegung des Kfz bewirken (Ausführungsbeispiele: Fig. 1, 2, 7 oder 8),
oder vorzugsweise als Querkräfte in entgegengesetzte Richtungen weisen und dadurch eine Drehung des Kfz auf der Stelle um eine Hochachse bewirken (Ausführungsbeispiele: Fig. 3, 6),
bei unterschiedlicher Drehrichtung der rechten und linken Räder auch ohne Lenkeinschläge als Längskräfte in entgegengesetzte Richtungen weisen und dadurch ebenfalls eine Drehung des Kfz auf der Stelle bewirken (Fig. 5),
oder als verschieden große Kräfte an Vorder- und Hinterachse gleichzeitig Parallelverschiebung und Drehung des Kfz bewirken, so daß eine Schwenkbewegung vorzugsweise mit dem Fahrzeugbug zustandekommt (Ausführungsbeispiele: Fig. 4 und 9).

2. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 1 vorzugsweise für Kfz mit Vierradantrieb und -lenkung, sowie zugehöriges Getriebe- und Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Im Bedarfsfall werden - für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 - die Vorderräder (1), (2) gegenüber den Hinterrädern (3), (4) gegensinnig, d. h. mit entgegengesetzter Drehrichtung, angetrieben, und zur Erzeugung der notwendigen Seitenkräfte werden
entweder die Hinterräder gegensinnig zu den Vorderrädern eingeschlagen, so daß das Kfz mehr oder weniger nur seitliche Parallelverschiebungsbewegungen quer zu seiner Längsachse ausführt, und zwar nach links (Fig. 1) oder rechts (Fig. 2) je nachdem, ob die Vorderräder (1), (2) nach links oder nach rechts und die Hinterräder (3), (4) entsprechend gegensinnig eingeschlagen sind und ob ein Vorwärtsgang (Fig. 1 und 2) oder ein Rückwärtsgang eingelegt ist,
oder die Vorder- und Hinterräder gleichsinnig eingeschlagen, so daß das Kfz annähernd eine Drehbewegung auf der Stelle in mathematisch positivem (Fig. 3) oder negativem Drehsinn um eine Hochachse, mindestens aber eine Schwenkbewegung vorzugsweise mit dem Fahrzeugbug ausführt, je nachdem ob die Räder (1), (2), (3), (4) sämtlich nach links (Fig. 3) oder nach rechts eingeschlagen sind und ob ein Vorwärtsgang (Fig. 3) oder Rückwärtsgang eingelegt ist.

3. Getriebesystem nach Anspruch 2 vorzugsweise für vierrädrig angetriebene Kfz, wie folgt gekennzeichnet:
Für die vorgesehene Drehrichtungsumkehr einer Achse wird ein Wende­ getriebe vorgesehen, entweder integriert in das Verteilergetriebe bzw. Mittendifferential (5) oder zusätzlich zu diesem Getriebe (5), während statt dessen bei Kfz mit sogen. H-Antrieb, bei dem rechte und linke Räder jeweils zu Antriebseinheiten zusammengefaßt sind, getrennte Wendegetriebe für beide Hinterräder (3), (4) vorgesehen werden.

4. Getriebe- und Lenkungssystem nach Anspruch 2, wie folgt gekennzeichnet:
Im Bedarfsfall wird - für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 - Vierradlenkung mit einem Lenkeinschlagverhältnis Hinterräder/Vorderräder von betragsmäßig 1 : 1 und dementsprechend Vierradantrieb mit einer Drehmomentaufteilung Hinterachse/Vorderachse von betragsmäßig 1 : 1 verwendet.

5. Getriebe- und Lenkungssystem nach Anspruch 2, wie folgt gekennzeichnet:
Im Bedarfsfall wird - für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 - bei stärkerem Lenkeinschlag für die Vorderräder als für die Hinterräder das Drehmomentverhältnis Hinterachse/Vorderachse entsprechend kleiner gemacht, so daß das Kfz die nach Anspruch 2 vorgesehenen Bewegungen ausführen kann.

6. Getriebe- und Lenkungssystem nach Anspruch 2, wie folgt gekennzeichnet:
Das Drehmomentverhältnis Hinterachse/Vorderachse wird umschaltbar ausgeführt, z. B. nach bekanntem Vorbild durch ein entsprechend ausgeführtes Verteilergetriebe (5), vorzugsweise durch ein Planetengetriebe, mit umschaltbarer Lastverteilung auf Hinter- und Vorderachse, wodurch das Kfz im Bedarfsfall - in dem speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 - mit bestimmten Lenkeinschlägen die nach Anspruch 2 vorgesehenen Bewegungen ausführen kann.

7. Getriebesystem nach Anspruch 2, wie folgt gekennzeichnet:
Das Drehmomentverhältnis Hinterachse/Vorderachse wird durch entsprechende Ausführung des Verteilergetriebes (5) nach bekanntem Vorbild kontinuierlich variabel gehalten und wird dabei im Bedarfsfall - für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 oder bestimmte Varianten desselben - so gesteuert, daß das Kfz die nach Anspruch 2 vorgesehenen Bewegungen ausführen kann.

8. Getriebesystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 7, wie folgt gekennzeichnet:
Im Bedarfsfall wird - für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 - das Mittendifferential des Verteilergetriebes (5) ganz oder anteilig gesperrt und/oder für das Wendegetriebe ein betragsmäßig von 1 : 1 abweichendes Drehzahlübersetzungsverhältnis so eingestellt, daß die Längskräfte sich im wesentlichen aufheben und dadurch die Unterdrückung von Kfz-Bewegungen in Längsrichtung gewährleistet ist.

9. Getriebe- und Lenkungssystem nach Anspruch 2, vorzugsweise für Kfz mit Vierradantrieb und Vorderradlenkung, wie folgt gekennzeichnet:
Im Bedarfsfall werden - für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 - nur die Vorderräder (1), (2) eingeschlagen und dazu das Drehmomentverhältnis Hinterachse/Vorderachse so gewählt, daß die Längskräfte sich bei dem vorgesehenen Lenkeinschlag aufheben,
so daß die Vorderachse je nachdem, ob die Vorderräder nach links oder rechts eingeschlagen sind und je nachdem, ob ein Vorwärts- oder Rückwärtsgang eingelegt ist, nach links (Fig. 4) oder rechts gezogen wird und das Kfz dadurch eine entsprechende Schwenkbewegung mit dem Fahrzeugbug ausführt, bei der die Vorderräder (1), (2) auf einem Spurkreis (11) um den Hinterachsenmittelpunkt (7) bewegt werden.

10. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 1 vorzugsweise für Kfz mit Vierradantrieb, sowie zugehöriges Getriebe- und Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Im Bedarfsfall werden - für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 - die linken und die rechten Antriebsräder mit entgegengesetzten Drehrichtungen angetrieben, z. B. bei vierrädrig angetriebenen Kfz die rechten Antriebsräder (1, 4) vorwärts, die linken Antriebsräder (2, 3) rückwärts (Fig. 5), so daß vorzugsweise die Summe aller Längskomponenten und die Summe aller Querkomponenten der Traktionskräfte kompensiert werden und das Kfz dann je nach Unterstützung, Abbremsung oder sonstiger Beeinflussung durch die eingeschlagenen Vorderräder (1, 2) und ggf. Hinterräder (3, 4) eine Dreh- oder Schwenkbewegung im mathematisch positiven Drehsinn (entgegen dem Uhrzeigersinn) ausführt.

11. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 10 sowie zugehöriges Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Die gelenkten Räder werden dabei nicht wie bei normaler Lenkung gleichsinnig eingeschlagen, sondern zur Unterstützung und Beeinflussung der Drehbewegung mit entgegengesetzten Lenkeinschlägen versehen, z. B. wird das rechte Vorderrad (1) nach links, das linke Vorderrad (2) nach rechts eingeschlagen,
außerdem werden dabei ggf. die Hinterräder, falls die ebenfalls gelenkt werden, gegensinnig zu den Vorderrädern gelenkt, z. B. wird das linke Hinterrad (3) nach links, das rechte Hinterrad (4) nach rechts eingeschlagen, so daß sich annähernd eine reine Drehbewegung auf der Stelle ergibt (Fig. 6),
oder statt dessen werden dabei die gelenkten Hinterräder nicht gegensinnig, sondern gleichsinnig mit den Vorderrädern gelenkt, nämlich z. B. wird das linke Hinterrad (3) wie das linke Vorderrad (2) nach rechts eingeschlagen, das rechte Hinterrad (4) wie das rechte Vorderrad (1) nach links eingeschlagen, so daß das Kfz z. B. statt einer Drehbewegung im mathematisch positiven Drehsinn annähernd eine Parallelverschiebungsbewegung nach links (Fig. 7) ausführt (bzw. nach rechts, wenn alle Antriebsdrehrichtungen (Fig. 8) oder alle Lenkeinschläge umgekehrt werden).

12. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 11 vorzugsweise für Kfz mit Vierradlenkung mit relativ kurzem Radstand oder großem maximalem Vorderrad-Lenkeinschlag, sowie zugehöriges Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Für den speziellen Drehbetrieb auf der Stelle nach Anspruch 1, 2 bzw. 11 mit gegensinnigen Lenkeinschlägen des rechten und des linken Vorderrades und gegensinnigen Lenkeinschlägen der Vorderräder und der Hinterräder werden die Lenkeinschlagwinkel der Antriebsräder betragsmäßig entsprechend der Formel / δ / = arccos (Spurweite/2×Spurkreisradius)so gewählt, daß alle vier Antriebsräder auf dem gemeinsamen Spurkreis (10) (Fig. 6) oder die Vorder- und Hinterräder auf unterschiedlichen Spurkreisen (12) und (14) (Fig. 9) annähernd tangential, d. h. ohne Schräglaufwinkel und ohne nennenswertes Reifenradieren, abrollen können.

13. Getriebesystem nach Anspruch 10, 11 oder 12, vorzugsweise für vierrädrig angetriebene Kfz, wie folgt gekennzeichnet:
Zur Erzeugung der Drehrichtungsumkehr z. B. für die linken Antriebsräder wird je ein Wendegetriebe verwendet, das vorzugsweise in das zugehörige Achsdifferential integriert wird, während bei Kfz mit H-Antrieb statt dessen ein Wendegetriebe verwendet wird, das am Mittendifferential in den Abtrieb für die linken Räder integriert wird.

14. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 10-13 vorzugsweise für Kfz mit Frontantrieb und Vorderradlenkung, sowie zugehöriges Getriebe- und Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Durch ein Wendegetriebe z. B. für das linke Vorderrad (2) wird dieses - für den speziellen Schwenkbetrieb (Drehbetrieb) nach Anspruch 1, 10 bzw. 11 - rückwärts angetrieben, während das rechte Vorderrad (1) vorwärts angetrieben wird, außerdem wird ein gegensinniger Lenkeinschlag erzeugt (rechtes Vorderrad (1) nach links, linkes Vorderrad (2) nach rechts eingeschlagen), so daß das Kfz eine Schwenkbewegung mit dem Bug nach links um den Drehpunkt (13) (zwischen Hinterachsenmittelpunkt (7) und Radstandsmittelpunkt (8)) mit dem Spurkreis (12) (Fig. 9) ausführt (oder nach rechts, wenn die Antriebsdrehrichtungen oder die Lenkeinschläge der Vorderräder umgekehrt werden), wobei, wenn das Fahrzeug über Vierradantrieb verfügt, zusätzlich z. B. das linke Hinterrad vorwärts, das rechte Hinterrad rückwärts angetrieben werden kann, so daß durch das dabei entstehende zusätzliche Hochachsen-Drehmoment der Radius r _v des Spurkreises (12) der Vorderräder evtl. kleiner als der Radstand wird.

15. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 14 vorzugsweise für Kfz mit Frontantrieb und Vorderradlenkung mit relativ kurzem Radstand oder großem maximalem Lenkeinschlag, sowie zugehöriges Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Für den speziellen Schwenkbetrieb (Drehbetrieb) nach Anspruch 1, 11 bzw. 14 mit gegensinnigen Lenkeinschlägen des rechten und des linken Vorderrades (1), (2) (Fig. 9) werden die Lenkeinschlagwinkel betragsmäßig entsprechend der Formel / α / = arccos (Spurweite/(2×Spurkreisradius))so gewählt, daß die Vorderräder annähernd tangential auf einem Spurkreis (12) um den Drehpunkt (13) ohne Schräglaufwinkel und ohne nennenswertes Reifenradieren abrollen können. Eine ggf. vorhandene Hinterrad-Zusatzlenkung wird dabei vorzugsweise so ausgelegt, daß auch die Hinterräder annähernd tangential auf einem entsprechend kleineren Kreis um den gleichen Drehpunkt (13) abrollen können.

16. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 1, 2, 10-13 sowie zugehöriges Getriebesystem, wie folgt gekennzeichnet:
Das Getriebesystem wird mit beispielsweise insgesamt bis zu 3 Wendegetrieben zur Drehrichtungsumkehr wahlweise der Hinterräder (bzw. der Vorderräder) oder der linken Räder (bzw. rechten Räder) so ausgestattet, daß z. B. Parallelverschiebungsbewegungen des Kfz vorzugsweise nach Anspruch 2 oder z. B. Drehungen des Kfz vorzugsweise nach Anspruch 10-12 (oder umgekehrt Drehungen nach Anspruch 2 und Parallelverschiebungsbewegungen nach Anspruch 11) stattfinden können; die 3 wahlweise zu schaltenden Wendegetriebe werden dabei z. B. entweder dem Hinterachsantrieb und den Antriebswellen der beiden linken Räder oder z. B. den Antriebswellen der beiden Hinterräder und des linken Vorderrades zugeordnet, bei Kfz mit H-Antrieb z. B. entweder dem Antrieb für die linken Räder und den Antriebswellen der Hinterräder oder z. B. den Antriebswellen der beiden linken Räder und des rechten Hinterrades, während bei Umschaltungsmöglichkeit von normalem Vierradantrieb auf H-Antrieb 1 oder 2 Wendegetriebe genügen.

17. Getriebesystem nach Anspruch 1-15, wie folgt gekennzeichnet:
Als Mittendifferential (5) wird ein selbstsperrendes Getriebe verwendet, z. B. ein Torsen-Differential, oder ein Getriebe mit automatisch vorzugsweise über Radsensoren gesteuerter Sperre, z. B. mit elektronisch-hydraulisch gesteuerter Lamellensperre, um für den speziellen Rangierbetrieb nach Anspruch 1 die Antriebskräfte auf Vorder- und Hinterachse so zu verteilen, daß Längsbewegungen des Kfz unterbleiben bzw. - bei Kfz mit H-Antrieb und selbstsperrendem Mittendifferential oder dgl. - Querbewegungen des Kfz unterbleiben.

18. Parkier- und Manövrierhilfe nach Anspruch 1-17 und zugehöriges Getriebesystem, wie folgt gekennzeichnet:
Der spezielle Rangierbetrieb nach Anspruch 1 wird im stärker übersetzten Rückwärtsgang abgewickelt, oder in je einem zusätzlichen, besonders stark übersetzten Vorwärts- und Rückwärtsgang.

19. Lenkvorrichtung nach Anspruch 12-13 oder Lenkungssystem und Lenkhilfe nach Anspruch 1-18, wie folgt gekennzeichnet:
Zur Erzielung eines bestimmten, ggf. auch gegensinnigen Lenkeinschlages der Räder einer Achse wird die lenkgeometrisch wirksame Länge der Spurstangen (bzw. mindestens einer Spurstange) durch elektrische oder hydraulische Servomotoren verlängert und wieder verkürzt, wozu in diese Spurstange(n je) z. B. zwei vorzugsweise koaxiale, zwecks formschlüssiger Führung ineinanderpassende stabförmige Teile integriert werden, nämlich ein Hohlstab und ein darin geführter, verschiebbarer Stab oder dgl., von denen jeweils der eine Teil eine Zahnstange und der andere ein durch einen elektrischen oder hydraulischen Servomotor angetriebenes Ritzel enthält.

20. Lenkvorrichtung oder Lenkhilfe mit servomotorischer Spurstangen-Längenverstellung nach Anspruch 19, wie folgt gekennzeichnet:
Der servomotorische Antrieb des Ritzels läuft jeweils - vorzugsweise unabhängig von der vorherigen Ausgangsposition der Lenkung - so lange, bis ein Endkontakt z. B. am Achsschenkel meldet, daß das betreffende Rad den vorbestimmten Lenkeinschlag erreicht hat; später läuft der Antrieb in umgekehrter Richtung so lange, bis ein Anschlagkontakt z. B. an der Spurstange meldet, daß diese wieder ihre Normallänge und die Lenkung wieder ihre vorherige Ausgangsposition erreicht hat.

21. Parkier- und Manövrierverfahren analog Anspruch 1 oder 2 vorzugsweise für Kfz mit Vorderradlenkung und mit Front- oder Vierradantrieb, sowie zugehöriges Getriebe-, Lenkungs- und Bremssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Im Bedarfsfall wird - für den speziellen Rangierbetrieb analog Anspruch 1 - anstelle eines in der Drehrichtung umgekehrten Antriebes der Hinterräder mindestens ein Hinterrad oder jedes der Hinterräder (3), (4) oder bei Kfz mit Vierradantrieb statt dessen auch die Antriebswelle für die Hinterräder (3), (4) abgebremst oder blockiert, um zum mindesten teilweise eine Kompensation der Längskräfte zu gewährleisten, so daß beim Anfahren mit maximal eingeschlagenen Vorderrädern eine Schwenkbewegung des Kfz mit dem Fahrzeugbug um die abgebremste bzw. blockierte Hinterachse möglich wird.

22. Parkier- und Manövrierverfahren nach Anspruch 21, sowie zugehörige Radkralle oder Unterlegkeil zum Blockieren eines Hinterrades, wie folgt gekennzeichnet:
Zur Verringerung des Wendekreisdurchmessers wird - vorzugsweise behelfsmäßig bei Fahrzeugen, die nicht für den erfindungsgemäßen Rangierbetrieb ausgerüstet sind - für die Dauer des Wendemanövers eines der Hinterräder annähernd ortsfest arretiert, d. h. am Vorwärtsrollen gehindert, und zwar vorzugsweise durch eine an diesem Rad befestigte, den Reifen an einer Stelle u-förmig umschließende Radkralle oder durch einen vorgelegten Unterlegkeil, so daß das Kfz im Verlauf des Wendemanövers vorzugsweise um den auf der Fahrbahnoberfläche haftenden Unterteil der Radkralle oder des Unterlegkeils als Drehpunkt geschwenkt wird.

23. Parkier- und Manövrierhilfe analog Anspruch 1 oder 2 sowie zugehöriges mechanisches Getriebe- und Lenkungssystem, wie folgt gekennzeichnet:
Es wird nur ein lenkbares Antriebsrad verwendet, z. B. bei einem 3-rädrigen Fahrzeug nur ein lenkbares, in der Mitte angeordnetes Frontantriebsrad.