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Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für die
Drehmomentverteilung bei einem vierradgetriebenen
Kraftfahrzeug mit einem zentralen Differential und insbesondere
ein System für ein Fahrzeug mit einem lateral
angeordneten Motor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein
solches Steuersystem für die Drehmomentverteilung ist
aus der DE-A 38 37 541 bekannt.
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Bei vierradgetriebenen Kraftfahrzeugen wird das
Verhältnis der Drehmomentverteilung auf die Vorder- und
Hinterräder so bestimint, daß es mit einem dynamischen
Gewichtsverhältnis auf den Vorder- und Hinterrädern
übereinstimmt, so daß die Motorleistung bei Beschleunigungen
besonders effektiv umsetzbar ist.
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Bei vierradgetriebenen Kraftfahrzeugen wird auf der
Basis eines Vorderradantriebes mit einem vorne liegenden
Motor mit einem statischen Gewichtsverhältnis von 60
(vorne) :40 (hinten) das Verhältnis zwischen dem vorderen
Drehinoinent TF auf den Vorderrädern und dem hinteren
Drehmoment TR auf den Minterrädern zu 50:50 bestimmt,
was mit dem dynamischen Gewichtsverhältnis
übereinstimmt. Bei einem vierradgetriebenen Kraftfahrzeug wird
auf der Basis eines Hinterradantriebes mit einem vorne
angeordneten Motor, bei dein sich ein statisches
Gewichtsverhältnis von 50:50 ergibt, das Verhältnis des
vorderen Drehmomentes TF zu dem hinteren Drehmoment zu
40:60 bestimmt, was gleich dem dynamischen
Gewichtsverhältnis
ist. Demzufolge wird bei dem zuerst genannten
Fahrzeug, bei dem das Ausgangsdrehmoment des Motors
gleich verteilt wird, ein zentrales Differential mit
Kegelrädern verwendet, während bei dem zuletzt genannten
Fahrzeug ein zentrales Differential mit einem einfachen
Planetengetriebe eingesetzt wird.
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Mit dem zuerst genannten Fahrzeug wird ein sicheres
Fahren auch auf rutschiger Straße gewährleistet. Wenn eine
Verriegelungseinrichtung zur Verriegelung des zentralen
Differentials vorgesehen ist, wird die Antriebskraft des
Fahrzeuges weiter verbessert. Die Lenkeigenschaften des
Fahrzeuges werden dadurch aber nicht besonders
verbessert. Dies bedeutet, daß wenn das Fahrzeug mit hoher
Geschwindigkeit und bei verriegeltem Differential durch
eine Kurve fährt, alle vier Räder gleichzeitig schlupfen
(durchrutschen) können, was zu schwierigen Fahrzuständen
führen kann.
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Um eine Fahrstabilität des Fahrzeuges zu erzielen, wird
das auf die Hinterräder geführte Drehmoment größer
eingestellt, als das Drehmoment an den Vorderrädern, indem
das zentrale Differential ein einfaches Planetengetriebe
erhält, so daß die Hinterräder zuerst schlupfen. Auf
diese Weise kann das Fahrzeug sicher mit den
Vorderrädern gelenkt und gefahren werden, während die
Hinterräder leerlaufen.
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In der JP-OS 63-176728 ist ein vierradgetriebenes
Fahrzeug offenbart, welches ein zentrales Differential mit
einem einfachen Planetengetriebe aufweist. Der Ausgang
einer Übertragung (zum Beispiel Schaltgetriebe) wird auf
einen Träger des Planetengetriebes übertragen. Das
Drehmoment wird auf die Vorderräder entweder über ein
Sonnenrad
oder ein Ringrad (Hohlrad) und auf die
Hinterräder über das entsprechend andere Rad übertragen. Das
Drehmoment wird auf die Vorder- und die Hinterräder
ungleich verteilt, und zwar mit einem durch die Differenz
zwischen den Teilkreisen des Sonnen- und Ringrades
bestimmten Verhältnis. Zur Steuerung des
Differentialbetriebes ist eine flüssigkeitsbetätigte
Mehrscheiben-Reibungskupplung als Verriegelungseinrichtung vorgesehen.
Ein durch das Verhältnis der Teilkreise bestimmtes
Standard-Drehmomentverteilungsverhältnis kann nicht
verändert werden, sofern nicht die Durchmesser des
Sonnenrades und des Ringrades verändert werden.
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Zur Vergrößerung des
Standard-Drehmomentverteilungsverhältnisses wird entweder der Durchmesser des Sonnenrades
verringert oder der Durchmesser des Ringrades
vergrößert. In einem Kraftübertragungssystem, bei dem ein
Achsendifferential für die Vorder- oder Hinterachse und das
zentrale Differential koaxial angeordnet sind, sind
jedoch eine Mehrzahl von Wellen und Achsen, eine vordere
Antriebswelle, eine mit der Übertragung verbundene
Eingangswelle und eine hintere Antriebswelle vorhanden, die
durch das Sonnenrad läuft. Der Durchmesser des
Sonnenrades kann deshalb nicht verkleinert werden. Andererseits
kann aber auch das Ringrad nicht vergrößert werden, da
der Raum begrenzt ist und ein bestimmtes
Getriebeverhältnis erforderlich ist. Das Kraftübertragungssystem
ist demzufolge bei verschiedenen Fahrzeugen mit
verschiedenen statischen Gewichtsverhältnissen, wie zum
Beispiel Fahrzeugen mit Vorderradantrieb mit einem vorne
angeordneten Motor, einem hinterradgetriebenen Fahrzeug
mit einem hinten angeordneten Motor und einem
Mittelmotor nicht anwendbar.
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Da weiterhin das auf die Hinterräder geführte Drehmoment
nicht auf einen großen Wert eingestellt werden kann,
wird der Steuerbereich der Mehrscheiben-Reibungskupplung
klein.
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Ein Fahrzeug mit guten Fahr- und Lenkeigenschaften ist
demzufolge nicht zu erzielen.
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Weiterer einschlägiger Stand der Technik ist in der DE-A
38 37 541 und der DE-A 37 06 506 offenbart. Die
erstgenannte Druckschrift offenbart ein zentrales Differential
mit einem komplexen Planetengetriebe mit zwei Paaren von
Planetenritzeln, von denen jedes Paar auf einem von zwei
Trägern gelagert ist. Die Träger stellen die zwei
Ausgänge von dem Differential zu den Vorder- und
Hinterachsdifferentialen dar, während der Eingang zu dem
zentralen Differential über zwei erste Sonnenräder gelegt
ist.
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In der DE-A 37 06 506 ist ein Differential offenbart,
bei dem zwei Planetengetriebe tandemartig verbunden
sind, bei dem jedoch im Gegensatz zu dem
erfindungsgemäßen zentralen Differential die Planetengetriebe durch
Verbindung des/der Planetenritzel(s) des einen Getriebes
mit dem orbitalen (Ring-)Getriebe des anderen verbunden
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Steuersystem für die Drehmomentverteilung bei einem
vierradgetriebenen Kraftfahrzeug mit einem lateral angeordneten
Motor anzugeben, mit dem ein
Standard-Drehmomentverhältnis zwischen den Vorder- und Hinterrädern einfach
änderbar ist.
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Weiterhin soll ein System geschaffen werden, bei dem ein
großes Drehmoment auf die Hinterräder gelegt wird,
wodurch eine Steuerung eines weiten
Drehmoment-Verteilungsbereiches mit einer flüssigkeitsbetätigten
Reibungskupplung möglich wird.
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Erfindungsgemäß wird ein System zur Steuerung der
Drehmomentverteilung auf die Vorder- und Hinterräder eines
Kraftfahrzeuges mit einem lateral angeordneten Motor
sowie einer lateral angeordneten Übertragung mit einer
Ausgangswelle und einem koaxial zu einem
Achsendifferential entweder der Vorder- oder Hinterachse des
Fahrzeuges angeordneten zentralen Differential geschaffen,
wobei
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das zentrale Differential ein Planetengetriebe mit einem
ersten, mit der Ausgangswelle verbundenen Sonnenrad,
einem Träger, ersten und zweiten, koaxial verbundenen
und drehbar an dem Träger gelagerten Planetenritzeln und
einem zweiten Sonnenrad aufweist, wobei das erste und
das zweite Sonnenrad koaxial zu einer der Achsen
angeordnet ist, das erste Planetenritzel mit dem ersten
Sonnenrad eingreift und das zweite Planetenritzel mit dem
zweiten Sonnenrad eingreift; sowie mit
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einem ersten Drehmoment-Übertragungsteil, welches den
Träger mit dem koaxialen Achsendifferential verbindet,
wobei sich das System dadurch auszeichnet, daß
nicht mehr als ein Träger zur Montage der koaxial
verbundenen Planetenritzel vorhanden ist;
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ein zweites Drehmoment-Übertragungsteil vorgesehen ist,
welches das zweite Sonnenrad mit der entsprechend
anderen Achse verbindet;
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eine flüssigkeitsbetätigte Mehrscheibenkupplung zwischen
dem ersten und zweiten Drehmoment-Übertragungsteil
angeordnet ist, um den Differentialbetrieb des zentralen
Differentials zu begrenzen; und
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Steuereinrichtungen zur Steuerung der
flüssigkeitsbetätigten Mehrscheibenkupplung in Abhängigkeit von
Fahrzuständen des Fahrzeuges vorgesehen sind.
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Insbesondere ist dabei das erste
Drehmoment-Übertragungsteil eine erste röhrenförmige Ausgangswelle, die
drehbar an einer der ausgewählten Achsen befestigt ist,
wobei weiterhin das Planetengetriebe so angeordnet ist,
daß das auf die Hinterräder übertragene Drehmoment
größer ist, als das Drehmoment an den Vorderrädern.
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Die Steuereinrichtung beinhaltet ferner insbesondere
eine hydraulische Schaltung zur Zuführung von unter
Druck stehendem Öl zu der flüssigkeitsbetätigten
Mehrscheibenkupplung, sowie eine Steuereinheit zur Steuerung
des Druckes des zu der Kupplung geführten Öles.
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Die hydraulische Schaltung enthält eine Ölpumpe, ein
Druckregelventil zur Regelung des Druckes des von der
Ölpumpe zugeführten Öles zur Schaffung eines
Leitungsdruckes, sowie ein Kupplungs-Steuerventil zur Steuerung
des zu der Kupplung geführten Öles und ein
magnetspulenbetätigtes Arbeits-Steuerventil zur Steuerung des
Drukkes des zu dem Kupplungs-Steuerventil geführten Öles,
wobei die Steuereinheit einen Schlupfverhältnis-Rechner
zur Berechnung eines Schlupfverhältnisses zwischen den
Hinter- und Vorderrädern entsprechend dem Verhältnis
zwischen der Vorderrad- und der
Hinterradgeschwindigkeit, Einstelleinrichtungen für den Kupplungsdruck zur
Erzeugung eines Kupplungsdruckes in Abhängigkeit von dem
Schlupfverhältnis und eine
Arbeitstakt-Erzeugungseinrichtung aufweist, die auf den Kupplungsdruck zur
Erzeugung von Pulsen anspricht, die ein Tastverhältnis
aufweisen,
welches dem Kupplungsdruck entspricht und zur
Steuerung des Öldruckes zu dem Arbeits-Steuerventil
geführt werden.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die
Zeichnungen. Es zeigt:
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Fig. 1a
und 1b eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen
Kraftübertragungssystemes für ein vierradgetriebenes
Kraftfahrzeug;
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Fig. 2a
und 2b eine vergrößerte Teildarstellung
eines zentralen Differentiales des
Systemes;
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines
in dem zentralen Differential
vorgesehenen Trägers und Ritzels;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung des
zentralen Differentiales;
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Fig. 5 die Schaltung eines Steuersystemes
für eine in dem zentralen
Differential vorgesehene hydraulische
Kupplung;
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Fig. 6 eine graphische Darstellung einer
Kupplungsdruck-Nachschlagetabelle;
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Fig. 7a eine graphische Darstellung der
Beziehung zwischen vorderem und
hinterein Drehmoment;
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Fig. 7b eine graphische Darstellung des
Verlaufes des Kupplungsdruckes in
Abhängigkeit von einem
Schlupfverhältnis;
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Fig. 8 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise
einer Steuereinheit in dem
Steuersystem;
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Fig. 9a
und 9b eine Teildarstellung eines zentralen
Differentials und einer
flüssigkeitsbetätigten Mehrscheibenkupplung
gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 10a
und 10b eine Teildarstellung des zentralen
Differentials und der
flüssigkeitsbetätigten Mehrscheibenkupplung
gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung; und
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Fig. 11a
bis 11f schematische Darstellungen anderer
Beispiele des zentralen
Differentiales.
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Die Fig. 1a, 1b, 2a und 2b zeigen ein
Kraftübertragungssystem für ein vierradgetriebenes Kraftfahrzeug, bei dem
die Erfindung anwendbar ist. Im vorderen Bereich des
Fahrzeuges ist ein Motor 10 lateral angeordnet. Das
Kraftübertragungssystem besteht aus einer Kupplung 13,
die über eine Kurbelwelle 11 und ein Schwungrad 12 mit
dem Motor 10 verbunden und in einem Kupplungsgehäuse 1
angeordnet ist, einer manuellen Übertragung 30 (zum
Beispiel Schaltgetriebe) und einem vorderen
Achsendifferential 40, die in einem Übertragungsgehäuse 2 angeordnet
sind, sowie einer Übertragungseinrichtung 70, einem
zentralen Differential 50 und einer flüssigkeitsbetätigten
Mehrscheibenkupplung 60, die von einem
Übertragungsgehäuse 3 umschlossen sind. Die Übertragung 30 enthält
eine Eingangswelle 14, eine parallel zu der
Eingangswelle 14 verlaufende Ausgangswelle 15, fünf Paare von
Geschwindigkeits-Wechselgetrieben 31 bis 35, die ersten
bis fünften Geschwindigkeitsgängen entsprechen, sowie
Synchronisierer 36 bis 38. Die Synchronisierer 36 bis 38
sind zwischen den Getrieben 31 und 32, zwischen den
Getrieben 33 und 34 bzw. benachbart zu dem Getriebe 35
angeordnet. Ein an der Eingangswelle 14 befestigtes
Getriebe 39 für Rückwärtsfahrt greift über ein
Leerlaufgetriebe (nicht gezeigt) mit einem an einer Seite einer
Buchse des Synchronisierers 36 ausgebildeten Getriebe
ein.
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Ein fest an der Ausgangswelle 15 befestigtes
Antriebsgetriebe l6 greift mit einem abschließenden Getriebe 17
ein, welches an Flanschen von gegenüberliegenden
Nabenteilen 18 mit Bolzen (Fig. 2a) an einem inneren Umfang
des Getriebes 17 befestigt ist. Das Nabenteil 18 ist
über Lager 19 drehbar in dem Kupplungsgehäuse 1 und dem
Übertragungsgehäuse 2 gelagert. Das vordere
Achsdifferential 40 ist innerhalb des Nabenteils 18 angeordnet.
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Gemäß den Fig. 2a und 2b hat das vordere
Achsdifferential 40, welches mit einem Kegelrad versehen ist, ein mit
einer ersten röhrenförmigen Ausgangswelle 21 des
zentralen Differentials 50 verbundenes Differentialgehäuse 41.
In dem Differentialgehäuse 41 befinden sich eine an dem
Differentialgehäuse 41 befestigte Ritzelwelle 42, zwei
Differentialritzel 43, die drehbar an der Ritzelwelle 42
befestigt sind, sowie zwei Kegel-Seitenräder 44L, 44R,
die mit den Ritzeln 42 eingreifen. Die Seitenräder 44L
und 44R sind mit der linken und rechten Vorderachse 22L
und 22R verbunden, so daß die von der Übertragung
abgegebene Kraft entsprechend auf das linke und rechte
Vorderrad 23L, 23R übertragen und eine Differenz der
Drehgeschwindigkeiten zwischen beiden absorbiert wird.
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In dem Übertragungsgehäuse 3 sind das zentrale
Differential 50 und die flüssigkeitsbetätigte
Mehrscheibenkupplung 60 koaxial zu dem vorderen Differential 40 und der
Achse 22R angeordnet, während die
Übertragungseinrichtung 70 hinter dem zentralen Differential 50 liegt.
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Das zentrale Differential 50 ist ein komplexes
Planetengetriebe und umfaßt eine röhrenförmige Eingangswelle 20,
die mit dem Nabenteil 18 verbunden ist, sowie eine
röhrenförmige zweite Ausgangswelle 24, die drehbar an der
ersten Ausgangswelle 21 gelagert ist. Die erste
Ausgangswelle 21 ist drehbar an der rechten vorderen Achse
22R gelagert. Das zentrale Differential 50 umfaßt ein
erstes Sonnenrad 51, welches integral an der
Eingangswelle 20 ausgebildet ist, drei erste Planetenritzel 52,
die mit dem ersten Sonnenrad 51 eingreifen, ein zweites
Sonnenrad 53, welches integral an der zweiten
Ausgangswelle 24 ausgebildet ist, drei zweite Planetenritzel 54,
die mit dem zweiten Sonnenrad 53 eingreifen, sowie einen
Träger 55.
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Gemäß Fig. 3 hat der Träger 55 einen Vorsprung 55a sowie
ringförmige Flanschabschnitte 55b und 55c, die integral
mit dem Vorsprung 55a ausgebildet sind. Jeder der
Flanschabschnitte 55b und 55c hat drei Bohrungen.
Entsprechende Bohrungen tragen drehbar einen Stift 56. Die
Ritzel 52 und 54 sind integral miteinander sowie drehbar
an dem Stift 56 mit Nadel lagern 57 befestigt. Der
Vorsprung 55a greift über ein Drucklager 49 mit der
Eingangswelle 20 ein und ist über eine Keilnutverbindung
(splined) an der ersten Ausgangswelle 21 befestigt. Die
Flanschabschnitte 55b und 55c sind drehbar an der
Eingangswelle 20 bzw. der zweiten Ausgangswelle 24 über
Nadellager 58 gelagert.
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Das Ausgangsdrehmoment an der Ausgangswelle 15 der
Übertragung 30 wird folglich mit vorbestimmten
entsprechenden
Drehmoment-Verteilungsverhältnissen über das
Antriebsgetriebe 16, das abschließende Getriebe 17, das
Nabenteil 18 und die Eingangswelle 20 zu dem ersten
Sonnenrad 5l und weiter zu dem Träger 55 und das zweite
Sonnenrad 53 über Ritzel 52, 54 übertragen. Die
Differenz zwischen den Rotationsgeschwindigkeiten des Trägers
55 und des zweiten Sonnenrades 53 wird durch die
Rotation und Umdrehung des ersten und zweiten
Planetenritzels 52 und 54 absorbiert.
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Im folgenden soll nun mit Bezug auf Fig. 4 die
Arbeitsweise des zentralen Differentials 50 bzw. die Verteilung
des Drehmomentes auf die Vorderräder 23L, 23R und die
Hinterräder 28L, 28R beschrieben werden.
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Das Eingangsdrehmoment Ti des ersten Sonnenrades 51 und
die Beziehung zwischen dem Sonnenrad 51 und den Ritzeln
52, 54 läßt sich durch folgende Gleichungen ausdrücken:
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Ti = TF + TR (1)
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rs&sub1; + rp&sub1; = rs&sub2; + rp&sub2; (2)
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TF ist ein von dem Träger 55 zu der ersten Ausgangswelle
21 übertragenes vorderes Drehmoment, TR ein von dem
zweiten Sonnenrad 53 zu der zweiten Ausgangswelle 24
übertragenes hinteres Drehmoment, rs&sub1; ist der Radius
eines Teilkreises des ersten Sonnenrades 51, rp&sub1; und rp&sub2;
sind die Radien der Teilkreise des ersten bzw. zweiten
Ritzels 52, 54, während rs&sub2; den Radius des Teilkreises
des zweiten Sonnenrades 53 darstellt.
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Ein tangentiale Last P an einem Eingriffspunkt zwischen
dem ersten Sonnenrad 51 und dem ersten Ritzel 52 ist
gleich der Summe einer tangentialen Last P&sub1; auf den
Träger
55 und einer tangentialen Last P&sub2; auf den
Eingriffspunkt des zweiten Sonnenrades 53 mit dem zweiten Ritzel
54. Dies führt zu folgenden Gleichungen:
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P = Ti/rs&sub1;
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P&sub1; = TF/(rs&sub1; + rp&sub1;)
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P&sub2; = TR/rs&sub2;
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Ti/rs&sub1; = { (TF/(rs&sub1; + rp&sub1;) } + TR/rs&sub2; (3)
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Setzt man die Gleichungen (1), (2) und (3) ineinander
ein, so ergibt sich:
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TF = (1 - rp&sub1; rs&sub2;/rs&sub1; rp&sub2;) Ti
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TR = (rp&sub1; rs&sub2;/rs&sub1; rp&sub2;) Ti
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Daraus ergibt sich, daß die Verteilung des Drehmomentes
auf das vordere Drehmoment TF und hintere Drehmoment TR
durch Änderung der Radien der Teilkreise der Sonnenräder
51 und 53 und der Ritzel 52 und 54 auf verschiedene
Werte einstellbar ist.
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Wenn rs&sub1; = 23,5 mm, rp&sub1; = 16,5 mm, rp&sub2; = 18,8 mm und rs&sub2;
= 21,1 mm, berechnet sich das vordere Drehmoment TF und
das hintere Drehmoment TR wie folgt
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TF = 20/53 Ti
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TR = 33/53 Ti
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Das Drehmoment-Verteilungsverhältnis auf die Vorderräder
23L, 23R und die Hinterräder 28L, 28R ist folglich:
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TF : TR 38 : 62
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Auf die Hinterräder 28L, 28R kann somit ein großer Teil
des Drehmomentes übertragen werden.
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Die Kupplung 60 umfaßt eine Buchse (Hülse) 61a, die über
eine Keilnutverbindung mit dem inneren Umfang eines
Übertragungs-Antriebsgetriebes 71 verbunden und durch
eine Trennwand 3a getragen ist, eine an der Hülse 61a
befestigte Antriebstrommel 61, eine angetriebene Trommel
62, die über eine Keilnutverbindung an einem an dem
Endabschnitt der ersten Ausgangswelle 21 ausgebildeten
Flansch 21a befestigt ist, eine Mehrzahl von Scheiben
67a, die über eine Keilnutverbindung an der Trommel 61
befestigt sind, sowie eine Mehrzahl von über eine
Keilnutverbindung an der Trommel 62 befestigten und
abwechselnd zu den Scheiben 67a angeordneten Scheiben 67b. Ein
Halter 67c wird durch einen an der Trommel 61
befestigten Sprengring 67d in Anlage mit der innersten Scheibe
67a gebracht. In der Trommel 61 ist ein Kolben 64
vorgesehen, der gleitend an einer Nabe der Trommel 62
befestigt ist. Zwischen dem Kolben 64 und der Trommel 61 ist
eine Ölkammer 63 ausgebildet. Das
Übertragungs-Antriebsgetriebe 71 der Übertragungseinrichtung 70 ist sicher an
der zweiten Ausgangswelle 24 befestigt und drehbar
mittels Lager 47 in dem Übertragungsgehäuse 3 gelagert. Die
Kupplung 60 ist folglich zwischen dem Träger 55 und dem
zweiten Sonnenrad 53 angeordnet, so daß das
Drehmoment-Verteilungsverhältnis verändert und das zentrale
Differential 50 verriegelt werden kann.
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Wenn der Kammer 63 Öl zugeführt wird, wird der Kolben 64
durch den Druck des Öles verschoben. Der Kolben 64 stößt
gegen die Scheiben 67a und 67b und bringt die Kupplung
60 zur Erzeugung eines Kupplungs-Drehmomentes in
Eingriff.
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In einem Raum zwischen dem Kolben 64 und der
angetriebenen Trommel 62 ist ein zylindrischer Halter 65
angeordnet.
Der Halter 65 ist an einer Nabe der Trommel 62
befestigt und greift gleitend mit einem inneren Umfang des
Kolbens 64 ein. Der Halter 65 ist folglich wasserdicht
(abdichtend) zwischen der Trommel 62 und dem Kolben 64
befestigt, so daß gegenüber der Ölkammer 63 eine
zentrifugale Öldruckkammer 66 abgegrenzt wird. Eine Rückstell-
Schraubenfeder 68 ist in der Kammer 66 zwischen dem
Kolben 64 und dem Halter 65 vorgesehen, so daß die auf den
Kolben 64 bei Rotation der Trommel 62 ausgeübte
Zentrifugalkraft ausgeglichen wird.
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Das Öl für die Übertragung 30 unterscheidet sich von dem
Öl für die Kupplung 60. Folglich müssen Öldichtungen 48
zwischen der Trennwand 3a des Übertragungsgehäuses 3 und
der Buchse 61a der Antriebstrommel 61 sowie zwischen der
Buchse 6la und der ersten Ausgangswelle 21 vorhanden
sein, um das Öl für die Schmierung der Übertragung 30
von dem Öl zum Betrieb der Kupplung 60 über die
Trennwand 3a zu trennen.
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An der Trennwand 3a ist benachbart zur Kupplung 60 eine
Ölpumpe 5 zur Zuführung des Öles zu der Kupplung 60
vorgesehen. Die Ölpumpe 5 wird zum Beispiel durch einen von
einer Batterie versorgten Motor angetrieben und mit
einer Öldruck-Steuereinheit 7 verbunden, die in dem
Übertragungsgehäuse 3 vorgesehen ist und der elektronische
Pulse von einer Steuereinheit 90 zur Steuerung der
Kupplung 60 zugeführt werden.
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Das Übertragungs-Antriebsgetriebe 71 greift mit einem
angetriebenen Getriebe 74 ein, welches sicher an einer
Übertragungswelle 72 der Übertragungseinrichtung 70
befestigt ist, die hinter dem zentralen Differential 50
angeordnet ist. Die Übertragungswelle 72 ist mit einer
hinteren, senkrecht zur Übertragungswelle 72 liegenden
Antriebswelle 77 über ein Paar von Kegelrädern 75, 76
verbunden, durch die mittels der hinteren Antriebswelle
77, einer Propellerwelle 25 und eines hinteren
Differentials 26 die Kraft auf die Hinterachsen 27L und 27R
übertragen wird.
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Gemäß Fig. 5, welche ein Steuersystem für die Kupplung
60 zeigt, umfaßt die Öldruck-Steuereinheit 7 des
Steuersystemes ein Druckregelventil 80, ein Pilotventil 84,
ein Kupplungs-Steuerventil 82 und ein
magnetspulenbetätigtes Arbeits-Steuerventil 87. Das Regelventil 80 dient
zur Regelung des Druckes des von der Ölpumpe 5
zugeführten Öles, wobei die Ölpumpe zur Erzeugung eines
vorbestimmten Leitungsdruckes und eines Schmieröldruckes von
dem Motor angetrieben wird. Ein Durchgang 81 für
Arbeitsdruck kommuniziert mit einem Durchgang 86 durch das
Pilotventil 84. Der Durchgang 86 kommuniziert mit dein
magnetspulenbetätigten Arbeits-Steuerventil 87
stromabwärts einer Öffnung 85 sowie mit einem Endabschnitt des
Kupplungs-Steuerventiis 82. Der Durchgang 81
kommuniziert über einen Durchgang 81a mit dem
Kupplungs-Steuerventil 82. Das Kupplungs-Steuerventil 82 kommuniziert
mit der Kupplung 60 über den Durchgang 83. Das
magnetspulenbetätigte Ventil 87 wird durch Pulse einer
Steuereinheit 90 mit einem durch diese bestimmten
Arbeitsverhältnis (Tastverhältnis) angesteuert, so daß die
Abführung des Öles zur Erzeugung eines Steuerdruckes
gesteuert wird. Der Steuerdruck liegt an einem Ende eines
Schiebers des Kupplungs-Steuerventiles 82 an, um das der
Kupplung 60 zugeführte Öl und damit den Kupplungsdruck
(Drehmoment) zu steuern.
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Der Steuereinheit 90 werden Ausgangssignale von einem
Vorderrad-Geschwindigkeitssensor 91, einem Hinterrad-
Geschwindigkeitssensor 92, einem Lenkwinkelsensor 93 und
einem Schiebepositionssensor 100 zur Erfassung einer
Schiebeposition der automatischen Übertragung 30
zugeführt. Gemäß Fig. 2b ist der
Vorderrad-Geschwindigkeitssensor 91 an dem Übertragungsgehäuse 3 gegenüber dem
Träger 55 des zentralen Differentiais 50 und der
Hinterrad-Geschwindigkeitssensor 92 gegenüber dem an der
Übertragungswelle 72 befestigten Antriebsgetriebe 74
vorgesehen.
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Die Steuereinheit 90 umfaßt einen Schlupfverhältnis-
Rechner 94, dem Vorderrad- und
Hinterrad-Geschwindigkeiten NF und NR zugeführt werden. Da die
Standard-Drehmomentverteilung gemäß der Vorschrift TF< TR bestimmt wird,
schlupfen (rutschen) die Hinterräder zuerst. In
Übereinstimmung mit dem Verhältnis zwischen der
Vorderrad-Geschwindigkeit NF und der Hinterrad-Geschwindigkeit NR
wird ein Schlupfverhältnis S = NF/NR (S> 0) berechnet. Das
Schlupfverhältnis S, ein Lenkwinkel Ψ sowie ein
Schiebepositionssignal der Sensoren 93 und 100 werden an eine
Kupplungsdruck-Einstelleinheit 95 geführt. In
Überein-Stimmung mit den Eingangssignalen sucht die
Kupplungsdruck-Einstelleinheit 95 einen Kupplungsdruck Pc aus
einer Kupplungsdruck-Nachschlagetabeile 96 aus.
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Fig. 6 zeigt verschiedene Kupplungsdrucke, die in der
Tabelle 96 gespeichert sind. Wenn das Schlupfverhältnis
S ≥ 1 ist, (dies bedeutet, daß die Hinterräder 28L, 28R
nicht schlupfen), wird der Kupplungsdruck Pc auf einen
kleinen Wert eingestellt. Wenn die Hinterräder 28L, 28R
schlupfen und das Schlupfverhältnis S < 1 wird, so
steigt der Kupplungsdruck Pc (Kupplungsdrehmoment) mit
dem Abfall des Schlupfverhältnisses S an. Wenn das
Schlupfverhältnis S kleiner wird, als ein eingestellter
Wert SI, so wird der Kupplungsdruck Pc auf einen
Maximalwert Pcmax eingestellt. Wenn weiterhin der Lenkwinkel
ψ ansteigt, wird der Kupplungsdruck Pc vermindert, so
daß in engen Kurven keine Bremserscheinungen auftreten.
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Der Kupplungsdruck Pc wird an eine Erzeugungseinheit 97
für ein Tastverhältnis (Arbeitsverhältnis) angelegt, wo
ein Tastverhältnis D entsprechend dem abgeleiteten
Kupplungsdruck Pc erzeugt wird. Ein Tastsignal mit einem an
der Einheit 97 erzeugten Tastverhältnis D wird an das
magnetspulenbetätigte Arbeits-Steuerventil 87 angelegt.
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Fig. 8 zeigt ein Flußdiagrarnin der Arbeitsweise der
Steuereinheit 90.
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Wie bereits erwähnt wurde, werden die
Vorderrad-Geschwindigkeit NF und die Hinterrad-Geschwindigkeit NR
erfaßt und ein Schlupf der Vorderräder 23L, 23R
gegenüber den Hinterrädern 28L, 28R berechnet. Wenn das
Schlupfverhältnis kleiner ist, als der gesetzte Wert,
wird entsprechend dem Öffnungsgrad einer Drosselklappe,
einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Schiebeposition und
einem Lenkwinkel ein einen Differentialbetrieb
begrenzendes Kupplungs-Drehmoment aus einer Nachschlagetabelle
ausgelesen. Das dem abgeleiteten Kupplungsdrehmoment
entsprechende Tastverhältnis wird an das
magnetspulenbetätigte Ventil 87 angelegt. Wenn der Schlupf größer ist,
als der gesetzte Wert, wird zur Betätigung des Ventils
87 beim Schlupfen ein Kupplungsdrehmoment aus der
Nachschlagetabelle 96 abgeleitet.
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Als nächstes soll die Arbeitsweise des Systemes
beschrieben werden. Die Kraft des Motors 10 wird über die
Kupplung 13 zu der manuellen Übertragung 30 übertragen,
mit der das Übertragungsverhältnis
(Übersetzungsverhältnis) gesteuert wird. Der Ausgang der Übertragung wird
über die Ausgangswelle 15, das Antriebsgetriebe 16, das
abschließende Getriebe 17, die Nabenteile 18 und die
Eingangswelle 20 zu dem ersten Sonnenrad 51 des
zentralen Differentials 50 geführt. Das vordere Drehmoment TF
und das hintere Drehmoment TR werden entsprechend der
Radien der Getriebe des zentralen Differentials 50
bestimmt. Das Drehmoment wird auf den Träger 55 mit einem
Verhältnis von zum Beispiel 38% und auf das zweite
Sonnenrad 53 mit einem Verhältnis von zum Beispiel 62%
übertragen.
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Wenn in der Steuereinheit 90 ein schlupffreier Zustand
erfaßt wird, während das Fahrzeug auf einer trockenen
Straße gefahren wird (S ≥ 1), wird ein einem
Tastverhältnis von 100% entsprechendes Signal von der
Erzeugungseinheit 97 für das Tastverhältnis zu dem
magnetspulenbetätigten Arbeits-Steuerventil 87 geführt. Dadurch
wird der Kupplungs-Steuerdruck null und das Kupplungs-
Steuerventil 82 schließt den Durchgang 81a, wodurch das
Öl aus der Kupplung 60 abgeleitet wird. Die Kupplung 60
entkuppelt und das Kupplungsdrehmoment wird null, so daß
das zentrale Differential 50 frei wird.
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Dementsprechend wird das Drehmoment des Trägers 55 über
die erste Ausgangswelle 21, das vordere Differential 40
und die Achsen 22L und 22R mit einem Verhältnis von 38%
auf die Vorderräder 23L, 23R übertragen. Das Drehmoment
wird mit einem Anteil von 62% über das zweite Sonnenrad
53, die zweite Ausgangswelle 24, den Übertragungsantrieb
und die angetriebenen Getriebe 71 und 74, die
Übertragungswelle 72, die Kegelräder 75 und 76, die hintere
Antriebswelle 77, die Propellerwelle 25, das hintere
Differential 26 und die Hinterachsen 27 und 27R auf die
Hinterräder 28L, 28R übertragen. Auf diese Weise wird
ein ständiger Vierradantrieb sichergestellt.
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Bei einem Standarddrehmoment-Verteilungsverhältnis wird
das Fahrzeug mit untersteuernden Eigenschaften
betrieben, so daß eine gute Handhabbarkeit sichergestellt ist.
Das Fahrzeug fährt ferner aufgrund des
Differentialbetriebes des zentralen Differentials 50 gleichförmig
durch enge Kurven.
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Wenn das Fahrzeug auf rutschiger Straße gefahren wird,
schlupfen die Hinterräder 28L, 28R zuerst, da diesen
Rädern ein größeres Drehmoment zugeführt wird. Das
Schlupfverhältnis S&sub1; wird mit dem Schlupfverhältnis-
Rechner 94 der Steuereinheit 90 berechnet. An das
magnetspulenbetätigte Ventil 87 wird ein Tastsignal
angelegt, welches einem Kupplungsdruck Pc&sub1; gemäß einem
Schlupfverhältnis S&sub1; (S < 1) entspricht. Das Kupplungs-
Steuerventil 82 wird durch den Steuerdruck des durch
Regelung des Leitungsdruckes an dem
magnetspulenbetätigten Ventil 87 erhaltenen Öles betrieben, so daß die
Kupplung 60 bei dem Kupplungsdruck Pc&sub1; eingreift.
Folglich wird das Kupplungsdrehmoment Tc in der Kupplung 60
erzeugt. Die Kupplung 60 ist parallel zu dem Träger 55
und zu dem zweiten Sonnenrad 53 des zentralen
Differentials 50 angeordnet. Demgemäß wird das
Kupplungsdrehmoment Tc von dem zweiten Sonnenrad 53 zu dem Träger 55
übertragen, um das Drehmoment an den Vorderrädern 23L,
23R zu vergrößern. Das Verteilungsverhältnis zwischen
dem vorderen Drehmoment und dem hinteren Drehmoment
wird folglich TF1:TR1, was in den Fig. 7a und 7b gezeigt
ist. Im Gegensatz dazu wird das Drehmoment an den
Hinterrädern
28L, 28R zur Beseitigung des Schlupfens
reduziert, so daß die Fahreigenschaften und die
Fahrsicherheit verbessert werden.
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Wenn das Schlupfverhältnis S kleiner wird, als der
eingestellte Wert SI, wird das den Differentialbetrieb
begrenzende Drehmoment durch den Druck des Öles in der
Kupplung 60 maximal. Der Träger 55 greift folglich
direkt mit dem zweiten Sonnenrad 53 ein, um das zentrale
Differential 50 zu verriegeln. Auf diese Weise wird
gemäß der Drehmomentverteilung, welche de-n axialen Lasten
auf die Vorder- und Hinterräder 23L, 23R, 28L, 28R
entspricht, ein Vierradantrieb eingestellt. Dies bedeutet,
daß die Drehmomentverteilung kontinuierlich gesteuert
wird, und zwar entsprechend einer Schlupfbedingung zur
Verhinderung des Schlupfens der Räder.
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Wenn das Fahrzeug durch eine Kurve fährt, wird in
Abhängigkeit von dein Lenkwinkel W das Kupplungsdrehmoment der
Kupplung 60 verringert, so daß die den
Differentialbetrieb begrenzende Operation des zentralen Differentials
50 zur genügenden Absorption der Differenz der
Rotationsgeschwindigkeiten der Vorder- und Hinterräder 23L,
23R, 28L, 28R vermindert wird, und dadurch
Bremserscheinungen in engen Kurven vermieden werden und eine sichere
Handhabbarkeit erzielt wird.
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Die Fig. 9a, 9b sowie 10a und 10b zeigen eine zweite
bzw. dritte Ausführungsform der Erfindung. Bei der in
den Fig. 9a und 9b gezeigten zweiten Ausführungsform ist
das zentrale Differential 50 hinter der manuellen
Übertragung 30 angeordnet. Das zentrale Differential 50 ist
koaxial mit dem vorderen Differential 40 an der linken
Achse 22L direkt hinter den
Geschwindigkeits-Wechselgetrieben
31 bis 34 versehen. Das erste Sonnenrad 51 ist
fest an der mit dem Nabenteil 18 verbundenen
Eingangswelle 20 gesichert, während die erste, den Träger 55
tragende Ausgangswelle 21 mit dem Differentialgehäuse 41
des vorderen Differentials 40 verbunden ist. Bei dieser
Ausführungsform ist die zweite Ausgangswelle 24 gemäß
der ersten Ausführungsform weggelassen worden. Das
Antriebsgetriebe 71 ist drehbar an der linken Achse 22L
gelagert und hat eine Hülse 71a, an der das zweite
Sonnenrad 53 befestigt ist. Die Antriebstrommel 61 der
Kupplung 60 ist mit dem Träger 55 an seiner linken Seite
verbunden, wobei die angetriebene Trommel 62 über eine
Keilnutverzahnung an der Hülse 71a befestigt ist. Die
Übertragungswelle 72 ist von dem Übertragungsgehäuse 2
zu dem Übertragungsgehäuse 3 verlängert, in dem die
Kegelräder 75 und 76 angeordnet sind. Die Ölpumpe 5 ist an
dem Übertragungsgehäuse 2 befestigt. Die weiteren
Details sowie die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform
ist gegenüber der ersten Ausführungsform jeweils
unverändert.
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Bei der in den Fig. 10a und 10b gezeigten dritten
Ausführungsform ist das zentrale Differential 50 an einem
im wesentlichen zentralen Abschnitt in Bezug auf die
Breite des Fahrzeuges angeordnet, wobei das vordere
Differential 40 in dem Übertragungsgehäuse 3 an der
gleichen Seiten wie der Motor angeordnet ist. Das
abschließende Getriebe 17, welches drehbar an der linken Achse
22L befestigt ist, hat eine Hülse 17a. Das erste
Sonnenrad 51 des zentralen Differentials 50 ist an der Hülse
17a befestigt, während der Träger 55 an der ersten
Ausgangswelle 21 befestigt ist. Das zweite Sonnenrad 53 ist
an der an der ersten Ausgangswelle 21 befestigten
zweiten Ausgangswelle 24 befestigt. Die nach rechts
verlängerte
erste Ausgangswelle 21 ist mit dem
Differentialgehäuse 41 des vorderen Differentials 40 verbunden. Das
Übertragungs-Antriebsgetriebe 71 ist an der zweiten
Ausgangswelle 24 befestigt. Die Antriebstrommel 61 der
Mehrscheibenkupplung 60 ist an der rechten Seite des
vorderen Differentials 40 angeordnet und mit einem
Übertragungsteil 71b, welches integral mit dem
Übertragungs-Antriebsgetriebe 71 ausgebildet ist, verbunden. Die
angetriebene Trommel 62 ist an dem Differentialgehäuse 41
des vorderen Differentials 40 befestigt. Im übrigen ist
die Konstruktion sowie die Arbeitsweise die gleiche wie
bei der ersten Ausführungsform.
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Bei der zweiten und dritten Ausführungsform ist der
Vorderrad-Geschwindigkeitssensor 91 und der
Hinterrad-Geschwindigkeitssensor 92 an für die Erfassung der
Vorderradgeschwindigkeit NF und der Hinterrad-Geschwindigkeit
NR geeigneten Stellen angeordnet.
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Die Fig. 11a und 11b zeigen andere Beispiele des
zentralen Differentials 50. In den in den Fig. 11a, 11c und
11e gezeigten Beispielen ist die flüssigkeitsbetätigte
Mehrscheibenkupplung 60 zwischen dem Träger 55 und der
Eingangswelle 20 des zentralen Differentials 50
angeordnet. Auf diese Weise wird ein die Kupplung 60
aufweisendes Bypass-System 101 für ein Übertragungssystem von der
Eingangswelle 20 zu der ersten Ausgangswelle 21 und zur
zweiten Ausgangswelle 24 über das zentrale Differential
50 geschaffen. Wenn die Hinterräder 28L, 28R schlupfen,
so ergibt sich für die Geschwindigkeitsdif ferenz in dem
zentralen Differential 50 das folgende:
Hinterrad-Geschwindigkeit NR > Geschwindigkeit der Eingangswelle
20 > Vorderradgeschwindigkeit NF.
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Ein Teil des Eingangsdrehmomentes der Eingangswelle 20
wird direkt über die Antriebstrommel 61 der Kupplung 60
und den Träger 55 in Übereinstimmung mit dem
Kupplungsdrehmoment Tc zu der ersten Ausgangswelle 21 übertragen.
Der übrige Anteil des Drehmomentes wird von dem ersten
Sonnenrad 51 über die ersten und zweiten Ritzel 52 und
54 und das zweite Sonnenrad 53 zu der zweiten
Ausgangs-Welle 24 übertragen. Das Vorderrad-Drehmoment TF und das
Hinterrad-Drehmoment TR lauten wie folgt:
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TF - 0,38 (Ti - Tc) + Tc
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TR - 0,62 (Ti - Tc)
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Da das Kupplungsdrehmoment Tc im schlupffreien Zustand
null ist, beträgt das Drehmoment-Verteilungsverhältnis
zwischen den Vorder- und Hinterrädern TF:TR = 38:62. Wenn
die Hinterräder schlupfen und ein Kupplungsdrehmoment Tc
erzeugen, wird das zu dem Kupplungsdrehmoment Tc
proportionale Eingangsdrehmoment Ti direkt zu den Vorderrädern
23L, 23R übertragen. Das zu den Vorderrädern 23L, 23R
übertragene Eingangsdrehmoment Ti wird mit ansteigendem
Kupplungsdrehmoment Tc größer.
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Bei jedem zentralen Differential 50 der Fig. 11b, 11d
und 11f ist die Eingangswelle 20 mit einem
Übertragungsteil versehen, welches sich von dieser wegerstreckt,
durch das zentrale Differential 50 verläuft und mit der
Trommel 61 der Kupplung 60 verbunden ist. Die
Mehrscheibenkupplung 60 ist zwischen dem Sonnenrad 53 und der
Eingangswelle 20 angeordnet. Das die Kupplung 60
aufweisende Bypass-System 101 ist folglich für die
Eingangswelle 20 vorgesehen. Das Vorderrad-Drehmoment TF und das
Hinterrad-Drehmoment TR lauten wie folgt:
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TF = 0,38 (Ti + Tc)
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TR = 0,62 (Ti + Tc) - Tc
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Wenn die Hinterräder 28L, 28R schlupfen, wird das der
Summe des Kupplungsdrehinomentes Tc und des
Eingangsdrehmomentes Ti entsprechende Drehmoment auf die Vorderräder
23L, 23R übertragen.
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Das erfindungsgemäße System kann auch in
vierradgetriebenen Fahrzeugen anderer Art verwendet werden, wie zum
Beispiel bei einem Fahrzeug mit hintenliegendem Motor
und Antrieb der Hinterräder.
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Erfindungsgemäß enthält das zentrale Differential zwei
Paare von Sonnenrädern und Planetenritzeln sowie einen
Träger. Die Standard-Drehmomentverteilung auf die
Vorderräder 23L, 23R und die Hinterräder 28L, 28R wird
bestimmt durch die Radien der Teilkreise der Getrieberäder
und der Ritzel. Das Drehmoment-Verteilungsverhältnis
kann folglich auf verschiedene Werte eingestellt werden.
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Folglich kann ein robustes und kompaktes System
geschaffen werden, mit dem ein größeres Drehmoment auf die
Hinterräder 28L, 28R geführt werden kann, als auf die
Vorderräder 23L, 23R, ohne daß die Abmessungen des Systemes
geändert werden müssen. Da ein großes Drehmoment zu den
Hlnterrädern 28L, 28R übertragen wird, ist die
Steuerbarkeit verbessert, wobei ein Schlupf der Räder genau
erfaßbar ist, so daß die Beschleunigungseigenschaften
ebenfalls verbessert sind. Weiterhin kann die Steuerung
der Drehmomentverteilung in einem weiten Bereich
erfolgen. Auf diese Weise können die Betriebszustände und
Fahreigenschaften des Fahrzeuges genau und in geeigneter
Weise mit verbesserter Wirksamkeit gesteuert werden.
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Das zentrale Differential und die flüssigkeitsbetätigte
Mehrscheibenkupplung sind koaxial an der Hinterseite der
manuellen Übertragung mit kleinen Abmessungen
vorgesehen. Das zentrale Differential kann somit an jeder
Stelle angeordnet werden. Da die Eingangswelle und die
Ausgangswellen des zentralen Differentials in einem
zentralen Bereich des Fahrzeuges angeordnet sind, eignet sich
das Differential vorzugsweise für ein Übertragungssystem
mit koaxial angeordneten Eingangs- und Ausgangswellen.
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Das System, welches das zentrale Differential in dem
Übertragungsgehäuse aufweist, kann auch an ein
zweiradgetriebenes Fahrzeug angepaßt werden. Die
flüssigkeitsbetätigte Mehrscheibenkupplung ist abgedichtet
aufgebaut, so daß sie vorzugsweise zur Schmierung der
Kupplung dient.
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Da Teile des zentralen Differentials, der
Mehrscheibenkupplung und der Übertragungseinrichtung in dem
Übertragungsgehäuse angeordnet sind, wird das System besonders
kompakt, so daß ein sehr festes Gehäuse einsetzbar ist,
was zur Reduktion von Schwingungsgeräuschen beiträgt. Da
das Übertragungsgehäuse nicht von dem Motor absteht,
kann der Motor ohne Einschränkung beliebig gestaltet
werden.
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Da schließlich das zentrale Differential in der Nähe der
Übertragung angeordnet ist, kann die Kraftübertragung
einfach ausgelegt sein.