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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe für ein Geländefahrzeug,
wie z.B. einen landwirtschaftlichen Traktor, der eine automatische Auswahl
eines Zweirad- oder Vierrad-Antriebes hat.
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In
einem landwirtschaftlichen Traktor, der mit einer üblichen
Kupplung zum Einschalten des Vierrad-Antriebs versehen ist, werden,
wenn die Kupplung eingekuppelt ist, die Vorderräder normalerweise um ungefähr 2% schneller
als die Hinterräder
angetrieben. Dieser Geschwindigkeitsunterschied wird durch die Geometrie
der Getriebebauteile hervorgerufen, die an den Vorderrädern angebracht
sind. Unter Geländebedingungen,
das heißt,
wenn sich der Traktor über
landwirtschaftlichen Boden bewegt, wird aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit,
mit der der Traktor normalerweise fährt, und aufgrund der Tatsache,
dass der landwirtschaftliche Boden eine geringe Haftung für die Reifen
ergibt, festgestellt, dass bei eingeschaltetem Vierrad-Antriebsgetriebe
alle Räder sogar
bis zu 10–15%
gegenüber
der Geschwindigkeit rutschen können,
die von dem Motor des Traktors bestimmt ist, so dass der Geschwindigkeitsunterschied zwischen
den Vorderrädern
und den Hinterrädern nicht
bemerkt wird.
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Auf
befestigten Strassenoberflächen
ergibt sich jedoch aufgrund der Tatsache, dass der Traktor meistens
mit höheren
Geschwindigkeiten gefahren wird, und dass sich eine bessere Haftung
zwischen den Reifen und der Strassenoberfläche ergibt, ein beträchtliches
Rutschen der Vorderräder
auf dem Boden, wenn der Vierrad-Antrieb
eingeschaltet ist. Die Vorderräder
rutschen bevorzugt gegenüber
den Hinterrädern,
weil bei Traktoren der größte Teil
des Gewichtes durch die Hinterräder
abgestützt
wird und die Reibkraft auf dem Boden an den Hinterrädern größer als
an den Vorderrädern
ist.
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Weil
das Rutschen der Vorderräder
auf Schotterstrassenoberflächen
ein hohes Ausmaß an Abnutzung
der Vorderräder
hervorruft, wird es bevorzugt, die Kupplung auszukuppeln und auf
den Zweirad-Antrieb zurückzukehren,
wenn auf guten Strassenoberflächen
gefahren wird.
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Weiterhin
wird bei Kurven, insbesondere bei Kurven mit einem kleinen Radius,
der Zweirad-Antrieb gegenüber
dem Vierrad-Antrieb bevorzugt, weil selbst wenn das Vorderachsdifferenzial
nicht gesperrt ist, das Vorderrad auf der Kurvenaußenseite dazu
neigt, sich bis zu 20% schneller zu bewegen, als die Hinterräder, so
dass bei eingeschaltetem Vierrad-Antrieb dieses Vorderrad rutschen
würde,
was wiederum eine beträchtliche
Abnutzung des Reifens hervorruft.
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Aus
diesen Gründen
ist es bei einem Traktor wünschenswert,
in der Lage zu sein, zwischen Zweirad- und Vierrad-Antrieb in Abhängigkeit
von der Strassenoberfläche
zu wählen,
auf der der Traktor gefahren wird. Idealerweise sollte der Vierrad-Antrieb des
Traktors nur unter Bedingungen mit schlechter Bodenhaftung eingeschaltet
werden, wenn die Hinterräder
gegenüber
dem Boden rutschen.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, ein Getriebe zu schaffen, bei
dem der Zweirad- und Vierrad-Antrieb von dem Fahrer des Traktors
ausgewählt werden
kann, doch erfordert dies, dass der Fahrer die Kenntnisse hat, zu
wissen, wann zwischen Vierrad- und Zweirad-Antrieb gewechselt werden
sollte, damit sich der beste Vortrieb und die minimale Reifenabnutzung
ergibt.
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Um
die Aufgabe des Fahrers zu erleichtern, wurde bereits vorgeschlagen,
ein Getriebe mit einem Steuersystem zu schaffen, das automatisch
einen Vierrad-Antrieb
auswählen
kann, wenn es erforderlich ist, das Rutschen der Hinterräder zu verringern.
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Die
EP-A-0 432 549 offenbart
ein Steuersystem zum automatischen Einschalten eines Vierrad-Antriebes
in einem Fahrzeuggetriebe. Das Getriebe umfasst eine erste Antriebswelle
zur Übertragung
des Antriebs von dem Motor auf zwei Hinterräder und eine zweite Antriebswelle
zur Übertragung des
Antriebs auf zwei Vorderräder.
Eine Kupplung bewirkt bei ihrem Einkuppeln eine Kupplung der zwei Antriebswellen
für eine
Drehung miteinander, und die Antriebsgetriebegeometrie ist derart,
dass bei eingekuppelter Kupplung das Getriebe bewirkt, dass die Vorderräder etwas
langsamer als die Hinterräder
angetrieben werden.
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In
der zweiten Antriebswelle ist eine spezielle Kupplung vorgesehen,
die verzahnte Antriebs- und angetriebene Teile umfasst, die miteinander
mit Totgang kämmen,
das heißt,
die zwei Teile können
sich relativ zueinander über
einen begrenzten Winkel drehen. Eine Relativdrehung der Antriebs-
und angetriebenen Teile der Kupplung wird durch ein Element gemessen,
das in der Lage ist, sich in Axialrichtung zwischen zwei Endstellungen
zu bewegen, wenn der Totgang in der Kupplung aufgenommen wird, um
die Richtung anzuzeigen, in der ein Drehmoment über die Kupplung übertragen
wird. Ein Sensor stellt die Endposition des letzteren Elementes
fest und erzeugt ein elektrisches Signal, das von einer elektronischen
Verarbeitungseinheit verwendet wird, um das Einkuppeln oder Auskuppeln
der Kupplung zu steuern.
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Das
Prinzip des vorstehenden Vorschlages beruht auf der Tatsache, dass
wenn die Hinterräder bei
einem Zweirad-Antrieb rutschen, der Antriebsteil der Totgangkupplung
versuchen wird, sich schneller als der angetriebene Teil zu drehen,
wobei die Geschwindigkeit des Letzteren der Fahrgeschwindigkeit des
Fahrzeuges entspricht. Wenn andererseits der Vierrad-Antrieb eingeschaltet
ist und die Räder
nicht auf dem Boden rutschen, so werden die Vorderräder versuchen,
schneller auf dem Boden abzurollen, als mit der Geschwindigkeit,
mit der sie von dem Getriebe angetrieben werden, mit dem Ergebnis,
dass der angetriebene Teil versuchen wird, sich schneller zu drehen,
als der Antriebsteil, und ein Rückwärts-Drehmoment auf den
Motor über
die Totgangkupplung ausüben
wird. Während
der Umkehrung der Richtung des Drehmomentes über die Kupplung wird das Spiel
oder der Totgang in der Kupplung aufgenommen, was zu einer relativen
Winkelbewegung zwischen dem Antriebsteil und dem angetriebenen Teil führt, die
in eine Axialbewegung des Sensorelementes umgesetzt wird. Wie dies
bereits erwähnt
wurde, steuert die elektronische Verarbeitungseinheit in Abhängigkeit
von der Bewegung des Sensorelementes in der einen oder anderen Richtung
die Vierrad-Antriebskupplung, um diese entweder einzukuppeln oder
auszukuppeln.
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Obwohl
sich die vorstehende Anordnung in der Praxis als äußerst wirkungsvoll
erwiesen hat, weist sie dennoch den Nachteil auf, dass bei dem letztgenannten
Vorschlag die Kupplung eine Rutschkupplung ist, die selbst in ausgekuppeltem
Zustand ein gewisses Drehmoment ausüben muss, damit die Geschwindigkeit
der ersten Antriebswelle die Drehgeschwindigkeit des Antriebsteils
der Totgangkupplung beeinflussen kann, während sich der Antriebsteil mit
der zweiten Antriebswelle dreht. Es ist weiterhin festzustellen,
dass bei der
EP-A-0
432 549 ein Signal an die elektronische Verarbeitungseinheit
geliefert werden sollte, um anzuzeigen, ob der Traktor vorwärts oder
rückwärts fährt, wodurch
die Logik hinter der Totgangkupplung umgekehrt werden kann. Ein derartiges
Signal wird von einem Schalter gewonnen, der betriebsmäßig mit
dem Rückwärtsganghebel
des Traktors verbunden ist.
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Die
EP-A-0521.275 ,
von der angenommen wird, dass sie den der vorliegenden Erfindung
am nächsten
kommenden Stand der Technik darstellt, zeigt, wiederum ein Drehmoment-Richtungs-Messsystem,
das von der Vierrad-Antriebs-Kupplung getrennt ist. In der Einleitung
dieses Dokumentes wird auf die
DE-A-4.134.659 verwiesen, die ihrerseits auf unterschiedliche
Ausführungsformen
von Drehmoment-Richtungs-Messsystemen
gerichtet ist. Einige der Ausführungsformen
zeigen eine Totgang-Kupplung, die zwei Ringe mit sich in Radialrichtung
erstreckenden Zähnen
haben. Sensoren sind vorgesehen, um die Phasen-Differenz zwischen
den zwei Ringen von Zähnen
zu messen.
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Die
zwei vorstehenden Dokumente leiden, selbst wenn sie kombiniert werden,
immer noch an dem Nachteil, dass ein getrennter Sensor erforderlich
ist, um die Antriebsrichtung anzuzeigen, damit in eindeutiger Weise
die Drehmoment-Antriebs-Richtung
bestimmt wird. Weiterhin ergibt keines der zwei Dokumente einen
Hinweis darauf, dass zwei Drehzahl-Sensoren in Kombination mit einer
geeignet funktionierenden Totgang-Kupplung ausreichend sind, um
die Frequenz und die Phase der gemessenen Signale zu vergleichen
und vollständig
das Einkuppeln und Auskuppeln der Vierrad-Antriebs-Kupplung zu steuern
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine automatische
Vierrad-Antriebs-Einkuppel-Vorrichtung
zu schaffen, die die Notwendigkeit der Anzeige der Antriebsrichtung
des Traktors vermeidet und die Funktion der Vierrad-Antriebs-Kupplung in die Totgang-Kupplung
einfügt,
und die weiterhin das Einkuppeln und Auskuppeln der Totgang-Kupplung
mit lediglich zwei Drehzahl-Sensoren steuert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Getriebe gemäß Anspruch
1 geschaffen. Der Antriebsteil und der angetriebene Teil der Kupplung
werden miteinander gekuppelt, wenn der Antrieb über die Kupplung übertragen
werden soll, und sie werden vollständig voneinander durch eine
axiale Bewegung getrennt, wenn der Zweirad-Antrieb eingeschaltet
ist. Abgesehen von der Beseitigung der Notwendigkeit einer kostspieligen
getrennten Kupplung ergibt die Erfindung den Vorteil, dass sie nicht
auf Oberflächen beruht,
die relativ zueinander rutschen, wenn der Zweirad-Antrieb eingeschaltet
ist, so dass kein Bauteil einer unnötigen Abnutzung ausgesetzt
ist.
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Die
Einrichtungen zum Feststellen des Rutschens zwischen den Hinterrädern und
der Strassenoberfläche
können
zweckmäßigerweise
Einrichtungen zur Feststellung der Richtung der Drehmomentübertragung über die
Kupplung sein. Wenn die Vorderräder
so untersetzt sind, dass sie sich bei Fehlen des Rutschens auf dieser
Strassenoberfläche
langsamer drehen als die Hinterräder,
so werden, wenn sich das Fahrzeug auf einer Schotterstrassenoberfläche bewegt,
die Vorderräder überdrehen
und ein Drehmoment auf den Motor in einer derartigen Richtung ausüben, dass
dieser überdreht
wird. Wenn andererseits die Hinterräder rutschen, so übt der Motor
ein Drehmoment auf die Vorderräder
aus, um diese anzutreiben. Die Richtung der Drehmomentübertragung durch
die Kupplung kehrt sich daher um, wenn sich das Fahrzeug von Geländebedingungen
auf eine befestigte Strassenoberfläche bewegt.
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Die
Richtung der Drehmomentübertragung kann
auf verschiedene Weise gemessen werden, beispielsweise durch Messen
der Auslenkung entlang der Länge
eines Torsionsrohres, das in den Drehmomentübertragungspfad eingefügt ist.
Es wird jedoch bevorzugt, dass die Zähne auf dem Antriebsteil und
dem angetriebenen Teil der Kupplung miteinander mit Totgang in Eingriff
stehen und dass die Richtung der Drehmomentübertragung durch die Kupplung
durch Überwachen
der relativen Winkelbewegung des Antriebsteils und des angetriebenen Teils
bestimmt wird.
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Ein
Getriebe gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nunmehr ausführlicher
in Form eines Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 ein
Teilschnitt durch ein Getriebe eines Traktors ist, der die Kupplung
zum selektiven Zuführen
von Antriebskraft auf die Vorderräder in Abhängigkeit von dem Rutschen der
Hinterräder
zeigt;
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2 einen
elektrohydraulischen Kreis zur Steuerung der Kupplung nach 1 zeigt;
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3a–3c schematisch
einen Schnitt durch die Kupplung in 1 unter
unterschiedlichen Antriebsbedingungen zeigen, während sich der Traktor vorwärts bewegt;
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4a und 4b schematische
Schnitte ähnlich
denen nach 3a bzw. 3c, die
die Kupplung unter unterschiedlichen Antriebsbedingungen zeigen,
während
sich der Traktor in Rückwärtsrichtung
bewegt;
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5a–5c die
Signale zeigen, die von Sensoren erzeugt werden, die der Kupplung
nach 1 zugeordnet sind, wenn sich die Zähne P und
A der Kupplung in den Positionen befinden, die jeweils in den 3a–3c gezeigt
sind;
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6 ein
Ablaufdiagramm ist, das die Steuerlogik erläuert, die bei einem Vierrad-Antriebssteuersystem
verwendet wird, das mit einem Neigungsdetektor ausgerüstet ist;
und
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7 eine
Modifikation des Ablaufdiagramms nach 6 zeigt,
das die Steuerlogik in einem Steuersystem zeigt, das zusätzlich mit
einem Lenkungs-Vollausschlag-Sensor
ausgerüstet
ist.
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1 zeigt
einen Teil eines Getriebes für
einen Traktor. Das Getriebe ist weder vollständig noch in Einzelheiten gezeigt,
weil seine Konstruktion als solche gut bekannt ist und ein Verständnis seiner
Betriebsweise für
die vorliegende Erfindung nicht grundlegend ist. Es reicht aus,
zu verstehen, dass das Getriebe eine Ausgangswelle 10 aufweist,
die zu den Hinterrädern
führt und
mit einem veränderlichen
Untersetzungsverhältnis
durch den Motor des Traktors angetrieben wird. Das Getriebe weist
weiterhin eine zweite Ausgangswelle 12 auf, die die Vorderräder antreibt,
wobei die zwei Wellen 10 und 12 selektiv miteinander über eine
Kupplung gekuppelt werden, die allgemein mit 100 bezeichnet
ist, und die nunmehr ausführlicher
beschrieben wird.
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Ein
Zahnrad 14 ist mit Hilfe einer Keilnut 16 für eine dauernde
Drehung mit der Welle 10 befestigt und kämmt mit
einem Zahnrad 18, das frei um die Welle 12 drehbar
ist. Das Zahnrad 18 weist zwei axial vorspringende Klauenzähne 20 auf,
die selektiv mit zwei axial vorspringenden Zähnen auf einer Schiebehülse 24 in
Eingriff bringbar sind, die drehfest mit der Welle 12 verbunden
ist. Die Schiebehülse 24 ist
auf einer Hülse 26 verschiebbar
befestigt und für
eine Drehung mit dieser über
Keilnuten 34 verkeilt. In ähnlicher Weise ist die Hülse 26 mit
der Welle 12 durch Keilnuten 40 verkeilt. Die
Hülse 26 ist
zwischen einer Schulter auf der Welle 12 und einem Sprengring 42 derart
festgelegt, dass sie sich nicht in Axialrichtung gegenüber der
Welle 12 verschieben kann.
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Die
Schiebehülse 24 ist
in Axialrichtung über der
Hülse 26 verschiebbar,
und zwischen diesen zwei Elementen ist eine abgedichtete ringförmige Arbeitskammer 36 gebildet,
die über
(nicht gezeigte) radiale Öffnungen
in der Hülse 26,
(nicht gezeigte) radiale Bohrungen in der Welle 12 und
eine axiale Blindbohrung 38 in der Welle 12 mit
einer Speiseleitung 44 in Verbindung steht, die selektiv
mit einer Druckversorgung oder mit einem Auslass verbunden wird,
um die Zähne 20, 22 der
Kupplung 100 auszukuppeln oder einzukuppeln.
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In
der Schnittansicht nach 1 ist die obere Hälfte der
Schiebehülse 24 in
der Position gezeigt, in der Druck über die Leitung 44 der
Arbeitskammer 36 zugeführt
wird. Der Druck bewegt die Schiebehülse 24 nach rechts
gemäß 1 gegen
die Wirkung einer Feder 28, die gegen eine Federanlageplatte 30 anliegt,
die auf der Hülse 26 durch
einen Sprengring 32 gehalten wird. Wenn die Schiebehülse 24 nach rechts
bewegt wird, kämmen
die Zähne 20 und 22 nicht
miteinander, und der Antrieb zwischen dem Zahnrad 18 und
der Schiebehülse 24 ist
ausgekuppelt. Wenn die Leitung 44 andererseits mit dem
Auslass verbunden ist, so drückt
die Feder 28 die Schiebehülse 24 nach links
gemäß 1 in
der Richtung, in der die Arbeits-kammer 36 auf ein Minimum
verkleinert und bewirkt wird, dass die Zähne 20 und 22 miteinander
kämmen,
wie dies im unteren Teil der 1 gezeigt
ist. In dieser Position wird der Antrieb von der Welle 10 über das
Zahnrad 14, das Zahnrad 18, die kämmenden
Zähne 20 und 22,
die Schiebehülse 24 und
die Hülse 26 auf
die Welle 12 übertragen,
so dass der Motor sowohl die Vorder- als auch die Hinterräder des
Traktors antreibt.
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Die
Zähne 20 und 22 kämmen miteinander mit
einem absichtlich vorgesehenen freien Spiel oder Totgang, um als
eine Totgang-Kupplung zu wirken. Die kämmenden Zähne 20 und 22 sind
schematisch in den 3a–4b gezeigt.
Jeder der Zähne 20 und 22 erstreckt
sich über
einen Winkel von 55° an dem
Drehmittelpunkt, so dass, wenn sie miteinander kämmen, sie sich gegeneinander
um bis zu 70° drehen
können,
wobei dieses freie Spiel den Totgang in der Kupplung bildet.
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Die
Richtung, in der dieser Totgang aufgenommen wird, hängt von
der Richtung ab, über
die das Drehmoment über
die Kupplung übertragen
wird. In den 3a–3c ist
die Kupplung so dargestellt, als ob sie sich im Uhrzeigersinn dreht,
wie dies durch den Pfeil angedeutet ist, was dem Vorwärts-Antrieb
des Traktors entspricht. Wenn das Zahnrad 18 versucht,
sich schneller als die Schiebehülse 24 zu
drehen, so treiben die Zähne 20 des Zahnrades 18 die
Zähne 22 der
Schiebehülse 24 an, und
der Totgang wird in einer Richtung aufgenommen, wie dies in 3a gezeigt
ist. Wenn andererseits die Schiebehülse 24 versucht, sich
schneller als das Zahnrad 18 zu drehen, so treiben die
Zähne 22 die
Zähne 20 an,
und der Totgang wird in der entgegengesetzten Richtung aufgenommen,
wie dies in 3c gezeigt ist. Die relative
Winkelstellung oder Phase des Zahnrades 18 und der Schiebehülse 24 hängt daher
von der Richtung der Drehmomentübertragung
durch die Kupplung 100 ab.
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Die
Untersetzungsverhältnisse
in den Vorder- und Hinterachsen sind derart ausgewählt, dass wenn
ein Drehmoment übertragen
wird, um die Vorderräder
anzutreiben, die Geschwindigkeit der Vorderräder (gemessen an ihrer Umfangsoberfläche, die mit
dem Boden in Berührung
steht) geringfügig
kleiner als die Geschwindigkeit der Hinterräder ist. Beim Fahren im Gelände rutschen
sowohl die Vorder- als auch die Hinterräder auf dem Boden und der kleine Unterschied
hinsichtlich ihrer Geschwindigkeiten bedeutet lediglich, dass die
Vorderräder
etwas weniger als die Hinterräder
rutschen. Wenn andererseits der Traktor auf einer befestigten oder
Schotterstrassenoberfläche
gefahren wird und alle Räder
einen guten Griff haben, so werden die Vorderräder durch Reibung mit dem Boden
schneller angetrieben, als sie von dem Motor angetrieben werden,
und sie übertragen
ein Drehmoment in der Rückwärtsrichtung über die
Kupplung in der Richtung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit
des Motors. Die relative Winkelstellung des Zahnrades 18 und
der Schiebehülse 24 zeigt
daher den Zustand der Strassenoberfläche an und kann zur automatischen
Steuerung dafür
verwendet werden, wann die Kupplung 100 eingekuppelt oder
ausgekuppelt werden sollte.
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Um
die Winkelposition des Zahnrades 18 gegenüber der
Schiebehülse 24 zu
messen, ist das Zahnrad 18 mit sich in Radialrichtung erstreckenden Zähnen 46 versehen,
und die Schiebehülse
ist mit sich radial erstreckenden Zähnen 48 versehen,
die elektromagnetisch durch induktive Sensoren 50 bzw. 52 abgetastet
werden. Die Sensoren 50 und 52 können beispielsweise
Spulen mit einem kleinen Luftspalt umfassen. Wenn die Zähne 46 oder 48 in der
Nähe des
Luftspaltes vorbeilaufen, so ändert
sich die Induktivität
der Spule abrupt, was eine schnelle Änderung des elektrischen Ausgangssignals
des Sensors hervorruft. Die zwei Sensoren 50 und 52 erzeugen
daher Signale, die in geeigneter Weise verarbeitet werden können, um
impulsförmige
Signale P und A zu erzeugen, die weiter unten ausführlicher
unter Bezugnahme auf 5 beschrieben
werden. Das P-Signal entspricht den Zähnen 46 und damit
der Drehung der Hinterräder,
während
das A-Signal den Zähnen 48 und
damit der Drehung der Vorderräder entspricht.
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Wie
dies in den 3a–4b als
Beispiel gezeigt ist, umfassen das Zahnrad 18 und die Schiebehülse 24 jeweils
vier Zähne 46 und
vier Zähne 48. Sowohl
die Zähne 46 als
auch die Zähne 48 weisen einen
gleichen Winkelabstand auf und die Anordnung der Zähne ist
derart, dass zwei Zähne 46 gegenüber den
Klauenzähnen 20 zentriert
sind, während
zwei Zähne 48 gegenüber den
Klauenzähnen 22 zentriert
sind. Eine andere Anzahl von Zähnen 46, 48 und
Klauenzähnen 20, 22 könnte vorgesehen werden,
es wurde jedoch festgestellt, dass die in den 3a–4b gezeigte
Anordnung einen guten Kompromiss zwischen der Anzahl von Detektionen während jeder
Umdrehung der Kupplung und der Genauigkeit der Messung bietet.
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In
dem Fall, in dem dennoch eine andere Zahl von Zähnen 46, 48 und 20, 22 gewählt würde, wird
es aus Gründen
der Einfachheit der Verarbeitung der Signale P und A, die von den
Zähnen 46, 48 gewonnen
wird, bevorzugt, doppelt so viele Zähne 46 und 48 als
jeweilige Klauenzähne 20 und 22 zu
haben. Wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf 5 ersichtlich
wird, ist es zwingend erforderlich, damit man eindeutig die Richtung
der Drehmomentübertragung
bestimmen kann, die Kupplung 100 in einer derartigen Weise
auszulegen, dass der Winkel zwischen den Mittelpunkten von zwei
benachbarten Zähnen 46 größer als
der Totgang-Winkel
ist. Das gleiche gilt für
die Zähne 48.
Dies wird durch die Wahl eines passenden Winkels sichergestellt, über den sich
die Zähne 20 bzw. 22 am
Drehmittelpunkt erstrecken.
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Wenn
zunächst
auf 2 Bezug genommen wird, so ist zu erkennen, dass
die Signale von den Sensoren 50 und 52 einer Steuerschaltung 54 zugeführt werden,
die aus diesen Signalen die Strassenbedingungen auf der Grundlage
der vorstehend beschriebenen Kriterien bestimmt. Das Ausgangssignal der
Steuerschaltung 54 wirkt auf ein Relais, das einen Kontakt 56 aufweist,
der ein elektrohydraulisches Ventil 70 mit drei Anschlüssen und
zwei Stellungen steuert. In der dargestellten Position ist der Relaiskontakt 56 offen,
und das Ventil 70 verbindet die zu der Arbeitskammer 36 der
Kupplung 100 führende
Leitung 44 mit der Ausgangsleitung 68 eines Druckreglers 66.
Unter Druck stehendes Strömungsmedium
wird dem Regler 66 von einer Pumpe 64 zugeführt, die
mit einem Vorratsbehälter 60 über eine Eingangsleitung 62 verbunden
ist. In dieser Position bewirkt die mit Druck beaufschlagte Kammer 36, dass
der Antrieb an die Vorderräder
in der vorstehend beschriebenen Weise ausgekuppelt wird.
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Wenn
der Antrieb an die Vorderräder
eingekuppelt werden, soll, schließt die Steuerschaltung 54 den
Relaiskontakt 56. Das Ventil 70 wird nunmehr auf seine zweite
Position angesteuert, in der die Leitung 68 von dem Regler
abgesperrt wird und die Leitung 44 über ein Rücklaufventil 74 mit
dem Vorratsbehälter 60 verbunden
ist. Die Feder 28 drückt
nunmehr die Arbeitskammer 36 zusammen und bewegt die Schiebehülse 24 nach
links (bei Betrachtung der 1), wodurch
bewirkt wird, dass die Klauenzähne 20 und 22 miteinander
kämmen.
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Die
Betriebsweise der Steuerschaltung 54 wird nunmehr unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 und die Eingangssignale beschrieben,
die schematisch in 5 gezeigt sind.
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Wenn
die Kupplung 100 ausgekuppelt ist, so können sich die Wellen 10 und 12 mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen. Wenn auf einer Strassenoberfläche mit
einer guten Reifenhaftung gefahren wird, so treiben die von dem
Boden angetriebenen Vorderräder
die Welle 12 mit einer höheren Drehgeschwindigkeit als
der Geschwindigkeit der Welle 10 an, die die Hinterräder antreibt.
Daher hat das A-Signal
eine höhere
Frequenz als das P-Signal. Sobald die Hinterräder zu rutschen beginnen, hat
jedoch das A-Signal, das auf die Geschwindigkeit des Traktors entlang
des Bodens bezogen ist, eine niedrigere Frequenz als das P-Signal.
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Das
prozentuale Rutschen S der Hinterräder kann durch die folgende
Gleichung ausgedrückt
werden:
worin VAP die Drehgeschwindigkeit
der mit den Hinterrädern
verbundenen Welle
10 ist (entsprechend der Frequenz des
P-Signals), während
VAA die Drehgeschwindigkeit der Welle
12 ist, die mit den
Vorderrädern
verbunden ist (entsprechend der Frequenz des A-Signals). Aus guten
Strassenoberflächen, wenn
der Vierrad-Antrieb ausgeschaltet ist und die Welle
12 sich
schneller als die Welle
10 dreht, ist VAA größer als
VAP, und S hat daher einen negativen Wert, der in der Praxis von –3% bis –7% reichen kann.
Andererseits hat das Rutschen S im Gelände einen positiven Wert, weil
VAP größer sein
wird, als VAA. Die Steuerschaltung
54 wirkt daher bei ausgekuppelter
Kupplung
100 zur Berechnung des Wertes S aus den Frequenzen
der P- und A-Signale. Sobald der berechnete Wert S größer als
beispielsweise 2% ist, was bedeutet, dass ein Rutschen der Hinterräder auftritt,
so wird die Kupplung
100 eingekuppelt, um auf einen Vierrad-Antrieb
umzuschalten, und sobald die Einkupplung aufgetreten ist, werden
die Frequenzen der P- und A-Signale
aufeinander verriegelt. Es ist verständlich, dass aufgrund des freien
Spiels zwischen den Zähnen
20 und
22 der
Wert von S nicht notwendigerweise momentan von oberhalb von 2% auf
0% abfällt,
wenn das Einkuppeln erfolgt. Es ist tatsächlich vorstellbar, dass zum
Zeitpunkt des Einkuppelns die Zähne
20 und
22 relativ
zueinander in einer derartigen Weise positioniert sind, dass ein
Teil des freien Spiels oder Totganges oder schließlich das gesamte
freie Spiel zunächst
in einer vorgegebenen Richtung aufgenommen werden sollte, bevor
eine tatsächliche
Verriegelung der Zähne
20,
22 erfolgen sollte.
Dies bedeutet selbstverständlich,
dass zwischen dem Zeitpunkt des Einkuppelns und dem Zeitpunkt der
tatsächlichen
Verriegelung die Frequenzen des P- und A-Signals einander nicht
gleich sind, doch bewegen sie sich dennoch zu dem gleichen Wert
hin. Daher wird das Einkuppeln lediglich dann als Erfolg betrachtet,
wenn der berechnete Wert von S auf unter 0,2% abfällt. Die
Grenze von 0,2% wird gewählt, um
minimale Schwingungsbewegungen zu berücksichtigen, die die Zähne
20,
22 möglicherweise
relativ zueinander ausführen.
Sobald das Einkuppeln bestätigt
ist, werden die Frequenzen der A- und P-Signale nicht mehr länger verglichen,
sondern die Steuerschaltung
54 beginnt, die relative Phase
des A-Signals und des P-Signals zu analysieren, um festzustellen,
wann der Vierrad-Antrieb wieder ausgekuppelt werden sollte. Der
Frequenzvergleich innerhalb der Steuerschaltung
54 kann
in irgendeiner zweckmäßigen Weise
ausgeführt
werden. Zweckmäßigerweise kann
die Steuerschaltung
54 als eine digitale Steuereinrichtung
gebildet werden, wobei in diesem Fall jedes der zwei Signale A und
P zum Steuern des Zählens
der Taktimpulse wirken kann, wobei in diesem Fall die an dem Ende
jedes Zyklus erreichte Zählung die
Wiederholfrequenz anzeigt. Die Zählungen
können
dann voneinander subtrahiert werden, und der Relaiskontakt
56 kann
geschlossen werden, wenn das Verhältnis des Geschwindigkeitsunterschiedes der
Vorderrad-Geschwindigkeit
zur Hinterrad-Maximalgeschwindigkeit einen voreingestellten Schwellenwert übersteigt.
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Sobald
die Kupplung 100 eingekuppelt und verriegelt wurde, haben
die Signale P und A notwendigerweise die gleiche Frequenz, doch
hängt ihre Phase
aus den weiter oben beschriebenen Gründen von der Richtung der Drehmomentübertragung
ab. 5A zeigt die Signale P und A, wenn der Traktor im
Gelände
betrieben wird und die Hinterräder
rutschen. Hier befindet sich die Kupplung in der in 3a gezeigten
Stellung, wobei das Zahnrad 18 der Schiebehülse 24 voreilt,
das heißt,
die Zähne 20 treiben
die Zähne 22 an,
und das Signal P eilt in ähnlicher
Weise dem Signal A in der Phase vor. Wenn der Traktor zu einer Strassenoberfläche mit
einer guten Reifenhaftung zurückkehrt,
bewegen sich die Kupplungszähne
in Richtung auf die in 3c gezeigte Stellung, um die
P- und A-Signale zu erzeugen, die in 5C gezeigt
sind. Während
der Bewegung von der in 3a gezeigten
Stellung auf die Stellung nach 3c durchläuft die
Kupplung vorübergehend
eine Mittelstellung, die in 3b gezeigt ist,
in der die Zähne 46 die
Zähne 48 überlappen
(so dass lediglich die P-Zähne
gezeigt sind). In dieser Position werden die Wellen 10 und 12 unabhängig mit
der gleichen Geschwindigkeit durch den Motor bzw. die Vorderräder angetrieben.
Die in der Position nach 3b gezeigten
P- und A-Signale entsprechen denen nach 5b.
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Wie
dies nunmehr aus 5 zu erkennen ist,
ist, wenn die Steuerschaltung die Zeit beginnend mit der Anstiegsflanke
jedes P-Impulses und endend mit der Anstiegsflanke des nächsten A-Impulses misst,
solange wie die Hinterräder
rutschen, die gemessene Zeit kleiner als ein fester Schwellenwert, der
durch die gepunktete Linie in 5 dargestellt ist.
Diese gemessene Zeitperiode entspricht dem Phasenwinkel, der in 3 gezeigt ist, und der einen Wert von
zwischen 35° und
0° hat,
während
die Zähne 20 so
betrachtet werden können,
als ob sie die Zähne 22 antreiben,
und der einen Wert von zwischen 90° und 55° aufweist, während die Zähne 22 so betrachtet
werden können,
als ob sie die die Zähne 20 antreiben.
Insoweit als die Steuerschaltung immer ein P-Signal mit einem nachfolgenden
A-Signal vergleicht, wie dies bereits vorstehend erwähnt wurde,
ist es verständlich,
dass der Übergang
von einem Zustand auf den anderen auftritt, wenn die P-Zähne die
A-Zähne überlappen,
wie dies in 3b und 5b gezeigt
ist. Tatsächlich ändert sich
in dieser Position der gemessene Phasenwinkel zwischen den P- und
A-Signalen plötzlich
von 0° auf
90°. Wenn
der durch die punktierte Linie in 5 dargestellte Schwellenwert
auf 45° eingestellt
ist, so ergibt dies einen ausreichenden Sicherheitsbereich für einen Messfehler
und ermöglicht
die Erzeugung einer zuverlässigen
Anzeige in der Steuerschaltung 54 dafür, wann die Richtung der Drehmomentübertragung über die
Kupplung 100 umgekehrt wird.
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Die
Phasendifferenz kann wiederum sehr einfach durch die Verwendung
von digitalen Techniken bestimmt werden. Wenn ein Zähler mit
der Zählung
bei jeder Anstiegsflanke des Signals P beginnt und die Zählung an
jeder Anstiegsflanke des Signals A beendet, so zeigt die am Ende
jeder Periode erreichte Zählung
die Phasendifferenz an und überschreitet
nur dann einen festen Schwellenwert, wenn die Radgriffigkeit wiederhergestellt
ist.
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Ein
Vorteil dieser Art von elektronischer Messung des Radrutschens besteht
darin, dass sie nicht von der Bewegungsrichtung abhängt, und
dass die Steuerschaltung genau so gut arbeitet, wenn der Traktor
rückwärts fährt, ohne
dass irgendeine Modifikation erforderlich ist. Dies ist ohne weiteres
aus den 4a und 4b zu
erkennen. Die Anordnung dreht sich im Gegenuhrzeigersinn, und die
Position der Kupplung 100 ist in Rückwärtsrichtung mit Rutschen bzw.
in Rückwärtsrichtung
ohne Rutschen gezeigt. Im Ergebnis wird zwar der Totgang in der
entgegengesetzten Richtung aufgenommen, wenn sich der Traktor in
Rückwärtsrichtung
bewegt, doch bewegen sich auch die Zähne 46 und 48 in
der entgegengesetzten Richtung an den Sensoren vorbei, und das Endergebnis
besteht darin, dass 4a ein Spiegelbild von 3a ist.
Aus diesem Grund ist die relative Phase der A- und B-Signale ungeändert, und
die gleichen Kriterien können
zum Einschalten und Ausschalten des Vierrad-Antriebs verwendet werden.
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Weiterhin
ist es nicht erforderlich, spezielle Schritte vorzunehmen, wenn
der Traktor eine Kurve fährt.
Während
enger Kurven drehen sich die Vorderräder schneller als die Hinterräder, und
unter diesen Bedingungen wird es bevorzugt, den Vierrad-Antrieb auszuschalten,
so dass die Vorderräder
nicht rutschen können
und Schäden
an den Reifen oder dem Boden hervorrufen können, wenn der Traktor beispielsweise über einen
Rasen gefahren wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Vierrad-Antrieb
automatisch ausgeschaltet, wenn sich die Vorderräder schneller als die Hinterräder drehen,
so dass keine speziellen Schritte vorgenommen werden müssen, um
den Vierrad-Antrieb auszuschalten, wenn sich die Lenkung im Lenkungs-Endausschlag
befindet.
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Wenn
sich der Traktor auf einem Hügel
befindet, der in der Bewegungsrichtung nach unten geneigt ist, und
der Motor zum Bremsen der Hinterräder verwendet wird, um zu verhindern,
dass der Traktor zu schnell den steilen Abhang herabfährt, so
können, wenn
sich der Traktor im Zweirad-Antriebszustand befindet, die Hinterräder beginnen, über den
Boden zu rutschen. Entsprechend ist ihre Geschwindigkeit beträchtlich
kleiner als die der Vorderräder,
was zu einem negativen Rutschen mit Werten führt, die 7% übersteigen
(das heißt
S < –7%). Wenn
der von der Steuerschaltung 54 berechnete Wert von S unter
beispielsweise –14° abfällt (was
ein vorherbestimmter Wert ist), so kann dies als eine Anzeige dafür verwendet
werden, dass der Traktor einen steilen Abhang herunterrutscht, und
der Vierrad-Antrieb kann durch die Steuerschaltung 54 eingeschaltet
werden. Es ist jedoch klar, dass in diesem Fall die relative Phase
der P- und A-Zähne
nicht als das Kriterium für
eine Rückkehr
zum Zweirad-Antrieb verwendet werden kann, weil anderenfalls der
Vierrad-Antrieb unmittelbar nach seinem Einschalten wieder ausgeschaltet
würde,
was zu einer Instabilität
des Systems führen
würde.
Eine derartige Instabilität
kann jedoch durch die Verwendung eines Neigungs- oder Hang-Sensors vermieden
werden. Ein Vierrad-Antrieb kann in diesem Fall eingeschaltet werden,
wenn es ein Signal von dem Neigungssensor gibt, das anzeigt, dass
ein vorgegebener Neigungswert (beispielsweise 10°) in Kombination mit einem Signal
dafür überschritten wurde,
dass 5 < –14% ist.
Ein Vierrad-Antrieb kann nachfolgend nur dann wieder abgeschaltet
werden, wenn der Neigungswert unter einem vorzugsweise anderen vorgegebenen
Neigungswert (beispielsweise 5°)
abgesunken ist, weil hierdurch die Stabilität des Systems verbessert wird.
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Weil
der Vierrad-Antrieb nicht ausgeschaltet wird, während der Traktor auf einer
Neigung mit einem bestimmten Grad bleibt, würde es, sofern keine weiteren
Maßnahmen
getroffen werden, möglich sein,
dass der Vierrad-Antrieb selbst dann eingeschaltet bleibt, wenn
die Lenkung auf einen Endanschlag gebracht wird. Weil es wünschenswert
ist, den Vierrad-Antrieb auszuschalten, wenn ein Lenkungs-Endanschlag erreicht
wird, selbst wenn der Traktor sich auf einer steilen Neigung befindet,
wird es bevorzugt, einen Lenkungssensor vorzusehen, um den Neigungssensor
zu übersteuern
und ein Ausschalten des Vierrad-Antriebs selbst dann zu ermöglichen,
wenn sich der Traktor auf einem steilen Abhang befindet, solange
der Lenkungs-Endanschlag festgestellt wird. Sobald der Lenkungs-Endanschlag nicht
mehr festgestellt wird, wird der Vierrad-Antrieb wiederum bis zu
der Zeit eingeschaltet, zu der der Neigungssensor feststellt, dass
sich der Traktor nicht mehr auf einem steilen Abhang befindet.
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Die
Betriebsweise eines Getriebes, wie es vorstehend beschrieben wurde,
wird besser unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm nach 6 verständlich.
Beginnend mit dem Block 100 wird angenommen, dass das Fahrzeug
mit eingeschaltetem Hinterrad-Antrieb und ausgeschaltetem Antrieb
an die Vorderräder
gefahren wird. Das Rutschen S wird in dem Block 100 aus
den Frequenzen der Signale VAP und VAA berechnet, die die Drehgeschwindigkeiten
des Zahnrades 13 (die der Geschwindigkeit der Hinterräder entsprechen)
bzw. der Schiebehülse 24 (entsprechend
der Geschwindigkeit der Vorderräder)
darstellen.
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In
dem Block 102 wird festgestellt, ob der Wert S des Rutschens
2% übersteigt.
Wenn dies der Fall ist, so wird das Fahrzeug unter Bedingungen gefahren,
bei denen ein Rutschen der Hinterräder auftritt, was normalerweise
im Gelände
der Fall ist, worauf im Block 104 der Vierrad-Antrieb eingeschaltet wird.
Die Routine bleibt im Block 104, bis festgestellt wird,
dass S unter 0,2% abgesunken ist, was bedeutet, dass eine vollständige Verriegelung
der Kupplung 100 angenommen werden kann. Wenn alle Räder angetrieben
werden, wird der Phasenwinkel P-A (siehe 3)
in dem Block 106 ausgewertet, und im Block 108 wird
festgestellt, ob der Wert von P-A kleiner als 45° oder größer als 45° ist. Wenn P-A kleiner als 45° ist, so
rutschen die Hinterräder
immer noch, und im Block 112 wird das Einschalten des Vierrad-Antriebes
aufrecht erhalten. Wenn andererseits festgestellt wird, dass P-A
45° übersteigt,
so wurde die Griffigkeit für
die Hinterräder
wiederhergestellt, und im Block 110 wird der Antrieb an
die Vorderräder ausgeschaltet,
und das System kehrt zu dem Ausgangszustand in dem Block 100 zurück.
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Die
soweit unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm nach 6 beschriebenen
Blöcke sind
auch in dem Ablaufdiagramm nach 7 vorhanden,
obwohl sie in 7 fortgelassen wurden, um eine
unnötige
Wiederholung zu vermeiden.
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Wenn
im Block 102 festgestellt wird, dass S kleiner als 2% ist,
so wird im Block 114 festgestellt, ob S auch kleiner als –14% ist.
Solange wie S zwischen 2% und –14%
liegt, werden keine Maßnahmen
getroffen und das Fahrzeug wird im Block 116 im Hinterrad-Antrieb
gehalten. Wenn jedoch im Block 114 festgestellt wird, dass
S kleiner als –14%
ist, so ist es wahrscheinlich, dass die Hinterräder versuchen, das Fahrzeug
zu bremsen, während
es einen steilen Abhang herunterrutscht. Im Block 118 wird
dann festgestellt, ob ein Neigungssensor betätigt wurde, um anzuzeigen,
dass sich das Fahrzeug auf einer Neigung mit einem vorgegebenen
Winkel befindet. Wenn die Antwort positiv ist, dann wird, solange
festgestellt wird, dass sich das Fahrzeug auf dieser Neigung befindet,
der Vierrad-Antrieb im Block 120 eingeschaltet, so dass
die Vorderräder
das Bremsen des Fahrzeuges unterstützen können. Sobald festgestellt wird,
dass sich das Fahrzeug nicht mehr auf einem steilen Abhang befindet,
so wird der Vierrad-Antrieb im Block 122 ausgeschaltet,
und das System kehrt zu seinem Ausgangszustand zurück.
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In 6 besteht
die einzige Möglichkeit
zur Rückkehr
auf den Hinterrad-Antrieb nach der Feststellung eines Rutschens
von S von weniger als –14%
darin, dass der Neigungssensor aufhört, eingeschaltet zu sein.
Daher wird der Vierrad-Antrieb selbst dann beibehalten, wenn ein
Lenkungs-Endausschlag hervorgerufen wird, und dies ist unerwünscht. Dieses
Problem wird dadurch vermieden, dass ein Lenkungs-Endausschlag-Sensor
vorgesehen wird und die Steuerlogik in der Weise modifziert wird,
wie sie nunmehr unter Bezugnahme auf 7 beschrieben
wird. In dieser Figur sind Blöcke,
die die gleiche Funktion wie Blöcke
in 6 erfüllen,
mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, um eine Wiederholung
der Beschreibung zu vermeiden.
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In 7 wird,
wenn im Block 118 der Neigungssensor eingeschaltet ist,
der Vierrad-Antrieb nicht unmittelbar eingeschaltet, sondern es
wird zunächst
im Block 124 festgestellt, ob der Lenkungssensor ebenfalls
eingeschaltet ist. Wenn kein Lenkungs-Endausschlag vorliegt, so
wird der Vierrad-Antrieb im Block 120 eingeschaltet, doch
wird, wenn zu irgendeiner Zeit ein Lenkungs-Endausschlag. festgestellt
wird, der Vierrad-Antrieb im Block 126 ausgeschaltet. Die
Ablauflogik kehrt jedoch in diesem Fall nicht zu dem Block 100 zurück, wie
dies der Fall ist, wenn der Neigungssensor feststellt, dass sich
das Fahrzeug nicht mehr auf einem steilen Abhang befindet, sondern
kehrt zu dem Block 118 zurück. Die Wirkung hiervon besteht
darin, dass sobald festgestellt wird, dass sich das Fahrzeug auf
einem Hang befindet, der Vierrad-Antrieb bei dem Auftreten und dem Aufhören eines
Lenkungs-Endausschlages ausgeschaltet bzw. eingeschaltet wird, ohne
dass auf den Wert des Radrutschens S Bezug genommen wird. Das System
kehrt nicht mehr auf die Auswahl einer Antriebsbetriebsart in Abhängigkeit
von dem gemessenen Radrutschen zurück, bevor nicht der Neigungssensor
feststellt, dass sich das Fahrzeug nicht mehr auf einem steilen
Abhang befindet.
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Es
ist verständlich,
dass die vorstehende Beschreibung lediglich als Beispiel gegeben
wurde, und dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfanges
der Erfindung ausgeführt
werden können,
wie er in dem beigefügten
Anspruch angegeben ist. Insbesondere ist es nicht wichtig, dass
der Totgang, der zur Feststellung der Richtung der Drehmomentübertragung
erforderlich ist, durch ein freies Spiel zwischen den Zähnen der
Kupplung erzielt wird. Wenn beispielsweise ein elastisches Drehmomentübertragungs-Element
wie z.B. ein Torsionsrohr oder eine Torsionsfeder an irgendeiner
geeigneten Stelle in dem Übertragungspfad
zu den Vorderrädern verwendet
wird, so liefert die relative Drehung der Enden dieses Elementes
eine Anzeige der Richtung der Drehmomentübertragung zu oder von den
Vorderrädern.
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Weiterhin
ist, obwohl es bevorzugt wird, digitale Techniken zur Messungen
der relativen Frequenz und der relativen Phase der Signale von den den
Vorderrädern
und Hinterrädern
zugeordneten Sensoren zu verwenden, dies nicht wesentlich, und die
Steuerschaltung 54 kann statt dessen Analogtechniken verwenden.
