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Die
Erfindung betrifft eine Tandemachse mit zwei antreibbaren Achsen,
wobei jede Achse ein Ausgleichsgetriebe mit einem über eine
Welle antreibbaren Antriebszahnrad als Ausgleichsgetriebeeingang
und zwei die Räder
dieser Achse antreibende Antriebshalbwellen umfasst.
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Aus
der
DE 39 12 172 A1 ist
ein Fahrzeugvierradantrieb bekannt, dessen Antriebssystem einen
Antriebsmotor, ein Schaltgetriebe, zwei von diesem direkt angetriebene
Vorderräder
und zwei zuschaltbare Hinterräder
aufweist. Zwischen den Hinterrädern
und dem Schaltgetriebe ist ein Antriebsstrang aus einer Kardanwelle,
einem Differential und zwei Antriebshalbwellen angeordnet. Die Hinterräder werden
jeweils über
einen Freilauf angetrieben, sofern bei zugeschalteter Kardanwelle
die zwischen dem jeweiligen Freilauf und der antreibenden Antriebshalbwellen
angeordnete Kupplung geschlossen ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine
mit zwei antreibbaren Achsen ausgestattete Tandemachse zu entwickeln, die
einen Beitrag leistet, um zum einen den fahr zeugseitigen Kraftstoffbedarf
zu verringern und zum anderen den achsseitigen Reifenverschleiß zu reduzieren.
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Diese
Problemstellung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei
sind die Räder
der jeweiligen Achse mit den entsprechenden Antriebszahnrädern dauernd
zwangsgekoppelt. Das Antriebszahnrad der ersten Achse hat eine Antriebswelle,
auf der ein zuschaltbares Verteilerrad sitzt. Das Verteilerrad kämmt mit
einem auf einer Durchgangswelle drehsteif angeordneten Durchgangswellenrad. Der
Ausgang der Durchgangswelle ist mit dem eingangsseitigen Antriebszahnrad
der zweiten Achse über
Zwischenglieder gekoppelt.
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Bei
konventionellen Tandemachsen wird das gesamte vom Antrieb zur Verfügung gestellte
Drehmoment über
zwei Achsen auf die Fahrbahn übertragen,
unabhängig
davon, ob das Drehmoment benötigt
wird oder nicht. Oft braucht man das gesamte Drehmoment nur beim
Anfahren oder bei Bergfahrten. Außerhalb der letztgenannten
Betriebszustände genügt es in
der Regel, ein geringeres Drehmoment beispielsweise nur über die
erste der beiden Achsen zu leiten. Um für diese Situationen das gesamte Drehmoment
bereit zu stellen, kann eine z.B. automatisch schaltbare Kupplung
die Trennung und Wiederherstellung des Kraftflusses zwischen der
ersten und der zweiten Achse steuern oder regeln.
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Durch
das bedarfsweise Abschalten einer kompletten Achse wird eine messbare
Verbrauchskosteneinsparung erzielt. Durch das Schleppen der zweiten
Achse wird der Kraftstoffverbrauch und der Reifenverschleiß sowie
der mechanische Verschleiß aller
am Vortrieb dieser Achse beteiligten Zahnräder und Gelenke reduziert.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform:
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1:
Antriebsstrang einer Tandemachse, beide Achsen sind angetrieben;
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2:
Ausschnitt aus 1, die zweite Achse ist vom
Antriebsstrang abgekuppelt;
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3:
mehrfach versetzter Querschnitt durch den Achskörper in der Höhe des Differentials;
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4:
Ausschnitt aus 3 mit Varianten.
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Die 1 zeigt
den hinteren Teil des Antriebsstranges einer Tandemachse einer Sattelschlepperzugmaschine
in Symboldarstellung von oben. Die Tandemachse hat eine erste, vordere
Achse (10) und eine zweite, hintere Achse (110).
Beide Achsen (10, 110) sind hier nur beispielhaft
als Starrachsen dargestellt.
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Der
Achsantrieb (101) der einzelnen Achse (10, 110)
ist jeweils in einem Achskörper
(11, 111) gelagert. Im mittleren Bereich des Achskörpers (11, 111)
ist dazu ein Differentialgehäuse
(12, 112) angeordnet. Das einzelne Differential gehäuse (12, 112) hat
als Getriebeeingang ein Antriebskegelrad (13), dessen Mittellinie
(15) zumindest annähernd
parallel zur Fahrtrichtung (9) verläuft. Letzteres kämmt mit
einem Tellerrad (102), das an einem Ausgleichsgehäuse (103)
angeordnet ist und dessen Mittellinie die Raddrehachse (3)
ist. Im Ausgleichsgehäuse
(103) sind mehrere Ausgleichskegelräder (105) gelagert. Ihre
Mittellinien liegen in einer Ebene, die normal zur Raddrehachse
(3) orientiert ist. Die Mittellinien der Ausgleichskegelräder (105)
schneiden sich auf der Raddrehachse (3). Die Ausgleichskegelräder (105) stehen
mit den – im
Achskörper
(11, 111) gelagerten – an den Antriebshalbwellen
(106) drehfest befestigten Achswellenrädern (104) im Eingriff.
Die Antriebshalbwellen (106) treiben die Räder (1,2)
an.
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Die
Antriebskegelräder
(13, 113) der einzelnen Achsen (10, 110)
werden über
Wellengelenke (17, 117) von Gelenkwellen (16, 116)
angetrieben.
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Nach 1 ist
das Differentialgehäuse
(12) der vorderen Achse (10) vergrößert ausgebildet.
In diesem Gehäuse
(12) wird eine zuschaltbare Durchtriebswelle (90)
zusätzlich
gelagert. Dazu ist die im Gehäuse
(12) in zwei Lagerstellen (31, 32) gelagerte Antriebswelle
(14) des Antriebskegelrades (13) verlängert ausgeführt. Zwischen
den beiden Lagerstellen (31) und (32) sitzt auf
der Antriebswelle (14) eine mechanische Kupplung (40)
und ein Verteilerrad (70).
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Das
Verteilerrad (70) ist z.B. ein schrägverzahntes Stirnrad, das dauernd
mit einem auf der Durchtriebswelle (90) starr angeordneten
Durchtriebswellenrad (95) kämmt. Links neben dem Verteilerrad
(70) befindet sich die fremdgeschaltete, form schlüssige Kupplung
(40), vgl. 1 und 2. Die Kupplung
(40) besteht aus einer, über eine Schaltgabel (47)
längsverschieblich
antreibbaren, Schaltmuffe (43). Die Schaltmuffe (43)
sitzt über
eine formschlüssige
Wellen-Naben-Verbindung (44) zwischen den beiden Lagerstellen
(31) und (32). Die Wellen-Naben-Verbindung (44)
ist beispielsweise eine Feder-, eine Keilwellen- oder eine Zahnwellenverbindung.
Die Schaltmuffe (43) greift – im gekuppelten Zustand, vgl. 1, – mit einer
Innenverzahnung (45) in eine seitliche am Verteilerrad
(70) angeordnete Außenverzahnung
(71) ein. Links neben der Innenverzahnung (45)
hat die Schaltmuffe (43) eine Schaltnut (46),
in die eine von einem Stellglied (48) angetriebene Schaltgabel
(47) eingreift, vgl. auch 2.
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Die
Schaltmuffe (43) ist nach den 1 und 2 nur
bei Stillstand oder bei Synchronlauf der Kupplungsteile Schaltmuffe
(43)/Verteilerrad (70) schaltbar. Um bei fahrendem
Nutzfahrzeug einen Synchronlauf zu erzwingen, kann zwischen die Schaltmuffe
(43) und das Verteilerrad (70) eine Synchronisiereinrichtung
z.B. mit Sperrverzahnung nach dem System Borg-Warner oder Porsche geschaltet werden.
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Das
Stellglied (48) kann beispielsweise ein elektromechanischer,
elektromagnetischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb sein.
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Die
Durchtriebswelle (90) ist im Differentialgehäuse (12)
z.B. in zwei Lagerstellen (96) und (97, 98)
wälzgelagert
angeordnet. Das Wellenende (93) ragt im Bereich der hinteren
Stirnseite des Differentialgehäuses
(12) ins Freie. Das Wellenende (93) bzw. der Ausgang
der Durchtriebswelle (90) und das vordere Wellenende der
Antriebswelle (114) der zweiten Achse (110) sind über Zwischenglieder
miteinander verbunden. Diese Zwischenglieder sind eine Gelenkwelle
(116) und zwei Kardangelenke (18, 117).
Die Gelenkwelle (116) befindet sich zusammen mit den Kreuzgelenken
(18, 117) in der Z-Anordnung.
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In 1 ist
der gesamte drehmomentbelastete Antriebsstrang mit vergrößerter Strichstärke dargestellt.
Danach sind hier die Räder
(1, 2) beider Achsen (10, 110)
angetrieben.
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2 zeigt
von der Tandemachse nur das Differentialgehäuse (12) der vorderen,
bzw. ersten Achse (10). Hier greift die Schaltmuffe (43)
nicht in das Verteilerrad (70) ein. Folglich überträgt die Antriebswelle
(14) kein Drehmoment auf das Verteilerrad (70).
Somit wird die – in
verringerter Strichstärke dargestellte – Durchtriebswelle
(90) und die zweite Achse (110) nicht angetrieben.
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Alle
Lagerstellen für
die in den Achsantrieben verwendeten Wellen und Zahnräder sind
nur aus Vereinfachungsgründen
symbolisch als Gleitlager dargestellt. Selbstverständlich sind
die meisten Lagerstellen in den regulären Ausführungen als Wälzlager
ausgebildet.
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3 zeigt
einen mehrfach versetzten Längsschnitt
durch das Differentialgehäuse
(12) des Achskörpers
der vorderen Achse (10). Das Differentialgehäuse (12)
besteht im Ausführungsbeispiel
aus einem vorderen Gehäuseteil
(21), einem Kessel (22) und einem Kesseldeckel
(23). Das z.B. gegossene Ge häuseteil (21) ist an
dem geschweißten
Kessel (22) angeschraubt. Nach hinten ist der Kessel (22) über den
angeschweißten
Kesseldeckel (23) verschlossen. Der Schmierölstand (39)
liegt knapp oberhalb der Mittellinie (15) der Antriebswelle
(14).
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Die
Antriebswelle (14) mit dem angeformten Antriebskegelrad
(13) sitzt über
die Kegelrollenlager (31, 32) im vorderen Gehäuseteil
(21). Das vordere Kegelrollenlager (31) ist dazu
in einem Flanschdeckel (24) angeordnet. Das Antriebskegelrad
(13) kämmt
mit dem Tellerrad (102). Letzteres trägt das Ausgleichsgehäuse (103).
Oberhalb des Ausgleichsgehäuses
(103) verläuft
die Durchtriebswelle (90) z.B. parallel zur Antriebswelle
(14). Die Durchtriebswelle (90) ist mit ihrem
vorderen Ende in einem Einschraubdeckel (25) gelagert.
Der Einschraubdeckel (25) sitzt zum Beispiel über ein
Feingewinde (26) im vorderen Gehäuseteil (21). Er trägt ein Kegelrollenlager
(96), in dessen Innenring das vordere Ende der Durchtriebswelle
(90) eingesteckt ist.
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Das
hintere Wellenende (93) der Durchtriebswelle (90)
sitzt über
zwei – das
Festlager bildende – in
X-Anordnung ausgerichtete Kegelrollenlager (97, 98)
in einer Lagerbuchse (28). Letztere ist in den Kesseldeckel
(23) eingeschweißt.
Auf diesem Wellenende (93) ist ein Flansch (94)
zur Aufnahme eines Wellengelenkes (18) befestigt. Die Durchtriebswelle (90)
kann als Hohlwelle ausgeführt
sein.
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Das
Durchtriebswellenrad (95) ist auf dem vorderen Wellenende
zwischen einem Wellenbund (91) und dem vorderen Kegelrollenlager
(96) angeordnet. Es ist dort über eine Keilwellenverbin dung (92)
drehfest auf der Durchtriebswelle (90) fixiert. Alternativ
kann das Durchtriebswellenrad (95) auch an der Durchtriebswelle
(90) angeformt sein.
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Das
Durchtriebswellenrad (95) kämmt mit dem auf der Antriebswelle
(90) gelagerten Verteilerrad (70), vgl. 4.
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Zwischen
den Kegelrollenlagern (31, 32) der Antriebswelle
(14) sind das Verteilerrad (70) mit seinem kombinierten
Nadel/Kugellager (72), eine reibschlüssige Schaltkupplung (40)
und eine Ölpumpe (80)
angeordnet. Dazu sitzen verspannt zwischen den Innenringen der Lager
(31, 32) eine Kupplungsnabe (41), der
Innenring (73) des Wälzlagers
(72) und eine Einstellscheibe (33). Letztere dient
der Einstellung des Lagerspiels der Kegelrollenlager (31, 32)
in Kombination mit einer zusätzlich
den Antriebsflansch (34) fixierenden Wellenmutter (35).
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Auf
dem Innenring (73) ist das Verteilerrad (70) direkt
gelagert. Links neben dem Verteilerrad (70) befindet sich
die tauchgeschmierte Lamellenkupplung (40), die bei Last
ein- und ausgerückt
werden kann. Der Außenring
(51) dieser Kupplung (40) ist mit dem Verteilerrad
(70) verschraubt. Er lagert die Außenlamellen (52) drehfest,
aber axial beweglich. Zwischen den Außenlamellen (52) liegen
die beispielsweise sinusförmig
gewellten Innenlamellen (54). Letztere sind drehfest und
axial beweglich auf der Kupplungsnabe (41) gelagert. Am
Außenring
(51) ist ein Ringzylinder (61) befestigt. Der
Ringzylinder (61) führt
einen hydraulisch betätigbaren
Ringkolben (62). Er hat beispielsweise eine Vielzahl von
radialen Bohrungen (64), die den Zylinderraum (63)
mit der Bohrung (66) der Kupplungsnabe (41) hydraulisch verbinden.
Der Ringkol ben (62) wirkt über Druckplatten (55)
auf das Lamellenpaket (52, 54).
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Die
schlupffähige
Lamellenkupplung (40) ersetzt bei dem gezeigten Tandemachsenantriebsstrang
ein Ausgleichsgetriebe zwischen der ersten und der zweiten Achse.
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Zwischen
der Kupplung (40) und dem Kegelrollenlager (31)
ist die Ölpumpe
(80) angeordnet. Die Pumpe ist beispielsweise eine Sichelzellenpumpe (80),
deren Innenrad (81) drehfest auf der rotierenden Kupplungsnabe
(41) sitzt. Das Innenrad (81) treibt das als Hohlrad
ausgeführte
Außenrad
(82) an. Letzteres ist im Flanschdeckel (24),
der hier auch als Pumpengehäuse
benutzt wird, gelagert. Das von der Pumpe (80) über die
Saugbohrung (83) angesaugte Öl wird über eine Bohrung (84)
in einen Ringkanal (85) gefördert. Die Bohrung (84)
und der Ringkanal (85) befinden sich im Deckel (88)
der Pumpe (80). Der Ringkanal (85) ist mit der
Nabenbohrung (42) über
mindestens eine Radialbohrung (86) verbunden. Über die
Montagefuge der dortigen Wellen-Naben-Verbindung (44),
oder über
zusätzliche
Längskanäle, gelangt
das druckbeaufschlagte Öl über weitere Radialbohrungen
(66) in den Ringkanal (65). Über diesen Ringkanal (65)
strömt
das Öl
in den Zylinderraum (63). Die nicht benötigte Ölmenge fließt z.B. über ein Ventil in den Sumpf
zurück.
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Soll
die zweite Achse vom Kraftfluss des Antriebsstrangs getrennt werden,
wird die Druckseite der Pumpe (80) über ein dann zu betätigendes
Ventil in den Ölsumpf
entlastet.
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Der
Zylinderraum (63) kann zusätzlich auch über eine
separate – hier
nicht dargestellte – Hydraulikleitung
mit Drucköl
aus einer anderen Quelle gespeist werden. Dies würde ein sofortiges Schalten der
Kupplung ermöglichen,
noch bevor der Antriebsstrang in Bewegung versetzt wird.
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Eine
alternative Variante sieht vor, die Kupplung unter der Last einer
mechanischen oder pneumatischen Feder oder einem entsprechenden
Federsystem geschlossen zu halten. Eine hydraulische Ringzylinder-Kolben-Einheit,
vergleichbar mit der aus 4, würde dann zum Lösen der
Kupplung (40) benutzt werden. In diesem Fall stehen beim
Anfahren des Nutzfahrzeuges zunächst
immer beide Achsen (10, 110) zur Verfügung.
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Das
Zuschalten der zweiten Achse (110) kann zum einen vom Fahrer
durch das Betätigen
eines Bedienelements direkt ausgelöst werden. Zum anderen ist
jedoch auch möglich,
das Zuschalten der Achse (110) automatisch zu regeln. Dazu
werden einer Steuerung z.B. fahrdynamische und fahrbahnseitige Informationen
wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeugbeschleunigung, Motordrehzahl,
Gaspedalstellung, Fahrbahnsteigung und Beladungszustand zugeführt. Eine
Auswertung dieser Informationen steuert dann das Betätigen der
Kupplung. Lassen sich aus diesen Informationen beispielsweise ein
Anfahren, eine Bergfahrt oder das Einleiten einer positiven Beschleunigung
ermitteln, so wird, sofern der Beladungszustand des Fahrzeugs diese
erfordert, die zweite Achse (110) zugeschaltet.
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- 1
- Räder der
ersten Achse
- 2
- Räder der
zweiten Achse
- 3
- Raddrehachse,
Achsmittellinie
- 9
- Fahrtrichtung
- 10
- erste
Achse, vorn
- 11
- Achskörper
- 12
- Differentialgehäuse, Gehäuse
- 13
- Antriebskegelrad,
Antriebszahnrad
- 14
- Antriebswelle
- 15
- Mittellinie
- 16
- Gelenkwelle,
Zwischenglied
- 17
- Wellengelenk,
vorn; Kardangelenk
- 18
- Wellengelenk,
hinten, Zwischenglied, Kreuzgelenk
- 21
- Gehäuseteil,
vorn
- 22
- Kessel
- 23
- Kesseldeckel
- 24
- Flanschdeckel
- 25
- Einschraubdeckel
- 26
- Feingewinde
- 27
- Aufdrehsicherung
- 28
- Lagerbuchse
- 31,
32
- Lagerstellen,
Kegelrollenlager
- 33
- Einstellscheibe
- 34
- Antriebsflansch
- 35
- Wellenmutter
- 39
- Schmierölstand
- 40
- Kupplung,
Synchronisiereinrichtung
- 41
- Kupplungsnabe
- 42
- Nabenbohrung
- 43
- Schaltmuffe
- 44
- Wellen-Naben-Verbindung
- 45
- Schaltmuffenverzahnung,
Innenverzahnung
- 46
- Schaltnut
- 47
- Schaltgabel
- 48
- Stellglied
- 51
- Außenring
- 52
- Außenlamellen,
Teile des Lamellenpakets
- 54
- Innenlamellen,
Teile des Lamellenpakets
- 55
- Druckplatten
- 61
- Ringzylinder
- 62
- Ringkolben
- 63
- Zylinderraum
- 64
- Bohrungen,
radial
- 65
- Ringkanal
- 66
- Radialbohrung
- 70
- Verteilerrad
- 71
- Schaltverzahnung,
Außenverzahnung
- 72
- Wälzlager,
kombiniertes Nadel/Kugellager
- 73
- Innenring
- 80
- Ölpumpe,
Sichelzellenpumpe
- 81
- Innenrad
- 82
- Außenrad
- 83
- Saugbohrung
- 84
- Bohrung,
radial
- 85
- Ringkanal
- 86
- Radialbohrung
- 88
- Deckel
- 90
- Durchtriebswelle
- 91
- Wellenbund,
vorn
- 92
- Keilwellenverbindung
- 93
- Wellenende,
Ausgang
- 94
- Flansch
- 95
- Durchtriebswellenrad
- 96,
97, 98
- Lagerstellen,
Kegelrollenlager
- 101
- Ausgleichsgetriebe,
Achsantrieb, Differential
- 102
- Tellerrad
- 103
- Ausgleichsgehäuse, Käfig
- 104
- Achswellenräder
- 105
- Ausgleichskegelräder
- 106
- Antriebshalbwellen
- 110
- zweite
Achse, hinten
- 111
- Achskörper
- 112
- Differentialgehäuse
- 113
- Antriebskegelrad,
Antriebszahnrad
- 114
- Antriebswellen
- 116
- Gelenkwelle
- 117
- Wellengelenk,
vorn, Zwischenglied, Kreuzgelenk