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Die Erfindung betrifft einen Radkopf einer Fahrzeugachse, mit einer an einem drehfesten Achsende der Fahrzeugachse drehbar gelagerten und mit einem Nabenflansch zur Befestigung der Radfelge versehenen Radnabe, und mit einem Generator, dessen Stator drehfest gegenüber dem Achsende, und dessen Rotor drehfest gegenüber der Radnabe ist.
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Energieeffizienz wird nicht nur beim Pkw, sondern auch bei Nutzfahrzeugen immer wichtiger. Ein mehr und mehr verfolgter Ansatz ist, beim Bremsen die Energie zurückzugewinnen und den im Fahrzeug vorhandenen elektrischen Verbrauchern zugänglich zu machen.
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Besonders hohe Bremsleistungen treten in Nutzfahrzeuganhängern auf, wie sie gemeinhin als „Trailer” bezeichnet werden. Die Scheiben- oder Trommelbremsen derartiger Fahrzeuge sind für Drehmomente von 20 kNm pro Radbremse ausgelegt. Im normalen Bremsbetrieb werden die Bremsen allerdings nur mit ca. 2000 Nm belastet. Es ist heute technisch möglich, derartige Bremsmomente auch über Generatoren abzufangen. Diese wären allerdings von beträchtlicher Baugröße und Bauvolumen und würden zudem ein eigenes Kühlsystem bedingen, etwa in Form einer zusätzlichen Wasserkühlung, was derartige Systeme als Hauptbremse unwirtschaftlich macht.
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Einen schweren Nutzfahrzeuganhänger allein über Generatoren abzubremsen, ist auch aus anderen, nichttechnischen Gründen problematisch. Die rechtliche Situation in den meisten europäischen Staaten verlangt, dass die Bremsanlage der Fahrzeuganhänger vom Zugfahrzeug aus gesteuert wird. Eigenständige Eingriffe in die Bremsanlage des Nutzfahrzeuganhängers sind daher nicht zulässig.
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Von daher können auch kleinere Lösungen interessant werden, bei denen durch Einsatz von Generatoren in dem Anhängerfahrzeug zwar dessen eigener Energiebedarf abgedeckt wird, jedoch die Hauptleistung des Bremsvorgangs konventionell über die vorhandenen Scheiben-oder Trommelbremsen erfolgt. Denn auch Nutzfahrzeuganhänger haben einen eigenen Bedarf an elektrischer Energie, etwa für die Lichtanlage, für eine elektronische Bremssteuerungsanlage oder für den elektrischen Antrieb des Kompressors, welcher die Druckluftsysteme des Nutzfahrzeuganhängers (Druckluftbremse, Luftfederung) mit dem erforderlichen Druck versorgt. Ein weiterer Verbraucher elektrischer Energie im Anhängerfahrzeug selbst ist zum Beispiel eine Telematikeinheit, welche relevante Fahr- und Betriebsdaten des Fahrzeuganhängers drahtlos übermittelt. Ein weiterer, größerer elektrischer Verbraucher kann ein an Bord befindliches Kühlmodul sein, etwa wenn es sich bei dem Anhängerfahrzeug um ein Kühlfahrzeug oder ein Fahrzeug mit Kühlzellen handelt.
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Die Erfindung geht daher von dem Gedanken aus, bei einem mit konventionellen Radbremsen versehenen Nutzfahrzeug für eine elektrische Versorgung fahrzeugeigener Verbraucher eine den Praxisbedingungen gerecht werdende technische Lösung bereitzustellen.
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Zu diesem Zweck wird bei einem Radkopf einer Fahrzeugachse mit den eingangs angegebenen Merkmalen vorgeschlagen, dass die Radnabe auf dem Umfang des als ein zapfenförmiger Achsschenkel ausgebildeten Achsendes gelagert ist, und dass der Nabenflansch der Radnabe fahrzeuginnen hinter dem Stator angeordnet ist.
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Eine solche Anordnung eines elektrische Energie bereitstellenden Generators eignet sich in besonderer Weise für Nutzfahrzeugachsen und insbesondere Achsen von Nutzfahrzeuganhängern. Denn dieser Fahrzeugtyp verwendet häufig eine Bauart des Radkopfes, bei der die sich drehende Radnabe ein Ring ist, der auf einem als ein zapfenförmiger Achsschenkel ausgebildeten Achsende gelagert ist. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass der Nabenflansch der Radnabe fahrzeuginnen hinter dem Stator des elektrischen Generators angeordnet ist. Dies ermöglicht eine kompakte und zudem wartungsfreundliche Anordnung des Generators innerhalb des Radkopfes der Fahrzeugachse.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Radkopfs ist der Rotor des elektrischen Generators zwischen der Radfelge und dem Nabenflansch der Radnabe eingebunden. Insbesondere kann diese Festlegung des Rotors mit denselben Befestigungselementen erfolgen, welche auch die Radfelge an dem Nabenflansch festlegen. Diese Befestigungselemente können zum Beispiel die ohnehin zur Befestigung der Radfelge und gegebenenfalls auch der Bremsscheibe oder der Bremstrommel verwendeten Radbolzen sein, wobei die Radbolzen gegebenenfalls von entsprechend größerer Länge sind.
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Mit einer weiteren Ausgestaltung wird ein erstes Befestigungsmittel vorgeschlagen, welches die Lagerung der Radnabe an dem Achsschenkel axial fixiert, und ein zu dem ersten Befestigungsmittel unterschiedliches zweites Befestigungsmittel, welches den Stator an dem Achsschenkel fixiert.
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Zum Schutz der Radlagerung gegen ein Eintreten von Staub und Schmutz, Feuchtigkeit etc. kann es von Vorteil sein, wenn der Stator mir seiner Innenseite die Lagerung der Radnabe nach fahrzeugaußen hin abdeckt. Zusätzlich kann der Stator mit seiner Innenseite auch den Achsschenkel nach fahrzeugaußen hin abdecken. In diesem Fall bildet der Stator insgesamt eine geschlossene Abdeckung für die innerhalb der Radfelge befindlichen Teile des Radkopfs.
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Ebenfalls für einen verbesserten Schutz der Radnabe und deren Lagerung auf dem Achsschenkel wird ein Schleifdichtring vorgeschlagen, der den Stator gegen die Radnabe und/oder gegen den Nabenflansch abdichtet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung befinden sich die elektrischen Wicklungen des Generators ausschließlich im Stator, und ihre elektrischen Leitungen verlaufen durch einen auf der Längsachse des Achsschenkels angeordneten Kanal hindurch zur Fahrzeugmitte, und von dort zu einem Spannungswandler.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die axiale Fixierung der Lagerung der Radnabe auf dem Achsschenkel durch eine Schraube, die mit ihrem Außengewinde in ein auf der Längsachse des Achsschenkel angeordnetes Innengewinde eingreift, wobei die Schraube mit einem Längskanal versehen ist, durch den hindurch die vom Stator kommenden elektrischen Leitungen verlaufen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Darin zeigen:
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1 einen Halbschnitt durch den Radkopf und einen darin integrierten Generator einer Fahrzeugachse, nämlich einer nicht angetriebenen Nutzfahrzeugachse;
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2 eine stark schematische Darstellung eines dreiachsigen Anhängerfahrzeuges mit den Komponenten und Einrichtungen zur Verarbeitung der in den Generatoren erzeugten elektrischen Energie und
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3 einen Halbschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radkopfs.
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Die 2 zeigt eine stark schematische Draufsicht auf ein Anhängerfahrzeug und insbesondere auf einen sogenannten Auflieger mit drei nicht angetriebenen Fahrzeugachsen. Die Fahrzeugachsen sind vorzugsweise luftgefederte Starrachsen, und sie weisen an ihren beiden Enden jeweils Radköpfe 1, 1A mit jeweils einer Scheibenbremse oder Trommelbremse auf.
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Beim Ausführungsbeispiel ist die mittlere Achse mit Radköpfen 1 versehen, in die jeweils elektrische Generatoren integriert sind. Hingegen sind die vordere Fahrzeugachse und die hintere Fahrzeugachse mit konventionellen Radköpfen 1A versehen, in denen also solche Generatoren fehlen. Aber selbstverständlich können auch die vordere und/oder die hintere Fahrzeugachse mit entsprechenden Einrichtungen versehen sein.
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Die 1 zeigt in einer ersten Ausführungsform den durch die Elemente eines elektrischen Generators ergänzten Radkopf 1. Der Achskörper der Fahrzeugachse ist an jedem seiner zwei Achsenden als ein zapfenförmig auslaufender Achsschenkel 3 gestaltet. Auf dessen Umfang ist über eine entsprechende Radlagerung eine Radnabe 4 in Gestalt eines Rings frei drehbar gelagert. In der zentralen Durchgangsöffnung des Grundkörpers 5 der Radnabe 4 ist als Radlagerung eine Wälzlagerung angeordnet. Diese setzt sich hier aus einem mehr fahrzeuginnen angeordneten ersten Wälzlager 6A und einem weiter fahrzeugaußen angeordneten zweiten Wälzlager 6B zusammen, wobei direkt an der Radnabe 4 Laufflächen für die Kegelwalzen der Radlager ausgebildet sein können.
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Zur axialen Sicherung der Radnabe 4 auf dem Achsschenkel 3 dient eine Achsmutter 7, die sich unmittelbar oder mittelbar gegen den Innenring des äußeren Wälzlagers 6B abstützt. Die Achsmutter 7 weist ein Innengewinde auf, mit dem sie auf ein entsprechendes Außengewinde 9 am äußersten Ende des Achsschenkels 3 aufgeschraubt ist.
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Zu der Radnabe 4 gehört ein Nabenflansch 10 von deutlich größerem Durchmesser als der Grundkörper 5. Der Nabenflansch 10 kann einstückiger Bestandteil der Radnabe 4 sein oder, wie es 1 wiedergibt, ein separates Bauteil, welches über entsprechende Verschraubungen 10A mit dem Grundkörper 5 der Radnabe 4 verbunden ist.
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An dem Nabenflansch 10 ausgebildet ist eine erste Befestigungsfläche 11 und eine zweite Befestigungsfläche 12. Über die Befestigungsflächen 11, 12 oder einzelne dieser Befestigungsflächen lassen sich am Nabenflansch eine Bremsscheibe 15 einer Scheibenbremse und die Radfelge 16 des Fahrzeugrades so anschließen, dass die Bremsscheibe 15 und die Radfelge 16 drehfest mit dem Nabenflansch 10 verbunden sind.
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Beim Ausführungsbeispiel ist die Bremsscheibe 15 der Scheibenbremse unmittelbar an der nach fahrzeuginnen weisenden Befestigungsfläche 11, und die Radfelge 16 mittelbar an der nach außen weisenden Befestigungsfläche 12 festgelegt. Die Festlegung erfolgt über mehrere, gleichmäßig über den Umfang des Radkopfes angeordnete Bolzen 17, wobei jeder Bolzen 17 in einer einzigen Aufspannung den Nabenflansch 10, einen Befestigungsflansch 15A der Bremsscheibe 15, einen Befestigungsflansch 16A der Radfelge 16 und einen Rotorträger 20 eines elektrischen Generators drehmomentfest miteinander verbindet.
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Der ringförmig gestaltete Rotorträger 20 des Generators ist einerseits gegen die Befestigungsfläche 12 am Nabenflansch 10, und andererseits von fahrzeuginnen her gegen den Befestigungsflansch 16A der Radfelge 16 abgestützt. Radial innen an dem Rotorträger 20 befindet sich der eigentliche Rotor 21. Dieser ist mit mehreren, gleichmäßig über den Umfang des Rotorträgers verteilt angeordneten Permanentmagneten bestückt.
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Das Gegenstück des Rotors ist der Stator 22. Dieser ist über seinen Umfang verteilt mit mehreren elektrischen Spulen oder elektrischen Wicklungen 23 versehen. Zwischen dem radial innen liegenden Stator 22 und dem radial außen liegenden Rotor befindet sich ein radialer Spalt S.
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Der Stator 22 ist mittels eines nicht näher dargestellten Befestigungsmittels drehmomentfest an dem nicht-drehenden Achsschenkel 3 befestigt. Bei rollendem Fahrzeug steht daher der Stator 22, wohingegen der mit Permanentmagneten bestückte Rotor 21 gemeinsam mit der Radnabe 4, der Radfelge 16 und der Bremsscheibe 15 dreht.
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1 lässt erkennen, dass der Stator 22 scheibenförmig gestaltet ist, so dass er mit seiner Innenseite 25 die Wälzlagerung der Radnabe 4 nach fahrzeugaußen hin abdeckt, und so ein Eindringen von Staub und Schmutz in den Bereich der Radlagerung verhindert. Zudem ist der Stator 22 gegen die Radnabe 4 durch einen Schleifdichtring 26 abgedichtet.
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Gemäß 2 wird die in den Radgeneratoren erzeugte Wechselspannung über eine elektrische Leitung 30 zu einem Umrichter 51 geführt, der die 400 Volt Wechselspannung in eine Gleichspannung von 100 Volt umwandelt. Der Umrichter 51 kommt ohne eine Wasserkühlung aus, vielmehr reicht eine Wärmeabfuhr über Konvektion und Wärmeleitung aus. Mit der Gleichspannung von 100 Volt wird eine ebenfalls im Anhängerfahrzeug angeordnete Batterie 52 geladen, vorzugsweise eine Li-Ion-Batterie. In dem Gehäuse der Batterie 52 sind ferner ein Steuergerät und ein DC-Spannungswandler angeordnet. Letzterer wandelt die 100 Volt Gleichspannung der Batterie 52 in 24 Volt um. Dies ist die typische Betriebsspannung in Bordnetzen von Schwerlast-Anhängerfahrzeugen.
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Die Batterie 52 versorgt diverse Verbraucher des Trailers mit elektrischer Spannung. Zu den Energieverbrauchern zählen die Lichtanlage 55, ein elektrisches Bremsensteuergerät (EBS) 56, ein elektrisch betriebener Kompressor 57 zur Drucklufterzeugung oder auch ein Telematiksystem. Der Kompressor 57 fördert komprimierte Luft in einen bordeigenen Druckluftspeicher, aus dem wiederum sowohl die druckluftbetriebenen Fahrzeugbremsen als auch die Fahrzeug-Luftfederung mit der erforderlichen Energie versorgt werden.
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Die Informationen für die Steuerung erhält der Trailer aus dem Zugfahrzeug des Fahrzeugverbandes. Als Datenverbindung vom Zugfahrzeug zum Trailer dient ein CAN-Bus-System 59 mit Datenanschlüssen zu dem Umrichter 51 sowie zu dem im Batteriegehäuse angeordneten Steuergerät.
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Die im Generator beim Bremsen, aber auch schon im Schiebebetrieb des Fahrzeugs erzeugte elektrische Energie wird sowohl durch das Laden der Batterie 52 gespeichert, als auch, mittels des elektrisch betriebenen Kompressors 57, in Form von Druckluftenergie in dem bordeigenen Druckluftspeicher.
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Vorzugsweise werden die in die Radköpfe 1 integrierten Generatoren immer dann durch das Steuergerät eingeschaltet, wenn das Fahrzeug entweder im Bremsbetrieb arbeitet, oder im Schiebebetrieb. Der Generator wird daher erst eingeschaltet, wenn der Fahrer im Zugfahrzeug keine Leistungsanforderungen an den Motor im Zugfahrzeug stellt.
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Bei entsprechender Kapazität der Batterie 52 besteht die Möglichkeit, auch ein in dem Anhängerfahrzeug vorhandenes Kühlaggregat teilweise oder vollständig mit der so erzeugten elektrischen Energie zu versorgen.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform des Radkopfes 1 dargestellt. Die axiale Fixierung der über die Wälzlagerung auf dem Achsschenkel 3 abgestützten Radnabe 4 erfolgt nicht mittels einer Achsmutter (Achsmutter 7 in 1), sondern mittels einer Achsschraube 37. Die Achsschraube 37 greift mit ihrem Außengewinde in ein in dem Achsschenkel 3 auf dessen Längsachse angeordnetes Innengewinde 38 ein. Die Schraube 37 ist mit einem Längskanal 39 versehen, durch den hindurch ein Abschnitt der von den Wicklungen 23 kommenden elektrischen Leitung 30 verläuft. Entsprechend ist auch der Achsschenkel 3 auf seiner Längsachse mit einem Kanal 40 versehen, durch den hindurch die elektrische Leitung 30 weiter zur Fahrzeugmitte führt, wo die elektrische Leitung aus dem Achskörper austritt.
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Bei der Ausführungsform nach 3 ist der Stator 22 über einen als Befestigungsmittel dienenden Adapter 22A an dem Achsschenkel 3 befestigt. Außerdem ist der Stator 22 nicht als Ring, sondern als auch im Bereich ihres Zentrums geschlossene Scheibe gestaltet. Auf diese Weise deckt die Innenseite 25 des Stators 22 nicht nur die Lagerung der Radnabe 4 ab, sondern auch den Achsschenkel 3. Eine zusätzliche Abdeckung, etwa eine aufsetzbare Abdeckkappe, ist bei dieser Bauart nicht erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radkopf
- 1A
- Radkopf
- 3
- Achsschenkel
- 4
- Radnabe
- 5
- Grundkörper
- 6A
- Wälzlager
- 6B
- Wälzlager
- 7
- Achsmutter
- 9
- Außengewinde
- 10
- Nabenflansch
- 10A
- Verschraubung
- 11
- Befestigungsfläche
- 12
- Befestigungsfläche
- 15
- Bremsscheibe
- 15A
- Befestigungsflansch
- 16
- Radfelge
- 16A
- Befestigungsflansch
- 17
- Bolzen
- 20
- Rotorträger
- 21
- Rotor
- 22
- Stator
- 22A
- Adapter
- 23
- Wicklung
- 25
- Innenseite
- 26
- Schleifdichtring
- 30
- elektrische Leitung
- 37
- Schraube, Achsschraube
- 38
- Innengewinde
- 39
- Längskanal
- 40
- Kanal
- 51
- Umrichter
- 52
- Batterie
- 55
- Lichtanlage
- 56
- elektrisches Bremsensteuergerät (GBS)
- 57
- Kompressor
- 59
- CAN-Bus
- S
- Spalt
