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Die Erfindung betrifft eine Tandemachse und insbesondere eine verstellbare oder gefederte Tandemachse sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Tandemachse.
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Tandemachsen werden insbesondere bei geländegängigen Fahrzeugen, beispielsweise bei Baumaschinen wie Gradern, bei Landmaschinen wie Vollerntern und bei Forstmaschinen wie Kranrückezügen (Forwardern), Kranvollerntern (Harvestern) oder Rückeschleppern (Skiddern) eingesetzt. Sie weisen auf jeder Fahrzeugseite ein Paar hintereinander laufender Räder auf, die beide an einem gemeinsamen zwischen den Rädern schwenkbar gelagerten Tandemachskasten (Bogie) befestigt sind. Konventionelle Tandemachsen sind in der Regel ungefedert.
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Ein Beispiel für eine solche ungefederte Tandemachse ist weiter unten in Verbindung mit 1 ausführlicher beschrieben.
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Gegenüber einer Einzelachse weist die Tandemachse den Vorteil auf, dass die Wankbewegung des Fahrzeugs beim einseitigen Überfahren kurzer Hindernisse stark reduziert ist. Ein Vorteil dieser Achskonstruktion liegt außerdem im robusten Aufbau und darin, dass die zwei Räder einer Seite der Tandemachse -abgesehen von etwaigen Unterschieden der Vorschubkräfte- mit ungefähr gleichen Radlasten beaufschlagt sind.
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Bei Arbeitsmaschinen wie Bau-, Land- oder Forstmaschinen, die ungefedert sind, ist die Fahrgeschwindigkeit in unebenem Gelände begrenzt, da andernfalls die dynamischen Kräfte auf die tragenden Teile, wie beispielsweise die Rahmenteile, zu hoch würden und auch der Fahrkomfort für den Bediener nicht mehr akzeptabel wäre.
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Aus Gründen der Produktivität ist jedoch eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit und damit auch der Fahrgeschwindigkeit wünschenswert. Mit konventionellen Konstruktionen verlangt diese Erhöhung jedoch nach immer stärkeren tragenden Teilen, die auch größere Massen aufweisen und darum nochmals zu einer Erhöhung der dynamischen Lasten beitragen. Für den Fahrer müssen Kabinenfederungen mit großem Federweg zur Dämpfung der niedrigen Anregungsfrequenzen angeboten werden, um ein schnelleres Fahren zu ermöglichen.
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Bei diesen Lösungen steigen also die dynamischen Lasten auf der tragenden Konstruktion an, was zu stärkeren und schwereren Ausführungen der tragenden Konstruktion führt, die wiederum selbst die dynamischen Lasten weiter erhöhen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Tandemachse und ein damit ausgestattetes Fahrzeug zu schaffen, bei denen die oben genannten Nachteile gemildert sind. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung.
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Die Erfindung sieht eine Verstellbarkeit der jeweiligen Teile der Tandemachse relativ zueinander vor, an denen die Räder einer Fahrzeugseite angebracht werden. Die Verstellung kann federnd und/oder von einem Aktor gesteuert erfolgen und beeinflusst die momentane Bodenfreiheit des Fahrzeugs, indem sie beide Teile ein- oder beide Teile ausfedern (oder allgemeiner ein- oder austreten) lässt. Die gemeinsame Bewegung dieser Teile so, dass eines ein- und das andere austritt, bleibt von der Verstellung im Wesentlichen unbeeinträchtigt und frei möglich; daher weist auch die erfindungsgemäße Achse die eingangs genannten Vorteile einer Tandemachse auf.
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Aus anderen Bereichen des Fahrzeugbaus ist die Federung des Aufbaus auf einer Achse bekannt. Die Federung des Fahrzeugaufbaus auf einer Tandemachse, also eine Federung der gesamten Tandemachse gegenüber dem Fahrzeugaufbau bzw. Fahrzeugrahmen wäre bei Tandemachsen jedoch schwierig auszuführen, da sie aufwändig wäre und viel Bauraum benötigen würde.
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Demgegenüber schlägt die Erfindung die angegebene in die Tandemachse integrierte Achsverstellung bzw. Achsfederung vor, die einfach, kompakt und robust zu realisieren ist. Die erfindungsgemäße Lösung bewirkt eine verbesserte Anpassung beider Räder einer Achsseite an die befahrene Geländeform und ermöglicht so beispielsweise eine geringere dynamische Belastung des Fahrzeugrahmens bzw. des Fahrzeugaufbaus, einen höheren Fahrkomfort und eine höhere Fahrgeschwindigkeit.
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Im folgenden werden eine konventionelle Tandemachse und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
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1 eine konventionelle Tandemachse;
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2 eine Tandemachse nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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3 und 4 eine Tandemachse nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein Beispiel für den Aufbau einer konventionellen ungefederten Tandemachse zeigt 1:
Eine solche Tandemachse weist einen Achskörper 1 auf, dessen Axialrichtung quer zur Rahmenlängsrichtung und Fahrtrichtung des Fahrzeugs liegt. Es handelt sich um eine angetriebene Achse. Der Achskörper 1 umfasst ein Differentialgehäuse 2 mit einem Gelenkwelleneingang 3 zwischen zwei Achsträgern 4, die getrennt für jede Seite der Tandemachse Bremsen 5 beinhalten und an denen Anschraubflächen 6 zur Verbindung der Achse mit einem Fahrzeugrahmen (nicht gezeigt) vorhanden sind. An diesen Achsträgern 4 wiederum sind Lagerungen für jeweils einen Tandemachskasten 7 (sogenannten Bogie) auf jeder Seite der Tandemachse angebracht. Durch eine entsprechende Antriebswelle pro Achsseite innerhalb des Achsträgers 4 wird jeder Tandemachskasten 7 angetrieben. Jeder Tandemachskasten 7 weist zwei Radnaben 8 zur Anbringung zwei hintereinander laufender Räder (nicht gezeigt) auf. Der Kraftfluss im Tandemachskasten 7 zu den beiden Radnaben 8 und den darauf befestigbaren Rädern erfolgt typischerweise entweder über Zahnräder (Zahnradbogie) oder über Rollenketten (Kettenbogie). Meist folgt ein Radendantrieb, entweder direkt oder als Stirnradstufe oder als Planetengetriebe in der jeweiligen Radnabe 8.
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Die Tandemachse weist also zwischen den beiden Rädern eine Lagerung der Tandemachskasten 7 auf, die ein Schwenken um die Axialrichtung zulässt. Die Tandemachskasten 7 sind jeweils in sich starre Bauteile.
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Im Gegensatz dazu zeigt 2 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Tandemachse mit integrierter Achsverstellung bzw. Achsfederung. Gleiche Teile wie in 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben. Im Folgenden werden daher die Unterschiede gegenüber dem Beispiel nach 1 erläutert.
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Anders als beim starren Tandemachskasten 7 nach 1 weist der Tandemachskasten 7 beim Ausführungsbeispiel von 2 ein erstes 7a und ein zweites Teil 7b auf, die relativ zueinander beweglich sind. Beim Ausführungsbeispiel sind beide Teile 7a, 7b relativ zueinander verschwenkbar (Schwenkarme 7a, 7b). In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind beide Teile 7a, 7b um eine gemeinsame Schwenkachse 9 verschwenkbar, die koaxial zum jeweiligen Achskörper 1, zum Achsträger 4 und der darin befindlichen Antriebswelle, also koaxial zur oben genannten Axialrichtung liegt.
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Beide Teile 7a, 7b des Tandemachskastens 7 sind mittels eines Stellmechanismus 10 miteinander gekoppelt, der die Schwenkstellung des ersten Teils 7a relativ zum zweiten Teil 7b steuert, ohne die freie gemeinsame Bewegung beider Teile 7a, 7b, also die Bewegbarkeit des Tandemachskastens 7 als ganzem relativ zum Achskörper 1 wesentlich zu beeinflussen. Der Stellmechanismus 10 kann ein federndes Element, das einer Verschwenkung der beiden Teile relativ zueinander eine Rückstellkraft entgegensetzt, und/oder einen Aktor aufweisen, dessen Betätigung die Schwenkstellung des ersten Teils relativ zum zweiten Teil ändert. In beiden Fällen ändert sich mit der Verschwenkung der beiden Teile zueinander die momentane Bodenfreiheit bzw. die Höhe des Fahrzeugrahmens gegenüber der Aufstandsfläche der Räder des Fahrzeugs.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stellmechanismus 10 einen Hydraulikzylinder 11 auf. Dessen beide Köpfe an seinen beiden Enden sind jeweils mit einem Arm 12 verbunden, der starr an einem entsprechenden der beiden Teile 7a, 7b des Tandemachskastens 7 befestigt ist. In Gebrauchsstellung der Tandemachse sind die Arme 12 und der Hydraulikzylinder 11 über dem jeweiligen Tandemachskasten 7 angeordnet und somit gegen Beschädigung durch etwaige Hindernisse auf dem befahrenen Gelände geschützt. Auch nehmen sie wenig Platz ein und befinden sich an einer meist ohnehin freien Stelle neben dem Fahrzeugrahmen. Die Tandemachse kann daher ohne besondere konstruktive Änderungen an den meisten für Tandemachsen vorgesehenen Fahrzeugen eingesetzt werden.
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Der Hydraulikzylinder 11 streckt oder verkürzt sich und verschwenkt dabei die beiden Teile 7a, 7b des Tandemachskastens 7 relativ zueinander, wenn ihm Hydraulikfluid zugeführt oder von ihm abgeführt wird. Wird der Hydraulikzylinder 11 mit einem bestimmten Volumen Hydraulikfluid befüllt und ein weiteres Zu- oder Abströmen von Hydraulikfluid verhindert, so bleibt die erreichte Schwenkstellung der Teile 7a, 7b relativ zueinander bestehen. Das gewählte Volumen Hydraulikfluid stellt somit die Bodenfreiheit des Fahrzeugs ein. Wird der Hydraulikzylinder 11 jedoch mit einem bestimmten Hydraulikdruck beaufschlagt, der sich bei Verschwenken der beiden Teile 7a, 7b ändert und eine Rückstellkraft erzeugt, beispielsweise mit dem Hydraulikdruck aus einem Gasdruckbeaufschlagten hydraulischen Reservoir, dann wirkt der Hydraulikzylinder 11 auf die beiden Teile 7a, 7b wie eine Feder und die Tandemachse arbeitet mit integrierter Federung. So lässt sich der Hydraulikzylinder wahlweise als Aktor zur Einstellung der Bodenfreiheit und/oder als Federelement betreiben.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 2 ist. Im folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Während in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beide Teile 7a, 7b des Tandemachskastens 7 um eine gemeinsame Schwenkachse 9 verschwenkbar sind, die koaxial zur Axialrichtung des Achskörpers 1 liegt, sind in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel beide Teile 7a, 7b um jeweils eine eigene Schwenkachse 9a, 9b schwenkbar, die parallel zur Axialrichtung liegt.
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Im einzelnen weist jeder Achsträger 4 einen Kopf 13 mit Gelenken bei den Schwenkachsen 9a und 9b auf, mittels der die Teile 7a und 7b des Tandemkastens 7 jeweils schwenkbar am Kopf 13 angelenkt sind. Der Kopf 13 ist starrer Bestandteil des Achsträgers 4 und nimmt an der Schwenkbewegung nicht teil. Von den beiden Schwenkachsen 9a und 9b befindet sich eine in Fahrtrichtung vorne und die andere dahinter, genauer eine vor und die andere hinter der durch den Achskörper 1 festgelegten Axialrichtung. Durch die Bereitstellung jeweils eines eigenen Gelenks zur Anlenkung jedes Teils 7a, 7b am Kopf 13 vereinfacht sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 2 der Aufbau des Gelenks; das Gelenk ist robuster und lässt sich leichter gegen Eindringen von Schmutz abdichten.
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Außerdem ist das vorliegende Ausführungsbeispiel besonders als angetriebene Tandemachse vorteilhaft, wie im Folgenden anhand von 4 erläutert wird. 4 zeigt eine Ausschnittvergrößerung aus 3. Bei der dargestellten angetriebenen Tandemachse erfolgt der Kraftfluss von der Antriebswelle im Achsträger 4 über Zahnräder oder eine Kette im Kopf 13 zu einem zur jeweiligen Schwenkachse 9a, 9b koaxialen ersten Zahnrad im Teil 7a, 7b des Tandemachskastens 7. Von diesem ersten Zahnrad im Teil 7a, 7b des Tandemkastens 7 erfolgt der Kraftfluss weiter über eine ungerade Anzahl von Zwischenzahnrädern oder über eine Kette zu einem zur Radnabe 8 koaxialen zweiten Zahnrad im Teil 7a, 7b des Tandemkastens 7 und von dort zum Radendantrieb in der jeweiligen Radnabe 8. Die Zahnräder sind jeweils Stirnräder. Die Zahl der Zwischenzahnräder soll ungeradzahlig sein, damit ein Schwenken des Teils 7a, 7b gegenüber dem Kopf 13 zu keinem mit dem Schwenken gekoppelten Antriebsmoment am jeweiligen Rad führt. Unter diesen Voraussetzungen sind ein oder möglichst nicht mehr als drei Zwischenzahnräder pro Teil 7a, 7b erstrebenswert, damit die ungefederte Masse des Tandemkastens 7 und somit die auftretenden Kräfte klein bleiben.
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Der Kopf 13 ermöglicht es, die Teile 7a, 7b des Tandemkastens kürzer, mit weniger Zwischenzahnrädern und damit leichter als beim Ausführungsbeispiel nach 2 auszugestalten. Dieser Vorteil ist besonders bei einer angetriebenen Achse wesentlich, wo das ungefederte Gewicht sonst sehr hoch wäre. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schwenkarme ausreichend kurz, dass ein einziges Zwischenzahnrad zwischen dem zur Schwenkachse 9a, 9b koaxialen ersten Zahnrad und dem zur Radnabe 8 koaxialen zweiten Zahnrad im Teil 7a, 7b des Tandemkastens 7 ausreicht. Dieses Zwischenzahnrad (nicht dargestellt) befindet sich im Inneren des Tandemkastens unter dem mit Bezugszeichen 14 versehenen Abschnitt des Teils 7a, 7b.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind beide Teile 7a, 7b des Tandemachskastens 7 mittels des Stellmechanismus 10 direkt mechanisch miteinander gekoppelt, der die Schwenkstellung des ersten Teils 7a relativ zum zweiten Teil 7b steuert, ohne die gemeinsame Bewegung beider Teile 7a, 7b, also die freie Bewegbarkeit des Tandemachskastens 7 als ganzem relativ zum Achskörper 1 wesentlich zu beeinträchtigen. Auch diese Tandemachse kann an den meisten für Tandemachsen vorgesehenen Fahrzeugen eingesetzt werden, ohne dass an diesen Fahrzeugen besondere konstruktive Änderungen notwendig sind.
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In den Ausführungsbeispielen wird die Verstellung der Bodenfreiheit oder die Federung des Fahrzeugaufbaus also effektiv durch eine Veränderung der Form des Tandemachskastens 7 erzielt. Dieser ist mit zwei Tandemkastenteilen 7a, 7b ausgeführt, die sich gegeneinander um beispielsweise die Drehachse des gesamten Tandemachskastens 7 verdrehen können. Diese Verdrehung wird durch einen Hydraulikzylinder 11 gesteuert, der auch wie ein Federbein einer Achsfederung wirken kann. Die offenbarten Lösungen bewirken eine vorteilhafte Anpassung beider Räder einer Achsseite an die jeweilige Geländeform.
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Die offenbarten Lösungen sind vor allem bei angetriebenen Tandemachsen vorteilhaft. Alternativ zum erwähnten Antrieb mit Antriebswelle, Kette bzw. Zahnrädern sind hydrostatische oder elektrische Antriebe entweder der Achse, jeder Tandemachsseite oder auch jedes Rads, ggf. über mechanische Zwischenübersetzungen möglich.
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Insbesondere bei einer nicht angetriebenen Tandemachse kann es auch möglich sein, die beiden Teile 7a, 7b des Tandemachskastens 7 unmittelbar bzw. über einen verkürzten Achskörper am Fahrzeugrahmen anstatt am Achsträger schwenkbar zu befestigen.
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Der Stellmechanismus 11 kann anstelle eines Hydraulikzylinders 11, der die beiden Teile 7a, 7b des Tandemachskastens 7 mechanisch direkt koppelt, mit zwei Hydraulikzylindern versehen sein, die jeweils eines der Teile 7a, 7b gegen den Achskörper oder den Fahrzeugrahmen abstützen und hydraulisch so miteinander verbunden sind, dass Hydraulikfluid vom einen zum anderen strömen kann und dabei die freie gemeinsame Bewegung beider Teile 7a, 7b, also die Bewegbarkeit des Tandemachskastens 7 als ganzem relativ zum Achskörper 1 erlaubt.
