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Die Erfindung betrifft ein Rad mit einem Radkörper und mehreren Rollen mit in Längsrichtung konvex gewölbter Rollenlauffläche. Der Radkörper umfasst zwei parallele, beabstandete Tragscheiben, zwischen denen die Rollen drehbar gelagert sind, wobei die Rollenachsen winklig zur Radkörperachse verlaufen. Die Rollenlaufflächen ragen mindestens teilweise über den Außenumfang der Tragscheiben hinaus, um eine kreisförmige Radlauffläche zu bilden.
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Aus der
DE 2 354 404 A ist ein gattungsgemäßes Rad für ein laufstabiles selbstfahrendes Fahrzeug, das in jeder gewünschten Richtung auf dem Boden bewegbar ist, bekannt. Das Rad umfasst einen Mittelteil, der auf einer Mittelachse befestigt ist, und eine Anzahl von an den Boden angreifenden Rollen, die drehbar auf dem Mittelteil befestigt und rund um dasselbe verteilt sind. Die Außenseiten der Rollen sind in Längsrichtung konvex gewölbt. Die Längsachsen der Rollen verlaufen schräg zur Mittelachse des Mittelteils, wobei der Winkel zwischen diesen Achsen so gewählt ist, dass die Rollen, gesehen von einem Punkt auf einer Verlängerung der Mittelachse und in einer Richtung auf das Rad zu, zusammen einen ununterbrochenen Radumfang definieren.
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Solche Räder sind in der Praxis unter der Bezeichnung Mecanum-Rad bekannt. Sie werden häufig bei selbstfahrenden Fahrzeugen, bei Fördergeräten und ähnlichen Fahrzeugen eingesetzt, vor allem wenn es auf eine besondere Wendigkeit der Fahrzeuge ankommt und der Fahrboden eben ist.
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Aus der
DE 38 41 971 C2 ist beispielsweise ein gleisloses Flurfördergerät bekannt, welches vier solcher Räder verwendet.
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Die
EP 1 912 799 B1 beschreibt ein gattungsgemäßes Rad mit einem angetriebenen Radkörper, der zwei Tragelemente aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von Rollenkörpern mit einer balligen Oberfläche drehbar angeordnet sind, die zumindest teilweise über den Umfang der Tragelemente hinausragen. Die Fertigung der verwendeten Tragkörper ist allerdings aufwendig und bedarf komplexer Maschinen. Außerdem ist die Tragkraft der beschriebenen Räder begrenzt, da die Lagerstellen zwischen Tragelementen und Rollenkörpern vergleichsweise schwach ausgebildet sind.
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Ausgehend vom Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Mecanum-Rad bereitzustellen, welches einfacher zu fertigen ist und besonders große Lasten aufnehmen kann. Eine Teilaufgabe wird darüber hinaus darin gesehen, eine verbesserte Antriebsachsenanordnung für ein Fahrzeug unter Verwendung eines solchen Rades anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Rad gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie einer Antriebsachsenanordnung gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Rad zeichnet sich dadurch aus, dass die Tragscheiben jeweils mehrere, der Rollenzahl entsprechende Tragarme besitzen, die sich ausgehend von einem zentralen Nabenabschnitt des Radkörpers tangential erstrecken. An den freien Enden der Tragarme ist jeweils eine Tragarm-Lagerbohrung vorgesehen, durch welche die Rollenachse der zugehörigen Rolle verläuft. Die Tragarme der gegenüberliegenden Tragscheiben erstrecken sich jeweils von der Außenseite des Rades betrachtet mit gleichsinnigem Drehwinkel.
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Der Radkörper besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einem anderen leichten und tragfähigen Material. Durch die zuvor genannte Konstruktion ist es möglich, dass große Tragkräfte vom Radkörper aufgenommen werden und trotzdem ein geringes Gewicht realisiert werden kann. Aufgrund der Gestaltung der Tragscheiben mit mehreren Tragarmen ist es möglich, dass der komplette Radkörper mit vergleichsweise einfachen Fräs- und Drehmaschinen gefertigt werden kann.
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Vorzugsweise ist der Radkörper mit den Tragscheiben, den Tragarmen und dem Nabenabschnitt einstückig ausgebildet. Damit lassen sich Maßabweichungen aufgrund von Montageungenauigkeiten vermeiden und der Fertigungsprozess ist einfach gestaltet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die beiden axialen Seitenflächen der Tragarme jeweils parallel zueinander. Die Tragarme haben somit die Form einer vom Nabenabschnitt ausgehenden Stange, die beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt besitzt. Solche Formen lassen sich durch Fräsen einfach erzeugen.
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Besonders bevorzugt verlaufen die axialen Seitenflächen von zueinander benachbarten Tragarmen jeweils im Winkel von 45° zueinander. Damit stehen die bei der Herstellung auszuarbeitenden Seitenflächen der übernächsten Tragearme im Winkel von 90° und die Seitenflächen des zu einem ersten Tragarm an fünfter Stelle folgenden Tragarms verlaufen parallel zu den Seitenflächen des ersten Tragarms. Bei der Wahl von acht Tragarmen pro Tragscheibe ergibt sich eine regelmäßige Verteilung der Tragarme jeweils mit einem Versatz von 45°.
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Diese einfache, regelmäßige Anordnung hat zur Folge, dass die Fräswinkel während der Herstellung der Tragarme immer 45° oder bevorzugt 90° (wenn Zwischenflächen vorgesehen sind) wechseln, was auch mit einfachen Fräsmaschinen erreichbar ist. Durch das Einhalten der relativ einfachen Fräsformen und das konsequente Weiterdrehen und Vervielfältigen der einzelnen Arbeitsschritte erhält man dennoch einen komplexen fertigen Radkörper.
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Das erfindungsgemäße Rad lässt sich durch eine spezielle Gestaltung der verwendeten Rollen weiter optimieren. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Rades bzw. der an diesem angebrachten Rollen zeichnet sich dadurch aus, dass jede Rolle des Rades einen Tonnenkörper mit einer axial durchgehenden Lagerbohrung umfasst, wobei die außen liegende Rollenlauffläche weiterhin in Längsrichtung konvex gewölbt ist. Außerdem besitzt die Rolle eine hülsenförmige Mittelachse, die in der Lagerbohrung eingesetzt ist, mindestens ein Festlager und mindestens ein Loslager, die an den Enden der Lagerbohrung in diese eingesetzt sind und die Mittelachse in Längsrichtung einschließen. Schließlich weist jede Rolle in der bevorzugten Ausführung eine Festlagerachse und eine Loslagerachse auf, die das Festlager bzw. das Loslager axial durchdringen und sich jeweils in eine Innenbohrung in der Mittelachse erstrecken. Die Festlagerachse und die Loslagerachse ragen dabei jeweils mit einem Zapfenabschnitt axial aus dem Tonnenkörper heraus, wobei die Zapfenabschnitte jeweils in einer Tragarm-Lagerbohrung des zugehörigen Tragarms gelagert sind. Die Tragarm-Lagerbohrungen sind an den freien Enden der Tragarme angeordnet.
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Besonders bevorzugt bestehen Festlager und Loslager jeder einzelnen Rolle jeweils aus zwei oder mehr axial aufeinanderfolgenden Wälzlagern, wodurch sich die Tragkraft der Lager weiter erhöhen lässt.
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Ein wesentlicher Vorteil der in das Innere der Rollen eingesetzten Lager besteht darin, dass dafür unmittelbar an den Tragscheiben kein Bauraum benötigt wird und stattdessen in axialer Richtung mehrere Lager im Inneren der Rolle angeordnet werden, die für hohe Belastungen ausgelegt sind. Außerdem gestattet es die zuvor beschriebene Dreiteilung der Rollenachse, dass ein Festlager und ein Loslager realisierbar sind, sodass last- und temperaturbedingte Maßänderungen nicht zu unerwünschten Spannungen oder Verformungen führen. Durch die Mittelachse werden Axialkräfte von beiden Lagerpaaren aufgefangen.
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Bevorzugt verlaufen die Rollenachsen zur Radkörperachse in einem Winkel von 45°. Dadurch treten aber gerade im Moment des Anfahrens erhebliche axial auf die Lager einwirkende Kräfte auf. Diese Kräfte lassen sich durch die beschriebene Lageranordnung in den Rollen und die Zapfenlagerung in den Tragarmen gut aufnehmen.
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Während der Körper der Rolle bevorzugt aus Stahl gefertigt ist, wird die Rollenlauffläche vorzugsweise mit einer Beschichtung aus weicherem Material versehen, vorzugsweise aus gummiartigen Kunststoffen, wie z. B. Vulkollanbeschichtung (PUR) .
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Der Vorteil, dass das erfindungsgemäße Rad hohe Lasten tragen kann, führt zu dem Erfordernis, dass diese Lasten auch an vom Fahrzeug über die Antriebsachse zum Rad geführt werden. Um dabei zu schwere Achsformen zu vermeiden, eignet sich die Kombination des beschriebenen Rades mit der erfindungsgemäßen Antriebsachsenanordnung. Diese Antriebsachsenanordnung für ein Fahrzeug umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Rad gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Weiterhin sind ein Antrieb, eine Achse und ein Radlager vorgesehen.
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Das Radlager umfasst seinerseits einen Anschlussflansch, der eine axiale Flansch-Lagerbohrung besitzt und dessen Flanschseite an einem Fahrzeuggestell befestigbar ist. Weiterhin besitzt das Radlager mindestens ein Schrägkugellager, welches mit seinem Außenring in der Flansch-Lagerbohrung befestigt ist, sowie eine Radlagerwelle, die im Innenring des Schrägkugellagers befestigt ist und an ihrem aus dem Anschlussflansch herausragenden Ende ein Koppelelement trägt, an welchem der Radkörper des Rads angebracht ist.
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Diese Ausführung des Radlagers hat den Vorteil, dass große Kräfte zwischen dem Fahrzeuggestell und dem Rad übertragen werden können, ohne dass die Antriebsachse hohe Biegekräfte aufnehmen muss. Das Gewicht des Fahrzeugs wird nicht mehr über das Getriebe bzw. die Antriebsachse zum Rad übertragen, sondern vom Fahrzeuggestell über den Anschlussflansch und das Koppelelement, die entsprechend stabil ausgeführt werden können. Somit sind sehr hohe Belastungen möglich, ohne das Getriebe oder den Motor mit den Gewichtskräften des Fahrzeugs zu belasten.
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Eine bevorzugte Ausführung der Antriebsachsenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Antrieb ein Elektromotor ist, dessen Motorwelle durch den Anschlussflansch hindurch verläuft und drehfest sowie axial beweglich mit der Radlagerwelle verbunden ist. Als Elektromotor kann beispielsweise ein Direktantrieb eingesetzt werden, der genau ein Rad des Fahrzeugs antreibt.
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Wenn an einer bevorzugten Antriebsachsenanordnung zwei axial voneinander beabstandete Räder angetrieben werden sollen, ist es vorteilhaft, dass die Anordnung weiterhin ein Rahmenrohr umfasst, an dessen einem Ende der Anschlussflansch des Radlagers befestigt ist, wobei am anderen Ende des Rahmenrohrs eine baugleiche zweite Antriebsachsenanordnung anbringbar ist. Innerhalb des Rahmenrohrs lassen sich die beiden Elektromotoren der gegenüberliegenden Antriebsanordnungen unterbringen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rads in einer teilweise zerlegten Perspektivansicht sowie einer Seitenansicht;
- 2 einen Radkörper des Rads in drei Ansichten;
- 3 eine Rolle mit Lagerelementen in einer zerlegten und einer zusammengesetzten Ansicht;
- 4 ein Radlager in einer Explosionsansicht;
- 5 eine Antriebsachsenanordnung mit zwei Rädern in einer Explosionsdarstellung.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rads 01 in einer perspektivischen Ansicht in teilweise zerlegtem Zustand und in einer Seitenansicht. Das Rad 01 besitzt einen Radkörper 02, der durch Fräsen aus einem einstückigen Aluminiumblock gefertigt wurde. Am Außenumfang des Radkörpers 02 sind acht Rollen 03 angeordnet, von denen in der Perspektivdarstellung eine herausgelöst gezeichnet wurde. Es ist ersichtlich, dass die Rollenachsen gegenüber der Radkörperachse in einem Winkel von 45° verlaufen. Außerdem ist aus der Seitenansicht gut erkennbar, dass die Anordnung und die Rollendurchmesser der Rollen derart gewählt sind, dass die aneinandergereihten Rollenlaufflächen ein kreisrundes Profil für das komplette Rad beschreiben. Die Auswahl der geeigneten Abmessungen für Rollen und Radkörper, um diese Formgebung zu erreichen, ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass auf eine nähere Erläuterung hier verzichtet wird.
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2 zeigt den Radkörper 03 im Detail in drei Ansichten. Für die Erfindung wesentlich ist der Umstand, dass der Radkörper einen zentralen Nabenabschnitt 04 besitzt, von welchem sich zahlreiche Tragarme 05 tangential erstrecken. Im dargestellten Beispiel bilden jeweils acht Tragarme 05 zwei sich gegenüberliegende Tragscheiben 06, zwischen denen die Rollen 03 angeordnet werden. Die Tragarme 05 erstrecken sich im selben Drehrichtungssinn ausgehend vom Nabenabschnitt 04. Von einer Seite betrachtet verlaufen die Tragarme der ersten Tragscheibe somit mit entgegengesetztem Drehrichtungssinn zu den Tragarmen der anderen Tragscheibe, woraus sich die Winkellage der Rollenachsen gegenüber der Mittelachse des Rads ergibt. Am freien Ende jedes Tragarms 05 ist eine Tragarm-Lagerbohrung 07 angebracht.
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3 zeigt die Rolle 03 im Detail in einer Schnittansicht im zusammengesetzten Zustand und in einer weiteren, verkleinerten Schnittansicht im zerlegten Zustand. Die Rolle 03 besitzt einen Tonnenkörper 10, auf dessen Außenfläche eine Beschichtung 11 aufgebracht ist, welche die konvex gewölbte Rollenlauffläche bildet. Durch den Tonnenkörper 10 verläuft axial eine Lagerbohrung 12, in deren mittleren Bereich eine hülsenförmige Mittelachse 13 eingesetzt ist. In Achsrichtung rechts und links der Mittelachse sind in der Lagerbohrung 12 ein Loslager 14 und ein Festlager 15 eingesetzt, die vorzugsweise jeweils durch ein Wälzlagerpaar gebildet werden, um höhere Kräfte aufnehmen zu können. Die Lager sind beispielsweise durch Sicherungsringe 16 gesichert. In das Loslager 14 ist eine Loslagerachse 17 eingesetzt, in das Festlager 15 eine Festlagerachse 18, wobei sich diese beiden Achsen in die hülsenförmige Mittelachse 13 hinein erstrecken. Vorzugsweise sind die Loslagerachse und die Festlagerachse in diesem Bereich mit einem Gewinde versehen, um sie in die Mittelachse einschrauben zu können. Loslagerachse 17 und Festlagerachse 18 ragen axial über den Tonnenkörper 10 hinaus und bilden dort jeweils einen Zapfenabschnitt 19, welcher in der zugehörigen Tragarm-Lagerbohrung 07 gelagert wird. Der Zapfenabschnitt 19 kann für Montagezwecke in der Form eines Schraubenkopfes, insbesondere mit Inbus-System ausgeführt sein.
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4 zeigt ein Radlager 21 in einer Explosionsdarstellung. Das Radlager 21 umfasst einen Anschlussflansch 22, der eine axiale, durchgehende Flansch-Lagerbohrung 23 aufweist. Mit seiner Flanschseite 24 kann der Anschlussflansch 22 am Fahrzeuggestell oder am Getriebe lastführend angebracht werden. Weiterhin umfasst das Radlager 21 ein bevorzugt aus einem Lagepaar bestehendes Schrägkugellager 25. Diese beiden Lager sind in der Flansch-Lagerbohrung 23 eingesetzt und mit einem Sicherungsring 26 gesichert. Eine Radlagerwelle 27 greift in den Innenring des Schrägkugellagers 25 ein und trägt an ihrem aus dem Anschlussflansch 22 herausragenden Ende ein Koppelelement 28, an welchem der Radkörper 02 des Rads 01 angebracht wird.
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5 zeigt in einer Explosionsansicht eine Antriebsachsenanordnung 30 mit zwei Rädern 01, die entsprechend den vorher beschriebenen Ausführungen gestaltet sind. Zunächst umfasst die Anordnung ein Rahmenrohr 31, welches am Fahrzeug befestigt werden kann oder auch Bestandteil des Fahrzeuggestells sein kann. An seinen gegenüberliegenden Enden besitzt das Rahmenrohr 31 Flanschflächen 32, an welche jeweils die Flanschseite 24 des Radlagers 21 angeschraubt wird, sodass sich zwei Räder 01 diametral gegenüberstehen. Jedem Rad 01 ist ein Elektromotor 33 sowie eine Steuereinheit 34 zugeordnet, die innerhalb des Rahmenrohrs 31 verbaut werden können. Je eine Motorwelle 35 verläuft durch den zugeordneten Anschlussflansch 22 hindurch und steht zur Übertragung des Antriebsmoments mit der Radlagerwelle 27 in Eingriff, beispielsweise über eine Feder-Nut-Verbindung.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Rad
- 02
- Radkörper
- 03
- Rollen
- 04
- Nabenabschnitt
- 05
- Tragarme
- 06
- Tragscheiben
- 07
- Tragarm-Lagerbohrung
- 10
- Tonnenkörper
- 11
- Rollenlauffläche
- 12
- Lagerbohrung der Rolle
- 13
- hülsenförmige Mittelachse
- 14
- Loslager
- 15
- Festlager
- 16
- Sicherungsringe
- 17
- Loslagerachse
- 18
- Festlagerachse
- 19
- Zapfenabschnitt
- 21
- Radlager
- 22
- Anschlussflansch
- 23
- Flansch-Lagerbohrung
- 24
- Flanschseite
- 25
- Schrägkugellager des Radlagers
- 26
- Sicherungsring
- 27
- Radlagerwelle
- 28
- Koppelelement
- 30
- Antriebsachsenanordnung
- 31
- Rahmenrohr
- 32
- Flanschflächen
- 33
- Elektromotor
- 34
- Steuereinheit
- 35
- Motorwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2354404 A [0002]
- DE 3841971 C2 [0004]
- EP 1912799 B1 [0005]
