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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung
des Aufstellens einer Tandemachse von Fahrzeugen oder Arbeitsmaschinen,
insbesondere zum Einsatz in schwierigem Gelände. Eine das Fahrzeug oder
die Arbeitsmaschine antreibende Tandemachse weist auf jeder Seite
zwei im Abstand voneinander befindliche Radpaare auf, die zum Beispiel über eine
Achse mit einem momentverteilenden Differentialgetriebe ihr Antriebsmoment
zugeführt
erhalten. Auf jeder Seite des Differentialgetriebes befindet sich
ein Radpaar an einem wippenartig gestalteten Gehäuse, welches um die Achse des
vom Differentialgetriebe zugeführten
Antriebsmoments drehbeweglich ist. In diesem Gehäuse befindet sich ein Ketten-
oder Zahnradgetriebe, um das vom Differentialgetriebe eingeleitete
Moment auf die beiden Antriebsräder
einer Seite zu verteilen. Die auf- und abschwingende Beweglichkeit
dieses Gehäuses
soll eine ständige
Bodenhaftung aller vier Antriebsräder ermöglichen. Den Vortriebskräften stehen
gleich große,
jedoch entgegengerichtete Schubkräfte auf das Fahrzeug entgegen,
die schon bei glatter Fahrbahn Aufstellmomente erzeugen.
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Bei
hohen Zugkräften
oder ungünstigen
Bodenverhältnissen
oder wenn durch ein Hindernis ein Antriebsrad auf einen Widerstand
stößt, verstärkt sich
dieser Effekt, wodurch zumindest ein Antriebsrad die Bodenhaftung
verliert bzw. der Bodendruck stark reduziert wird.
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Durch
die EP-B1-520 389 ist eine Vorrichtung zum Verhindern des Aufstellens
bekannt. Hierbei handelt es sich um zwei zwischen dem Differentialgetriebe
und den schwingenden Gehäusen
angeordneten Planetengetrieben, welche teilweise an den schwingenden
Gehäusen
abgestützt
sind und diesen ein gegen die Aufstellbewegung gerichtetes Rückstellmoment
erteilen.
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Diese
Vorrichtung hat sich bewährt,
ist jedoch konstruktiv aufwendig und verlangt eine besondere Auslegung
der Tandemachse. Es lässt
sich beispielsweise nicht nachträglich
oder einfach zusätzlich
an einer Tandemachse anbringen. Außerdem setzen sich bei Arbeitsmaschinen
und Fahrzeugen der hier genannten Gattung immer mehr Hydromotoren
zum Erzeugen des Antriebsdrehmoments durch. Es wäre daher wünschenswert, wenn eine Vorrichtung
zur Verhinderung des Aufstellens der eingangs beschriebenen Tandemachse
unabhängig
von der Art des Antriebsmotors wäre.
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Aus
der
DE 41 25 603 A1 ist
ein Fahrzeug mit einem Tandemfahrwerk bekannt, bei dem die Lastverteilung
auf die Räder
steuerbar ist. Das Tandemfahrwerk hat eine Antriebsachse, die endseitig
je eine Tandemschwinge trägt,
an der je zwei Antriebsräder
hintereinander angeordnet gelagert sind. Um ein gesteuertes Verschwenken
der Tandemschwingen zu ermöglichen,
sind die Tandemschwingen jeweils mit einem doppelt wirkenden hydraulischen
Arbeitszylinder gelenkig mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbunden.
Außerdem
sind an dem Tandemfahrwerk mindestens zwei Messwertgeber angeordnet,
mittels derer eine Steuervorrichtung die jeweiligen Radlasten auf
den Antriebsrädern
bestimmt und diese mit jeweils vorgegebenen Sollwerten vergleicht
und demgemäß die Beaufschlagung
der Arbeitszylinder steuert.
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Demgegenüber ist
es die Aufgabe der Erfindung, eine besonders einfache Vorrichtung
zur Verhinderung des Aufstellens einer Tandemachse verfügbar zu
machen, die keine Messwertgeber zur Ermittlung der jeweiligen Radlasten
auf den Antriebsrädern
erfordert.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Ausgestaltungen sind den
Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Der
wesentliche Vorteil besteht darin, daß eine Vorrichtung verfügbar wird,
die sich für
beliebige Antriebsarten eignet, ohne daß der bisher bekannte Aufbau
von Tandemachsen geändert
zu werden braucht. Es werden lediglich zusätzliche Elemente hinzugefügt, was
auch nachträglich
geschehen kann.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele,
die schematisch in der Zeichnung zusammengefasst sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht auf eine Tandemachse mit einem Radpaar
sowie einem eingezeichneten Blockschaltbild und
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2 eine
schematische Draufsicht auf eine Tandemachse gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das
im einzelnen nicht dargestellte Fahrzeug, das eine Baumaschine oder
Forstmaschine oder eine andere Arbeitsmaschine sein kann, weist
einen Fahrzeugrahmen 10 auf. Das Antriebsmoment wird über eine Welle 12 von
einem beliebigen Antriebsaggregat, für welches in 2 schematisch
nur ein Block 14 repräsentativ
eingezeichnet ist, geliefert. So kann die Welle 12 beispielsweise
direkt über
einen herkömmlichen
Drehmomentenwandler oder über
eine Kupplung und Getriebe mit einer Brennkraftmaschine verbunden
sein. Das Antriebsmoment kann aber auch von einem Elektromotor oder,
was die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, von einem Hydromotor stammen. Deswegen
wird im folgenden von der detaillierten Beschreibung der anderen
genannten Antriebsmöglichkeiten
abgesehen und das Antriebsaggregat 14 als Hydromotor in
Betracht gezogen. Hierbei kann es sich um einen Axialkolbenmotor,
beispielsweise einen Schrägscheibenmotor
mit konstanter Schluckmenge, handeln. Deshalb ist in 2 eine Ölzuführungsleitung 16 und eine Ölableitungsleitung 18 eingezeichnet.
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Selbstverständlich kann
es sich bei dem Hydromotor auch um einen Taumelscheibenmotor mit
verstellbarer Schluckmenge, d.h. mit schwenkbarer Taumelscheibe,
handeln. Deswegen ist in 2 auch schematisch eine Steuerleitung 20 für die Steuerung
des Winkels der Taumelscheibe eingezeichnet.
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Die
Welle 12 geht in ein übliches
Differentialgetriebe 22 über, welches das Drehmoment
in die beiden Seiten einer Tandemachsenantriebswelle 24 verteilt.
Die Welle 24 hat eine Mittelachse 26. Ein Achsgehäuse 28 ist
einerseits in üblicher
Weise im Fahrzeugrahmen 10 aufgehängt, und trägt andererseits an seinem äußeren offenen
Ende eine um die Mittelachse 26 schwenkbare Gehäusewippe 30,
in welche die Antriebswelle 24 hineinragt. Auf der Antriebswelle 24 sitzen
Transmissionsräder 32,
welche das eingeleitete Drehmoment innerhalb der Gehäusewippe 30 über eine
geeignete mechanische Verbindung und entsprechende Triebräder 34 leiten.
Im in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist ein Riemen- oder
Kettentrieb 36 schema tisch eingezeichnet. Es kann statt
eines Kettentriebs auch ein Zahnradgetriebe vorgesehen werden, um
das Drehmoment über die
Triebräder 34 auf
Antriebsräder 38 zu übertragen.
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Wie
eingangs dargelegt, ist es die Aufgabe der Erfindung, die ständige Bodenhaftung
der Antriebsräder 38 im
ungünstigen
Gelände
und bei hohen Zugkräften
ständig
sicherzustellen. Hierbei kann es durch die hohen Antriebskräfte selbst
bei glattem Untergrund zu Aufstelleffekten kommen. Die Gehäusewippe 30 ist
um die erwähnte
Achse 26 auf- und abschwenkbar und bei einer im vorliegenden
Beispiel angenommenen Vorwärtsfahrtrichtung
im Sinne des Pfeiles 40 bringen die Antriebsräder 38 im
Abstand l je eine Vortriebskraft S1 bzw.
S2 auf den Untergrund auf. Die Vortriebskräfte S1, S2 resultieren
aus einem Antriebsmoment in den Antriebsrädern 38 mit dem Radius
r. Sie haben gleich große
Gegenkräfte,
die von außen
auf das Fahrzeug in entgegengesetzter Richtung aufgebracht werden.
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Bei
einer angetriebenen Tandemachse der vorliegenden Art, wie sie beispielsweise
bei Forstmaschinen oder Baumaschinen wie einem Straßenhobel
bzw. Grader Verwendung finden, entstehen deshalb nicht nur in unwegsamem
Gelände
oder beim Auftreffen auf Hindernisse, sondern durch die hohen Gegenkräfte von S1 bzw. S2 auch schon
im ebenen, glatten Gelände
Kräfte,
die ein Aufstellen bewirken können.
Bedingt durch die hohe Bodenfreiheit und dadurch wiederum bedingt
durch einen großen
Abstand h zwischen der Mittelachse 26 und dem Boden, erzeugen
diese Gegenkräfte
ein Aufrichtmoment um die Mittelachse 26, das zu ungleichen
Radlasten der beiden Räder 38 führt. Dieses
Aufrichtmoment kann wegen der verhältnismäßig großen Schubkräfte und ungünstiger Innenübersetzung
der Tandemachse in Verbindung mit einer ungünstigen geometrischen Situation
zu einer vollständigen
Entlastung eines der beiden Räder 38 führen. Die
Folge ist die Erhöhung
des Bodendruckes, Mehrbelastung eines der Räder und ein Entlasten oder
Abheben des anderen Rades.
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Um
diesem Nachteil mit einfachen Mitteln gemäß der vorliegenden Erfindung
entgegenzuwirken, werden, wie nachstehend im Detail beschrieben
werden wird, hydraulische und/oder elektrische Steuermittel eingesetzt,
damit gegen das Aufrichten eine Gegenkraft erzeugt wird. Im vorliegenden
Beispiel wird hierfür
eine Einheit aus Hydraulikzylinder 42 und Kolben 44 im
Zylinder 42 verwendet. Der Zylinder 42 ist im
vorliegenden Beispiel mittels eines Gelenks 46 am Rahmen 10 festgelegt.
Der Kolben 44 ist mit seiner Kolbenstange 48 und einem
Gelenk 50 an der Gehäusewippe 30 so
angeordnet, daß ein
Abstand a für
einen Hebelarm gegenüber der
Mittelachse 26 sorgt. Wird der Kolben 44 über eine
Leitung 52 mit einem Druckmedium beaufschlagt, drängt der
Kolben 44 über
die Kolbenstange 48 und das Gelenk 50 die Gehäusewippe 30 in
der Darstellung von 1 nach unten und damit auch
das rechte Rad 38 gegen den Boden.
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Wird
hingegen der Kolben 44 über
eine Leitung 54 mit einem Druckmedium beaufschlagt, wird
die Gehäusewippe 30 in 1 und
damit das linke Rad 38 auf der anderen Seite nach unten
gedrückt.
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Anstelle
des doppelbeaufschlagten Kolbens 44 in einem Zylinder 42 können auch
zwei Hydraulikzylinder auf beiden Seiten der Mittelachse 26 angebracht
und nur einseitig beaufschlagt werden, wobei mit einer entsprechenden
Ventilsteuerung der inaktive Zylinder den aktiven Zylinder freigibt,
d.h. in seiner Bewegung nicht behindert.
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Im
zeichnerisch dargestellten Beispiel wird zunächst davon ausgegangen, daß je nach
Fahrtrichtung, d.h. entweder bei einer angenommenen Vorwärtsfahrt
in Richtung des Pfeils 40 oder bei einer angenommenen Rückwärtsfahrt
gegen den Pfeil 40, einem Aufstellmoment, das aus einer
resultierenden Kraft aus der Summe der Gegenkräfte von S1 und
S2 mit dem Hebelarm 1/2 um die Mittelachse 26 resultiert,
ein gleichbleibendes Gegenmoment durch Beaufschlagung des Kolbens 44 von
oben oder unten entgegengesetzt wird. Die Kraft, welche die Zylinderkolben einheit 42, 44 in
Richtung der Achse dieser Einheit entfaltet, hat einen Hebelarm
a, der dem Abstand der Aufhängung
der Zylinderkolbeneinheit 42, 44 zur Mittelachse 26 entspricht.
Hierfür
wird angenommen, daß je
nach Fahrtrichtung ein Öldruck
auf das Antriebsaggregat 14 entweder über die Leitung 16 zu- und über die
Leitung 18 abgeführt
wird, oder bei entsprechender Umkehr der Fahrtrichtung die Zuführung über die
Leitung 18 und die Ableitung über die Leitung 16 erfolgt.
Deswegen sei zunächst
angenommen, daß das
Antriebsaggregat 14a in 1 ein oben
beschriebener Hydromotor 14a mit den gestrichelt eingezeichneten
Druckleitungen 16 bzw. 18 ist. Demzufolge erhält bei angenommener
Vorwärtsfahrt
der Hydromotor 14a seinen hydraulischen Druck über die
Leitung 16 und ist abseitig über die Leitung 18 verbunden.
Proportional zu dem Druck in der Zuführungsleitung 16 erhält der Kolben 44 einen
Druck über
die Leitung 52, während
in der Leitung 54 zur Leitung 18 proportionale
Druckverhältnisse
herrschen.
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Bei
Fahrtumkehr ist der Arbeitsdruck auf den Kolben 44 über die
Leitung 54 proportional zum Druck in der Leitung 18 und
umgekehrt.
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Hierbei
erhält
der Kolben 44 in der Darstellung von unten wegen der um
den Durchmesser D2 der Kolbenstange 48 geringeren
Wirkungsfläche
den vollen, d.h. 100 %igen proportionalen Druck, während die
oberhalb des Kolbens 44 vorhandene größere Wirkfläche entsprechend des Durchmessers
D1 einen stets verminderten proportionalen
Druck über
die Leitung 52 durch Zwischenschaltung eines Druckminderventils 56 erhält. Das
Druckminderventil 56 mindert den Druck in dem Verhältnis der
beiden am Kolben 44 zur Verfügung stehenden Flächen, welche
jeweils vom Durchmesser D1 im oberen Raum
des Zylinders 42 und D1 – D2 im unteren Raum des Zylinders 42 unterhalb
des Kolbens 44 bestimmt werden.
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Um
die vorstehende Erläuterung
zu verdeutlichen, sei folgendes Zahlenbeispiel genannt. Hierbei
wird von folgenden Annahmen ausgegangen. Geometrische
Abmessungen:
Abstand
l | =
1500 mm |
Höhe h | =
840 mm |
Raddurchmesser
r | =
640 mm |
Abstand
a | =
316 mm |
Durchmesser
D1 | =
50 mm entsprechend einer Kolbenfläche von 19,63 cm2 |
Durchmesser
D2 | =
25 mm entsprechend einer Kolbenfläche von 14,7 cm2 |
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Die Übersetzung
in der Gehäusewippe 30 zwischen
der Antriebswelle 24 und den Triebrädern 34 kann mit i
= 10 angenommen werden.
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Ferner
könnten
folgende Zahlen angenommen werden:
Für die
Radlast = 4000 daN
= FR
Schubkraft = 2000 daN = S1 + S2
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Das
von der Antriebswelle
24 aufzubringende Moment ist
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Antriebsmoment:
MA = (S1 +
S2)·h – Mtw1
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Der
Druck für
die Erzeugung von Mtw1 sei 250 bar.
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Bei
100% Ausgleich gilt:
oder der geminderte Druck
beträgt
187 bar.
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Das
Druckminderventil
56 kann ein druckgesteuertes Druckminderventil
sein, so daß es
den Gegendruck gegen ein Aufstellmoment proportional dem Antriebsmoment
erzeugt. Hierbei wird, gleichgültig
ob eine Vorwärts-
oder Rückwärtsfahrt
erfolgt, in dem zeichnerisch dargestellten Beispiel mit einem Zylinder
42 dieses Verhältnis der
Druckverteilung beibehalten. Im obigen Zahlenbeispiel ist das Verhältnis der
Druckbeaufschlagung auf den Durchmesser D
1 des
Kolbens
44 um den Faktor 0,748 geringer als die Druckbeaufschlagung
auf den Kolben
44 auf der Seite des verminderten Durchmessers
D
1 – D
2. Bei 250 bar und 100 %igem Ausgleich ist
der Wirkabstand auf
zu erhöhen, d.h. im obigen Zahlenbeispiel
auf a = 422 mm.
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Statt,
wie in 1 dargestellt ist, ein Druckminderventil in den
einen Abzweigweg 52 einzufügen, können auch bei Beibehaltung
des obigen Verhältnisses
druckabhängig
gesteuerte Druckminderventile in beide Wege, d.h. sowohl in die
Leitung 52 als auch in die Leitung 54, eingebaut
werden. Je nach Änderung
des Steuerdrucks, beispielsweise nach Änderung in der Steuerleitung 20,
würden
dann beide Druckminderventile im gleichen Verhältnis zueinander, aber mit
variablen Druckverhältnissen,
auf den Kolben 44 einwirken, so daß das mit der Einheit aus Zylinder 42 und
Kolben 44 aufgebaute Gegenmoment abhängig von den Druckverhältnissen
im Antrieb ist.
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Bei
Einsatz von Hydromotoren mit variablem Schluckvolumen kann dem gleichen
Betriebsdruck ein Drehmoment entsprechen, das etwa auf 1/4 gemindert
ist. Hierbei würde
bei sonst unveränderlichen
Abmessungen und unveränderten Übersetzungen
das Kompensationsmoment zu groß werden.
Um dies zu verhindern, wird das Druckminderventil 56 bzw.
ein Paar von zwei Druckminderventilen mit einer variablen Einstellung
ausgeführt
und die Einstellung wird gesteuert vom Verstelldruck des Hydromotors,
der beispielsweise in der Steuerleitung 20 herrscht.
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Es
ist auch möglich,
die Anpassung von einem elektrischen Steuerstrom abzuleiten, wenn
die Beeinflussung in der Steuerleitung 20 durch Steuerelemente
erfolgt, die ein proportionales elektrisches Signal erzeugen oder
zur Verfügung
haben müssen.
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Eine
weitere Abwandlung der vorliegenden Erfindung ist dadurch möglich, daß ein elektrisches
Steuersignal unmittelbar an der Gehäusewippe erzeugt wird. Bei
entsprechender Dimensionierung kann die Oberflächenspannung auf der Gehäusewippe 30 mit
Hilfe eines Dehnmeßstreifens 58 gemessen
werden und das daraus resultierende elektrische Signal wird über eine
Leitung 60 einem elektromagnetischem Verstellmechanismus 62 zugeführt, der
dann in dem einen oder den mehreren Druckminderventil(en) die entsprechende
Verstellung je nach Größe des elektrischen
Signals im Dehnmeßstreifen 58 regelt.
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Ist
zwischen einem Hydromotor und der Tandemachse noch ein mechanisches
Schaltgetriebe angeordnet, so ist durch entsprechende Signalgebung,
mit welcher die unterschiedlichen Gänge eingeschaltet werden, das
Druckminderventil 56 so regelbar, daß z.B. ein nochmals reduziertes
Moment des Hydromotors auf die Tandemachse proportional angepaßt werden
kann. Weitere Abwandlungen der vorliegenden grundsätzlichen
Idee sind im Rahmen des hier Offenbarten denkbar und möglich.