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Antrieb; insbesondere für Linienomnibusse
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Es ist bekannt, den Verbrennungsmotor-Antrieb eines Linienomnibusses
mit einem hydrostatischen oder mechanischen Energiespeicher zu verbinden, um die
beim Bremsen auftretende Energie aufzunehmen und bei anschliessender Beschleunigung
wieder einzusetzen. Dadurch ist es möglich, mit einem kleineren Motor auszukommen,
der weniger Schadstoffe entwickelt und Brennstoff einspart. Bisher bekannte Regenerativ-Lösungen
benötigen zum Ein- und Ausschalten besondere, vom Fahrer zu bedienende Betätigungsorgane.
Weder die Zuschaltung in der Verzögerungs- noch in der Beschleunigungsphase erfolgt
automatisch.
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Weiterhin ist bekannt, die Bremsen von Omnibussen über Antiblockierregler,
welche bei ungünstigen Fahrbahnverhältnissen ein Blockieren der Räder verhindern,
zu steuern, um eine ausreichende Bremswirkung zu ermöglichen und eine Seitenführung
der Räder zum Verhindern des Schleuderns und zur Erhaltung der Lenkbarkeit des Fahrzeugs
zu gewährlei-sten. Die Blockierregler, welche die Umfangsverzögerung bzw. -beschleunigung
als alleinige Regelgrösse verwerten, sind bei nicht angetriebenen Rädern wirkungsvoll,
falls die Iiysterese der verwendeten Bremse klein ist. Bei angetriebenen Rädern
sind die bisher angewendeten Antiblockierregelungen ungenügend, weil durch die mit
den Rädern verbundenen Drehmassen des Antriebs eine Blockierregelung mit dem Radschlupf
als Regelgrösse notwendig list, die bei Erreichung einer festen Radschlupfschwelle
einsetzt.
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Der Radschlupf mit optimalem Kraftschlussbeiwert schwankt aber je
nach Reifenbauart und Fahrbahnbeschaffenheit. Bremsregler,
die bei
festen Schlupfschwellen einsetzen, sind daher nicht in der Lage, stets den höchsten
Kraftschlussbeiwertaus zunutzen.
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Die Zielsetzung vorliegender Erfindung besteht darin, einen bezüglich
Nutzung der Energie wie des Kraftschlusses zwischen Rädern und Fahrbahn optimal
gestalteten Antrieb für ein Fahrzeug zu schaffen, welcher ausschliesslich mit Lenkrad,
Gas-und Bremspedal bedient wird, damit sich der Fahrer ganz auf das Verkehrsgeschehen
konzentrieren kann.
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Demgemäss besteht die Erfindung in der Vereinigung folgender Merkmale:
a) der Verbrennungsmotor- sowie der mit einer oder mehreren Schwungmassen ausgerüstete
Regenerativantrieb sind dadurch zusammengefasst, dass das mit dem Verbrennungsmotor
über den automatisch geschalteten Drehmomentwandler in Verbindung stehende Eingangsritzel
der Hauptantriebsachse über eine Kupplung und ein stufenloses Getriebe mit dem Regenerativantrieb
verbunden ist b) die Elauptantriebsachse weist zwischen Differential und Rädern
Planetenvorgelegegetriebe auf, welche jeweils ein durch eine zu- und abschaltbare
Bremse gehaltenes Getriebeglied besitzen c) die Steuerung des Antriebs zum Beschleunigen
und Verzögern erfolgt ausschliesslich über ein Gas- und ein Bremspedal mit Hilfe
eines Mikroprozessors, welcher folgende Betricbszustände herstellt:
1)
zum Beschleunigen wird durch Betätigung des Gaspedals über den Mikroprozessor die
Kupplung des Regenerativantriebs geschlossen und dessen stufenloses Getriebe in
seiner Uebersetzung derart gesteuert, dass die nach einem dem Mikroprozessor eingegebenen
Kennfeld zusammen mit der Motorantriebsleistung vom Schwungradspeicher abgegebene
Leistung die durch die Stellung des Gaspedals gewünschte Beschleunigung des Fahrzeugs
erzeugt, wobei die Kupplung des Regenerativantriebs bei einer bestimmten unteren
Drehzahl der Schwungmassen über den Mikroprozessor wieder geöffnet wird 2) zum Verzögern
wird durch Betätigen des Bremspedals über den Mikroprozessor die Kupplung des in
seiner Uebersetzung ständig der Drehzahl des Achsantriebs angepassten Regenerativantriebs
geschlossen und dessen stufenloses Getriebe in der Uebersetzung entsprechend der
Bremspedalstellung oder des Bremsleitungsdruckes derart gesteuert, dass die eingestellte
Bremswirkung an den Rädern auf die Fahrbahn übertragen wird, wobei bei Erreichen
eines vorgegebenen Bremsleitungsdruckes und einer vorgegebenen oberen Drehzahl der
Schwungmassen sowie einer vorgegebenen Bremsschlupfschwelle eines der Fahrzeugräder
die Kupplung des Regenerativantriebs über den Mikroprozessor wieder geöffnet wird
3) bei Vollbremsungen wird bei Ueberschreiten einer vorgegebenen Betätigungsgeschwindigkeit
des Bremspedals oder eines vorgegebenen Druckgradienten im Bremsbetätigungssystem
sowohl die Kupplung des Regenerativantriebs als auch die Vorgelegebremsen der Radantriebe
über den Mikroprozessor gelöst
d) die Fahrzeugräder sind blockiergeregelt,
wobei die Bremsdruckregulierung in den Radbremsen ei Bremsungen mit grösserer als
vorgegebener Betäti-gungsgeschwindigkeit des Bremspedals über den Mikroprozessor
unter Verwendung der Radumfangsverzögerung bzw. -beschleunigung als Regelgrösse
und bei Normalbremsungen unter Verwendung der Radumfangsverzögerung bzw. -beschleunigung
und des ermittelten Radschlupfes oder schlupfähnlicher Grössen als Regelgrösse vorgenommen
wird.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Antrieb als Allradantrieb
mit einer Haupt- und einer direkt oder über ein Verteilerdifferential angetriebenen
Nebenantriebsachse ausgebildet, wobei Haupt- und Nebenantriebsachsen mit ausschaltbaren
Radantrieben ausgerüstet sind.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt bei Allradantrieb die
Aufteilung der Antriebskräfte auf die Räder der beiden Fahrzeugseiten in der Hauptantriebsachse.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird jeder Radantrteb der Nebenantriebsachse
eingeschaltet, sobald der Drehzahlfühler des Rades der Hauptantriebsachse der betreffenden
Antriebsseite einen bestimmten Drehzahlunterschied meldet.
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In noch weiterer Ausbildung der Erfindung wird die Nebenantriebsachse
von der Hauptantriebsachse mit oder ohne Verteilerdifferential in Verbindung mit
einer Viskosekupplung angetrieben, bzw. sind bei Aufteilung der Antriebskräfte auf
die Räder der beiden Fahrzeugseiten die Räder der Nebena1ltriebsachse über je eine
Viskosekupplung mit der betreffenden Antriebsseite der Hauptantriebsachse verbunden.
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Der Aufbau und die Funktion eines Gegenstandes der Erfindung soll
nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Als Beispiel ist der
Antrieb eines Linienomnibusses gewählt, dessen Antrieb in Fig. 1 und 2, in unterschiedlichen
Masstäben im Schnitt parallel zur Fahrbahn und in Fig. 3 und 4 in der Ansicht entgegengesetzt
zur Fahrtrichtung veranschaulicht. In Fig. 5 ist in einem Querschnitt der Antrieb
der Vorderräder wiedergegeben, bei dem automatisch auf Schlupf ansprechende Viskosekupplungen
Verwendung finden.
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In den Abbildungen Fig. 1 und 2, von denen Fig. 1 den Hauptachs- und
Fig. 2 den Nebenachsantrieb darstellt, sind die Vorderräder mit 1 und 2 und die
doppelt bereiften Hinterräder mit 3 und 4 gekennzeichnet. Der Dieselmotor 5 treibt
über den Drehmomentwandler 6 mit Gelenkwelle 7 das im fiinterachsantriebsgehäuse
8 gelagerte Kegel ritzel 91 an, das mit dem Kegelrad 10 verbunden ist, in welches
das Ritzel 11 des aus Schwungradspeicher 15, hydrostatischem Getriebe 14 und Kuppelgetriebe
13 mit Gelenkwelle 12 zusammengesetzten Regenerativantriebs eingreift. Das Kegelritzel
9 kämmt mit dem Tellerrad 9 und treibt über das Differential 16 die Planetenradvorgelege
17 und 18 an. Deren auf die Sonnenräder wirkenden Lamellenbremsen 171 und 181 sind
normalerweise durch die Tellerfedern 172 und 182 geschlossen. Ihr Drehmoment wird
über die Antriebsgelenkwellen 21 und 22 in die Räder 3 und 4 geleitet. Anoden Flanschen
der Gelenkwellen sind die umlaufenden, verrippten Gehäuse der Vallbelagscheibenbremsen
231 und 232 befestigt. Die Antriebsglocken 174 und 184 sind mit Kegelrädern ausgerüstet,
welche mit den Kegelrädern 241 und 242 zum Antrieb der Vorderräder kämmen.
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Die in Fig. 2 wiedergegebene Nebenantriebswelle wird durch die beiden
Gelenkwellen 25 und 26 von der Hauptantriebswelle aus angetrieben, wenn die in der
llauptantriebsachseangeordneten Drehzahl fühler 19 und 20 gegenüber den in der Nebenantriebsachse
untergebrachten Fühlern 35 und 3() einen bestimmten Schlupf zwischen beiden Achsen
melden. In diesem lall sind die Vorgelegebremsen 311 und 321 der im übrigen ebenso
wie die Planetenvorgelege der Hauptantriebswelle ausgebildeten Vorgelege geschlossen.
Die eingeleiteten Antriebskräfte werden von den Kegelrädern 29 und 30 auf die Kegelräder
der Glocken 312 und 322,über die Vorgelege 31 und 32 und die Gelenkwellen 37 und
38 auf die Räder 1 und 2 übertragen. Bei annähernder Drehzahlgleichheit ist der
Antrieb auf die Vorderräder durch Oeffnen der Bremsen 311 und 321 ausgeschaltet.
Für die Kursfahrt bei normalen Strassenverhältnissen erfolgt demnach in der Beschleunigungsphase
der Fahrzeugantrieb durch Motor und Schwungmasse allein über die Hinterachse. Dadurch
steht der Radkraftschluss an der Vorderachse ausschliesslich für die Seitenführung
der Räder zur Verfügung.
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Bei schlechten Strassenverhältnissen, beispielsweise bei Glatteis,
kann der Fall eintreten, dass das Hinterrad einerSeite in der Beschleunigungsphasc
durchdreht. Dann wird die Information der genannten Drehzahlfühler an den Prozessor
weitergeleitet, der die Vorgelegebremse der betreffenden Antriebsseite der Nebenantriebsachse
schliesst, so dass der Antrieb auf der gleichen Antriebsseite auf das Vorderrad
übertragen wird und ein Ausbrechen des Fahrzeugs ohne Unterbrechung des Antriebs
vermieden wird.
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Damit das hydrostatische Getriebe 14, bestehend aus Hydraulikmotor
und -pumpe, stets in dem Uebersetzungszustand gehalten wird, welcher ein schlupffreies
Schliessen der Bremse des
Kuppelgetriebes 13 gewährleistet und
somit ruck- und stossfreie Uebergänge zwischen den verschiedenen Fahrzuständen (Konstantfahrt,
Beschleunigungsfahrt, Verzögerungsfahrt) erzielt werden können, sind unmittelbar
vor dem Kuppelgetriebe und nach dem hydrostatischen Getriebe Drehzahlfühler sowie
ein die eingestellte Uebersetzung des stufenlos verstellbaren Hydrostatikgetriebes
aufnehmender Sensor vorgesehen. Diese Sensoren geben Informationen, welche im Mikroprozessor
zu Verstellkommandos für das Hydrostatikgetriebe verarbeitet werden.
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Die Uebersetzungsänderung kann beispielsweise in bekannter Weise erfolgen
durch Verstellung des Hydraulikpumpen- und Hydraulikmotorschwenkwinkels über federbelastete,
druckluftbeaufschlagte Stellzylinder und elektromagnetische Steuerventile, die vom
Mikroprozessor geschaltet werden.
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Soll das Fahrzeug beschleunigt werden, wird dies dem Mikroprozessor
über einen Sensor, der die Drehzahl der Ausgangswe-lle des Getriebes 6 feststellt,
zusammen mit einem die Gaspedalstellung aufnehmenden Sensor mitgeteilt. Der Mikroprozessor
verarbeitet diese Signale, schliesst die Bremse des Kuppelgetriebes 13 durch Betätigen
des der Bremse zugeordneten Magnetventils und ändert entsprechend dem Gaspedalhub
und dem ihm eingegebenen Kennfeld die Uebersetzung des Hydrostatikgetriebes 14 auf
zunehmend grössere Werte durch Schalten der Steuerventile zur Verstellung der Schwenkwinkel
von Hydraulikmotor und -pumpe. Dadurch wird gemäss dem in dem Mikroprozessor eingegebenen
Kennfeld und.der Gaspedalstellung die Schwungmasse 15 verzögert und das Fahrzeug
beschleunigt.
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Bei Konstantfahrt, die der Mikroprozessor aufgrund der Drehzahlinformationen
von der Ausgangswelle das Getriebes 6 erkennt (Beschleunigung annähernd null) veranlasst
er das Lösen der Bremse des Kuppelgetriebes 13 und trennt den Schwungradspeicher
vom-
Antriebsstrang. Durch die Informationen der Drehzahlsensoren unmittelbar vor dem
Kuppgelgetriebe 13 und nach dem-Hydrostatikgetriebe 14 sorgt der Mikroprozessor
dafür, dass das Hyirostatikgetriebe diejenige Uebersetzung aufweist, um die Kuppelgetriebebremse
jederzeit schlupffrei schliessen zu können.
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Bei Bremsungen, die dem Mikroprozessor über einen Weg- und Geschwindigkeitsaufnehmer
am Bremspedal oder einen Druckgeber im Bremsbetätigungssystem der Radbremsen mitgeteilt
werden, betätigt dieser über das zugeordnete Magnetventil die Bremse des Kuppelgetriebes
13 und verbindet die Schwungmasse 15 mit den Rädern der Hauptantriebsachse. Es kann
vorgesehen werden, dass der Mikroprozessor bei Bremspedalbetätigung auch die Vorgelegebremsen
311, 321 der Radantriebe der Nebenatriebsachse schliesst, damit die Bremswirkung
an allen Fahrzeugrädern erzielt wird. Mit zunehmendem Bremspedalhub oder steigendem
Bremsdruck im Betätigungssystem verkleinert der Mikroprozessor die Uebersetzung
des Hydrostatikgetriebes 14, wodurch die Bremsenergie zur Drehzahlerhöhung der Schwungmassen
15 ausgenutzt wird.
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Da die Leistungsaufnahme der Schwungmassen begrenzt ist, ist im Betätigungssystem
der Radbremsen ein Druckventil vorgesehen, welches bei einem bestimmten Systemdruck
öffnet und den Mikroprozessor veranlasst, durch Lösen der Bremse des Kuppelgetriebes
13 die Schwungmassen vom Antrieb zu trennen. Gleichzeitig werden über das geöffnete
Druckventil die Radbremsen betätigt.
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I)ie Schwungmassen werden auch vom Antriebsstrang getrennt, sobald
sie die Maximaldrehzahl erreicht haben, was dem Mikroprozessor durch den zugeordneten
Drehzahlsensor mitgeteilt wird.
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Tritt bei einer nur über die Schwungmassen erzielten Fahrzeugabbremsung
Blockierneigung eines Rades auf, wie dies beispielsweise bei Bremsungen auf Glatteis
vorkommen kann, erkennt dies
der Mikroprozessor aufgrund der gemeldeten
Drehzahlen des entsprechenden Raddrehzahlsensors 19, 20, 35, 36 und trennt die Schwungmassen
vom Antriebsstrang. Gleichzeitig betätigt er ein Ventil im Betätigungssystem der
Radbremsen, womit der anstehende Druck in die Radbremsen geleitet wird.
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Bewirkt der nun vom Fahrer eingesteuerte Druck immer noch eine Blockierneigung,
so übernimmt der Mikroprozessor die Blockierregelung in bekannter Weise durch Schalten
der den Radbremsen zugeordneten Ventile mit dem Radschlupf und der Radumfangsverzögerung
als Regelgrössen.
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Betätigt der Fahrer bei einer Vollbremsung das Bremspedal mit einer
grösseren als der vorgegebenen Geschwindigkeit, was dem Mikroprozessor durch einen
auf das Bremspedalgestänge wirkenden, dessen Geschwindigkeit aufnehmenden Sensor
mitgeteilt wird, so veranlasst der Mikroprozessor die Schaltung der den Bremsen
des Kuppelgetriebes 13 und der Planetenradvorgelege 17, 18 der Hauptantriebsachse
zugeordneten Magnetventile augenblicklich in die die Bremsen lösende Stellung. Dadurch
sind die Räder 3 und 4 der Hauptantriebsachse sowie die Schwungmasse 15 vom Antriebsstrang
getrennt. Wird im weiteren Verlauf der Bremsung eine Blockierregelung notwendig,
so kann diese ohne den Nachteil der normalerweise an den Rädern der Hauptantriebsachse
wirksamen grossen Trägheitsmomente erfolgen. Der Mikroprozessor weiss durch die
Informationen des die Betätigungsgeschwindigkeit des Bremspedals aufnehmenden Sensors
und eines ins Bremsbetätigungssystem gesetzten Druckschalters, dass sich das Fahrzeug
in gebremstem Zustand befindet und die Räder der Hauptantriebsachse antriebslos
sind, und reguliert den Bremsdruck der Radbremsen mit der Radumfangsverzögerung
bzw. -beschleunigung als Regelgrösse in bekannter Weise aufgrund von Informationen
der Raddrehzahlfühler 19, 20, 35, 36 durchUmscllalten der den Radbremsen zugeordneten
Ventile. Nach Beendigung der Bremsung löst der Fahrer das Bremspedal; der Druck
im Betätigungssystem der Radbremsen sinkt und der Druckschalter öffnet sich. Der
Mikroprozessor erhält diese Information
und veranlasst durch Umschalten
der Magnetventile die Schliessung der Vorgelegeschaltbremsen der Hauptantriebsachse
und somit die erneute Verbindung der Räder 3 und 4 mit dem Antriebsstrang.
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Um bei Fahrzeugstillstand ein Aufladen des Schwungradspeichers - wie
es beispielsweise nach langer Standzeit des Fahrzeugs notwendig wird-- durch den
Dieselmotor zu ermöglichen, kann der Fahrer über einen elektrischen Schalter den
Mikroprozessor veranlassen, die Bremse des Kuppelgetriebes 13 zu schliessen, d.h.
die Verbindung zwischen Schwungradspeicher und Dieselmotor bei geöffneten Vorgelegebremsen
der Radantriebe, herzustellen. Durch Betätigen des Gaspedals kann dann die gewünschte
Drehzahlsteigerung des Schwungrades vorgenommen werden. Ein Ueberdrehen, wie auch
ein Abfall unter eine bestimmte Drehzahlgrenze der Schwungscheiben 15, wird durch
einen die Schwungscheibendrehzahl aufnehmenden Sensor verhindert. Der Sensor meldet
die Drehzahl laufend dem Mikroprozessor, der bei Erreichen einer oberen und unteren
Grenzdrehzahl die Bremse des Kuppelgetriebes 13 durch Schalten des zugeordneten
Magnetventils in die bremslösende Stellung öffnet. Dem Fahrer wird der Ladezustand
des Schwungradspeichers vom Mikroprozessor über aufleuchtende Anzeigen am Armaturenbrett
mitgeteilt.
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In den Abbildungen Fig. 3 und 4 sind die Antriebe der Hinter-und Vorderräder
in der Ansicht dargestellt. Bei dem gewählten Omnibusbeispiel sind die Achsen in
der DeDion-Bauweise ausgeführt, sie könnten ebenso auch als Starrachsen mit integriertem,
unabgefedertem Antrieb oder mit Einzelradaufhängung ausgebildet werden, wobei letztere
sich bei Omnibussen, besonders Stadtomnibussen, offenbar wegen ihres für die Bewegungen
des FahrEastTaumes sehr tief liegenden Momentanzentrums nicht in dem erwarteten
Masse bewährt haben. Eine DeDion-Achse dürfte
den Forderungen-geringe
unabgefederte Massen sowie über der Fahrbahnebene liegendes Momentanzentrum- am
besten entsprechen. Beim gewählten Beispiel weisen die Achsen in den Rädern nach
unten versetzt angeordnete Uebersetzungsantriebe auf mit einem Glockenrad, in welches
das Antriebsmoment von einem Zentralrad über zwei axial bewegliche Ritzel in Leistungsverzweigung
übertragen wird. In Fig. 3 ist der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Hauptachsantrieb
8 der Hinterräder und in Fig. 4 der im Schnitt in Fig. 2 dargestellte Nebenachsantrieb
39 der Vorderräder jeweils in der Ansicht von vorn dargestellt.
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In Fig. 3 sind die Räder 3 mit ihrer Nabe auf dem Zapfen 401 der aus
zwei Rohren zusammengesetzten Achse gelagert. An der Nabe ist ein Glockenrad 42
befestigt, welches in einem mit der Achse verbundenen Gehäuse 44 untergebracht ist
und über ein Ritzel 43 und zwei nicht sichtbare Zwischenräder durch die Gelenkwelle
21 angetrieben wird. Das innere Gelenk sitzt in der Vollbelagscheibenbremse 23,
die mit übersetzter Geschwindigkeit umläuft und infolge der Bewegung im freien Luftstrom
eine gute Wärmeabfuhr aufweist. Die Rahmenlängsträger 45 umfassen die Räder und
tragen, wie Fig. 1 veranschaulicht, in Radebene über Luftfederbälge 46 die Achsbrücken
47, welche mit der Rohrachse verschweisst sind. Längs wird die Achse durch zwei
nicht dargestellte Lenker gehalten. Die Querkräfte übernimmt ein kohlefaserverstärktes
Kunststofffederblatt 48.
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Am Ausgang des Hauptachsantriebs sind zwei Trommeln 27 und 28 angeordnet,
zwischen denen die mechanisch betätigte Haltebremse 49 sitzt.
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Der Aufbau der Vorderachse entspricht dem der Hinterachse. Auch diese
Achse, deren Achsbrücken 50 von der aus zwei Rohren zusammengesetzten
Achse
51 getragen werden, stützt sich über zwei Luftfederbälge 52 an Rahmenquerträgern
ab. Der schwenkbare Achsschenkel 53 trägt auf seinem Zapfen 51 die Nabe 54, auf
der wie bei der Hinterachse der aus Glockenrad 55, Ritzel 56 bestehende Antrieb
sitzt. Wie aus den beiden Abbildungen Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, wird bei Anwendung
des vorgeschlagenen Antriebs eine Omnibusflurhöhe erreicht, welche erheblich tiefer
liegt als die heutiger Stadtomnibusse.
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In Fig. 5 ist ein Nebenachsantrieb im Schnitt dargestellt, bei dem
die Vorgelegeschaltbremsen durch Viskosekupplungen ersetzt sind, welche bei Auftreten
von Schlupf zwischen haupt- und Nebenachsantrieb einkuppeln und dadurch eine Antriebsverbindung
zwischen Vorder- und llinterachsantrieb herstellen. Ihre durch die beiden Gelenkwellen
25 und 26 eingeleiteten Antriebskräfte werden über die Kegelräder 56/58 und 57/59
auf die Naben 60 und 62 der Viskosekupplungen übertragen. Die Naben tragen die Innenlamellen
601 und 621, welche bei einem entsprechenden Schlupf über die Aussenlamellen 611
und 631 die Kupplungsglocken 61 und 63 und somit über die Gelenkwellen 37 und 38
die Räder 1 und 2 antreiben. Die Sensoren zur Blockierregulierung der Bremsen 33
und 34 bestehen aus den Drehzahl fühlern 641 und 651 sowie den mit den Kupplungsglocken
umlaufenden Rotoren 642 und 652.