DE10044955A1 - Geländetaugliches Nutzfahrzeug mit elektrischem Hilfsantrieb einer Achse - Google Patents
Geländetaugliches Nutzfahrzeug mit elektrischem Hilfsantrieb einer AchseInfo
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Abstract
Geländetaugliches Nutzfahrzeug, insbesondere Lastkraftwagen mit Dieselmotor und mit mindestens zwei Achsen, wobei mindestens ein Achsantrieb durch den Dieselmotor erfolgt und die mindestens eine weitere Achse nicht durch den Dieselmotor angetrieben ist und diese Achse zwei Außenseiten aufweist, die je Seite eine Radnabe zur Aufnahme je mindestens eines Rades hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (1) jeder Radnabe einen integrierten, elektrischen Antrieb (2) aufweist, der manuell per Schalter im Fahrerhaus oder automatisch durch Signale aus einem Fahrzeugrechner als Anfahrhilfe bis zu einer Grenzgeschwindigkeit von ca. 10 km/h zuschaltbar ist und die Antriebsverbindung zwischen den Rädern und der Achse (1) bei Überschreiten der Grenzgeschwindigkeit vorzugsweise durch einen Freilauf (8) getrennt wird.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Nutzfahrzeug, insbesondere von einem Last
kraftwagen mit mindestens einer permanent antreibbaren Achse und einem weite
ren zuschaltbaren oder permanenten Achsantrieb, z. B. den der Vorderachse,
gemäß der Gattung von Patentanspruch 1.
Geländegängige Nutzfahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen haben sehr unter
schiedliche Einsatzbedingungen und Einsatzorte.
Die schwersten Einsatzbedingungen und Einsatzorte dürften wohl die gelände
gängigen Militärlastkraftwagen haben. Aus der Sicht des Herstellers dieser Lkws
kann der Einsatzort eines solchen Fahrzeuges in sehr kalten Regionen mit Eis-
oder Schnee behaftetem Gelände oder in Sumpfgebieten oder in sehr bergigem
Gelände oder in der Wüste sein. Die genannten Fahrzeuge müssen auch im Ge
lände schnell sein und benötigen deshalb meistens einen permanenten Allradan
trieb, der in herkömmlicher Bauart mit Verteilergetriebe und Achsdifferenzial durch
nichts anderes ersetzbar ist.
Weiterhin gibt es Fahrzeuge für einen Abraumeinsatz im Tagebau, z. B. für
schwierigen Straßenbau in einem Gebirge. Auch für diese Fahrzeuge ist der her
kömmliche Allradantrieb durch nichts anderes ersetzbar.
Es gibt jedoch Einsatzbedingungen und Einsatzorte, wie z. B. einen Lieferer von
Baumaterial an oder in eine Baustelle in einer relativ ebenen Gegend, wobei an
der Baustelle moderne Geräte, wie Radlader oder ein geeigneter Kran vorhanden
ist und die Zufahrtswege zur Baustelle zumindest mit Kies belegt sind. Mit Kran
und Radlader sind Zulieferteile in entsprechende Positionen der Baustelle oder in
eine Vorratslagerposition bringbar, ohne dass der Lkw besonders schweres Ge
lände befahren muss.
Das besagte gilt analog auch für den modernen Straßenbau.
Lastkraftwagen mit solchen Einsätzen haben aber auch zuschaltbaren oder per
manenten Allradantrieb oder mindestens einen zusätzlich schaltbaren Antrieb an
der Vorderachse, was ein Verteilergetriebe und ein Differenzialgetriebe an z. B.
der Vorderachse erfordert. Diese Lastkraftwagen sind somit "über ausgerüstet" für
diese Einsatzfälle, weil sie mehr können als verlangt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Nutzfahrzeug, das
im Gelände einsetzbar sein muss, einen Achsantrieb für eine weitere Achse, z. B.
für eine Achse mit lenkbaren Rädern, zu schaffen, der in einem niedrigen Ge
schwindigkeitsbereich als Anfahrhilfe wirkt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von
Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass eine Traktionshilfe bei den meisten im Gelände eingesetzten
Nutzfahrzeugen, insbesondere Lkws, nur bei niedriger Geschwindigkeit benötigt
wird, ist der elektrische Hilfsantrieb, der eine Traktionshilfe bis ca. 10 km/h liefern
kann, ausreichend. Für solche Einsatzbedingungen baut ein elektrischer Hilfsan
trieb vergleichsweise klein, weil leicht bauende Elektromotoren verwendet werden
können, welche durch große Getriebeübersetzungen den Rädern z. B. einer zu
sätzlich anzutreibenden Achse relativ hohe Drehmomente liefern können. Bedingt
durch die klein bauenden Elektromotoren ergibt sich eine sehr platzsparende An
ordnung, darüber hinaus sind solche Elektromotoren vergleichsweise kostengüns
tig.
Dadurch benötigt man kein Verteilergetriebe und kein Achsdifferenzial mehr. Auch
der Treibstoffverbrauch des Fahrzeuges mit dem Erfindungsgegenstand ist we
sentlich geringer, als bei herkömmlicher Bauart.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Er
findung möglich.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme ist jedem Rad der Vor
derachse ein eigener, vorzugsweise im wesentlichen vollständig in einen Innen
raum einer Radnabe integrierter Elektroantrieb zugeordnet, welcher einen
Elektromotor, ein Getriebe und den Freilauf umfasst. Der Elektromotor ist als
schmal bauender DC-Scheibenläufermotor ausgebildet, welcher gegenüber einer
Stirnfläche des freien Endes eines Achsschenkels der Vorderachse koaxial befes
tigt ist. Dem Scheibenläufermotor und der Stirnfläche des freien Endes des Achs
schenkels ist ein hoch übersetzendes Getriebe zwischengeordnet, welches ein
gangsseitig mit einer Welle des Scheibenläufermotors und ausgangsseitig mit der
Radnabe verbunden ist.
Beim Getriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Harmonic-Drive-Getriebe, mit
einem starren zylindrischen Ring mit Innenverzahnung (Circular Spline), einer ra
dial elastischen zylindrischen Büchse mit Außenverzahnung (Flex Spline) und mit
einer elliptischen Stahlscheibe mit zentrischer Nabe und aufgezogenem, elliptisch
verformbaren Dünnringkugellager (Wave Generator), wobei bei Antrieb des Wave
Generators der Flex Spline verformbar ist, dessen Außenverzahnung mit der In
nenverzahnung des Circular Spline kämmt. Ein solches Harmonic-Drive-Getriebe
baut sehr schmal, was zusammen mit dem flachen Scheibenläufermotor eine ex
trem klein bauende Antriebseinheit ergibt.
Der Wave Generator des Harmonic-Drive-Getriebes wird vom Scheibenläufermo
tor angetrieben und der Circular Spline steht als Abtriebselement mit der radial in
neren Umfangsfläche der Radnabe in Verbindung, wobei der Flex Spline über den
Freilauf am Achsschenkel der Vorderachse abgestützt ist. Der Freilauf ist als
Klemmkörperfreilauf derart ausgebildet, dass der Flex Spline lediglich bis zur
Grenzgeschwindigkeit am Achsschenkel abgestützt ist, bei Fahrzeuggeschwindig
keiten gleich oder größer als die Grenzgeschwindigkeit aber freilaufen kann. Hier
durch findet bei oder oberhalb der Grenzgeschwindigkeit eine Entkopplung des
Vorderrades von dem ihm zugeordneten Elektroantrieb statt und ermöglicht ihm
freie Drehung. Die Grenzgeschwindigkeit liegt vorzugsweise im Kriechfahrtbereich
und beträgt vorzugsweise 5 bis 10 km/h.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
eine Querschnittsdarstellung einer Vorderachse eines Nutzfahrzeuges mit einem
in die Räder integrierten elektrischen Hilfsantrieb.
Die Achse ist eine von der Brennkraftmaschine nicht angetriebene Vorderachse.
Hierzu ist jedem Rad der Vorderachse 1 ein eigener Elektroantrieb 2 zugeordnet,
welcher einen Elektromotor 4, ein Getriebe 6 sowie einen Freilauf 8 umfasst. Das
vorzugsweise hoch übersetzende Getriebe 6 ist dem Elektromotor 4 und einem
Achsschenkel 10 koaxial zwischengeordnet.
Der Elektromotor 4 wird vorzugsweise durch einen DC-Scheibenläufermotor der
Fa. Heinzmann, 79677 Schönau, Deutschland gebildet und hat eine angetriebe
ne Ankerscheibe 14, welche in axialer Richtung Statormagneten 16, 18 zwi
schengeordnet ist. Die Ankerscheibe 14 ist koaxial mit dem Achsschenkel 10,
welcher mittels eines Achsschenkelbolzens 20 an einem Achskörper 22
schwenkbar angelenkt ist. Eine Radnabe 24 ist über Kegelrollenlager 26 am
Achsschenkel 10 drehbar gelagert. Die Statormagnete 16, 18 des Scheibenläu
fermotors 4 sind mitdrehend an der Radnabe 24 festgelegt. Die Ankerscheibe 14
des Scheibenläufermotors 4 ist auf einer Achse 28 und einer Welle 30 befestigt,
die mit einem Getriebeeingang 38 des Getriebes 6 in drehfester Verbindung
steht, bei welchem es sich vorzugsweise um ein sog. Harmonic-Drive-Getriebe 6
handelt.
Ein solches Harmonic-Drive-Getriebe 6 beinhaltet einen radial äußeren, starren
zylindrischen Ring 34 mit Innenverzahnung (Circular Spline), eine mittlere, radial
elastisch zylindrische Büchse 42 mit Außenverzahnung 36 und eine radial innere,
elliptische Stahlscheibe 38 mit zentrischer Nabe und aufgezogenem, elliptisch
verformbaren Dünnringkugellager (Wave Generator). Durch Drehung des Wave
Generators 38 ist der Flex Spline 36, 42 verformbar, dessen Außenverzah
nung 36 mit der Innenverzahnung des Circular Spline 34 kämmt. Hierdurch ver
lagert sich die große Ellipsenachse des Flex Spline 36, 42 und damit der Zahn
eingriffsbereich mit dem Circular Spline 34. Da der Flex Spline 36, 42 beispiels
weise zwei Zähne weniger besitzt als der Circular Spline 34 vollzieht sich nach
einer halben Umdrehung des Wave Generators 38 eine Relativbewegung zwi
schen Flex Spline 36, 42 und Circular Spline 34 um eine Zahnteilung. Solche
Harmonic-Drive-Getriebe 6 sind prinzipiell bekannt, beispielsweise aus dem
Prospekt "Harmonic Drive, Getriebeeinbausätze, Baureihe HDUC" der Fa. Har
monic Drive, 65536 Limburg, Deutschland, deshalb soll auf deren Funktionswei
se hier nicht weiter eingegangen werden.
Um die Drehbewegung der Ankerscheibe 14 des Scheibenläufermotors 4 auf
den Wave Generator 38 des Harmonic-Drive-Getriebes 6 zu übertragen, ragt die
Welle 30 der Ankerscheibe 14 in die Nabe des Wave Generators 38 hinein und
ist mit dieser vorzugsweise durch Schrumpfsitz drehfest verbunden. Der Flex
Spline 36, 42 des Harmonic-Drive-Getriebes 6 sieht aus wie ein Becher 42. Der
Becher 42 ist bodenseitig an einem Außenring 46 des Freilaufs 8 gehalten, der
durch zwei Kugellager 44 mit einem Innenring 48 des Freilaufs 8 in Verbindung
steht, welcher auf dem Achsschenkel 10 festgelegt ist. Bei dem Freilauf handelt
es sich vorzugsweise um einen Klemmkörperfreilauf 8, der im Ausgangszustand
den Außenring 46 mit dem Innenring 48 kraftschlüssig drehfest verbindet, so
dass sich der Flex Spline 36, 42 am ruhenden Achsschenkel 10 abstützen kann.
Die Ankerscheibe 14 des Scheibenläufermotors 4 ist über ein Rillenkugella
ger in dem Deckel 56 drehbar gelagert, der mit der Radnabe 24 verbunden ist
und den Elektroantrieb 2 des Vorderrades axial verschließt. Dieser Deckel 56
trägt außerdem an seiner Innenseite die Statormagnete 18 des Scheibenläufer
motors 4. Der radial äußere Circular Spline 34 des Harmonic-Drive-Getrie
bes 6 ist mit der Radnabe 24 verschraubt.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist somit der Elektroantrieb 2 des Vorderra
des im wesentlichen vollständig in die Radnabe 24 integriert, wodurch sich eine
sehr platzsparende Anordnung ergibt. Am radial äußeren Umfang der Radna
be 24 ist außerdem eine Felge 58 des Vorderrades befestigt.
Die Stromversorgung (+ und - Pol) und Ansteuerung des DC-Scheibenläufer
motors erfolgt durch ein jeweils elektrisches Kabel 60 mit Kohlebürste (nur ein
mal gezeichnet), welche in einer axialen Durchgangsbohrung 62 des Achsschen
kels 10 untergebracht und von welcher ein gegenüberliegender, axialer Kollek
tor 64, der auf der Stirnseite der Welle 30 angeordnet ist und die jeweiligen Sek
toren der Ankerscheibe 14 des Scheibenläufermotors 4 mit Strom versorgt.
Die beiden Elektroantriebe 2 der Vorderachsräder dienen als Hilfsantrieb zum
Fahren bei erschwerten Bedingungen, beispielsweise wenn der Reibwert der
Fahrbahnoberfläche durch Schnee und Eis stark herabgesetzt ist oder im Gelän
de. Hierzu ist entweder eine manuelle Zuschaltung der Elektroantriebe 2 durch
den Fahrer oder eine automatische Zuschaltung vorgesehen, wenn ein entspre
chendes Schlupfverhalten der Vorderräder vorhanden ist.
Ein Betrieb der Elektroantriebe 2 der Vorderachse 1 ist nur für Geschwindigkei
ten des Nutzfahrzeuges vorgesehen, die kleiner als eine Grenzgeschwindigkeit
sind, welche vorzugsweise einer Kriechfahrt entspricht und ca. 5-10 Stunden
kilometer beträgt. Bei Erreichen oder Überschreiten dieser Grenzgeschwindigkeit
löst der Klemmkörperfreilauf 8 den Kraftschluss zwischen seinem mit der Flex
Spline 36, 42 verbundene Außenring 46 und seinem auf dem Achsschenkel 10
sitzenden Innenring 48, wodurch sich der Flex Spline 36, 42 nicht mehr am ru
henden Achsschenkel 10 abstützen kann. Infolgedessen wird die durch das
Harmonic-Drive-Getriebe 6 hergestellte Zugkraftverbindung zwischen der Wel
le 30 des Scheibenläufermotors 4 und der Radnabe 24 getrennt, woraufhin diese
zusammen mit der Felge 58 frei läuft. Nach Überschreiten der Grenzgeschwin
digkeit ist vorgesehen, dass der elektrische Hilfsantrieb 2 der Vorderachse ma
nuell durch den Fahrer oder auch automatisch abgeschaltet wird.
Bei dem bevorzugt verwendeten Harmonic-Drive-Getriebe 6 handelt es sich um
ein hoch übersetzendes Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis beispiels
weise von i = 100, so dass sich bei einer Eingangsdrehzahl des DC-Schei
benläufermotors 4 von 2500 Umdrehungen pro Minute eine Drehzahl eines Vor
derrades von 25 Umdrehungen pro Minute ergibt, was einer Fahrgeschwindigkeit
des Nutzfahrzeuges von etwa 5 km/h entspricht. Das maximale Drehmoment des
Scheibenläufermotors 4 beträgt beispielsweise 40 Nm, seine maximale Leistung
etwa 10 bis 13 kW, wobei sich durch die hohe Getriebeübersetzung ein Aus
gangsdrehmoment von 4000-5000 Nm je Vorderrad ergibt.
Der beschriebene elektrische Hilfsantrieb 2 ist nicht auf die Räder der Vorder
achse beschränkt, vielmehr kann er bei jeder von der Brennkraftmaschine nicht
angetriebenen Achse verwendet werden. Bei dem Elektromotor 4 kann es sich
auch um einen Wechselstrommotor handeln, der für seinen Betrieb die entspre
chende Stromversorgung benötigt. Die elektrische Energie kann durch einen von
der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator erzeugt werden, beispielswei
se durch einen Schwungradgenerator des Systems ISAD, alternativ könnte auch
eine entsprechende Batterie verwendet werden oder eine Kombination von Ge
nerator und Batterie.
Claims (7)
1. Geländetaugliches Nutzfahrzeug, insbesondere Lastkraftwagen mit Dieselmo
tor und mit mindestens zwei Achsen, wobei mindestens ein Achsantrieb durch
den Dieselmotor erfolgt und die mindestens eine weitere Achse nicht durch den
Dieselmotor angetrieben ist und diese Achse zwei Außenseiten aufweist, die je
Seite eine Radnabe zur Aufnahme je mindestens eines Rades hat, dadurch
gekennzeichnet, dass die Achse (1) jeder Radnabe einen integrierten, elektri
schen Antrieb (2) aufweist, der manuell per Schalter im Fahrerhaus oder auto
matisch durch Signale aus einem Fahrzeugrechner als Anfahrhilfe bis zu einer
Grenzgeschwindigkeit von ca. 10 km/h zuschaltbar ist und die Antriebsverbin
dung zwischen den Rädern und der Achse (1) bei Überschreiten der Grenzge
schwindigkeit vorzugsweise durch einen Freilauf (8) getrennt wird.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor
als schmalbauender DC-Scheibenläufermotor (4) ausgebildet ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Scheibenläu
fermotor (4) ein hochübersetzendes Getriebe (6) zwischengeordnet ist, welches
eingangsseitig mit der Welle (30) des Scheibenläufermotors und ausgangssei
tig mit der Radnabe (24) verbunden ist.
4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe vor
zugsweise ein Harmonic-Drive-Getriebe (6) ist, mit einem radial äußeren, star
ren zylindrischen Ring (34) mit Innenverzahnung (Circular Spline), einer mitti
gen, radial elastischen zylindrischen Büchse (42) mit Außenverzahnung (36)
(Flex Spline) und mit einer radial inneren, elliptischen Stahlscheibe (38) mit
zentrischer Nabe und aufgezogenem, elliptisch verformbaren Dünnringkugella
ger (Wave Generator), wobei durch Antrieb des Wave Generators (38) der Flex
Spline (36, 42) verformbar ist, dessen Außenverzahnung mit der Innenverzah
nung des Circular Spline (34) kämmt.
5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wave Genera
tor (38) vom Scheibenläufermotor (4) angetrieben und der Circular Spline (34)
als Antriebselement mit der radial inneren Umfangsfläche der Radnabe (24) in
Verbindung steht, wobei der Flex Spline (36, 42) über den Freilauf (8) am
Achsschenkel (10) abgestützt ist.
6. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf als
Klemmkörperfreilauf (8) derart ausgebildet ist, dass der Flex Spline (36, 42) am
Achsschenkel (10) lediglich bis zur Grenzgeschwindigkeit abgestützt ist, bei
Fahrzeuggeschwindigkeiten gleich oder größer als die Grenzgeschwindigkeit
aber freiläuft.
7. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische
Stromversorgung (+ und - Pol) zur Ansteuerung des Scheibenläufermotors aus
jeweils einem Kabel (60) mit Kohlenbürste besteht und mit einem axialen Kol
lektor (64) des Scheibenläufermotors (4) in elektrisch leitendem Kontakt steht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10044955A DE10044955A1 (de) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | Geländetaugliches Nutzfahrzeug mit elektrischem Hilfsantrieb einer Achse |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE10044955A DE10044955A1 (de) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | Geländetaugliches Nutzfahrzeug mit elektrischem Hilfsantrieb einer Achse |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE10044955A1 true DE10044955A1 (de) | 2002-04-11 |
Family
ID=7655861
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE10044955A Withdrawn DE10044955A1 (de) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | Geländetaugliches Nutzfahrzeug mit elektrischem Hilfsantrieb einer Achse |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10044955A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10359130A1 (de) * | 2003-12-17 | 2005-07-21 | Volkswagen Ag | Achsvorrichtung mit integrierten Elektroantrieben |
DE102006022692A1 (de) * | 2006-05-16 | 2007-11-22 | Volkswagen Ag | Vorrichtung und Verfahren zur Aktivierung und/oder Deaktivierung von Funktionen eines Fahrzeugs |
-
2000
- 2000-09-12 DE DE10044955A patent/DE10044955A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
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US9174538B2 (en) | 2006-05-16 | 2015-11-03 | Volkswagen Ag | Device and method for activating and/or deactivating functions of a vehicle |
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