DE10044955A1 - Geländetaugliches Nutzfahrzeug mit elektrischem Hilfsantrieb einer Achse - Google Patents

Geländetaugliches Nutzfahrzeug mit elektrischem Hilfsantrieb einer Achse

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DE10044955A1
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Gerhard Rieck
Karl Viktor Schaller
Gert Ruehmann
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MAN Truck and Bus SE
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MAN Nutzfahrzeuge AG
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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

Stand der Technik
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.
Vorteile der Erfindung
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.
Zeichnung
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.
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