DE19616405A1 - Vorrichtung zur Verhinderung des Aufstellens einer Tandemachse - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ver­ hinderung des Aufstellens einer Tandemachse von Fahrzeugen oder Arbeitsmaschinen, insbesondere zum Einsatz in schwierigem Gelände. Eine das Fahrzeug oder die Arbeitsmaschine antreiben­ de Tandemachse weist auf jeder Seite zwei im Abstand voneinan­ der befindliche Radpaare auf, die zum Beispiel über eine Achse mit einem momentverteilenden Differentialgetriebe ihr An­ triebsmoment zugeführt erhalten. Auf jeder Seite des Diffe­ rentialgetriebes befindet sich ein Radpaar an einem wippen­ artig gestalteten Gehäuse, welches um die Achse des vom Diffe­ rentialgetriebe zugeführten Antriebsmoments drehbeweglich ist. In diesem Gehäuse befindet sich ein Ketten- oder Zahnradge­ triebe, 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 entgegenge­ richtete Schubkräfte auf das Fahrzeug entgegen, die schon bei glatter Fahrbahn Aufstellmomente erzeugen.

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.

Durch die EP-B1-520 389 ist eine Vorrichtung zum Verhindern des Aufstellens bekannt. Hierbei handelt es sich um zwei zwi­ schen 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.

Diese Vorrichtung hat sich bewährt, ist jedoch konstruktiv aufwendig und verlangt eine besondere Auslegung der Tandem­ achse. Es läßt sich beispielsweise nicht nachträglich oder einfach zusätzlich an einer Tandemachse anbringen. Außerdem setzen sich bei Arbeitsmaschinen und Fahrzeugen der hier ge­ nannten Gattung immer mehr Hydromotoren zum Erzeugen des An­ triebsdrehmoments durch. Es besteht daher die Aufgabe, für Fahrzeuge oder selbstfahrende Arbeitsmaschinen eine einfache Vorrichtung zur Verhinderung des Aufstellens der eingangs be­ schriebenen Tandemachse unabhängig von der Art des Antriebs­ motors verfügbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Ausgestaltungen sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

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.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, die schematisch in der Zeichnung zusammengefaßt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht auf eine Tandemachse mit einem Radpaar sowie einem eingezeichneten Block­ schaltbild und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Tandemachse gemäß der vorliegenden Erfindung.

Das im einzelnen nicht dargestellte Fahrzeug, das eine Bauma­ schine oder Forstmaschine oder eine andere Arbeitsmaschine sein kann, weist einen Fahrzeugrahmen 10 auf. Das Antriebs­ moment wird über eine Welle 12 von einem beliebigen Antriebs­ aggregat, für welches in Fig. 2 schematisch nur ein Block 14 repräsentativ eingezeichnet ist, geliefert. So kann die Welle 12 beispielsweise direkt über einen herkömmlichen Drehmomen­ tenwandler oder über eine Kupplung und Getriebe mit einer Brennkraftmaschine verbunden sein. Das Antriebsmoment kann aber auch von einem Elektromotor oder, was die bevorzugte Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung ist, von einem Hydro­ motor stammen. Deswegen wird im folgenden von der detaillier­ ten Beschreibung der anderen genannten Antriebsmöglichkeiten abgesehen und das Antriebsaggregat 14 als Hydromotor in Be­ tracht gezogen. Hierbei kann es sich um einen Axialkolben­ motor, beispielsweise einen Schrägscheibenmotor mit konstanter Schluckmenge, handeln. Deshalb ist in Fig. 2 eine Ölzufüh­ rungsleitung 16 und eine Ölableitungsleitung 18 eingezeichnet.

Selbstverständlich kann es sich bei dem Hydromotor auch um einen Taumelscheibenmotor mit verstellbarer Schluckmenge, d. h. mit schwenkbarer Taumelscheibe, handeln. Deswegen ist in Fig. 2 auch schematisch eine Steuerleitung 20 für die Steuerung des Winkels der Taumelscheibe eingezeichnet.

Die Welle 12 geht in ein übliches Differentialgetriebe 22 über, welches das Drehmoment in die beiden Seiten einer Tan­ demachsenantriebswelle 24 verteilt. Die Welle 24 hat eine Mit­ telachse 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 Gehäuse­ wippe 30 über eine geeignete mechanische Verbindung und ent­ sprechende Triebräder 34 leiten. Im in der Zeichnung darge­ stellten 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.

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 Gehäuse­ wippe 30 ist um die erwähnte Achse 26 auf- und abschwenkbar und bei einer im vorliegenden Beispiel angenommenen Vorwärts­ fahrtrichtung im Sinne des Pfeiles 40 bringen die Antriebs­ räder 38 im Abstand 1 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.

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 Bodenfrei­ heit 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 Auf­ richtmoment kann wegen der verhältnismäßig großen Schubkräfte und ungünstiger Innenübersetzung der Tandemachse in Verbindung mit einer ungünstigen geometrischen Situation zu einer voll­ ständigen 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.

Um diesem Nachteil mit einfachen Mitteln gemäß der vorliegen­ den Erfindung entgegenzuwirken, werden, wie nachstehend im Detail beschrieben werden wird, hydraulische und/oder elektri­ sche Steuermittel eingesetzt, damit gegen das Aufrichten eine Gegenkraft erzeugt wird. Im vorliegenden Beispiel wird hierfür eine Einheit aus Hydraulikzylinder 42 und Kolben 44 im Zylin­ der 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 Fig. 1 nach unten und damit auch das rechte Rad 38 gegen den Boden.

Wird hingegen der Kolben 44 über eine Leitung 54 mit einem Druckmedium beaufschlagt, wird die Gehäusewippe 30 in Fig. 1 und damit das linke Rad 38 auf der anderen Seite nach unten gedrückt.

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.

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 Gegen­ moment 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 entsprechen­ der 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 Fig. 1 ein oben beschriebener Hydromotor 14a mit den gestrichelt ein­ gezeichneten 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 propor­ tionale Druckverhältnisse herrschen.

Bei Fahrtumkehr ist der Arbeitsdruck auf den Kolben 44 über die Leitung 54 proportional zum Druck in der Leitung 18 und umgekehrt.

Hierbei erhält der Kolben 44 in der Darstellung von unten we­ gen 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 ver­ minderten 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.

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 Kolben­ fläche von 19,63 cm²
Durchmesser D₂ = 25 mm entsprechend einer Kolben­ fläche von 14,7 cm².

Die Übersetzung in der Gehäusewippe 30 zwischen der Antriebs­ welle 24 und den Triebrädern 34 kann mit i = 10 angenommen werden.

Ferner könnten folgende Zahlen angenommen werden:
Für die

Radlast = 4000 daN = FR Schubkraft = 2000 daN = S₁ + S₂.

Das von der Antriebswelle 24 aufzubringende Moment ist

Antriebsmoment:

Der Druck für die Erzeugung von Mt_w1 sei 250 bar. Bei 100% Ausgleich gilt:

oder der geminderte Druck beträgt 187 bar.

Das Druckminderventil 56 kann ein druckgesteuertes Druckmin­ derventil sein, so daß es den Gegendruck gegen ein Aufstell­ moment 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 D₁ des Kolbens 44 um den Faktor 0,748 geringer als die Druckbeaufschlagung auf den Kolben 44 auf der Seite des verminderten Durchmessers D₁-D₂. Bei 250 bar und 100%igem Ausgleich ist der Wirkabstand auf

zu erhöhen, d. h. im obigen Zahlenbeispiel auf a = 422 mm.

Statt, wie in Fig. 1 dargestellt ist, ein Druckminderventil in den einen Abzweigweg 52 einzufügen, können auch bei Beibe­ haltung 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 Ände­ rung des Steuerdrucks, beispielsweise nach Änderung in der Steuerleitung 20, würden dann beide Druckminderventile im gleichen Verhältnis zueinander, aber mit variablen Druckver­ hältnissen, 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.

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 unver­ änderlichen Abmessungen und unveränderten Übersetzungen das Kompensationsmoment zu groß werden. Um dies zu verhindern, wird das Druckminderventil 56 bzw. ein Paar von zwei Druckmin­ derventilen mit einer variablen Einstellung ausgeführt und die Einstellung wird gesteuert vom Verstelldruck des Hydromotors, der beispielsweise in der Steuerleitung 20 herrscht.

Es ist auch möglich, die Anpassung von einem elektrischen Steuerstrom abzuleiten, wenn die Beeinflussung in der Steuer­ leitung 20 durch Steuerelemente erfolgt, die ein proportiona­ les elektrisches Signal erzeugen oder zur Verfügung haben müs­ sen.

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 re­ sultierende elektrische Signal wird über eine Leitung 60 einem elektromagnetischem Verstellmechanismus 62 zugeführt, der dann in dem einen oder den mehreren Druckminderventil(en) die ent­ sprechende Verstellung je nach Größe des elektrischen Signals im Dehnmeßstreifen 58 regelt.

Ist zwischen einem Hydromotor und der Tandemachse noch ein mechanisches Schaltgetriebe angeordnet, so ist durch ent­ sprechende Signalgebung, mit welcher die unterschiedlichen Gänge eingeschaltet werden, das Druckminderventil 56 so regel­ bar, 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.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Verhinderung des Aufstellens von Rädern (38) einer vierrädrigen Antriebstandemachse eines Fahr­ zeuges oder einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine, die einen Fahrzeugrahmen (10) und auf beiden Seiten eine um die Achse (26) der Momenteneinleitung schwenkbare Ge­ häusewippe (30) aufweist, wobei in der Gehäusewippe (30) das eingeleitete Moment mechanisch auf die an den Enden der Gehäusewippe (30) angeordneten Räder (38) verteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Antriebsmoment in Größe und Richtung propor­ tionaler Hydraulikdruck zumindest einen Kolben (44) in zumindest einem Hydraulikzylinder (42) beaufschlagt, wo­ bei der Zylinder (42) und eine Stange (48) des Kolbens (44) zwischen dem Fahrzeugrahmen (10) und einem Punkt (50) auf der Gehäusewippe (30) angeordnet sind, der sich im Abstand (a) zur Achse (26) der Momenteneinleitung befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Rad (38) ein einfach beaufschlagter Hydraulik­ zylinder (42) vorgesehen ist, wobei je nach Richtung des Aufstellmomentes nur ein Hydraulikzylinder (42) das Gegenmoment erzeugt, während der andere Hydraulikzylinder (42) freigeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Gehäusewippe (30) nur ein doppelt beauf­ schlagter Hydraulikzylinder (42) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Kolbens (44) dem Zylinder (42) ein von einem Ventil (56) geminderter Hydraulikdruck zugeführt wird, während dem Zylinder (42) im Bereich der Kolben­ stange (48) der volle Hydraulikdruck zugeführt wird, wobei der Druck oberhalb des Kolbens (44) um das Ver­ hältnis der beiden beaufschlagbaren Kolbenflächen (D₁; D₁-D₂) gemindert ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Fahrzeuges über einen Hydromotor (14a) erfolgt, aus dessen Hydraulikzu- und -ableitungen (16, 18) die Druckleitungen (52, 54) zum Zylinder (42) abgezweigt sind.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (14a) ein Taumelscheibenmotor oder Axialkolbenmotor mit konstanter Schluckmenge ist, wobei das Verhältnis der Drücke auf beiden Kolbenflächen (D₁; D₁-D₂) ebenfalls konstant bleibt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (56) ein regelbares Ventil ist oder meh­ rere Ventile vorgesehen sind, welche unabhängig vonein­ ander regelbar sind.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 4, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (14a) ein Winkelmotor oder Axialkol­ benmotor mit verstellbarer Schluckmenge ist, dessen hydraulischer Regelkreis mit einem Regelorgan (62) des Ventils (56) gekoppelt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (56) elektrisch regelbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (56) in Abhängigkeit von der Materialspan­ nung in einem oder beiden Armen der Gehäusewippe (30), welche durch einen Dehnmeßstreifen (58) aufnehmbar sind, regelbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltgetriebe zwischen Antrieb (14) und Tandem­ achse angeordnet ist, dessen Schaltstellung Regelsignale an das oder die Ventile (56) liefert.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (14) ein Elektromotor ist, dessen elektrische Regelgröße gleichfalls das oder die Ventile (56) steuert.