Tandemachse mit zwei antreibbaren Achsen und einem teilweise abschaltbaren Antriebsstrang

Die Erfindung betrifft eine Tandemachse mit zwei antreibbaren Achsen, wobei jede Achse ein Ausgleichsgetriebe mit einem über eine Welle antreibbaren Antriebszahnrad als Ausgleichsgetriebeeingang und zwex die Rader dieser Achse über Achswellenrader antreibende Antriebshalbwellen umfasst.

Aus der DE 39 12 172 Al ist ein Fahrzeugvierradantrieb bekannt, dessen Antriebssystem einen Antriebsmotor, ein Schaltgetriebe, zwei von diesem direkt angetriebene Vorderrader und zwei zuschaltbare Hinterrader aufweist. Zwischen den Hinterradern und dem Schaltgetriebe ist ein Antriebsstrang aus einer Kardanwelle, einem Differential und zwei Antriebshalbwellen angeordnet. Die Hinterrader werden jeweils über einen Freilauf angetrieben, sofern bei zugeschalteter Kardanwelle die zwischen dem jeweiligen Freilauf und der antreibenden Antriebshalbwellen angeordnete Kupplung geschlossen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine mit zwei antreibbaren Achsen ausgestattete Tandemachse zu entwickeln, die einen Beitrag leistet, um zum einen den fahrzeugseitigen Kraftstoffbedarf zu verringern und zum anderen den achsseitigen Reifenverschleiß zu reduzieren.

Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei sind die Räder der ersten Achse mit dem Antriebszahnrad dieser Achse dauernd zwangsgekoppelt. Das Antriebszahnrad der ersten Achse hat eine Antriebswelle, auf der ein zuschaltbares Verteilerrad sitzt. Das Verteilerrad kämmt mit einem auf einer Durchtriebswelle drehsteif angeordneten Durchtriebswellenrad. Der Ausgang der Durchtriebswelle ist mit dem eingangsseitigen Antriebszahnrad der zweiten Achse über Zwischenglieder gekoppelt. In der zweiten Achse sind zwischen den Achswellenrädern und deren benachbarten Rädern schaltbare Kupplungen angeordnet.

Bei konventionellen Tandemachsen wird das gesamte vom Antrieb zur Verfügung gestellte Drehmoment über zwei Achsen auf die Fahrbahn übertragen, unabhängig davon, ob das Drehmoment benötigt wird oder nicht. Oft braucht man das gesamte Drehmoment nur beim Anfahren oder bei Bergfahrten. Außerhalb der letztgenannten Betriebszustände genügt es in der Regel, ein geringeres Drehmoment beispielsweise nur über die erste der beiden Achsen zu leiten. Um für diese Situationen das gesamte Drehmoment bereit zu stellen, kann eine z.B. automatisch schaltbare Kupplung die Trennung und

Wiederherstellung des Kraftflusses zwischen der ersten und der zweiten Achse steuern oder regeln.

Durch das bedarfsweise Abschalten einer kompletten Achse, einschließlich des Stillsetzens des Antriebsstranges zwischen der ersten Achse und den Rädern der zweiten Achse, wird eine messbare Verbrauchskosteneinsparung erzielt. Durch das Schleppen der zweiten Achse wird der Kraftstoffverbrauch und der Reifenverschleiß sowie der mechanische Verschleiß aller am Vortrieb dieser Achse beteiligten Zahnräder und Gelenke reduziert. Zusätzlich gibt es keine Planschverluste im Ausgleichsgetriebe der zweiten Achse.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform:

Figur 1: Antriebsstrang einer Tandemachse, beide Achsen sind angetrieben; Figur 2: wie Figur 1, jedoch ist die zweite Achse ist vom

Antriebsstrang abgekuppelt. Die Differentialräder und die Durchtriebwelle rotieren nicht; Figur 3: mehrfach versetzter Querschnitt durch den

Achskörper in der Höhe des Differentials; Figur 4: Ausschnitt aus Figur 3 mit Varianten. Figur 5: dimetrischer Teilschnitt durch ein Differential mit abkuppelbaren Achswellenrädern.

Die Figuren 1 und 2 zeigen den hinteren Teil des Antriebsstranges einer Tandemachse einer Sattelschlepperzugmaschine in Symboldarstellung von oben. Die Tandemachse hat eine erste, vordere Achse (10) und eine zweite, hintere Achse (110) . Beide Achsen (10, 110) sind hier nur beispielhaft als Starrachsen dargestellt.

Der Achsantrieb (101) der einzelnen Achse (10, 110) ist jeweils in einem Achskörper (11, 111) gelagert. Im mittleren Bereich des Achskörpers (11, 111) ist dazu ein Differentialgehäuse (12, 112) angeordnet. Das einzelne Differentialgehäuse (12, 112) hat als Getriebeeingang ein Antriebskegelrad (13), dessen Mittellinie (15) zumindest annähernd parallel zur Fahrtrichtung (9) verläuft. Letzteres kämmt mit einem Tellerrad (102), das an einem Ausgleichsgehäuse (103) angeordnet ist und dessen Mittellinie die Raddrehachse (3) ist. Im Ausgleichsgehäuse (103) sind mehrere

Ausgleichskegelräder (105) gelagert. Ihre Mittellinien liegen in einer Ebene, die normal zur Raddrehachse (3) orientiert ist. Die Mittellinien der Ausgleichskegelräder (105) schneiden sich auf der Raddrehachse (3) . Die Ausgleichskegelräder (105) stehen mit den - im Achskörper (11, 111) gelagerten - an den Antriebshalbwellen (106) drehfest befestigten Achswellenrädern (104) im Eingriff. Die Antriebshalbwellen (106) treiben die Räder (1,2) an.

Die Antriebskegelräder (13, 113) der einzelnen Achsen (10, 110) werden über Wellengelenke (17, 117) von Gelenkwellen (16, 116) angetrieben.

Nach den Figuren 1 und 2 ist das Differentialgehause (12) der vorderen Achse (10) vergrößert ausgebildet. In diesem Gehäuse (12) wird eine zuschaltbare Durchtriebswelle (90) zusatzlich gelagert. Dazu ist die im Gehäuse (12) in zwei Lagerstellen (31, 32) gelagerte Antriebswelle (14) des Antriebskegelrades (13) verlängert ausgeführt. Zwischen den bexden Lagerstellen (31) und (32) sitzt auf der Antriebswelle (14) eine mechanische Kupplung (40) und ein Verteilerrad (70) .

Das Verteilerrad (70) ist z.B. ein schragverzahntes Stirnrad, das dauernd mit einem auf der Durchtriebswelle (90) starr angeordneten Durchtriebswellenrad (95) kämmt. Links neben dem Verteilerrad (70) befindet sich die fremdgeschaltete, form- schlussige Kupplung (40), vgl. Figuren 1 und 2. Die Kupplung (40) besteht aus einer, über eine Schaltgabel (47) langsverschieblich antreibbaren, Schaltmuffe (43). Die Schaltmuffe (43) sitzt über eine formschlussige Wellen-Naben- Verbindung (44) zwischen den beiden Lagerstellen (31) und (32). Die Wellen-Naben-Verbindung (44) ist beispielsweise eine Feder-, eine Keilwellen- oder eine Zahnwellenverbindung. Die Schaltmuffe (43) greift - im gekuppelten Zustand, vgl. Figur 1, - mit einer Innenverzahnung (45) in eine seitliche am Verteilerrad (70) angeordnete Außenverzahnung (71) ein. Links neben der Innenverzahnung (45) hat die Schaltmuffe (43) eine Schaltnut (46), in die eine von einem Stellglied (48) angetriebene Schaltgabel (47) eingreift, vgl. auch Figur 2.

Die Schaltmuffe (43) ist nach den Figuren 1 und 2 nur bei Stillstand oder bei Synchronlauf der Kupplungsteile Schaltmuffe (43) /Verteilerrad (70) schaltbar. Um bei fahrendem Nutzfahrzeug einen Synchronlauf zu erzwingen, kann zwischen

die Schaltmuffe (43) und das Verteilerrad (70) eine Synchronisiereinrichtung z.B. mit Sperrverzahnung nach dem System Borg-Warner oder Porsche geschaltet werden.

Das Stellglied (48) kann beispielsweise ein elektromechani- scher, elektromagnetischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb sein.

Die Durchtriebswelle (90) ist im Differentialgehause (12) z.B. in zwei Lagerstellen (96) und (97, 98) walzgelagert angeordnet. Das Wellenende (93) ragt im Bereich der hinteren Stirnseite des Differentialgehauses (12) ins Freie. Das Wellenende (93) bzw. der Ausgang der Durchtriebswelle (90) und das vordere Wellenende der Antriebswelle (114) der zweiten Achse (110) sind über Zwischenglieder miteinander verbunden. Diese Zwischenglieder sind eine Gelenkwelle (116) und zwei Kardangelenke (18, 117). Die Gelenkwelle (116) befindet sich zusammen mit den Kreuzgelenken (18, 117) in der Z-Anordnung.

In Figur 1 ist der gesamte drehmomentbelastete Antriebsstrang mit vergrößerter Strichstarke dargestellt. Danach sind hier die Rader (1, 2) beider Achsen (10, 110) angetrieben.

Nach Figur 2 greift die Schaltmuffe (43) nicht in das Verteilerrad (70) ein. Folglich übertragt die Antriebswelle (14) kein Drehmoment auf das Verteilerrad (70) . Somit wird die - in verringerter Strichstarke dargestellte - Durchtriebswelle (90) und die zweite Achse (110) nicht angetrieben. Zeitgleich oder zeitlich versetzt werden die m

der zweiten Achse angeordneten Kupplungen (140) auskuppelnd betätigt. Die zwischen den Radern (2) und den Achswellenradern (104) sitzenden Kupplungen (140) sind bezuglich des Aufbaus und der Funktion beispielsweise vergleichbar mit der Kupplung (40) . Die Schaltmuffen (143) sind über eine formschlussige Wellennabenverbindung (144) auf den jeweiligen Antriebshalbwellen (106) gelagert. Die Schaltmuffen (143) greifen im gekuppelten Zustand, vgl. auch Figur 1, in die Verzahnungen (145) ein. Letztere sitzen z.B. angeformt auf den Abschnitten der Antriebshalbwellen (106), die die Achswellenrader (104) drehsteif tragen.

In dem Ausfuhrungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist der jeweilige radseitige Abschnitt der Antriebshalbwelle (106) über Nadellager in einer stirnseitigen Bohrung (108) des dif- ferentialseitigen Abschnitts der Antriebshalbwelle (106) gefuhrt.

Zum Schalten der Kupplungen (140) sind hier im Achskor- per (111) zwei Stellglieder (148) angeordnet. Jede Kupplung (140) benotigt mindestens ein Stellglied (148) . Ggf. können auch beide Kupplungen über ein Stellglied betätigt werden.

Die Stellglieder wirken über Schaltgabeln (147) auf die Schaltmuffen (143) . Dazu greifen die Schaltgabeln (147) in die Schaltnuten (146) der Schaltmuffen (143) ein. Bezuglich der Synchronisation wird auf die Ausfuhrungen zu Kupplung (40) verwiesen.

Die beiden Kupplungen (140) der Achse (110) können baugleich gestaltet werden.

Durch das auskuppelnde Betatigen der Kupplungen (140) wird der Antriebsstrangteil, der aus dem Verteilerrad (70) , der Durchtriebswelle (90), der Gelenkwelle (116) und dem Differential (101) besteht, vollständig von der Rotationsbewegung der antriebslos rollenden Rader (2) getrennt, so dass er u.a. durch die Stromungswiderstande der OlsumpfSchmierung schnell zum Stillstand kommt.

Alle Lagerstellen für die in den Achsantrieben verwendeten Wellen und Zahnrader sind nur aus Vereinfachungsgrunden symbolisch als Gleitlager dargestellt. Selbstverständlich sind die meisten Lagerstellen in den regulären Ausfuhrungen als Walzlager ausgebildet.

Figur 3 zeigt einen mehrfach versetzten Längsschnitt durch das Differentialgehause (12) des Achskorpers der vorderen Achse (10). Das Differentialgehause (12) besteht im Ausfuhrungsbeispiel aus einem vorderen Gehauseteil (21) , einem Kessel (22) und einem Kesseldeckel (23). Das z.B. gegossene Gehauseteil (21) ist an dem geschweißten Kessel (22) angeschraubt. Nach hinten ist der Kessel (22) über den angeschweißten Kesseldeckel (23) verschlossen. Der Schmier- olstand (39) liegt knapp oberhalb der Mittellinie (15) der Antriebswelle (14).

Die Antriebswelle (14) mit dem angeformten Antriebskegelrad (13) sitzt über die Kegelrollenlager (31, 32) im vorderen Gehauseteil (21) . Das vordere Kegelrollenlager (31) ist dazu in einem Flanschdeckel (24) angeordnet. Das Antriebskegel-

rad (13) kämmt mit dem Tellerrad (102) . Letzteres trägt das Ausgleichsgehäuse (103) . Oberhalb des

Ausgleichsgehäuses (103) verläuft die Durchtriebswelle (90) z.B. parallel zur Antriebswelle (14). Die

Durchtriebswelle (90) ist mit ihrem vorderen Ende in einem Einschraubdeckel (25) gelagert. Der Einschraubdeckel (25) sitzt zum Beispiel über ein Feingewinde (26) im vorderen Gehäuseteil (21). Er trägt ein Kegelrollenlager (96), in dessen Innenring das vordere Ende der Durchtriebswelle (90) eingesteckt ist.

Das hintere Wellenende (93) der Durchtriebswelle (90) sitzt über zwei - das Festlager bildende - in X-Anordnung ausgerichtete Kegelrollenlager (97, 98) in einer Lagerbuchse (28). Letztere ist in den Kesseldeckel (23) eingeschweißt. Auf diesem Wellenende (93) ist ein Flansch (94) zur Aufnahme eines Wellengelenkes (18) befestigt. Die Durchtriebswelle (90) kann als Hohlwelle ausgeführt sein.

Das Durchtriebswellenrad (95) ist auf dem vorderen Wellenende zwischen einem Wellenbund (91) und dem vorderen Kegelrollenlager (96) angeordnet. Es ist dort über eine Keilwellenverbindung (92) drehfest auf der Durchtriebswelle (90) fixiert. Alternativ kann das Durchtriebswellenrad (95) auch an der Durchtriebswelle (90) angeformt sein.

Das Durchtriebswellenrad (95) kämmt mit dem auf der Antriebswelle (90) gelagerten Verteilerrad (70), vgl. Figur 4.

Zwischen den Kegelrollenlagern (31, 32) der Antriebswelle (14) sind das Verteilerrad (70) mit seinem kombinierten Nadel/Kugellager (72), eine reibschlüssige Schaltkupplung (40) und eine ölpumpe (80) angeordnet. Dazu sitzen verspannt zwischen den Innenringen der Lager (31, 32) eine Kupplungsnabe (41), der Innenring (73) des Wälzlagers (72) und eine Einstellscheibe (33) . Letztere dient der Einstellung des Lagerspiels der Kegelrollenlager (31, 32) in Kombination mit einer zusätzlich den Antriebsflansch (34) fixierenden Wellenmutter (35).

Auf dem Innenring (73) ist das Verteilerrad (70) direkt gelagert. Links neben dem Verteilerrad (70) befindet sich die tauchgeschmierte Lamellenkupplung (40) , die bei Last ein- und ausgerückt werden kann. Der Außenring (51) dieser Kupplung (40) ist mit dem Verteilerrad (70) verschraubt. Er lagert die Außenlamellen (52) drehfest, aber axial beweglich. Zwischen den Außenlamellen (52) liegen die beispielsweise sinusförmig gewellten Innenlamellen (54). Letztere sind drehfest und axial beweglich auf der Kupplungsnabe (41) gelagert. Am Außenring (51) ist ein Ringzylinder (61) befestigt. Der Ringzylinder (61) führt einen hydraulisch betätigbaren Ringkolben (62) . Er hat beispielsweise eine Vielzahl von radialen Bohrungen (64), die den

Zylinderraum (63) mit der Bohrung (66) der Kupplungsnabe (41) hydraulisch verbinden. Der Ringkolben (62) wirkt über Druckplatten (55) auf das Lamellenpaket (52, 54).

Die schlupffähige Lamellenkupplung (40) ersetzt bei dem gezeigten Tandemachsenantriebsstrang ein Ausgleichsgetriebe zwischen der ersten und der zweiten Achse.

Zwischen der Kupplung (40) und dem Kegelrollenlager (31) ist die Olpumpe (80) angeordnet. Die Pumpe ist beispielsweise eine Sichelzellenpumpe (80), deren Innenrad (81) drehfest auf der rotierenden Kupplungsnabe (41) sitzt. Das Innenrad (81) treibt das als Hohlrad ausgeführte Außenrad (82) an. Letzteres ist im Flanschdeckel (24), der hier auch als Pumpengehause benutzt wird, gelagert. Das von der Pumpe (80) über die Saugbohrung (83) angesaugte Ol wird über eine Bohrung (84) in einen Ringkanal (85) gefordert. Die Bohrung (84) und der Ringkanal (85) befinden sich im Deckel (88) der Pumpe (80). Der Ringkanal (85) ist mit der Nabenbohrung (42) über mindestens eine Radialbohrung (86) verbunden. über die Montagefuge der dortigen Wellen-Naben- Verbindung (44), oder über zusatzliche Langskanale, gelangt das druckbeaufschlagte Ol über weitere Radialbohrungen (66) in den Ringkanal (65). über diesen Ringkanal (65) strömt das Ol in den Zylinderraum (63) . Die nicht benotigte Olmenge fließt z.B. über ein Ventil in den Sumpf zurück.

Soll die zweite Achse vom Kraftfluss des Antriebsstrangs getrennt werden, wird die Druckseite der Pumpe (80) über ein dann zu betätigendes Ventil in den Olsumpf entlastet.

Der Zylinderraum (63) kann zusatzlich auch über eine separate - hier nicht dargestellte - Hydraulikleitung mit Druckol aus einer anderen Quelle gespeist werden. Dies wurde ein sofortiges Schalten der Kupplung ermöglichen, noch bevor der Antriebsstrang in Bewegung versetzt wird.

Eine alternative Variante sieht vor, die Kupplung unter der Last einer mechanischen oder pneumatischen Feder oder einem entsprechenden Federsystem geschlossen zu halten. Eine

hydraulische Ringzylinder-Kolben-Einheit, vergleichbar mit der aus Figur 4, wurde dann zum Losen der Kupplung (40) benutzt werden. In diesem Fall stehen beim Anfahren des Nutzfahrzeuges zunächst immer beide Achsen (10, 110) zur Verfugung .

In der Figur 5 ist der vordere Gehauseteil (121) des Differentialgehauses (112) der zweiten Achse (110) dimetrisch dargestellt. Das Gehauseteil (121) weist zwei, in den hier nicht dargestellten Kessel hineinragende,

Gehausemnenstege (122) auf. Beide Gehauseinnenstege (122) haben zueinander fluchtende Bohrungen (123) zur Aufnahme von flanschartigen Lagertragern (124) . Die Mittellinien der Bohrungen (123) liegen z.B. auf der Raddrehachse (3). Auf den rohrformigen Abschnitten der Lagertrager (124) sitzen in O- Anordnung eingesetzte Kegelrollenlager (125). Letztere lagern ein Kombinationsbauteil, das aus dem mit dem Ausgleichsgehause (103) verschraubten oder verschweißten Tellerrad (102) besteht.

Das Kombinationsbauteil (102/103) weist zwei einander gegenüberliegende fluchtende Bohrungen (126) auf, deren Mittellinien ebenfalls beispielsweise auf der Raddrehachse (3) liegen. In diesen Bohrungen (126) sind die Achswellenrader (104) gleitgelagert angeordnet. Die Ausgleichskegelrader (105), vgl. Figur 1, und deren Lagerbolzen sind hier nicht dargestellt.

Die Achswellenrader (104) haben jeweils zentrale Bohrungen (108) . Zwischen den Wandungen der Bohrungen (108) und dem zumindest abschnittsweise zylindrischen Ende der Antriebshalbwellen (106) sind Nadellager (127) eingebaut, so

dass an dieser Stelle die Achswellenrader (104) keine drehfeste Verbindung zu den entsprechenden Antriebshalbwellen (106) haben.

Die drehfeste Verbindung wird nach Figur 5 pro Achsseite über eine schaltbare Klauenkupplung (140) realisiert. Dazu sitzt pro Achsseite eine Schaltmuffe (143) über eine Wellen-Naben- Verbindung (144) auf der Antriebshalbwelle (106) in unmittelbarer Nahe zu dem nachstgelegenen Achswellenrad (104). Die nebeneinander liegenden Bauteile (104) und (143) haben einander zugewandte, mit Schaltklauen (145) ausgestattete Stirnseiten .

Die Schaltmuffe (143) hat eine Schaltnut (146), in die eine Schaltgabel (147) eingreift. Letztere wird durch ein nicht dargestelltes Stellglied angetrieben. Bei einem Betatigen der Kupplung (140) verrasten die Schaltklauen (145) der Bauteile (104) und (143) ineinander. Der Kraftschluss zwischen der Antriebshalbwelle (106) und dem Achswellenrad (104) ist über die Wellen-Naben-Verbindung (144), die Schaltmuffe (143) und die Schaltklauen (145) hergestellt.

Das Zuschalten der zweiten Achse (110) mit dem zusatzlichen Abkuppeln des hinteren Ausgleichsgetriebes kann zum einen vom Fahrer durch das Betatigen eines Bedienelements direkt ausgelost werden. Zum anderen ist jedoch auch möglich, das Zuschalten der Achse (110) automatisch zu regeln. Dazu werden einer Steuerung z.B. fahrdynamische und fahrbahnseitige Informationen wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeugbeschleunigung, Motordrehzahl, Gaspedalstellung, Fahrbahnsteigung und Beladungszustand zugeführt. Eine

Auswertung dieser Informationen steuert dann das Betätigen der Kupplungen (40) und (140). Lassen sich aus diesen Informationen beispielsweise ein Anfahren, eine Bergfahrt oder das Einleiten einer positiven Beschleunigung ermitteln, so wird, sofern der Beladungszustand des Fahrzeugs diese erfordert, die zweite Achse (110) zugeschaltet.