Hydrostatischer Radantrieb als alternatives Allradkonzept für ...

Hydrostatischer Achsantrieb für Nutzfahrzeuge
ein neues Konzept für Allradantrieb
Dipl.-Ing. FH Gerd Rühmann
Dipl.-Ing. Thomas Reiter
Ing. HTL Wolfgang Greinöcker
MAN Nutzfahrzeuge AG
Dachauerstr. 667
80995 München
Der konventionelle Allradantrieb beim Nutzfahrzeug erfolgt heute durch Drehmomentverteilung
im Verteilergetriebe an die zweistufig übersetzten Vorder- und Hinterachsen. Je nach
Fahrzeugtyp und Einsatz werden 1gängige, 2gängige, permanent oder zuschaltbare Verteilergetriebe
mit angepasster Antriebsmomentverteilung verwendet.
Allradfahrzeuge haben im Vergleich zu nicht allradgetriebenen die typischen Nachteile, wie
größere Fahrzeughöhe, Mehrgewicht, höherer Kraftstoffverbrauch, Ausschluss der Luftfederung
und höhere Wartungskosten.
Auf der IAA 2000 erfolgte die Weltpremiere des ersten Allrad-LKWs mit hydrostatisch angetriebener
Vorderachse. Das Antriebsmoment wird bei diesem Fahrzeug über Radialkolben
Radnabenmotore an die Vorderräder übertragen. Der hierzu notwendige Arbeitsdruck wird
von einer Schrägscheibenkonstantpumpe erzeugt, die wiederum über eine am Schaltgetrieberetarderantrieb
angeflanschte Stirnradstufe mit Lastschaltkupplung angetrieben wird.
Entwicklungsschwerpunkt war die Systemintegration des zur Steuerung notwendigen Ventilblocks,
der elektronischen Steuerung für Zu- und Abschaltung des Allradantriebes, sowie der
Hydraulik-Hardwarekomponenten.
Dieses Allradkonzept, bis zu einer Geschwindigkeit von 30 km/h, senkt im Vergleich zu einem
4 x 4 LKW mit mechanischem Allrad, das Gewicht um 400 kg bei gleichzeitig reduziertem
Kraftstoffverbrauch aufgrund geringerer Reibungsverluste.
Es eröffnen sich durch diese, für Nutzfahrzeuge neue Antriebsart, Perspektiven, die über die
klassische Allradverwendung hinaus gehen, z. B. Einsatz bei Fernverkehrsstrassenfahrzeugen.

1. Einleitung
Die meisten Nutzfahrzeughersteller produzieren speziell für den Einsatz auf unbefestigten
Straßen und im Gelände allradgetriebene Fahrzeuge.
Diese Fahrzeuge haben im Gegensatz zu reinen Straßenfahrzeugen mit meist nur einer angetriebenen
Achse je nach Bauart, zwei bis vier angetriebene Achsen.
Für Baustellenfahrzeuge als Kipper kommen oftmals 6 x 4 Fahrzeuge oder 6 x 6 Fahrzeuge
zum Einsatz.
Aufgrund der Achslastverteilung von 2 x 13t an der Hinterachse und 7,5t an der Vorderachse
kann man erkennen, dass der Großteil des Antriebsmomentes auf die Hinterachsen übertragen
wird. Bei Bergauffahrt verändert sich dieses Verhältnis weiter zugunsten der Hinterachse.
Das Zusatzantriebsmoment der Vorderachse wird nur bei besonders schwerem Gelände
benötigt oder bei extremen Witterungsbedingungen.
Wegen dieser relativ geringen Einschaltdauer des Allrades erscheint die Anwendung dieser
Technik unwirtschaftlich. Benötigt und vom Kunden gefordert wird sie trotzdem.
2. Fahrzeuge mit herkömmlichem Allradantrieb
Bei der Betrachtung von Baustellenfahrzeugen bzw. Allradfahrzeugen liegt der Schluss nahe,
dass die meisten Fahrzeuge mit einem sogenannten zuschaltbarem Allrad auskommen
müßten und keinen permanenten Allradantrieb benötigen.
Ein Blick auf die MAN-Produktionsstatistik bestätigt dies (Bild 1).
Bild 1
2

Von den jährlich ca. 4.000 produzierten Allradfahrzeugen bei MAN waren 9% mit permanentem
Allrad ausgerüstet und 91% mit zuschaltbarem.
Vorteile des zuschaltbaren Allrades bestehen im geringeren Gewicht und geringeren Kosten
durch Entfall des Längsdifferentiales. Es wird bei Abschaltung kein Drehmoment übertragen,
trotzdem drehen alle Zahnräder der Achse und die Gelenkwelle mit, so dass der Antriebswirkungsgrad
deutlich ungünstiger ist, als bei 4 x 2 Fahrzeugen.
Beide Getriebebauarten haben einen Straßen- und einen Geländegang.
Für beide Verteilergetriebebauformen, permanent und zuschaltbar, ergeben sich folgende
Nachteile:
- erhebliches Fahrzeugmehrgewicht
- ungünstiger Antriebswirkungsgrad, bedeutet höherer Treibstoffverbrauch auch bei
abgeschalteter Vorderachse
- Zuschaltung des Allrades nur bei Stillstand bzw. Langsamfahrt, das bedeutet Unterbrechung
der dynamischen Fahrt.
All dies war Grund genug, eine neue, bessere Allradtechnik zu entwickeln.
Als beste geeignete Alternative zeigte sich ein hydraulischer Antrieb, in Form einer hydrostatisch
angetriebenen Vorderachse. Dieses System wurde mit dem Entwicklungspartner Fa.
Poclain Hydrauliks entwickelt.
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3. Hydrostatischer Allradantrieb
3.1 Technische Merkmale
Bild 2 zeigt die klassische Anordnung von Verteilergetriebe, Achsen und Gelenkwellen.
Bild 2
Der hydrostatische Allradantrieb weist folgende technische Merkmale auf Bild 3:
Bild 3
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3.2 Systembeschreibung
Das Antriebsschema des Hydroallrades sieht folgendermaßen aus (Bild 4):
Bild 4
Es handelt sich bei dem System um einen geschlossenen Kreislauf, der mit dem mechanischen
Antrieb des Nutzfahrzeuges gekoppelt wird.
Das System besteht aus einem Hochdruck- und einem Niederdruckkreis. Hochdruck heißt
ca. 450 bar und Niederdruck ca. 30 bar.
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Die an den Radnaben angeordneten Hydromotore werden über die am Getriebe Retarderantrieb
angeflanschte Schrägscheibenkonstantpumpe angetrieben.
Geschaltet wird das System mit einem druckluftgesteuerten Ventilblock, der zwischen Pumpe
und Radnabenmotoren sitzt.
Zum Niederdruckkreis gehört die vom Motornebenabtrieb angetriebene Speisepumpe, der
Ölkühler und der Öltank.
Gesteuert wird das System von der Zentralelektronik.
Wenn das System nicht eingeschaltet ist, sind die Radnabenmotore abgekoppelt. Die Kolben
der Radnabenmotore werden mit Federn eingezogen.
In diesem Zustand ist der Ventilblock zum Tank hin geöffnet, so dass ein geringer Ölstrom
mit einem geringen Druck von der Speisepumpe umgewälzt wird.
Beim Einschaltvorgang wird über die Elektronik mit einem Magnetschaltventil der Ventilblock
in Bypass geschaltet, d. h. die Speisepumpe baut einen Druck von 30bar auf. Dann erfolgt
die Einkupplung der Konstantpumpe und zuletzt wird im Ventilblock der Bypass geschlossen.
Die Pumpe fördert nun Öl zu den Radnabenmotoren und erzeugt dort das benötigte Drehmoment.
Eine Regelung des Ölstromes bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten ist nicht notwendig.
Die Pumpe dreht in einem konstanten Verhältnis zur Gelenkwellendrehzahl. Bei zunehmender
Geschwindigkeit und steigender Drehzahl der Radmotoren wird ein größerer Volumenstrom
von den Radmotoren abgefordert.
Das System funktioniert ebenso bei Rückwärtsfahrt, es vertauschen sich Saug- und Druckleitungen
des Hochdruckkreises. Die zulässige Höchstgeschwindigkeit wird durch die Elektronik
überwacht und schaltet bei 30 km/h ab und bei 26 km/h automatisch wieder ein.
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3.3 Systembaugruppen
Die Systembaugruppen bestehen aus dem Radantrieb mit den hydrostatischen Motoren.
3.3.1 Radantrieb
Grundsätzlich kann jede MAN-Faustachse mit dieser Antriebstechnik dargestellt werden. Die
Unterschiedsteile sind der Achsschenkel mit den Ölbohrungen, die Radnabe und die Radlagerung.
Die Achse ist für eine max. Achslast von 9,0t ausgelegt.
Der stehende Teil des Hydromotors ist auf das verzahnte Ende des Achsschenkels aufgesteckt.
Der Deckel des Motors ist mit der Radnabe verschraubt. Bild 5
Bild 5
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Bild 6 zeigt die so genannte Base, den stehenden Teil des Motors und den Kurvenbahnring
in der Vorderansicht dargestellt. In diesem Beispiel besteht der Motor aus 8 Kolben mit hydrodynamisch
gelagerten Rollen.
Bild 6
Bei nicht eingeschaltetem Allrad befinden sich die Kolben am unteren Todpunkt und werden
mit Federn in dieser Position gehalten.
Über den Stromverteiler, der mit Raddrehzahl dreht werden die Kolben mit Öl versorgt, das
an der Unterseite zugeführt wird. Es erfolgt so die Steuerung von Druck- zu Saugmodus. Die
Rolle des Kolbens wird bei Druck gegen die Kurvenbahn gedrückt und erzeugt so das Raddrehmoment.
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3.3.2 Pumpenantrieb Bild 7
Bild 7
Die andere Hauptbaugruppe ist die Stirnradstufe zum Antrieb der Pumpe. Dieses Getriebe
wird dort angeflanscht, wo normalerweise der Retarderantrieb sitzt. Das heißt, dass diese
Fahrzeuge nicht mit einem Retarder ausgerüstet werden können.
Das Zu- und Abschalten der Pumpe erfolgt über einen Druckluftkolben auf die
Lamellenkupplung.
Da die Konstantpumpe und die Radnabenmotore in einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis
miteinander arbeiten müssen, ist bei unterschiedlichen Hinterachsübersetzungen eine
Drehzahlanpassung erforderlich. Diese Angleichung erfolgt an der Stirnradstufe.
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4. Wirkungsgrade und Drehmomente Bild 8
Bild 8
Das nächste Bild zeigt den Vergleich der Drehmomente an der Vorderachse von Hydrostat
zu mechanisch angetriebener Vorderachse.
Man erkennt, dass der mechanische Antrieb in den unteren Gängen ein höheres Drehmoment
als der Hydrostat übertragen kann. Dies spielt in der Praxis jedoch keine Rolle, da bei
einem µ von ca. 0,5 kein höheres Moment übertragen werden kann, und somit der Hydrostat
vollkommen ausreicht.
Das max. Moment von 15.000 Nm erreicht der Hydro-Allrad bei einem Betriebsdruck von 450
bar.
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Dieses Moment (Bild 9) baut sich nach dem Einschalten sehr kurzfristig auf. Man erkennt
eine Einschaltdauer von ca. 1 sec. Und die unterschiedlichen Drücke entstehen durch den
jeweiligen Drehmomentbedarf der augenblicklichen Fahrzustände.
Bild 9
Die Wirkungsgrade des eingeschalteten hydrostatischen Allradantriebes werden bis dato nur
durch Simulationsrechnung ermittelt. Die Verlustleistung in Abhängigkeit vom Drehmoment
und somit der Druck des Hydromotors ist relativ konstant. Der zunehmende Leckölstrom bei
steigendem Druck macht sich nur geringfügig bemerkbar.
Im Prinzip ist jedoch der Wirkungsgrad im eingeschalteten Zustand nicht von großem Interesse,
da die Betriebszeiten sehr kurz sind in Bezug auf die Gesamtfahrleistung. Das heißt,
in der Gesamtbilanz des Kraftstoffverbrauches spielt dies keine Rolle.
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5. Zusammenfassung
Mit dem nächsten Bild (Bild 10) sind die wesentlichen Bauteile des Hydroallrades mit den
Einzelteilen des Radnabenmotors dargestellt: Deckel, Stromverteiler, Hydrobase und Kurvenbahnring.
Auf der rechten Seite ist der Antrieb für die Pumpe und dem Ventilblock zu sehen.
Bild 10
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Das Bild 11 zeigt die möglichen Anwendungsgebiete des hydrostatischen Allrades, die vom
klassischen Kipper über Feuerwehrfahrzeuge, Transportmischer bis zur Sattelzugmaschine
reichen.
Bild 11
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