AT502707B1

AT502707B1 - Kugelrampenanordnung mit variabler steigung der kugelrillen

Info

Publication number: AT502707B1
Application number: ATA1752/2006A
Authority: AT
Inventors: Gassmann Theodor; Schmidt Mark; Müller Kurt; Dr Sorge Kai
Original assignee: Gkn Driveline Int Gmbh
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2017-07-15
Also published as: US20070105684A1; CN1963252A; AT502707A2; CN1963252B; US7806797B2; CN103062360A; JP2007132517A; AT502707A3; DE102005053555B3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialverstellvorrichtung (5) in Form einer Kugelrampenanordnung, insbesondere zum Betätigen einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Die Axialverstellvorrichtung umfaßt zwei auf einer gemeinsamen Achse A zentrierte Scheiben (25, 26), von denen eine axial abgestützt ist und die andere axial verschiebbar ist und von denen zumindest eine drehend antreibbar ist. Die beiden Scheiben (25, 26) weisen jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen (27, 28) eine gleich große Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen (29, 30) auf. Die Kugelrillen (29, 30) haben jeweils in Draufsicht auf die Stirnflächen (27, 28), ausgehend von einem Bereich größter Rillentiefe, in gleicher Umfangsrichtung eine ansteigende Tiefe, wobei in Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelrillen (29, 30) jeweils eine Kugel (32) aufgenommen ist, über die sich die erste und die zweite Scheibe (25, 26) aneinander abstützen. Zumindest die Kugelrillen (29, 30) einer der beiden Scheiben (25, 26) ausgehend vom Bereich größter Rillentiefe haben einen ersten Rillenabschnitt (42) größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt (43) kleinerer Steigung, wobei die beiden Steigungen von Null verschieden sind und wobei der erste Rillenabschnitt (42) sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt α erstreckt als der Kreisbogenabschnitt β des zweiten Rillenabschnitts (43).

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Axialverstellvorrichtung in Form einer Kugelrampenanordnung zum Beaufschlagen einer Lamellenkupplung. Die Kugelrampenanordnung umfasst eine axial abgestützte Scheibe und eine hierzu axial verschiebbare Scheibe. Die beiden Scheiben haben in ihren einander zugewandten Stirnflächen mehrere umfangsverteilte Kugelrillen, die über den Umfang eine gegensinnig veränderliche Tiefe haben. Jeweils zwei einander gegenüberliegende Kugelrillen bilden ein Paar, wobei in jedem Paar von Kugelrillen eine Kugel gehalten ist, über die sich die Scheiben axial gegeneinander abstützen. Die beiden Scheiben sind relativ zueinander motorisch verdrehbar, wobei eine Verdrehung eine Axialverschiebung der axial verschiebbaren Scheibe gegenüber der axial abgestützten Scheibe und somit ein Betätigen der Lamellenkupplung bewirkt.

[0002] Axialverstellvorrichtungen dieser Bauart zum Betätigen von Lamellenkupplungen sind in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen weit verbreitet. Dabei können die Lamellenkupplungen als Sperrkupplungen in Differentialgetrieben, als sogenannte hang-on Kupplungen zum bedarfsweisen Antreiben einer zusätzlichen Antriebsachse oder als Reibkupplungen zur variablen Drehmomentverteilung zwischen zwei Antriebsachsen eines Differentialgetriebes dienen.

[0003] Aus der DE 39 09 112 A1 und der DE 39 15 959 A1 sind Axialverstellvorrichtungen der genannten Art zur Betätigung von Sperrkupplungen in Differentialgetrieben bekannt. Um in einer ersten Betätigungsphase ein schnelles Ansprechverhalten der Kupplung zu erreichen und in einer zweiten Betätigungsphase ein genaues Ansteuern der Kupplung zu gewährleisten, haben die Kugelrillen nicht-lineare Steuerkurven mit zunächst steilerem und dann progressiv abflachendem Profil. So wird in der ersten Betätigungsphase eine hohe und in der zweiten Betätigungsphase eine niedrige Spreizungsrate erzielt.

[0004] Aus der DE 102 52 974 A1 ist eine doppelstufige Kugelrampenanordnung mit einer Stellscheibe und einer Stützscheibe bekannt, die relativ zueinander verdrehbar sind. Dabei hat die Stützscheibe an ihrer der Stellscheibe abgewandten Seite eine Mehrzahl von Rampen, die mit am Gehäuse vorgesehenen Rampen mit über den Umfang gegensinnig veränderlicher Tiefe Zusammenwirken. Außerdem hat die Stützscheibe in ihrer der Stellscheibe zugewandten Fläche Kugelrillen mit über den Umfang veränderlicher Tiefe. Der Winkel der Rampen ist steiler als der Winkel der Kugelrillen, so dass ein schneller Eingriff ermöglicht wird.

[0005] Aus der DE 101 29 795 A1 ist eine Kugelrampenanordnung mit Abfederung im Rücklauf bekannt. Die Kugelrillen haben im Anschluss an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Endlage einen ansteigenden Auslauf, der bei einem Verdrehen der beiden Scheiben über die Endlage hinaus wieder zu einem Entfernen der Scheiben voneinander führt.

[0006] Aus der US 2 848 086 ist ein „Power Take-Off" eines Traktorantriebs bekannt, mit dem Nebenaggregate angetrieben werden können. Zum Zuschalten der Nebenaggregate ist eine Kupplung vorgesehen, mit einem Rampenmechanismus betätigt werden kann. Bei einer ersten Ausführungsform sind zylindrische Rollkörper vorgesehen, die auf entsprechenden profilierten Konturen abrollen können und damit eine axiale Verschiebung der Scheibe zum Beaufschlagen der Kupplung bewirken. Bei einer zweiten Ausführungsform ist eine Kugelrampenanordnung vorgesehen, wobei die Kugelrillen eine eine sehr kurze Umfangserstreckung aufweisen. Die Betätigung der Kupplung erfolgt händisch.

[0007] Aus der US 3 791 501 ist eine Kupplung zum Antrieben eines landwirtschaftlichen Geräts bekannt. Es ist ein Betätigungsmechanismus vorgesehen, der einen napfförmigen Träger umfasst, welcher drei zylindrische Wälzkörper auf radial verlaufenden Zapfen trägt. Die Wälzkörper stützen sich an einer Nockenscheibe ab, wobei die gegenüberliegende Fläche planeben ist.

[0008] Aus der US 4 774 857 ist eine Achsanordnung mit Planentengetriebe und zwei Kupplungen für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Eine der Kupplungen ist mittels einer hydraulischen Druckkammer beaufschlagbar, um den Steg des Planetengetriebes gegen- über dem Gehäuse abzubremsen.

[0009] Aus der JP 2001 041 269 A ist eine elektrische Bremse bekannt. Ein Elektromotor ist radial im Bereich der Bremsflächen der Bremse in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen und über umfangsverteilte Kugeln gegenüber einer Gehäusewandung axial abgestützt. Die Gehäusewandung weist umfangsverteilte Rampen auf, auf denen die Kugeln geführt sind. Die Rampen weisen jeweils einen kürzeren steilen Rampenabschnitt und einen längeren flachen Rampenabschnitt auf.

[0010] Insbesondere in Differentialanordnungen zur variablen Drehmomentverteilung, wie sie beispielsweise aus der DE 103 42 164 A1 bekannt sind, ist eine schnelle und exakte Ansteuerung der Reibungskupplungen mittels geeigneter Axialverstellvorrichtungen erforderlich, um die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten.

[0011] Aus der EP 0 844 416 A2 ist eine Getriebeanordnung zur variablen Drehmomentverteilung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Diese umfasst zwei koaxial zueinander angeordnete Antriebswellen, wobei im Leistungspfad zwischen den beiden Antriebswellen eine Getriebestufe und eine Reibungskupplung angeordnet ist. Zum Betätigen der Reibungskupplung ist ein hydraulischer Aktuator vorgesehen.

[0012] Aus der JP 11-270654 A ist ein Hinterachsdifferential mit einer Reiblamellenkupplung im Leistungspfad zwischen einem Differentialgehäuse und einem darin aufgenommenen Differentialkorb bekannt. Zur Betätigung der Reiblamellenkupplung ist eine elektromotorisch antreibbare Kugelrampenanordnung vorgesehen. Der Elektromotor treibt beide Scheiben der Kugelrampenanordnung gleichzeitig an.

[0013] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Axialverstellvorrichtung zum Betätigen einer Reibungskupplung vorzuschlagen, die schnell anspricht und gut regelbar ist.

[0014] Die Lösung liegt in einer Axialverstellvorrichtung in Form einer Kugelrampenanordnung zum Betätigen einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, welche die Verteilung von Antriebsmomenten auf Antriebsachsen des Kraftfahrzeugs regelt, umfassend zwei auf einer gemeinsamen Achse zentrierte Scheiben, von denen eine erste Scheibe in einem Gehäuse axial abgestützt und drehfest gehalten ist und die zweite Scheibe axial verschiebbar und mittels eines Elektromotors drehend antreibbar ist; die beiden Scheiben weisen jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen eine gleich große Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen auf; die Kugelrillen haben jeweils in Draufsicht auf die Stirnflächen, ausgehend von einem Bereich größter Rillentiefe, in gleicher Umfangsrichtung eine abnehmende Tiefe, wobei in Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelrillen jeweils eine Kugel aufgenommen ist, über die sich die erste und die zweite Scheibe aneinander abstützen; wobei zumindest die Kugelrillen einer der beiden Scheiben ausgehend vom Bereich größter Rillentiefe einen ersten Rillenabschnitt größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt kleinerer Steigung aufweisen, wobei die beiden Steigungen von Null verschieden sind, wobei der erste Rillenabschnitt sich über einen Kreisbogenabschnitt von maximal 10° erstreckt und der zweite Rillenabschnitt sich über einen Kreisbogenabschnitt von maximal 50° erstreckt, wobei der Kreisbogenabschnitt des ersten Rillenabschnitts um ein Vielfaches kleiner ist als der Kreisbogenabschnitt des zweiten Rillenabschnitts, und wobei alle Kugelrillen der beiden Scheiben im Anschluss an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Startlage einen ansteigenden Auslauf aufweisen, der einen größeren Radius als die Kugeln hat.

[0015] Der Vorteil der erfindungsgemäßen Axialverstellvorrichtung liegt darin, dass - ausgehend von einer unbetätigten Stellung, in der die beiden Scheiben den axial kürzesten Abstand zueinander aufweisen -zunächst ein großer axialer Stellweg über dem Verdrehwinkel zurückgelegt wird, um das Spiel des Lamellenpakets zu überwinden.

[0016] Hieraus ergibt sich eine besonders kurze Ansprechzeit des Systems. Der an den ersten Rillenabschnitt anschließende zweite Rillenabschnitt hat eine flachere Steigung, so dass sich hier ein kleinerer axialer Stellweg über dem Verdrehwinkel ergibt. Dieser zweite Rillenabschnitt dient zum Steuern der Reibungskupplung in ihrem Arbeitsbereich. Durch die flache Steigung ergibt sich eine feinfühlige Verstellung der Axialverstellvorrichtung im zweiten Rillenabschnitt und damit eine besonders genaue Ansteuerung der Reibungskupplung, so dass die Drehmomentverteilung im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs bedarfsgerecht geregelt werden kann. Dadurch, dass sich der erste Rillenabschnitt über einen kleineren Kreisbogenabschnitt erstreckt als der zweite Rillenabschnitt ist einerseits eine besonders kurze Ansprechzeit und andererseits eine besonders feinfühlige Steuerung im Arbeitsbereich möglich.

[0017] Die erfindungsgemäße Axialverstellvorrichtung ist variabel einsetzbar und kann beispielsweise zum Betätigen einer Sperrkupplungen in einem Differentialgetriebe, einer hang-on Kupplung zum bedarfsweisen Antreiben einer zusätzlichen Antriebsachse oder einer Reibkupplung zur variablen Drehmomentverteilung zwischen zwei Antriebsachsen eines Differentialgetriebes dienen. Bei der letztgenannten Möglichkeit kommen die genannten Vorteile besonders stark zum Tragen.

[0018] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der erste Rillenabschnitt über einen Kreisbogenabschnitt, der um ein Vielfaches kleiner ist als ein Kreisbogenabschnitt des zweiten Rillenabschnitts. Dabei ist das Verhältnis des Kreisbogenabschnitts des ersten Rillenabschnitts zum Kreisbogenabschnitt des zweiten Rillenabschnitts vorzugsweise kleiner 0,2, das heißt a/ß < 0,2. Hieraus ergibt sich eine besonders kurze Ansprechzeit bzw. gute Regelbarkeit im Arbeitsbereich. Die Anzahl der Paare von Kugelrillen ist grundsätzlich frei wählbar, sie sollte jedoch mindestens drei betragen, um eine gleichmäßige Abstützung über den Umfang zu gewährleisten. Vorzugsweise sind fünf über den Umfang verteilte Paare von Kugelrillen vorgesehen, so dass die an den jeweiligen Kontaktpunkten zwischen Kugel und Kugelrille entstehende Flächenpressung gering ist. Vorzugsweise ist die axial verschiebbare Scheibe ausschließlich über die in den Kugelrillen laufenden Kugeln gegenüber der abgestützten Scheibe radial gelagert. Zusätzliche Lagermittel sind somit nicht erforderlich.

[0019] Bei Verwendung von fünf Kugelrillen erstrecken sich die ersten Rillenabschnitte ausgehend von einem Bereich größter Rillentiefe vorzugsweise über einen Kreisbogenabschnitt von maximal 10°. Die sich an die ersten Rillenabschnitte anschließenden zweiten Rillenabschnitte erstrecken sich vorzugsweise über einen Kreisbogenabschnitt von maximal 50°. Zwischen den beiden Rillenabschnitten ist ein verbindender Übergangsabschnitt vorgesehen, der eine verhältnismäßig kurze Länge und einen kleinen Radius aufweist. Es ist weiterhin vorgesehen, dass der erste Rillenabschnitt eine lineare Steigung hat, die nach einer besonders günstigen Ausgestaltung zwischen 5° und 10° liegt. Hiermit ergibt sich eine besonders kurze Reaktionszeit. Der zweite Rillenabschnitt hat vorzugsweise eine lineare Steigung, die nach einer besonders günstigen Ausgestaltung zwischen 1,5° und 2,5° liegt. Hieraus ergibt sich eine gute Regelbarkeit der Reibungskupplung.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung haben zumindest einige der Paare von Kugelrillen im Bereich ihrer größten Rillentiefe gegenüber dem ersten Rillenabschnitt vertiefte Rastausnehmungen, in die die zugehörigen Kugeln einrasten können, um eine Nullpunktlage der Scheiben zu definieren. Dabei sind die Rastausnehmungen in jeweils beiden der einander gegenüberliegenden Kugelrillen vorgesehen. Die Kugelrillen der übrigen Paare sind im Bereich ihrer größten Rillentiefe derart gestaltet, dass die zugehörigen Kugeln gegenüber dem Rillengrund freigestellt sind. Das heißt, dass die übrigen Kugelrillen anstelle der Rastausnehmungen größere Vertiefungen aufweisen. Für eine möglichst exakte Nullpunktdefinition ist es günstig, eine kleine Anzahl von Kugelrillen mit Rastausnehmungen zu versehen. Für eine einfache Fertigung ist es günstig, wenn alle Kugelrillen Rastausnehmungen aufweisen. Die Rastausnehmungen sind vorzugsweise derart gestaltet, dass - im Umfangsschnitt durch den Rillengrund betrachtet - die Kugeln an zwei Punkten abgestützt sind.

[0020] Dabei erstrecken sich die Rastausnehmungen jeweils über einen Teil des Kreisbogenabschnitts des ersten Rillenabschnitts.

[0021] Nach einer bevorzugten Weiterbildung haben alle Kugelrillen der beiden Scheiben im Anschluss an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Startlage einen ansteigenden Aus lauf. Durch den Auslauf wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass bei der Rückstellbewegung ein Verdrehen der beiden Scheiben relativ zueinander über die größte Rillentiefe hinaus ermöglicht wird. Dabei entfernen sich die beiden Scheiben wieder voneinander, so dass die Federmittel erneut verkürzt werden. So wird die Rotormasse und die gesamte Drehmasse des Getriebes über die Rückstellkraft der Federmittel beim Überschwingen über die Endlage abgefedert. Vorzugsweise verlaufen die Ausläufe der Kugelrillen - im Zylinderschnitt durch den Rillengrund betrachtet -bogenförmig konkav, wobei der Bogen einen größeren Radius als die Kugeln hat.

[0022] Die Kugelrillen der beiden Scheiben sind vorzugsweise gegengleich gestaltet. Üblicherweise ist zwischen den beiden Scheiben ein ringscheibenförmiger Käfig angeordnet, in dessen Fenstern die Kugeln in einer definierten Position in Umfangsrichtung zueinander gehalten sind. Vorzugsweise ist die axial verschiebbare Scheibe von Federmitteln in Richtung zur axial abgestützten Scheibe beaufschlagt, um in unbetätigtem Zustand eine Rückstellbewegung zu bewirken.

[0023] Eine weitergehende Lösung der obengenannten Aufgabe liegt in einer Getriebeanordnung zur variablen Drehmomentverteilung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend [0024] eine erste Welle, die gegenüber einem stehenden Gehäuse um eine Längsachse A drehbar gelagert ist; [0025] eine koaxial hierzu angeordnete zweite Welle, die mit der ersten Welle antriebsverbun-den ist; [0026] eine im Drehmomentfluss zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle angeordnete Getriebestufe mit einem ersten Sonnenrad, das mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist, einem zweiten Sonnenrad, das mit der ersten Welle drehfest verbunden ist, mindestens einem Planetenrad, das mit den beiden Sonnenrädern kämmt, und einem das zumindest eine Planetenrad tragenden Stegelement, das um die Längsachse A umlaufen kann; eine Reibungskupplung, die zum Ankoppeln des Stegelements an das Gehäuse dient und mit dem Gehäuse drehfest verbundene Außenlamellen und mit dem Stegelement drehfest verbundene Innenlamellen aufweist, wobei die Außenlamellen und die Innenlamellen axial abwechselnd angeordnet sind und gemeinsam ein Lamellenpaket bilden; und eine Axialverstellvorrichtung in Form einer Kugelrampenanordnung mit zwei auf einer gemeinsamen Achse zentrierten Scheiben, von denen eine erste Scheibe gegenüber dem Gehäuse axial abgestützt und drehfest gehalten ist und die zweite Scheibe axial verschiebbar ist und mittels eines Elektromotors drehend antreibbar ist, wobei die axial verschiebbare Scheibe von Federmitteln in Richtung zur axial abgestützten Scheibe beaufschlagt ist; wobei die beiden Scheiben jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen eine gleich große Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen aufweisen; wobei die Kugelrillen - jeweils in Draufsicht auf die Stirnflächen - in gleicher Umfangs-richtung eine ansteigende Tiefe haben, wobei in Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelrillen jeweils eine Kugel aufgenommen ist, über die sich die erste und die zweite Scheibe aneinander abstützen; wobei zumindest die Kugelrillen einer der beiden Scheiben einen ersten Rillenabschnitt größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt kleinerer Steigung aufweisen, wobei der erste Rillenabschnitt sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt erstreckt als der zweite Rillenabschnitt.

[0027] Die Axialverstellvorrichtung kann nach obiger Ausführung gestaltet sein. Die erfindungsgemäße Differentialanordnung hat dieselben obengenannten Vorteile einer schnellen Aktuie-rung bis das Lamellenspiel der Reibungskupplung überwunden ist und einer genauen Regelbarkeit im Arbeitsbereich der Reibungskupplung. Dies ist insbesondere bei der genannten Getriebeanordnung zur variablen Drehmomentverteilung günstig, bei der es auf eine schnelle und präzise Regelung der Fahrdynamik ankommt.

[0028] Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele sind nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt [0029] Figur 1 eine Getriebeanordnung mit einer erfindungsgemäßen Axialverstellvor richtung im Längsschnitt; [0030] Figur 2 die Getriebeanordnung nach Figur 1 im Querschnitt; [0031] Figur 3 die Stützscheibe der Axialverstellvorrichtung aus Figur 1 in Draufsicht; [0032] Figur 4 die Stellscheibe der Axialverstellvorrichtung aus Figur 1 in Draufsicht; [0033] Figur 5 eine Kugelrille im Umfangsschnitt durch den Rillengrund gemäß Schnittli nie V-V aus Figur 3 oder 4; [0034] Figur 6 die Getriebeanordnung gemäß Figur 1 in perspektivischer Ansicht; [0035] Figur 7 eine Differentialanordnung mit zwei Getriebeanordnungen nach Figur 1 im Längsschnitt; [0036] Die Figuren 1 und 2 werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Es ist eine Getriebeanordnung 2 ersichtlich, die als Baugruppen eine Getriebestufe 3 eine Reibungskupplung 4 und eine Axialverstellvorrichtung 5 umfasst, die koaxial auf einer Drehachse A angeordnet sind. Dabei dient die Axialverstellvorrichtung 5 zum Betätigen der Reibungskupplung 4, die ihrerseits die Getriebestufe 3 ansteuert. Die Getriebeanordnung 2 dient zur variablen Drehmomentverteilung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zwischen zwei Antriebswellen. Ein Anwendungsfall für eine solche Getriebeanordnung ist im Zusammenhang mit Figur 7 beschrieben.

[0037] Die Getriebeanordnung 2 umfasst weiter ein Gehäuse 8, eine in dem Gehäuse auf einer Drehachse A drehbar gelagerte erste Welle 6 sowie eine koaxial auf der ersten Welle drehbar gelagerte zweite Welle 7.

[0038] Dabei ist die erste Welle 6 mittels eines Wälzlagers 9 in dem Gehäuse 8 drehbar gelagert und mittels Dichtungsmitteln 10 in Form eines Wellendichtrings gegenüber diesem nach außen abgedichtet. Eingangsseitig hat die erste Welle 6 eine Längsverzahnung zum drehfesten Anschließen an ein hier nicht dargestelltes Seitenwellenrad eines Differentialgetriebes. Ausgangsseitig hat die erste Welle 6 einen Flansch 12 zum Verbinden mit einer hier nicht dargestellten Seitenwelle des Kraftfahrzeugs. Die zweite Welle 7 ist mittels Gleitlagerung auf der ersten Welle 6 gelagert und hat eine Längsverzahnung zum drehfesten verbinden mit einem hier nicht dargestellten Differentialkorb.

[0039] Die Getriebestufe 3 umfasst ein erstes Sonnenrad 13, das einstückig mit der zweiten Welle 7 verbunden ist, mehrere mit dem ersten Sonnenrad 13 in Verzahnungseingriff stehende Planetenräder 14 sowie ein mit den Planetenrädern kämmendes zweites Sonnenrad 15, das mit der ersten Welle 6 über eine Längsverzahnung drehfest verbunden ist. Die Planetenräder 14 sind jeweils einstückig gestaltet und umfassen zwei Verzahnungsabschnitte, von denen einer mit dem ersten Sonnenrad 13 und der andere mit dem zweiten Sonnenrad 15 kämmend in Eingriff ist. Die Verzahnung ist als Schrägverzahnung gestaltet, um ein günstiges NVH-Verhalten ('noise-vibration-harshness') zu erzielen. Zwischen den beiden Sonnenrädern ist ein Axiallager 11 vorgesehen. Um eine Drehzahlübersetzung zwischen der ersten Welle 6 und der zweiten Welle 7 zu erreichen, haben die beiden Sonnenräder 13, 15 eine unterschiedliche Zähnezahl. Dabei sind die Zähnezahlen der Planetenräder 14 und der Sonnenräder 13, 15 so gewählt, dass zwischen erster Welle 6 und zweiter Welle 7 ein Drehzahlunterschied von bis zu 20% erreicht wird. Die Planetenräder 14 sind auf Zapfen 16 in einem Stegelement 17 mittels Nadellagern 18 drehbar aufgenommen. Das Stegelement 17 ist korbförmig gestaltet und nach außen hin weitestgehend geschlossen. An der Außenumfangsfläche des Stegelements 17 sind Eingriffsmittel 19 vorgesehen, in die Innenlamellen 20 der Reibungskupplung 4 drehfest eingrei-fen.

[0040] Die Reibungskupplung 4 umfasst neben den Innenlamellen 20, die auf der Drehachse A axial verschiebbar gehalten sind, hierzu koaxiale Außenlamellen 21, die gegenüber dem Gehäuse 8 drehgesichert und längs der Drehachse A axial verschiebbar gehalten sind. Die Außenlamellen 21 und die Innenlamellen 20 sind axial abwechselnd angeordnet und bilden gemeinsam ein Lamellenpaket 22, das gegenüber dem Gehäuse 8 über eine Stützplatte 55 axial abgestützt ist. Durch Betätigen der Reibungskupplung 4 wird das drehende Stegelement 17 der Getriebestufe 3 gegenüber dem ortsfesten Gehäuse 8 abgebremst, um ein zusätzliches Dreh- moment direkt am Differentialkorb abzugreifen und über die zweite Welle 7 und die Getriebestufe 3 auf die erste Welle 6 zu übertragen. Im Gehäuse 8 ist ein Kraftsensor 23 fixiert, gegen den eine Teilzahl der Außenlamellen 21 mit einem Nocken 24 im Umfangssinn abgestützt ist. Dabei haben die beiden mittleren der vier Außenlamellen 21 Nocken 24, die den Kraftsensor 23 beaufschlagen. Die beiden axial äußersten Außenlamellen 7 sind unmittelbar im Gehäuse 8 drehtest gehalten. Alle Außenlamellen 21 sind an ihrer dem Kraftsensor 23 diametral gegenüberliegenden Seite schwenkbar auf einem Bolzen 31 gelagert, der im Gehäuse 8 fixiert ist. Der Kraftsensor 23 ist so im Gehäuse 8 gehalten, dass er infolge Betätigung der Reibungskupplung 4 von den Nocken 24 in einer mit Abstand quer zur Längsachse A verlaufenden Wirkrichtung mit einer Kraft beaufschlagt wird. Auf Basis der vom Kraftsensor 23 gemessenen Kräfte wird in einer hier nicht dargestellten Rechnereinheit das Kupplungsmoment errechnet. Das Kupplungsmoment dient als Eingangsgröße für ein hier nicht dargestelltes Regelsystem zur Regelung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs, das die variable Verteilung der Antriebsmomente auf die Antriebsachsen regelt.

[0041] Die Ansteuerung der Reibungskupplung 4 zur Erzeugung des erforderlichen Kupplungsmoments erfolgt über die erfindungsgemäße Axialverstellvorrichtung 5. Die Axialverstellvorrichtung 5 ist in Form einer Kugelrampenanordnung gestaltet, die zwei auf der Drehachse A zentriert angeordnete Scheiben 25, 26 umfasst. Dabei ist die erste der Scheiben als Stützscheibe 25 gestaltet, die in einem hier nicht dargestellten Gehäuseteil axial abgestützt und drehfest gehalten ist. Die zweite Scheibe ist als axial verschiebbare und drehend antreibbare Stellscheibe 26 gestaltet. Die beiden Scheiben 25, 26 weisen, wie insbesondere aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen 27, 28 fünf umfangsverteilte und in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen 29, 30 mit gegensinnig veränderlicher Tiefe auf. In jeweils einem Paar von einander gegenüberliegenden Kugelrillen 29, 30 ist eine Kugel 32 aufgenommen, über die sich die beiden Scheiben 25, 26 aneinander abstützen. Axial zwischen den beiden Scheiben 25, 26 ist ein ringscheibenförmiger Käfig 33 mit umfangsverteilten Fenstern vorgesehen. In jedem Fenster ist eine der Kugeln 32 aufgenommen, die so in Umfangsrichtung in einer definierte Position zueinander gehalten werden. Während die Stützscheibe 25 in dem Gehäuseteil radial fixiert ist, ist die Stellscheibe 26 über die Kugeln 32 gegenüber der Stützscheibe 25 radial gelagert.

[0042] Im Ausgangszustand, das heißt bei vollständig geöffneter Reibungskupplung 4 befinden sich Stellscheibe 26 und Stützscheibe 25 in der zueinander nächstmöglichen Position. Bei Verdrehung der Stellscheibe 26 verdrehen sich die Paare von Kugelrillen 29, 30 relativ zueinander, so dass die Kugeln 32 in Bereiche geringerer Tiefe laufen. So findet zwischen den Scheiben 25, 26 eine Spreizung statt, wobei die Stellscheibe 26 axial in Richtung zur Reibungskupplung 4 verschoben wird. Zur Erzielung der Drehbewegung der Stellscheibe 26 ist diese an ihrer Außenumfangsflache mit einer Außenverzahnung 34 versehen. In die Außenverzahnung 34 greift ein hier nicht dargestelltes Ritzel ein, das über eine Zahnradpaarung 35 mit einem Elektromotor 36 antriebsverbunden ist.

[0043] Die Stellscheibe 26 hat an ihrer Rückseite eine radiale Druckfläche 37, die über ein zwischengeschaltetes Axiallager 38 eine Druckplatte 39 axial beaufschlagt. Dabei ist das Axiallager in Form eines Nadellagers 38 gestaltet, das an der Druckplatte 39 anliegt, die wiederum auf das Lamellenpaket 22 der Reibungskupplung 4 einwirkt. So führt eine Betätigung der Kugelrampenanordnung 5 zu einer vorbestimmten Sperrung der Reibungskupplung 4 und damit Ankopplung der umlaufenden Getriebestufe 3 an das stehende Gehäuse 8. Zum erneuten Öffnen der Reibungskupplung 4 wird der Elektromotor in entgegengesetzte Richtung betätigt. Dabei bewirken axial am Gehäuse 8 abgestützte und die Stellscheibe 26 beaufschlagende Druckfedern 40 eine Rückstellung der Stellscheibe in Richtung Stützscheibe 25. Um bei der Rückstellbewegung ein Verdrehen der beiden Scheiben 25, 26 über die größte Rillentiefe hinaus zu ermöglichen, haben die Kugelrillen 29, 30 der beiden Scheiben im Anschluss an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Endlage jeweils einen ansteigenden Auslauf 41. Dieser ist in Figur 5 gezeigt. Durch den Auslauf 41 wird erreicht, dass sich die beiden Scheiben 25, 26 nach Durchlaufen ihrer tiefsten Stelle wieder voneinander, so dass die Druckfedern 40 erneut verkürzt werden. So wird die Rotormasse und die gesamte Drehmasse des Getriebes über die Rückstellkraft der Druckfedern 40 beim Überschwingen über die Endlage abgefedert. Die Ausläufe 41 haben - im Zylinderschnitt durch den Rillengrund betrachtet - einen bogenförmigen Verlauf, dessen Radius R3 größer ist als der Radius R1 der Kugeln 32.

[0044] Die Kugelrillen 29, 30 der beiden Scheiben 25, 26 sind gegengleich gestaltet, das heißt die Kugelrillen 29, 30 der Stützscheibe und der Stellscheibe haben jeweils das gleiche Profil. Figur 5 zeigt eine Kugelrille 29 stellvertretend für beide Scheiben 25, 26 im Zylinderschnitt durch den Rillengrund. Es ist ersichtlich, dass die Kugelrille 29 einen ersten Rillenabschnitt 42 größerer Steigung und einen sich hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt 43 kleinerer Steigung aufweist. Dabei erstreckt sich der erste Rillenabschnitt 42 über einen Kreisbogenabschnitt α von etwa 5° mit einer linearen Steigung γ von etwa 7,5°. Dieser erste Rillenabschnitt 42 ist relativ steil, so dass ein großer Stellweg über dem Verdrehwinkel zurückgelegt wird. Dies ist günstig, um -ausgehend vom unbetätigten Zustand - das Kupplungsspiel der Reibungskupplung 4 schnell zu überwinden. Der zweite Rillenabschnitt 43 erstreckt sich über einen Kreisbogenabschnitt ß von etwa 35° mit einer linearen Steigung δ von etwa 1,5°. Der flache lineare Anstieg des zweiten Rillenabschnitts 43 ist für den Arbeitsbereich der Reibungskupplung 4 besonders günstig, um das Reibmoment genau einstellen zu können. Zwischen den beiden Rillenabschnitten 42, 43 ist ein verbindender Übergangsabschnitt 44 vorgesehen, der mit einem kleinen Radius R4 gekrümmt ist und eine verhältnismäßig kurze Länge aufweist.

[0045] Um das System während des Betriebs zu kalibrieren, das heißt eine Nullpunktslage zu definieren, haben die Kugelrillen 29, 30 der beiden Scheiben 25, 26 im Bereich ihrer größten Rillentiefe Rastausnehmungen 45, in die die zugehörigen Kugeln 32 einrasten können. Die Rastausnehmungen 45 sind hohlkugelförmig und mit kleinerem Radius R2 als der Radius R1 der Kugeln 32 gestaltet. So werden die Kugeln 32 - im Zylinderschnitt durch den Rillengrund betrachtet - an zwei Punkten abgestützt und in einer definierten Umfangslage gehalten. Diese Nullpunktslage der Kugel 32 ist in Figur 5 mit TV bezeichnet, während die Kugellage mit größter axialer Spreizung mit Ή' bezeichnet ist.

[0046] Insgesamt hat die erfindungsgemäße Axialverstellvorrichtung 5 eine extrem kurze Ansprechzeit und einen sensiblen Arbeitsbereich, wobei eine regelmäßige Kalibrierung des Systems auch über die gesamte Lebensdauer eine genaue Steuerung gewährleistet. Die mit der erfindungsgemäßen Axialverstellvorrichtung 5 ausgestattete Getriebeanordnung 2 ermöglicht somit eine exakte Regelung der Antriebsmomente des Kraftfahrzeugs. In Figur 6 ist die Getriebeanordnung 2 als Baueinheit gezeigt, wobei von der erfindungsgemäßen Axialverstellvorrichtung 5 lediglich der Elektromotor 36 zu sehen ist.

[0047] Figur 7 zeigt ein Differentialgetriebe 46 mit variabler Drehmomentverteilung für den Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug. Das Differentialgetriebe 46 wird von einem hier nicht dargestellten Stufengetriebe über eine Antriebswelle angetrieben und das eingehende Drehmoment wird auf zwei Seitenwellen 6, 6' verteilt. Das Differentialgetriebe 46 umfasst einen Differentialkorb 47, der in einem stehenden Differentialgehäuse 48 um die Drehachse A drehbar gelagert ist. An dem Differentialkorb 47 ist ein Tellerrad 49 befestigt, das von der Antriebswelle angetrieben wird. Im Differentialkorb 47 sind mehrere Ausgleichsräder 50 auf zur Drehachse A senkrecht stehenden Zapfen 52 drehbar gelagert, die mit dem Differentialkorb 47 umlaufen. Mit den Ausgleichsrädern 50 sind zwei Seitenwellenräder 53, 54 in Verzahnungseingriff, die zur Drehmomentübertragung auf die Seitenwellen 6, 6' dienen.

[0048] Seitlich benachbart zum Differentialgehäuse 48 sind zwei Getriebeanordnungen 2, 2' vorgesehen, die hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise der Ausführungsform nach Figur 1 entsprechen. Insofern wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen, die für beide Getriebeanordnungen 2, 2' gleichermaßen gilt. Die Getriebeanordnungen 2, 2' sind mit ihrem Gehäuse 8, 8' über Flanschverbindungen 12, 12' an das Differentialgehäuse 48 angeschlossen. Vorliegend liegt der Kraftsensor der rechten Getriebeanordnung in einer anderen Schnittebene, so dass er nicht sichtbar ist. Es ist ersichtlich, dass die erste Welle 6 der linken Getriebeanordnung 2 die linke Seitenwelle bildet und über eine Steckverbindung mit dem zugehörigen linken

Seitenwellenrad 53 des Differentials 46 drehfest verbunden ist. Die zweite Welle 7 der linken Getriebeanordnung 2, die als Hohlwelle ausgebildet ist, ist über eine Steckverbindung mit dem Differentialkorb 47 drehfest verbunden. Der Anschluss der rechten Getriebeanordnung 2' erfolgt analog.

[0049] Durch die Differentialanordnungen 2, 2' mit den erfindungsgemäßen Axialverstellvorrichtungen 5, 5' können die Reibungskupplungen 4, 4' genau angesteuert werden, um das erforderliche Kupplungsmoment zu erzeugen. Dies führt zu präzisen Eingriff in die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs und somit zu einer höheren Fahrstabilität. BEZUGSZEICHENLISTE: 2 Getriebeanordnung 3 Getriebestufe 4 Reibungskupplung 5 Axialverstellvorrichtung 6 erste Welle 7 zweite Welle 8 Gehäuse 9 Wälzlager 10 Wellendichtring 12 Flansch 13 Sonnenrad 14 Planetenrad 15 Sonnenrad 16 Zapfen 17 Stegelement 18 Nadellager 19 Eingriffsmittel 20 Innenlamelle 21 Außenlamelle 22 Lamellenpaket 23 Kraftsensor 24 Nocken 25 (Stütz-)Scheibe 26 (Stell-)Scheibe 27 Stirnfläche 28 Stirnfläche 29 Kugelrille 30 Kugelrille 31 Bolzen 32 Kugel 33 Käfig 34 Außenverzahnung 35 Zahnradpaarung 36 Elektromotor 37 Druckfläche 38 Axiallager 39 Druckplatte 40 Druckfeder 42 erster Rillenabschnitt 43 zweiter Rillenabschnitt 44 Übergangsabschnitt 45 Rastausnehmung 46 Differentialgetriebe 47 Differentialkorb 48 Differentialgehäuse 49 Tellerrad 50 Ausgleichsrad 52 Zapfen 53 Seitenwellenrad 54 Seitenwellenrad 55 Stützplatte A Drehachse α Winkel ß Winkel δ Winkel Y Winkel

Claims

Patentansprüche

1. Axialverstellvorrichtung (5) in Form einer Kugelrampenanordnung zum Betätigen einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, welche die Verteilung von Antriebsmomenten auf Antriebsachsen des Kraftfahrzeugs regelt, umfassend zwei auf einer gemeinsamen Achse (A) zentrierte Scheiben (25, 26), von denen eine erste Scheibe (25) in einem Gehäuse axial abgestützt und drehfest gehalten ist und eine zweite Scheibe (26) axial verschiebbar und mittels eines Elektromotors (36) drehend antreibbar ist; wobei die beiden Scheiben (25, 26) jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen (27, 28) eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen (29, 30) aufweisen; wobei die Kugelrillen (29, 30) jeweils in Draufsicht auf die Stirnflächen (27, 28), ausgehend von einem Bereich größter Rillentiefe, in gleicher Umfangsrichtung eine abnehmende Tiefe haben, wobei in Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelrillen (29, 30) jeweils eine Kugel (32) aufgenommen ist, über die sich die erste und die zweite Scheibe (25, 26) aneinander abstützen; wobei zumindest die Kugelrillen (29, 30) einer der beiden Scheiben (25, 26) ausgehend vom Bereich größter Rillentiefe einen ersten Rillenabschnitt (42) größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt (43) kleinerer Steigung aufweisen, wobei die beiden Steigungen von Null verschieden sind, wobei der erste Rillenabschnitt (42) sich über einen Kreisbogenabschnitt (a) von maximal 10° und der zweite Rillenabschnitt (43) sich über einen Kreisbogenabschnitt (ß) von maximal 50° erstreckt, wobei der Kreisbogenabschnitt (a) des ersten Rillenabschnitts (42) um ein Vielfaches kleiner ist als der Kreisbogenabschnitt (ß) des zweiten Rillenabschnitts (43), und wobei alle Kugelrillen (29, 30) der beiden Scheiben (25, 26) im Anschluss an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Startlage einen ansteigenden Auslauf (41) aufweisen, der einen größeren Radius als die Kugeln (32) hat.
2. Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Kreisbogenabschnitts (a) des ersten Rillenabschnitts (42) zum Kreisbogenabschnitt (ß) des zweiten Rillenabschnitts (43) kleiner 0,2 ist, das heißt α/ß < 0,2.
3. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass fünf Paare von Kugelrillen (29, 30) verwendet werden.
4. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rillenabschnitt (42) eine lineare Steigung aufweist.
5. Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung 5° bis 10° beträgt.
6. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rillenabschnitt (43) eine lineare Steigung aufweist.
7. Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung 1,5° bis 2,5° beträgt.
8. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Rillenabschnitt (42) und dem zweiten Rillenabschnitt (43) ein Übergangsabschnitt (44) mit einem Radius (R4) vorgesehen ist.
9. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilzahl der Kugelrillen (29, 30) im Bereich ihrer größten Rillentiefe gegenüber dem ersten Rillenabschnitt (42) vertiefte Rastausnehmungen (45) aufweisen, in die die zugehörigen Kugeln (32) einrasten können, um eine Nullpunktlage zu definieren.
10. Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastausnehmungen (45) derart gestaltet sind, dass - im Umfangsschnitt durch den Rillengrund betrachtet - die Kugeln (32) an zwei Punkten abgestützt sind.
11. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslauf (41) - im Zylinderschnitt durch den Rillengrund betrachtet - bogenförmig konkav verläuft, wobei der Bogen einen größeren Radius als die Kugeln (32) hat.
12. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrillen (29, 30) der beiden Scheiben (25, 26) gegengleich gestaltet sind.
13. Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die axial verschiebbare Scheibe (26) von Federmitteln (40) in Richtung zur axial abgestützten Scheibe (25) beaufschlagt ist.
14. Getriebeanordnung (2) zur variablen Drehmomentverteilung auf Antriebsachsen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine erste Welle (6), die gegenüber einem stehenden Gehäuse (8) um eine Längsachse (A) drehbar gelagert ist; eine koaxial hierzu angeordnete zweite Welle (7), die mit der ersten Welle (6) antriebsverbunden ist; eine im Drehmomentfluss zwischen der ersten Welle (6) und der zweiten Welle (7) angeordnete Getriebestufe (3) mit einem ersten Sonnenrad (13), das mit der zweiten Welle (7) drehfest verbunden ist, einem zweiten Sonnenrad (15), das mit der ersten Welle (6) drehtest verbunden ist, mindestens einem Planetenrad (14), das mit den beiden Sonnenrädern (13, 15) kämmt, und einem das zumindest eine Planetenrad (14) tragenden Stegelement (17), das um die Längsachse (A) umlaufen kann; eine Reibungskupplung (4), die zum Ankoppeln des Stegelements (17) an das Gehäuse (8) dient und mit dem Gehäuse (8) drehfest verbundene Außenlamellen (21) und mit dem Stegelement (17) drehfest verbundene Innenlamellen (20) aufweist, wobei die Außenlamellen (21) und die Innenlamellen (20) axial abwechselnd angeordnet sind und gemeinsam ein Lamellenpaket (22) bilden; eine Axialverstellvorrichtung (5) in Form einer Kugelrampenano-rdnung mit zwei auf der Achse (A) zentrierten Scheiben (25, 26), von denen eine erste Scheibe (25) gegenüber dem Gehäuse (8) axial abgestützt ist und drehfest gehalten ist und eine zweite Scheibe (26) axial verschiebbar und mittels eines Elektromotors (36) drehend antreibbar ist, wobei die axial verschiebbare Scheibe (26) von Federmitteln (40) in Richtung zur axial abgestützten Scheibe (25) beaufschlagt ist; wobei die beiden Scheiben (25, 26) jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen (27, 28) eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen (29, 30) aufweisen; wobei die Kugelrillen (29, 30) - jeweils in Draufsicht auf die Stirnflächen - in gleicher Umfangsrichtung eine ansteigende Tiefe haben, wobei in Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelrillen (29, 30) jeweils eine Kugel (32) aufgenommen ist, über die sich die erste und die zweite Scheibe (25, 26) aneinander abstützen; wobei zumindest die Kugelrillen (29, 30) einer der beiden Scheiben (25, 26) einen ersten Rillenabschnitt (42) größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt (43) kleinerer Steigung aufweisen, wobei der erste Rillenabschnitt (42) sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt (a) erstreckt als der zweite Rillenabschnitt (43), der sich über einen Kreisbogenabschnitt (ß) erstreckt.
15. Getriebeanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13 gestaltet ist. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen