DE102005053555B3

DE102005053555B3 - Kugelrampenanordnung mit variabler Steigung der Kugelrillen

Info

Publication number: DE102005053555B3
Application number: DE102005053555A
Authority: DE
Inventors: Theodor Dipl.-Ing. Gaßmann; Mark Dipl.-Ing. Schmidt; Kurt Dipl.-Ing. Müller; Kai Dr.-Ing. Sorge
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2025-11-09
Also published as: JP2007132517A; AT502707A2; CN103062360A; US7806797B2; US20070105684A1; AT502707B1; AT502707A3; CN1963252B; CN1963252A

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 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 haben einen ersten Rillenabschnitt 42 größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt 43 kleinerer Steigung, wobei der erste Rillenabschnitt 42 sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt alpha erstreckt als der Kreisbogenabschnitt beta des zweiten Rillenabschnitts 43.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialverstellvorrichtung in Form einer Kugelrampenanordnung, insbesondere 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.
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.

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 ein 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.

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.

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.

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.

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

Die Lösung liegt in einer Axialverstellvorrichtung in Form einer Kugelrampenanordnung, insbesondere zum Betätigen einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend
zwei auf einer gemeinsamen Achse zentrierte Scheiben, von denen eine axial abgestützt ist und die andere axial verschiebbar ist und von denen zumindest eine dre hend 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, ausgehend von einem Bereich größter Rillentiefe, in Draufsicht auf die Stirnflächen 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 von den Bereichen größter Rillentiefe, einen ersten Rillenabschnitt größerer Steigung und einen hieran anschließenden zweiten Rillenabschnitt kleinerer Steigung aufweisen, wobei die beiden Steigungen von Null verschieden sind und wobei der erste Rillenabschnitt sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt erstreckt als der zweite Rillenabschnitt.

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. 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.

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 An triebsachsen eines Differentialgetriebes dienen. Bei der letztgenannten Möglichkeit kommen die genannten Vorteile besonders stark zum Tragen.

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 α/β < 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.

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

Nach einer bevorzugten Weiterbildung haben alle Kugelrillen der beiden Scheiben im Anschluß an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Startlage einen ansteigenden Auslauf. 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.

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.

Eine weitergehende Lösung der obengenannten Aufgabe liegt in einer Getriebeanordnung zur variablen Drehmomentverteilung im Antriebsstrang eines Kraftfahr zeugs, umfassend eine erste Welle, die gegenüber einem stehenden Gehäuse um eine Längsachse A drehbar gelagert ist; eine koaxial hierzu angeordnete zweite Welle, die mit der ersten Welle antriebsverbunden ist; 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 nach einer der obengenannten Ausführungsformen.

Die erfindungsgemäße Differentialanordnung hat dieselben obengenannten Vorteile einer schnellen Aktuierung 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.

Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele sind nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt
1 eine Getriebeanordnung mit einer erfindungsgemäßen Axialverstellvorrichtung im Längsschnitt;
2 die Getriebeanordnung nach 1 im Querschnitt;
3 die Stützscheibe der Axialverstellvorrichtung aus 1 in Draufsicht;
4 die Stellscheibe der Axialverstellvorrichtung aus 1 in Draufsicht;
5 eine Kugelrille im Umfangsschnitt durch den Rillengrund gemäß Schnittlinie V-V aus 3 oder 4;
6 die Getriebeanordnung gemäß 1 in perspektivischer Ansicht;
7 eine Differentialanordnung mit zwei Getriebeanordnungen nach 1 im Längsschnitt;
Die 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 7 beschrieben.
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. 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.
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 eingreifen.
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 Drehmoment 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 drehfest 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.
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 3 und 4 hervorgeht, jeweils auf ihren einander zugewandten Stirnflächen 27, 28 fünf umfangsverteilte und in Umfangsrichtung verlaufende 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.
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 Außenumfangsfläche 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.
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 6 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 An schluß an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Endlage jeweils einen ansteigenden Auslauf 41. Dieser ist in 5 gezeigt. Durch den Auslauf 41 wird erreicht, daß sich die beiden Scheiben 25, 26 nach Durchlaufen ihrer tiefsten Stelle wieder voneinander entfernen, 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.
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. 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 β 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.
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 5 mit 'A' bezeichnet, während die Kugellage mit größter axialer Spreizung mit 'B' bezeichnet ist.
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 6 ist die Getriebeanordnung 2 als Baueinheit gezeigt, wobei von der erfindungsgemäßen Axialverstellvorrichtung 5 lediglich der Elektromotor 36 zu sehen ist.
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.
Seitlich benachbart zum Differentialgehäuse 48 sind zwei Getriebeanordnungen 2, 2' vorgesehen, die hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise der Ausführungsform nach 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.
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 einem präzisen Eingriff in die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs und somit zu einer höheren Fahrstabilität.

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
β: Winkel
δ: Winkel
γ: Winkel

Claims

Axialverstellvorrichtung (5) in Form einer Kugelrampenanordnung, insbesondere zum Betätigen einer Reibungskupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend 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 abnehmende 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; wobei zumindest die Kugelrillen (29, 30) einer der beiden Scheiben (25, 26), ausgehend von den Bereichen 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 und wobei der erste Rillenabschnitt (42) sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt (α) erstreckt als der zweite Rillenabschnitt (43), der sich über einen größeren Kreisbogenabschnitt (β) erstreckt.
Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisbogenabschnitt (α) des ersten Rillenabschnitts (42) um ein Vielfaches kleiner ist als der Kreisbogenabschnitt (β) des zweiten Rillenabschnitts (43).
Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Kreisbogenabschnitts (α) des ersten Rillenabschnitts (42) zum Kreisbogenabschnitt (β) des zweiten Rillenabschnitts (43) kleiner 0,2 ist, das heißt α/β < 0,2.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Rillenabschnitt (42), insbesondere bei Verwendung von fünf Paaren von Kugelrillen (29, 30), ausgehend von einem Bereich größter Rillentiefe über einen Kreisbogenabschnitt (α) von maximal 10° erstreckt.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Rillenabschnitt (43), insbesondere bei Verwendung von fünf Paaren von Kugelrillen (29, 30), über einen Kreisbogenabschnitt (β) von maximal 50° erstreckt.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rillenabschnitt (42) eine lineare Steigung aufweist.
Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung 5° bis 10° beträgt.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rillenabschnitt (43) eine lineare Steigung aufweist.
Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung 1,5° bis 2,5° beträgt.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Rillenabschnitt (42) und dem zweiten Rillenabschnitt (43) ein Übergangsabschnitt (44) mit einem Radius (R4) vorgesehen ist.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.
Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastausnehmungen (45) derart gestaltet sind, daß – im Umfangsschnitt durch den Rillengrund betrachtet – die Kugeln (32) an zwei Punkten abgestützt sind.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kugelrillen (29, 30) der beiden Scheiben (25, 26) im Anschluß an eine durch die größte Rillentiefe dargestellte Startlage einen ansteigenden Auslauf (41) aufweisen.
Axialverstellvorrichtung nach Anspruch 13, 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.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelrillen (29, 30) der beiden Scheiben (25, 26) gegengleich gestaltet sind.
Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die axial verschiebbare Scheibe (26) von Federmitteln (40) in Richtung zur axial abgestützten Scheibe (25) beaufschlagt ist.
Getriebeanordnung (2) zur variablen Drehmomentverteilung 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) drehfest 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 Kugelrampenanordnung mit zwei auf der Achse (A) zentrierten Scheiben (25, 26), von denen eine gegenüber dem Gehäuse (8) axial abgestützt ist und die andere axial verschiebbar ist und von denen zumindest eine 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 gleich große Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Kugelrillen (29, 30) aufweisen; wobei die Kugelrillen (29, 30) jeweils in Draufsicht auf die Stirnflächen, 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 von den Bereichen 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 und wobei der erste Rillenabschnitt (42) sich über einen kleineren Kreisbogenabschnitt (α) erstreckt als der zweite Rillenabschnitt (43), der sich über einen größeren Kreisbogenabschnitt (β) erstreckt.
Getriebeanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16 gestaltet ist.