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Die
Erfindung betrifft eine Differentialanordnung zur variablen Drehmomentverteilung
im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, die ein Differential mit
einer Eingangswelle und zwei Ausgangswellen, die untereinander eine
ausgleichende Wirkung haben, umfaßt. Die Funktionsweise der
Differentialanordnung zur variablen Drehmomentverteilung ist dergestalt,
daß ein
Teil des über
die Eingangswelle eingeleiteten Drehmoments vor einer Aufteilung
auf die beiden Ausgangswellen vom Differentialkorb abgezweigt wird;
der abgezweigte Drehmomentanteil wird einer der beiden Ausgangswellen
hinter der Aufteilung des übrigen
Drehmoments zusätzlich
aufgeprägt.
Hierfür
sind je Ausgangswelle eine Getriebestufe sowie eine Reibungskupplung
vorgesehen. Die Getriebestufe umfaßt ein vom Differentialkorb
angetriebenes Eingangsrad, das ein Ausgangrad beschleunigt oder
verzögert.
Durch Ankoppeln des Ausgangsrads an die zugehörige Ausgangswelle des Differentials
wird letztere beschleunigt oder verzögert. So kann auf eine der
beiden Ausgangswellen bedarfsweise ein größeres Drehmoment übertragen werden
als auf die andere der Ausgangswellen, um die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs
zu erhöhen.
Solche Differentialanordnungen können
zum Verteilen des Drehmoments zwischen den beiden Seitenwellen eines
Achsdifferentials, wie sie beispielsweise aus der
DE 103 42 164 A1 bekannt
ist, oder zum gesteuerten Verteilen des Drehmoments zwischen den beiden
Achswellen eines Mittendifferentials eines mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugs
zum Einsatz kommen.
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Aus
der WO 2005/035294 A1 ist eine Antriebsanordnung eines Kraftfahrzeugs
mit zwei angetriebenen Achsen bekannt, die jeweils über eine
separate Reibungskupplung an eine Ausgangswelle des Schaltgetriebes
ankoppelbar sind. Zum Betätigen der
Reibungskupplungen ist eine Aktuatorik vorgesehen, die einen Elektromotor
und zwei hiervon angetriebene Kugelgewindetriebe umfaßt. Die
Kugelgewindetriebe umfassen jeweils eine Mutter und eine Spindel,
von denen ein Bauteil mit einem zugehörigen Lamellenpaket in Wirkverbindung
steht. Die Verstellung der Spindeln ist, in Abhängigkeit von der Drehrichtung
des Elektromotors, zueinander entgegengesetzt. Das bedeutet, daß bei einer
ersten Drehrichtung des Elektromotors die erste Kupplung geschlossen
wird, während
die zweite Kupplung geöffnet
wird. Bei Betätigen
des Elektromotors in entgegengesetzter Richtung wird die zweite
Kupplung geschlossen und die erste Kupplung geöffnet.
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Aus
der
DE 101 60 026
A1 ist eine Axialverstellvorrichtung mit doppelter Funktion
bekannt. Die Axialverstellvorrichtung ist Teil einer Zwischenachsgetriebeanordnung,
die ein Stufengetriebe und ein mittels einer Reibungskupplung sperrbares
Differentialgetriebe umfaßt.
Die Axialverstellvorrichtung ist in Form einer Kugelrampenanordnung
gestaltet und umfaßt
eine mittlere Scheibe, eine erste außenliegende Scheibe zum Beaufschlagen
der Reibungskupplung sowie eine zweite außenliegende Scheibe zum Beaufschlagen
einer Schaltmuffe für
das Stufengetriebe. Es ist ein einziger Elektromotor zur Verdrehung
der Scheiben vorgesehen, wobei entweder die mittlere Scheibe angetrieben
wird, während
die äußeren Scheiben
drehfest gehalten sind, oder die äußeren Scheiben synchron angetrieben
werden, während
die mittlere Scheibe drehfest gehalten ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Differentialanordnung
mit zwei Reibungskupplungen zur variablen Drehmomentverteilung zwischen
zwei Wellen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen,
die kurze Ansprechzeiten hat, einfach aufgebaut ist und kostengünstig herstellbar ist.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung besteht
in einer Differentialanordnung zur variablen Drehmomentverteilung
im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Differentialgetriebe
mit einem drehend antreibbaren Differentialkorb und zwei auf einer
Drehachse gelagerten Ausgangswellen, die mit dem Differentialkorb über einen
Differentialrädersatz antriebsverbunden
sind, wobei zwischen dem Differentialkorb und den Ausgangswellen
jeweils ein erster Antriebsstrang gebildet ist; je Ausgangs welle
eine Getriebestufe, die mit dem Differentialkorb einerseits und
einer der Ausgangswellen andererseits antriebsverbunden ist und
Teil eines zum ersten Antriebsstrang funktional parallelen zweiten
Antriebsstranges ist; je Getriebestufe eine Reibungskupplung zum Öffnen und
Schließen
des zweiten Antriebsstranges; je Reibungskupplung eine Axialverstellvorrichtung
in Form einer Kugelrampenanordnung zur Betätigung der Reibungskupplung,
mit jeweils zwei zur Drehachse koaxialen Scheiben, von denen eine
axial abgestützt
und die andere axial verschiebbar ist und von denen zumindest eine
drehend antreibbar ist, wobei die beiden Scheiben auf ihren einander
zugewandten Stirnflächen
mehrere Kugelrillen aufweisen, die – jeweils in Draufsicht auf
die Stirnflächen – in gleicher Umfangsrichtung
eine variable Tiefe haben, wobei in Paaren von einander gegenüberliegenden
Kugelrillen jeweils eine Kugel aufgenommen ist; sowie einen einzigen
Elektromotor, der mit den drehend antreibbaren Scheiben beider Axialverstellvorrichtungen
antriebsverbunden ist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Differentialanordnung
ist, daß diese
mit einer geringen Teilezahl auskommt, da lediglich ein einziger
Elektromotor vorgesehen ist, der beide Axialverstellvorrichtungen betätigt. Hieraus
ergibt sich auch ein kleinerer Bauraum der Anordnung sowie ein geringes
Gewicht. Die Kugelrillen der beiden Axialverstellvorrichtungen sind vorzugsweise
derart tiefenveränderlich
gestaltet, daß ein
Betätigen
des Elektromotors in einer Drehrichtung ein Entfernen der beiden
Scheiben der ersten Axialverstellvorrichtung voneinander bewirkt,
während
die beiden Scheiben der zweiten Axialverstellvorrichtung den gleichen
axial Abstand zueinander beibehalten. Beim Antrieb des Elektromotors
in entgegengesetzter Drehrichtung wird zunächst ein Annähern der
beiden Scheiben der ersten Axialverstellvorrichtung aufeinander
zu und, nach Durchlaufen einer Nullstellung, ein Entfernen der beiden
Scheiben der zweiten Axialverstellvorrichtung voneinander bewirkt.
Während
sich die Scheiben der zweiten Axialverstellvorrichtung axial spreizen,
behalten die Scheiben der ersten Axialverstellvorrichtung ihren Abstand
zueinander bei.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung haben die Kugelrillen der drehend
antreibbaren Scheiben – jeweils
in Draufsicht auf die Stirnflächen – in gleicher
Umfangsrichtung eine variable Tiefe, wobei der Elektromotor derart
mit den drehend antreibbaren Scheiben antriebsverbunden ist, daß diese
stets im gleichen Drehsinn verdreht wer den. Die gleiche Ausführung der
Kugelrillen der beiden angetriebenen Scheiben ist im Sinne eines
Gleichteilekonzepts für die
Fertigung besonders günstig.
Es ist jedoch auch eine Ausgestaltung mit Drehrichtungsumkehrstufe denkbar,
bei der die beiden angetriebenen Scheiben bei Betätigung des
Elektromotors in unterschiedliche Drehrichtungen angetrieben werden.
Hierfür
müßten die
Kugelrillen der beiden angetriebenen Scheiben – jeweils in Draufsicht auf
die Stirnflächen – in entgegengesetzter
Umfangsrichtung eine variable Tiefe haben. Vorzugsweise sind die
axial abgestützten Scheiben
der beiden Axialverstellvorrichtungen jeweils drehfest im Gehäuse gehalten,
während
die axial verschiebbaren Scheiben jeweils vom Elektromotor drehend
antreibbar sind.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, daß die
Kugelrillen der beiden Scheiben der beiden Axialverstellvorrichtungen
jeweils einen Leerlaufabschnitt gleichbleibender Tiefe und einen
hieran anschließenden Wirkabschnitt
mit variabler Steigung aufweisen. Dabei ist zwischen dem Leerlaufabschnitt
und dem Wirkabschnitt vorzugsweise eine Nullpunktlage definiert. Nach
einer bevorzugten Weiterbildung sind die Leerlaufabschnitte jeweils
gleich lang oder länger
als die Wirkabschnitte, um die volle Funktionsfähigkeit der Kugelrampenanordnung über die
gesamte Länge
der Wirkbereiche zu gewährleisten.
Ein Anlaufen der Kugeln der gegenüberliegenden Kugelrampenanordnung
gegen Endanschläge
der Leerlaufbereiche wird somit ausgeschlossen. Die Kugelrillen
der beiden Axialverstellvorrichtungen sind derart gestaltet, daß bei Betätigung des
Elektromotors – ausgehend
von der Nullpunktlage – die
Kugeln der einen Axialverstellvorrichtung in die Leerlaufabschnitte
geführt
werden, während
die Kugeln der anderen Axialverstellvorrichtung in die Wirkabschnitte
geführt
werden. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Nullpunktlage
durch Rastausnehmungen gebildet, die in den Kugelrillen von zumindest
einer der beiden Kugelrampenanordnungen jeweils im Übergangsbereich
zwischen den Wirkabschnitten und den Leerlaufabschnitten angeordnet
sind und in die die zugehörigen
Kugeln einrasten können.
Durch die definierte Nullpunktlage kann das System während des
Betriebs kalibriert werden, so daß stets eine optimale Dosierung
des Sperrmoments für
die Reibungskupplung erfolgen kann. Hierdurch werden besonders genaue
Eingriffe in die Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs erreicht, so daß eine hohe
Fahrstabilität
gewährleistet
ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung haben die Wirkabschnitte der beiden
Axialverstellvorrichtungen jeweils einen ersten Teilabschnitt größerer Steigung
und einen hieran anschließenden
zweiten Teilabschnitt kleinerer Steigung. Dabei erstreckt sich der
erste Teilabschnitt vorzugsweise über einen kleineren Kreisbogenabschnitt
als der zweite Teilabschnitt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist,
daß – ausgehend
von der Nullpunktlage, in der die beiden Scheiben den axial kürzesten
Abstand zueinander aufweisen – in
der betätigten
Scheibe 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
Teilabschnitt anschließende
zweite Teilabschnitt hat eine flachere Steigung, so daß sich hier
ein kleinerer axialer Stellweg über
dem Verdrehwinkel ergibt. Dieser zweite Teilabschnitt dient zum
Steuern der Reibungskupplung in ihrem Arbeitsbereich. Durch die
flache Steigung ergibt sich eine feinfühlige Verstellung der Axialverstellvorrichtung
und damit eine besonders genaue Ansteuerung der Reibungskupplung.
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.
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In
Konkretisierung weist der Elektromotor eine Ausgangswelle auf, die über ein
Zwischengetriebe mit den drehend antreibbaren Scheiben der beiden
Axialverstellvorrichtungen antriebsverbunden ist. Das Zwischengetriebe
umfaßt
vorzugsweise eine Zwischenwelle, die parallel zur Drehachse verläuft. Hierdurch
ergibt sich eine radial kompakt bauende Anordnung. Der Elektromotor
ist vorzugsweise axial im Bereich einer der beiden Reibungskupplungen, nämlich der
ersten oder der zweiten Reibungskupplung, angeordnet.
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Die
Reibungskupplungen der erfindungsgemäßen Differentialanordnung können stehend
ausgebildet sein, das heißt,
daß sie
ortsfest gegenüber einem
stehenden Gehäuse
gehalten sind. In diesem Fall läuft
die Getriebestufe um die Drehachse um. Vorzugsweise umfaßt die Getriebestufe
dann jeweils ein mit dem Differentialkorb drehfest verbundenes erstes
Sonnenrad, ein mit der zugehörigen
Ausgangswelle drehfest verbundenes zweites Sonnenrad, zumindest
ein mit den beiden Sonnenrädern kämmendes
Planetenrad und ein das zumindest eine Planetenrad tragendes Stegelement,
das um die Längsachse
umlaufen kann. Die stehende Reibungskupplung umfaßt jeweils
mit dem Gehäuse
drehfest verbundene Außenlamellen
und mit dem Stegelement der Getriebestufe verbundene Innenlamellen. Nach
einer alternativen Ausführungsform
können
die Reibungskupplungen auch derart ausgebildet sein, daß sie um
die Drehachse drehen. In diesem Fall ist die Getriebestufe ortsfest
im Gehäuse
angeordnet.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt
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1 die
erfindungsgemäße Differentialanordnung
im Längsschnitt;
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2 die
Differentialanordnung aus 1 im Längsschnitt
durch eine andere Schnittebene;
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3 die
Reibungskupplung-Kugelrampen-Einheit aus 1 als Einzelheit
im Längsschnitt;
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4 die
Reibungskupplung-Kugelrampen-Einheit aus 1 als Einzelheit
im Querschnitt;
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5 die
Stellscheibe der ersten Kugelrampenanordnung aus 1 in
Aufsicht;
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6 die
zur Stellscheibe aus 5 zugehörige Stützscheibe in Aufsicht;
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7 einen
Umfangsschnitt durch den Rillengrund einer Kugelrille der Stellscheibe
aus 5 bzw. der Stützscheibe
aus 6;
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8 die
Stellscheibe der zweiten Kugelrampenanordnung aus 1 in
Aufsicht;
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9 die
zur Stellscheibe aus 8 zugehörige Stützscheibe in Aufsicht;
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Die 1 und 2 werden
im folgenden gemeinsam beschrieben. Es ist eine Differentialanordnung 2 zur
variablen Drehmomentverteilung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs
dargestellt. Die Differentialanordnung 2 wird von einem
hier nicht dargestellten Stufengetriebe über eine Antriebswelle angetrieben
und das eingehende Drehmoment wird auf zwei Seitenwellen 3, 3' verteilt. Die
Differentialanordnung 2 umfaßt einen Differentialkorb 4,
der in einem stehenden Differentialgehäuse 5 um die Drehachse
A mittels Wälzlager 11, 11' drehbar gelagert ist.
An dem Differentialkorb 4 ist ein Tellerrad 6 befestigt,
das von der Antriebswelle des Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Im
Differentialkorb 4 sind mehrere Ausgleichsräder 7 auf
zur Drehachse A senkrecht stehenden Zapfen 8 drehbar gelagert,
die mit dem Differentialkorb 4 umlaufen. Die Ausgleichsräder 7 kämmen mit
zwei Seitenwellenrädern 9, 9', die wiederum
mit jeweils einer zugehörigen
Seitenwelle 3, 3' drehfest
verbunden sind. Die Ausgleichsräder 7 und die
Seitenwellenräder 9, 9' bilden gemeinsam
einen Differentialrädersatz
zur Drehmomentübertragung vom
Differentialkorb 4 auf die Seitenwellen 3, 3'. So ist zwischen
dem Differentialkorb und den Seitenwellen 3, 3' jeweils ein
erster Antriebsstrang gebildet. Das Differentialgetriebe ist in
Form eines Kegelraddifferentials gestaltet, wobei die Ausgleichsräder 7 Stirnräder und
die Seitenwellenräder 9, 9' Kronenräder sind.
Zur Aufnahme der Spreizkräfte
sind zwischen den Kronenrädern
und dem Differentialkorb 4 jeweils Axiallager 10, 10' vorgesehen.
Die lediglich in 2 sichtbaren Schenkel 12, 12' sind einstückig mit dem
Differentialgehäuse 5 verbunden
und dienen zur Anbindung der Getriebeanordnung an die Karosserie des
Kraftfahrzeugs.
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Seitlich
benachbart zum Differentialgetriebe 21 ist je Seitenwelle 3, 3' ein Getriebemodul 13, 13' zur variablen
Drehmomentverteilung vorgesehen. Da diese gleich aufgebaut sind,
haben gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern, wobei die Bezugsziffern des
linken Getriebemoduls 13, 13' mit gestrichenen Indizes versehen
sind. Die Getriebemodule 13, 13' umfassen als Baugruppen jeweils
eine Getriebestufe 14, 14', eine Reibungskupplung 15, 15' und eine Axialverstellvorrichtung 16, 16'. Die Getriebestufe 14, 14' ist mit dem
Differentialkorb 4 einerseits und mit einer zugehörigen Seitenwelle 3, 3' andererseits
antriebsverbunden. Sie ist Teil eines zum ersten Antriebsstrang
funktional parallelgeschalteten zweiten Antriebsstrangs. Die Axialverstellvorrichtung 16, 16' ist koaxial
zur Drehachse A angeordnet und dient zum Betätigen der hierzu koaxialen
Reibungskupplung 15, 15'. Die Reibungskupplung 15, 15' steuert den
parallelen zweiten Antriebsstrang und kann diesen Öffnen oder
Schließen,
wodurch sich die Drehmomentverteilung zwischen den Seitenwellen 3, 3' verändert. Die
Getriebemodule 13, 13' sind jeweils über Flanschverbindungen 17, 17' mit dem Differentialgehäuse 5 verbunden.
Da beide Getriebemodule einander hinsichtlich ihres Aufbaus und
ihrer Funktionsweise entsprechen, wird beispielhaft nur eines beschrieben.
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Das
Getriebemodul 13 umfaßt
ein Gehäuse 18,
eine hierin auf der Drehachse A drehbar gelagerte erste Welle 19, 19', die einstückig mit
der jeweiligen Seitenwelle 3, 3' ausgebildet ist, und eine koaxial auf
der ersten Welle drehbar gelagerte zweite Welle 20, 20'. Dabei ist
die erste Welle 19, 19' mittels eines Wälzlagers 22, 22' in dem Gehäuse 18 drehbar
gelagert und mittels eines Wellendichtrings 23, 23' gegenüber diesem
abgedichtet. Eingangsseitig hat die erste Welle 19, 19' eine Längsverzahnung 24, 24', die in eine
entsprechende Gegenverzahnung des zugehörigen Seitenwellenrads 9, 9' drehfest eingesteckt
ist. Ausgangsseitig hat die erste Welle einen Flansch 25, 25' zum Verbinden
mit einer hier nicht dargestellten Achswelle des Kraftfahrzeugs.
Die zweite Welle 20, 20', die in Form einer Hohlwelle gestaltet
und gleitend auf der ersten Welle 19, 19' gelagert ist,
hat eine Längsverzahnung 26, 26', die in eine entsprechende
Gegenverzahnung am Differentialkorb 4 drehfest eingesteckt
ist.
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Die
Getriebestufe 14, 14' umfaßt ein erstes Sonnenrad 27, 27', das einstückig mit
der Hohlwelle 20, 20' verbunden ist, mehrere mit dem
ersten Sonnenrad 27, 27' kämmende Planenetenräder 28 sowie ein
mit den Planetenrädern
kämmendes
zweites Sonnenrad 29, 29', das mit der ersten Welle über eine
Längsverzahnung 30, 30' drehfest verbunden ist.
Die Planenetenräder 28 sind
jeweils einstückig gestaltet
und umfassen zwei Verzahnungsabschnitte 32, 33; 32', 33', von denen
einer mit dem ersten Sonnenrad 27, 27' und der andere
mit dem zweiten Sonnenrad 29, 29' kämmend in Eingriff ist. Zwischen
den beiden Sonnenrädern
ist ein Axiallager 34, 34' vorgesehen. Um eine Drehzahlübersetzung
zwischen der ersten Welle und der hierauf sitzenden Hohlwelle zu erreichen,
haben die beiden Sonnenräder
eine unterschiedliche Zähnezahl.
Dabei sind die Zähnezahlen der
Planenetenräder 28 und
der Sonnenräder
so gewält,
daß zwischen
erster Welle und Hohlwelle ein Drehzahlunterschied von bis zu 15
% erreicht wird. Die Planenetenräder 28 sind
auf Zapfen 35 in einem Stegelement 36, 36' mittels Nadellagern 31 drehbar aufgenommen.
Das Stegelement 36, 36' ist korbförmig gestaltet und nach außen hin
weitestgehend geschlossen. An der Außenumfangsfläche 37, 37' des Stegelements 36, 36' sind Eingriffsmittel
vorgesehen, in die Innenlamellen 38, 38' der Reibungskupplung 15, 15' drehfest eingreifen.
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Die
Reibungskupplung 15, 15' umfaßt neben den Innenlamellen 38, 38', die auf der
Drehachse A axial verschiebbar gehalten sind, hierzu koaxiale Außenlamellen 39, 39', die gegenüber dem
Gehäuse 18 drehgesichert
und längs
zur Drehachse A axial verschiebbar gehalten sind. Die Außenlamellen 39, 39' und die Innenlamellen 38, 38' sind axial
abwechselnd angeordnet und bilden gemeinsam ein Lamellenpaket, das
gegenüber
dem Gehäuse 18 axial
abgestützt ist.
Durch Betätigen
der Reibungskupplung 15, 15' wird das drehende Stegelement 36, 36' der Getriebestufe 14, 14' gegenüber dem
ortsfesten Gehäuse 18, 18' abgebremst,
um ein zusätzliches
Drehmoment direkt am Differentialkorb 4 abzugreifen und über den parallelen
zweiten Antriebsstrang, das heißt
die Hohlwelle 20, 20' und die Getriebestufe 14, 14', auf die entsprechende
Seitenwelle 3, 3' zu übertragen.
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Die
Ansteuerung der Reibungskupplung 15, 15' zur Erzeugung
des erforderlichen Kupplungsmoments erfolgt über die zugehörige Axialverstellvorrichtung 16, 16', die als Kugelrampenanordnung
gestaltet ist und zwei zur Drehachse A koaxiale Scheiben 42, 43; 42', 43' aufweist. Dabei
ist die erste der Scheiben als Stützscheibe 42, 42' gestaltet,
die gegenüber
dem Differentialgehäuse 5 axial
abgestützt und
gegenüber
diesem drehfest gehalten ist. Die zweite Scheibe ist als axial verschiebbare
und drehend antreibbare Stellscheibe 43, 43' gestaltet.
Die beiden Scheiben weisen jeweils auf ihren einander zugewandten
Stirnflächen
mehrere umfangsverteilte und in Umfangsrichtung verlaufende Kugelrillen 44, 45; 44', 45' mit gegensinnig
veränderlicher
Tiefe auf. In jeweils einem Paar von einander gegenüberliegenden
Kugelrillen 44, 45; 44', 45' ist eine Kugel 41 aufgenommen, über die
sich die beiden Scheiben aneinander abstützen. Dabei ist die Stellscheibe 43, 43' ausschließlich über die
Kugeln 41 gegenüber
der Stützscheibe 42, 42' radial gelagert,
wobei die Stützscheibe
im Differentialgehäuse 5 fixiert
ist. Axial zwischen den beiden Scheiben ist ein ringscheibenförmiger Käfig 46 mit
umfangsverteilten Fenstern vorgesehen. In jedem Fenster ist eine
der Kugeln 41 aufgenommen, die so in Umfangsrichtung in
einer definierten Position zueinander gehalten werden.
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Im
Ausgangszustand, das heißt
bei vollständig
geöffneter
Reibungskupplung 15, 15' befinden sich Stellscheibe 43, 43' und Stützscheibe 42, 42' in der zueinander
nächstmöglichen
Position. Bei entsprechender Verdrehung der Stellscheibe 43, 43', auf die unten
noch detailliert eingegangen wird, laufen die Kugeln 41 in
Bereiche geringerer Tiefe. So findet zwischen den Scheiben eine
Spreizung statt, wobei die Stellscheibe 43, 43' axial in Richtung
zur Reibungskupplung 15, 15' verschoben wird. Die Stellscheibe 43, 43' hat an ihrer
Rückseite
eine radiale Druckfläche,
die über
ein zwischengeschaltetes Axiallager 47, 47' eine Druckplatte 48, 48' axial beaufschlagt.
Das Axiallager 47, 47' ist als Kugellager gestaltet,
wobei erste Lagerrillen in der Druckfläche der Stellscheibe 43, 43' vorgesehen
sind und zweite Lagerrillen in die gegenüberliegende Fläche der
Druckplatte 48, 48' eingearbeitet
sind. Die Druckplatte 48, 48' ist mit dem Lamellenpaket axial
in Anlage und beaufschlagt dieses bei Betätigen der Kugelrampenanordnung
mit einer Axialkraft im Schließsinn.
So führt eine
Betätigung
der Kugelrampenanordnung zu einer vorbestimmten Sperrung der Reibungskupplung 15, 15' und damit einer
Ankopplung der umlaufenden Getriebestufe 14, 14' an das stehende
Gehäuse 18, 18'. Zum erneuten Öffnen der
Reibungskupplung 15, 15' wird die Stellscheibe 43, 43' in entgegengesetzte Richtung
betätigt.
Dabei bewirken axial am Getriebegehäuse abgestützte und die Stellscheibe 43, 43' beaufschlagende
Druckfedern, die im vorliegenden Schnitt nicht sichtbar sind, eine
Rückstellung
der Stellscheibe 43, 43' in Richtung zur Stützscheibe 42, 42'.
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Zur
Erzielung der Drehbewegung der Stellscheibe 43, 43' ist diese an
ihrer Außenumfangsfläche mit
einer Außenverzahnung 49, 49' versehen. In die
Außenverzahnung 49, 49' greift ein
Ritzel 50, 50' ein,
das im Gehäuse 18, 18' drehbar gelagert
ist und mit einem Elektromotor 52 antriebsverbunden ist. Das
Besondere der vorliegen den Erfindung ist, daß zur Verdrehung der Stellscheibe 43 der
ersten Reibungskupplung 15 und zur Verdrehung der Stellscheibe 43' der zweiten
Reibungskupplung 15' lediglich
ein einziger Elektromotor 52 vorgesehen ist. Der Elektromotor 52 ist
an das Gehäuse 18 angeflanscht und über ein
Zwischengetriebe 53, 53' mit den beiden Stellscheiben 43, 43' der Kugelrampenanordnungen antriebsverbunden.
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Wie
insbesondere aus den 3 und 4 hervorgeht,
umfaßt
das Zwischengetriebe 53, 53' zwei Zahnräder 54, 54' und eine Zwischenwelle 55, mit
der die beiden Zahnräder
an entgegengesetzten Enden der Zwischenwelle drehfest verbunden
sind. Dabei erfolgt die drehfeste Verbindung üblicherweise über ein
Keilwellenprofil. Das motorseitige Zahnrad 54 kämmt einerseits
mit dem Antriebszapfen 56 des Elektromotors 52 und
treibt somit die Zwischenwelle 55 an; andererseits kämmt es mit
dem im Gehäuse 18 drehbar
gelagerten Ritzel 50, das wiederum mit der Außenverzahnung 49 der
Stellscheibe 43 der motorseitigen Kugelrampenanordnung
in Verzahnungseingriff ist. Die Räderpaarung des gegenüberliegenden
Antriebs ist gleich aufgebaut. Das auf der Zwischenwelle 55 sitzende
linke Zahnrad 54' ist
mit einem dazugehörigen
drehbar im Gehäuse 18' gelagerten
Ritzel 50' in
Verzahnungseingriff, das wiederum mit der Außenverzahnung 49' der Stellscheibe 43' der zweiten
Kugelrampenanordnung in Verzahnungseingriff ist. Die beiden Ritzel 50, 50' sind mittels Gleitlagerung
auf einem im jeweiligen Gehäuseteil 18, 18' eingesetzten
Bolzen 57, 57' drehbar
gehalten. Es ist ersichtlich, daß die Zwischenwelle 55 an
ihren äußeren Enden
mittels Nadellagern 58, 58' in Gehäusebohrungen 59, 59' drehbar gelagert
ist. Dabei sind die Zahnräder 54, 54' axial mit geringem
Abstand benachbart zu den Lagerstellen angeordnet, um auf die Zwischenwelle 55 wirkende
Querkräfte
gering zu halten. Motorseitig ist die Zwischenwelle 55 gegenüber dem
Gehäusedeckel
mittels eines Dichtrings 60 abgedichtet. So erfolgt eine
Trennung der Schmiermittelräume
zwischen dem motorseitigen Getriebemodul 13 für die rechte
Ausgangswelle 3 und dem entgegengesetzt gerichteten Getriebemodul 13' für die linke
Ausgangswelle 3'.
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Die
Einheit bestehend aus Elektromotor 52, Zwischengetriebe 53, 53', rechter und
linker Kugelrampenanordnung sowie rechter und linker Reibungskupplung 15, 15' ist in 3 dargestellt.
Die Reibungskupplungen sind unbetätigt, so daß die Stellscheiben 43, 43' und die Stützscheiben 42, 42' der beiden
Kugelrampenanordnungen jeweils einen kleinsten axialen Abstand voneinander
aufweisen. Die Kugeln 41 der beiden Kugelrampenanordnungen sind
in dieser Figur nicht sichtbar, da sie sich in anderen Schnittebenen
befinden. Es sind die Verzahnungen der beiden Ritzel 50, 50' zu erkennen,
die sich über
eine größere axiale
Länge erstrecken
als die jeweilige Stellscheibe 43, 43', um auch bei
axial verschobener Stellscheibe mit der Außenverzahnung in Eingriff zu
bleiben. In 4 sind die genannten Bauteile
bzw. Teile davon in Aufsicht zu sehen. Es ist ersichtlich, daß das Ritzel 50 einen
ersten Verzahnungsabschnitt 62 größeren Durchmessers hat, der mit
dem Zahnrad 54 kämmt,
und einen zweiten Verzahnungsabschnitt 63 kleineren Durchmessers,
der mit der Außenverzahnung 49 der
Stellscheibe 43 in Eingriff ist.
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In
den 5 und 6 sind die Stützscheibe 42 und
die zugehörige
Stellscheibe 43 einer der beiden Kugelrampenanordnungen
gezeigt. Es ist ersichtlich, daß vier
umfangsverteilte Kugelrillen 44, 45 je Scheibe 42, 43 vorgesehen
sind, die gegengleich gestaltet sind, das heißt in Umfangsrichtung jeweils das
gleiche Profil aufweisen. Die Stellscheibe 43 hat eine
Bohrung 51, in die ein Sicherungsstift zur drehfesten Fixierung
einzustecken ist. Etwa diametral gegenüberliegend ist eine Ausnehmung 61 vorgesehen,
an der das zugehörige
Ritzel 50 vorbeigeführt ist. 7 zeigt
eine Kugelrille 44 stellvertretend für beide Scheiben 42, 43 im
Umfangsschnitt durch den Rillengrund. Es ist ersichtlich, daß die Kugelrille 44 einen
Leerlaufabschnitt 64 gleichbleibender Tiefe und einen sich
hieran anschließenden
Wirkabschnitt 65 mit – ausgehend
vom Leerlaufabschnitt – abnehmender
Tiefe aufweist. Dabei erstreckt sich der Leerlaufabschnitt 64 über einen
größeren Bogenabschnitt (γ) als der
Bogenabschnitt (α + β) des Wirkabschnitts 65.
Leerlaufabschnitt 64 und Wirkabschnitt 65 der ersten
Kugelrampenanordnung 16 sind im Verhältnis zu Leerlaufabschnitt 64' und Wirkabschnitt 65' der zweiten
Kugelrampenanordnung 16' so
angeordnet, daß – ausgehend
von einer Nullpunktlage – bei
Betätigung
des Elektromotors in einer ersten Drehrichtung die Kugeln der einen
Kugelrampenanordnung in die Wirkabschnitte laufen, während die
Kugeln der zweiten Kugelrampenanordnung in die Leerlaufabschnitte
laufen. Bei umgekehrter Antriebsrichtung des Elektromotors 52 laufen
die Kugeln der zweiten Kugelrampenanordnung in die Wirkabschnitte,
während
die Kugeln der ersten Kugelrampenanordnung in die Leerlaufabschnitte
laufen. Wenn sich die Kugeln in den Leerlaufabschnitten 64, 64' befinden, haben
die entsprechenden Scheiben 42, 43; 42', 43' den geringsten
Abstand voneinander und die zugehörige Reibungskupplung 15, 15' ist in unbetätigtem Zustand.
In den Wirkabschnitten 65, 65' der Scheiben findet demgegenüber die
axiale Verschiebung der Scheiben voneinander statt, so daß die zugehörige Reibungskupplung 15, 15' betätigt wird.
-
Die
Wirkabschnitte 65, 65' der beiden Kugelrampenanordnungen 16, 16' umfassen jeweils
einen ersten Teilabschnitt 66, 66' bzw. Wirkbereich größerer Steigung
und einen sich hieran anschließenden zweiten
Teilabschnitt 67, 67' bzw. Wirkbereich kleinerer Steigung.
Dabei erstreckt sich der erste Wirkbereich 66, 66' über einen
Kreisbogenabschnitt α von bis
zu 5° mit
einer linearen Steigung von etwa 5° bis 10°. Dieser erste Wirkabschnitt 66, 66' 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 15, 15' schnell zu überwinden. Der
zweite Wirkbereich 67, 67' erstreckt sich über einen
Kreisbogenabschnitt β von
bis zu 30° mit
einer linearen Steigung von etwa 1,5° bis 2,5°. Der flache Anstieg des zweiten
Wirkbereichs ist für
den Arbeitsbereich der Reibungskupplung 15, 15' besonders günstig, um
das Reibmoment genau einstellen zu können. Zwischen den beiden Wirkbereichen 66, 67; 66', 67' ist ein verbindender Übergangsbereich 68, 68' vorgesehen,
der mit einem kleinen Radius gekrümmt ist und eine verhältnismäßig kurze
Länge aufweist.
Der Leerlaufabschnitt 64, 64' hat einen Bogenabschnitt γ von bis
zu 35°.
Dieser ist größer als der
Bogenabschnitt des Wirkabschnitts 65, 65', damit die
Funktionsfähigkeit
der Kugelrampenanordnung über
die volle Länge
der Wirkabschnitte erhalten bleibt, ohne daß sie von Endanschlägen der
gegenüberliegenden
Kugelrampenanordnung behindert wird. Es versteht sich, daß die Kreisbogenabschnitte und
Steigungen der Wirkbereiche von der Anzahl der umfangsverteilten
Kugelrillen abhängt.
Diese kann auch von vier abweichen.
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Die 8 und 9 zeigen
die Scheiben 42', 43' der zweiten
Kugelrampenanordnung. Diese entsprechen hinsichtlich ihres Aufbaus
und ihrer Funktionsweise weitestgehend denjenigen der ersten Kugelrampenanordnung.
Es wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten insofern auf die obige
Beschreibung Bezug genommen. Der einzige Unterschied der vorliegenden
Scheiben besteht darin, daß zwischen den
Leerlaufabschnitten 64' und
den Wirkabschnitten 65' der
Kugelrillen 44', 45' Rastausneh mungen 69 vorgesehen
sind, in welche die entsprechenden Kugeln 41 einrasten
können.
Diese Rastausnehmungen 69 dienen dazu, das System während des
Betriebs zu kalibrieren, das heißt eine Nullpunktlage zu definieren.
Die Rastausnehmungen 69 sind jeweils in Form von quer zur
Kugelrille verlaufenden Rillen gestaltet, die – im Umfangsschnitt durch den
Rillengrund betrachtet – konkav
gekrümmt
sind und einen kleineren Radius haben als die Kugeln 41.
So werden die sich in der Nullpunktlage befindlichen Kugeln 41 – im Umfangsschnitt
durch den Rillengrund betrachtet – an zwei Punkten abgestützt und
so in einer definierten Umfangslage gehalten. Diese Nullpunktslage der
Kugeln 41 ist in den 8 und 9 mit 'A' bezeichnet, während die Kugellagen mit größter axialer Spreizung
mit 'B' und die Kugellagen
in Endpositionen innerhalb der Leerlaufabschnitte mit 'C' bezeichnet sind.
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Die
Kugelrampenanordnungen 16, 16' haben eine extrem kurze Ansprechzeit
und einen sensiblen Arbeitsbereich, wobei eine regelmäßige Kalibrierung
des Systems mittels der Nullpunktdefinition auch über die
gesamte Lebensdauer eine genaue Steuerung gewährleistet. Somit ermöglichen
die Getriebemodule 13, 13' eine exakte Regelung der Antriebsmomente
des Kraftfahrzeugs.
-
Die
Verwendung von einem einzigen Elektromotor 52 für beide
Kugelrampenanordnungen 16, 16' hat den Vorteil einer geringen
Teilezahl und eines kompakten Aufbaus. Dabei ist die Anordnung so
ausgelegt, daß – ausgehend
von der Nullpunktlage – beim
Betätigen
des Elektromotors 52 in einer ersten Drehrichtung die Kugeln 41 der
ersten Kugelrampenanordnung in ihre Wirkabschnitte laufen, während die Kugeln 41 der
zweiten Kugelrampenanordnung in ihre Leerlaufabschnitte laufen.
So wird die erste Reibungskupplung 15 im Schließsinn betätigt. Wird
der Elektromotor 52 in entgegengesetzte Drehrichtung betrieben,
so wird die zweite Kugelrampenanordnung – nach erneutem Durchlaufen
der Nullpunktlage – gespreizt,
während
sich die erste Kugelrampenanordnung im Leerlaufzustand befindet.
So wird die zweite Reibungskupplung 15' im Schließsinn betätigt. Es wird also zu einem
Zeitpunkt lediglich eine der beiden Reibungskupplungen 15, 15' zur variablen Drehmomentverteilung
betätigt,
während
die andere Reibungskupplung 15', 15 offen ist und keinen
Einfluß auf
die Drehmomentverteilung hat.
-
- 2
- Differentialanordnung
- 3
- Seitenwelle
- 4
- Differentialkorb
- 5
- Differentialgehäuse
- 6
- Tellerrad
- 7
- Ausgleichsrad
- 8
- Zapfen
- 9
- Seitenwellenrad
- 10
- Axiallager
- 11
- Wälzlager
- 12
- Schenkel
- 13
- Getriebemodul
- 14
- Getriebestufe
- 15
- Reibungskupplung
- 16
- Axialverstellvorrichtung
- 17
- Flanschverbindung
- 18
- Gehäuse
- 19
- erste
Welle
- 20
- zweite
Welle
- 21
- Differentialgetriebe
- 22
- Wälzlager
- 23
- Wellendichtring
- 24
- Längsverzahnung
- 25
- Flansch
- 26
- Längsverzahnung
- 27
- erstes
Sonnenrad
- 28
- Planetenrad
- 29
- zweites
Sonnenrad
- 30
- Längsverzahnung
- 31
- Nadellager
- 32
- erster
Verzahnungsabschnitt
- 33
- zweiter
Verzahnungsabschnitt
- 34
- Axiallager
- 35
- Zapfen
- 36
- Steckelement
- 37
- Außenumfangsfläche
- 38
- Innenlamelle
- 39
- Außenlamelle
- 41
- Kugel
- 42
- erste
Scheibe/Stützscheibe
- 43
- zweite
Scheibe/Stellscheibe
- 44
- erste
Kugelrille
- 45
- zweite
Kugelrille
- 46
- Käfig
- 47
- Axiallager
- 48
- Druckplatte
- 49
- Außenverzahnung
- 50
- Ritzel
- 51
- Bohrung
- 52
- Elektromotor
- 53
- Zwischengetriebe
- 54
- Zahnrad
- 55
- Zwischenwelle
- 56
- Antriebszapfen
- 57
- Bolzen
- 58
- Nadellager
- 59
- Gehäusebohrung
- 60
- Dichtring
- 61
- Ausnehmung
- 62
- erste
Verzahnungsabschnitt
- 63
- zweiter
Verzahnungsabschnitt
- 64
- Lehrlaufabschnitt
- 65
- Wirkabschnitt
- 66
- erster
Wirkbereich
- 67
- zweiter
Wirkbereich
- 68
- Übergangsbereich
- 69
- Rastausnehmung
- A
- Drehachse