DE102008022939A1

DE102008022939A1 - Achsantriebsanordnung eines Fahrzeugs mit Verteilergetriebe

Info

Publication number: DE102008022939A1
Application number: DE200810022939
Authority: DE
Inventors: Brian Lee; Tomas Dr. Smetana
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009127324A2; WO2009127324A3

Abstract

Es ist eine Achsantriebsanordnung (10) zur Übertragung einer Antriebskraft eines Antriebsmotors (12) auf Räder (20) eines Kraftfahrzeugs (8) offenbart, die ein mit dem Antriebsmotor (12) gekoppeltes Gangwechselgetriebe (14) mit mehreren schaltbaren Übersetzungsstufen, ein mit dem Gangwechselgetriebe (14) gekoppeltes erstes Differenzialgetriebe (16), das über zwei erste Antriebswellen (18) mit den Rädern (20) einer ersten Achse (22) des Fahrzeugs (8) gekoppelt ist, und ein mit dem Gangwechselgetriebe (14) und/oder mit dem ersten Differenzialgetriebe (16) gekoppeltes Verteilergetriebe (24) umfasst, das über eine Verbindungswelle (26) mit einem zweiten Differenzialgetriebe (28) gekoppelt ist. Das zweite Differenzialgetriebe (28) ist über zwei zweite Antriebswellen (30) mit den Rädern (20) einer zweiten Achse (32) des Fahrzeugs (8) gekoppelt. Die Wirkverbindung zwischen dem Gangwechselgetriebe (14) und/oder dem ersten Differenzialgetriebe (16) und dem Verteilergetriebe (24) ist zur Unterbrechung einer Antriebskraft- und Drehmomentübertragung an die Räder (20) der zweiten Achse (32) trennbar. Zwischen dem Gangwechselgetriebe (14) und/oder dem ersten Differenzialgetriebe (16) und dem Verteilergetriebe (24) ist eine schaltbare Kupplung (34) angeordnet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Achsantriebsanordnung eines Fahrzeugs mit Verteilergetriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Herkömmliche Fahrzeugantriebe sehen den Antrieb nur einer von zwei Fahrzeugachsen vor. Eine bekannte Bauart sieht einen längs im Fahrzeug eingebauten Frontmotor mit angetriebenen Hinterrädern vor. Hierbei stellt eine Abtriebswelle des in Fahrtrichtung hinter dem Motor angetriebenen Wechselgetriebes mit einem Differenzialgetriebe an der Hinterachse eine Antriebsverbindung zu den angetriebenen Hinterrädern her. Bei einer weit verbreiteten Frontantriebsbauweise ist einem in Fahrtrichtung quer eingebauten Frontmotor und angetriebenen Vorderrädern bildet üblicherweise der Antriebsmotor eine Baueinheit mit dem Wechselgetriebe und dem Differenzialgetriebe.
Neben den erwähnten Bauformen sind zahlreiche Varianten von sog. allradgetriebenen Fahrzeugen bekannt, bei denen alle vier Räder entweder permanent oder temporär angetrieben sein können. Fahrzeuge mit permanentem Allradan trieb weisen meist ein zentrales Verteilergetriebe auf, welches für eine Verteilung des Antriebsmomentes auf die beiden Achsdifferenzialgetriebe sorgt. Bei Fahrzeugen mit temporärem Allradantrieb ist üblicherweise nur eine Achse permanent angetrieben, während der anderen Achse wahlweise ein Antrieb zugeschaltet werden kann. Die permanent angetriebene Achse kann die Vorderachse oder die Hinterachse sein. Bei sehr einfach aufgebauten Antrieben kann das Verteilergetriebe fehlen. Da es hierbei zu ausgeprägten Verspannungen im Antrieb bei Kurvenfahrt aufgrund der an Vorderachse und Hinterachse sowie an linken und rechten Rädern unterschiedlichen Raddrehzahlen kommen kann, eignen sich diese zuschaltbaren Allradantriebe nur für den temporären Einsatz bei langsamer Fahrt abseits von befestigten Wegen und Straßen.
Bei Fahrzeugen mit Verteilergetrieben und temporär zuschaltbarem Allradantrieb wird meist der Achsantrieb zur nicht angetriebenen Achse deaktiviert, solange er nicht benötigt wird. Bei bekannten Getriebeanordnungen wird meist das Hinterachsdifferenzialgetriebe abgeschaltet, während das an der Vorderachse angeordnete Verteilergetriebe zugeschaltet bleibt und dabei lastfrei mitläuft. Dies führt zu Verlusten in vorgespannten Lagern und zu Planschverlusten und Reibverlusten der Zahnradpaarungen im Verteilergetriebe.
Die US 7 309 301 B2 beschreibt eine Antriebsanordnung eines Fahrzeugs mit Frontmotor und permanent angetriebenen Vorderrädern und temporär angetriebenen Hinterrädern, die mittels einer steuerbaren hydraulischen Kupplung dem Antrieb zu- oder abgeschaltet werden können. Die hydraulische Kupplung ist einem Wechselgetriebe zugeordnet und zwischen einer Verbindungswelle zum Antrieb des Hinterachsdifferenzialgetriebes und dem Wechselgetriebe des Fahrzeugs angeordnet. Sofern die Hinterräder nicht mit einem Freilauf versehen sind, rotieren die Antriebswellen und die drehbaren Teile des Hinterachsgetriebes sowie die Verbindungswelle auch bei nicht angetriebener Hinterachse je nach Fahrgeschwindigkeit mit entsprechenden Drehzahlen, was zu den erwähnten Verlusten im Antriebsstrang führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug mit Wechselgetriebe und mit zumindest temporär zwei angetriebenen Achsen zur Verfügung zu stellen, die wirtschaftlich und mit möglichst wenig Verlusten betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Antriebsanordnung eines Fahrzeugs mit schaltbarem Wechselgetriebes und einem Verteilergetriebe dadurch gelöst, dass zwischen dem Wechselgetriebe und dem Verteilergetriebe eine schaltbare Kupplung angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Achsantriebsanordnung dient zur Übertragung einer Antriebskraft eines Antriebsmotors auf Räder eines Kraftfahrzeugs. Sie umfasst ein mit dem Antriebsmotor gekoppeltes Gangwechselgetriebe mit mehreren schaltbaren Übersetzungsstufen, ein mit dem Gangwechselgetriebe gekoppeltes erstes Differenzialgetriebe, das über zwei erste Antriebswellen mit den Rädern einer ersten Achse des Fahrzeugs gekoppelt ist, und ein mit dem Gangwechselgetriebe und/oder mit dem ersten Differenzialgetriebe gekoppeltes Verteilergetriebe, das über eine Verbindungswelle mit einem zweiten Differenzialgetriebe gekoppelt ist, das über zwei zweite Antriebswellen mit den Rädern einer zweiten Achse des Fahrzeugs gekoppelt ist. Die Wirkverbindung zwischen dem Gangwechselgetriebe und/oder dem ersten Differenzialgetriebe und dem Verteilergetriebe kann zur Unterbrechung einer Antriebskraft- und Drehmomentübertragung an die Räder der zweiten Achse getrennt werden. Hierzu dient die erfindungsgemäße schaltbare Kupplung, die zwischen dem Gangwechselgetriebe und/oder dem ersten Differenzialgetriebe und dem Verteilergetriebe angeordnet ist.
Durch Betätigung der schaltbaren Kupplung kann je nach Bedarf der Antriebsstrang zu einer nicht permanent, sondern nur temporär angetriebenen Antriebsachse unterbrochen werden, während die jeweils andere Antriebsachse konstruktionsbedingt permanent mit dem Antriebsmotor und dem Gangwechselgetriebe gekoppelt ist, typischerweise über ein Differenzialgetriebe, das für einen Drehzahlausgleich bei den Rädern dieser Achse bei Kurvenfahrt sorgt. Durch die variable Ankoppelbarkeit der zweiten Antriebsachse in unmittelbarer Nähe des Gangwechselgetriebes kann vermieden werden, dass der gesamte Teilstrang zur zweiten Antriebsachse auch dann mitläuft, wenn die Antriebskraft nur an einer Achse benötigt wird. Um die Reibungsverluste des mittels der Schaltkupplung abgekoppelten und in dieser Schaltstellung nicht mit dem übri gen Antriebsstrang wirkverbundenen Teilstrangs zu minimieren, sind vorzugsweise weitere Kupplungen im Bereich der Antriebswellen der zweiten Achse vorgesehen. Auf diese Weise kommt der nicht angetriebene Teilstrang zur zweiten Achse zum Stillstand, sobald die Kupplungen geöffnet sind. Diese zusätzlichen Kupplungen an der zweiten, nur temporär mit dem Gesamtantriebsstrang gekoppelten Achse können ggf. auch durch an sich bekannte Freilaufkupplungen gebildet sein. Alternativ hierzu sind jedoch auch andere Schaltkupplungen möglich, die für eine Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen zweitem Differenzialgetriebe der zweiten Achse und den jeweiligen Antriebsrädern sorgen.
Die schaltbare Kupplung kann bspw. durch eine Mehrscheiben- und/oder Lamellenkupplung gebildet sein. Eine solche Kupplung weist den Vorteil auf, dass durch eine variabel einstellbare Druckkraft, die auf die Scheiben oder Lamellen einwirkt, ein sehr sanfter Schaltvorgang gewährleistet werden kann. Darüber hinaus hat eine solche Kupplungsbauart den Vorteil, dass eine variable Kraft- und Drehmomentübertragung, d. h. eine stufenlose Einstellbarkeit des übertragenen Drehmoments ermöglicht ist.
Eine vorteilhafte Bauform der erfindungsgemäßen Anordnung kann vorsehen, dass der schaltbaren Kupplung wenigstens eine Übersetzungsstufe eines Zwischengetriebes zugeordnet ist. Diese die Übersetzungsstufe des Zwischengetriebes kann bspw. durch ein Stirnradgetriebe gebildet sein. Ein solches Stirnradgetriebe kann insbesondere durch ein sog. Planetengetriebe gebildet sein, da dieses den Vorteil einer sehr kompakten Bauweise bei gleichzeitig hohen übertragbaren Antriebsmomenten aufweist. Zudem können durch das dem der Kupplung zugeordnete Zwischengetriebe die effektiven Drehzahldifferenzen zwischen den Reibpaarungen der Kupplung reduziert werden, was die Belastungen für die Kupplung und deren Reibungsverluste vermindert.
In vorteilhafter Bauweise können bspw. die Außenlamellen der Kupplung mit einem Hohlrad des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes drehfest gekoppelt sein. Dem entsprechend können die Innenlamellen der Kupplung mit einem Planetenradträger des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes drehfest gekoppelt sein.
Zudem kann eine Abtriebswelle des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes mit einem Sonnenrad drehfest gekoppelt sein. Bei dieser Bauweise bildet das Hohlrad des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes dessen Antrieb. Das den Antrieb des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes bildende Hohlrad kann insbesondere mit einer Abtriebswelle des Gangwechselgetriebes drehfest gekoppelt sein. Je nach Platzverhältnissen lassen sich auf diese Weise sehr kompakte und gleichzeitig sehr leistungsfähige Antriebe gestalten. Eine vorteilhafte Integration der Bauteile lässt sich dadurch erreichen, dass das Hohlrad als Antrieb des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes mit einem Differenzialgehäuse des ersten Differenzialgetriebes drehfest gekoppelt ist. Zudem kann das Differenzialgehäuse des ersten Differenzialgetriebes mit dessen Differenzialkorb drehfest verbunden sein und/oder diesen bilden.
Die Ansteuerung der Kupplung kann dergestalt sein, dass die Innenlamellen und die Außenlamellen in axialer Richtung gegeneinander drückbar sind. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung können die Innenlamellen und die Außenlamellen mittels einer mechanischen Reibungs- und/oder Schaltkupplung in axialer Richtung gegeneinander drückbar sein. Um dies auf baulich einfache und gut steuerbare Weise zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die mechanische Reibungs- und/oder Schaltkupplung eine schaltbare Lamellenkupplung und eine axiale Vorspanneinheit umfasst. Auf diese Weise kann zudem dafür gesorgt werden, dass die mechanische Reibungs- und/oder Schaltkupplung einen einstellbaren Schlupf zwischen den Innenlamellen und den Außenlamellen erzeugt.
Bei aktivierter mechanischer Reibungs- und/oder Schaltkupplung kann ein definierbarer Anteil eines über das Hohlrad in das Zwischengetriebe eingeleiteten Drehmoments über die Innenlamellen auf die Abtriebswelle übertragen werden. Je nach Ansteuerung der Kupplung kann mehr oder weniger Drehmoment übertragen bzw. ein weitgehend vollständiger Kraftschluss zur Erzielung eines Antriebs beider Fahrzeugachsen hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann das erste Differenzialgetriebe durch ein Stirnrad- und/oder Planetengetriebe gebildet sein. Ein Antrieb des ersten Differenzialgetriebes kann mit dessen, durch das Differenzialgehäuse gebildete und/oder mit diesem drehfest verbundene Hohlrad gekoppelt sein. Zudem kann das Stirnrad- und/oder Planetengetriebe des ersten Differenzialgetriebes zwei parallele Planetenradstufen mit jeweils einem damit im Eingriff stehenden Sonnenrad aufweisen. Bei dieser Bauweise können die Sonnenräder jeweils mit den linken und rechten ersten Antriebswellen der ersten Achse des Fahrzeugs drehfest gekoppelt sein.
Eine sehr kompakte Bauweise lässt sich dadurch erreichen, dass eine der beiden ersten Antriebswellen der ersten Achse des Fahrzeugs durch die hohl ausgeführte Abtriebswelle des Zwischengetriebes geführt ist.
Es sei an dieser Stelle betont, dass die vorliegende Erfindung nicht nur die erwähnte Anordnung umfasst, sondern auch jedes denkbare Verfahren zu deren Betrieb und Ansteuerung. Auf eine detaillierte Darstellung der Ansteuerungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Anordnung wird an dieser Stelle verzichtet, da die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels alle für die Erfindung wesentlichen Betriebsarten und Steuerungsvarianten im Detail verdeutlicht. Die in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels erwähnten Betriebsarten beziehen sind in entsprechender Weise auch auf abgewandelte Varianten gemäß der oben erwähnten Ausführungsformen und sind nicht als auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt zu betrachten.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Ab-/Zuschalteinheit für eine Achse eines Kraftfahrzeugs, in der Regel für die Hinterachse eines allradgetriebenen Fahrzeugs, die insbesondere im Vorderachsdifferenzialgetriebe und damit im Hauptgetriebe (bei Frontmotorbauweise) integriert sein kann. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung und deren Steuerung kann eine variable Drehmomentsteuerung zur Hinterachse ermöglicht sein. Bisher waren derartige zu- und abschaltbare Einheiten bisher meist nahe der Hinterachse, vor dem Hinterachsdifferenzial angeordnet, so dass lediglich das Hinterachsdifferenzial abgeschaltet werden konnte. Ein zwischen Hinterachsdifferenzial und Hauptgetriebe angeordnetes Verteilergetriebe, das meist an der Vorderachse angeordnet ist, sowie eine sog. Kardanwelle zu dessen Antrieb drehen dabei lastfrei mit, was zu Verlusten in vorgespannten Lagern sowie zu Planschverlusten und Reibverlusten der Zahnradpaarungen im Verteilergetriebe führt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die Stilllegung des Verteilergetriebes und der Kardanwelle zum Hinterachsdifferenzial und der damit verbundenen Wirkungsgradverbesserung eine deutliche Kraftstoffersparnis. Dabei ist der konstruktive Zusatzaufwand sehr gering. Die Einheit kann im Hauptgetriebe integriert werden, was die Montagekosten reduziert. Die gesamte Anordnung ist durch ihren integrierten Aufbau relativ leicht.
Die beschriebene Einheit aus Stirnraddifferenzial, Planetenstufe und Zuschalteinheit kann relativ einfach modular aus eigens für ihren Einsatzzweck gestalteten und/oder aus bereits verfügbaren, vorwiegend umformtechnisch hergestellten und vorzugsweise bereits erprobten Komponenten aufgebaut werden.
Es soll an dieser Stelle erwähnt sein, dass im vorliegenden Zusammenhang generell von einem Gangwechselgetriebe die Rede ist, das dem Antriebsmotor nachgeordnet ist. Ein solches Gangwechselgetriebe kann wahlweise ein handgeschaltetes, herkömmliches Getriebe, ein an sich bekanntes Automatikgetriebe, ein automatisiert geschaltetes Getriebe o. dgl. sein. Grundsätzlich ist mit der verwendeten Bezeichnung „Gangwechselgetriebe” jede Art von drehzahl- und drehmomentanpassender Übersetzungsstufe zur Reduzierung der relativ hohen Drehzahlen des Antriebsmotors und zur Erhöhung des Antriebsmoments umfasst.
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit zwei angetriebenen Achsen.
2 zeigt eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Getriebeanordnung mit schaltbarem Verteilergetriebe.
3 bis 10 zeigen in schematischen Darstellungen verschiedene Betriebszustände des schaltbaren Verteilergetriebes.
11 und 12 zeigen zwei alternative Ausführungsvarianten des Verteilergetriebes.
13 zeigt die Getriebeanordnung gemäß 2 und ihre Einbaulage im Antriebsstrang des Fahrzeugs.
Die schematische Darstellung der 1 zeigt die Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit zwei angetriebenen Achsen. Die Achsantriebsanordnung 10 dient zur Übertragung einer Antriebskraft eines Antriebsmotors 12 auf Räder eines lediglich angedeuteten Kraftfahrzeugs 8. Die Antriebsanordnung 10 umfasst ein mit dem Antriebsmotor 12 gekoppeltes Gangwechselgetriebe 14 mit mehreren schaltbaren Übersetzungsstufen, ein mit dem Gangwechselgetriebe 14 gekoppeltes erstes Differenzialgetriebe 16, das über zwei erste Antriebswellen 18 mit den Rädern 20 einer ersten Achse 22 des Fahrzeugs 8 gekoppelt ist. Die erste Achse 22 des Fahrzeugs 8 ist permanent angetrieben und ist bei der am meisten verbreiteten Frontmotorbauweise heutiger Fahrzeuge eine angetriebene Vorderachse. Die Antriebsanordnung 10 umfasst weiterhin ein mit dem ersten Differenzialgetriebe 16 gekoppeltes Verteilergetriebe 24, das über eine Verbindungswelle 26, eine sog. Kardanwelle, mit einem zweiten Differenzialgetriebe 28 gekoppelt ist, das über zwei zweite Antriebswellen 30 mit den Rädern 20 einer zweiten Achse 32 des Fahrzeugs 8 gekoppelt ist. Die Wirkverbindung zwischen dem ersten Differenzialgetriebe 16 und dem Verteilergetriebe 24 kann zur Unterbrechung einer Antriebskraft- und Drehmomentübertragung an die Räder 20 der zweiten Achse 32 mittels einer schaltbaren Kupplung 34 getrennt werden. Diese schaltbare Kupplung 34 ist zwischen dem ersten Differenzialgetriebe 16 und dem Verteilergetriebe 24 angeordnet.
Durch Betätigung der schaltbaren Kupplung 34 kann je nach Bedarf der Antriebsstrang zur nicht permanent, sondern nur temporär angetriebenen zweiten Antriebsachse 32, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die zu- und abschaltbare Hinterachse, unterbrochen werden, während die andere Vorderachse 22 konstruktionsbedingt permanent mit dem Antriebsmotor 12 und dem Gangwechselgetriebe 14 gekoppelt ist. Das zwischengeschaltete erste Differenzialgetriebe 16 sorgt dabei für einen Drehzahlausgleich an den Rädern 22 dieser Achse 22 bei Kurvenfahrt. Durch die variable Ankoppelbarkeit der zweiten Antriebsachse 32 in unmittelbarer Nähe des Gangwechselgetriebes 14 kann vermieden werden, dass der gesamte Teilstrang zur zweiten Antriebsachse 32 auch dann mitläuft, wenn die Antriebskraft nur an der ersten Achse 22 benötigt wird. Um die Reibungsverluste des mittels der Schaltkupplung 34 abgekoppelten und in dieser Schaltstellung nicht mit dem übrigen Antriebsstrang wirkverbundenen Teilstrangs zu minimieren, sind vorzugsweise weitere Kupplungen 36 im Bereich der Antriebswellen 30 der zweiten Achse 32 vorgesehen. Auf diese Weise kommt der nicht angetriebene Teilstrang zur zweiten Achse 32 zum Stillstand, sobald die Kupplungen 34 und 36 geöffnet sind. Diese zusätzlichen Kupplungen 36 an der zweiten, nur temporär mit dem Gesamtantriebsstrang gekoppelten Achse 32 können ggf. auch durch an sich bekannte Freilaufkupplungen gebildet sein. Alternativ hierzu sind jedoch auch andere Schaltkupplungen möglich, die für eine Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen zweitem Differenzialgetriebe 28 der zweiten Achse 32 und den jeweiligen Antriebsrädern 20 sorgen.
Die schematische Darstellung der 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Getriebeanordnung mit schaltbarem Verteilergetriebe 24. Dort ist erkennbar, dass das erste Differenzialgetriebe 16 durch ein Stirnradgetriebe in Gestalt eines ersten Planetengetriebes 38 gebildet ist. Der Antrieb dieses ersten Planetengetriebes 38 erfolgt über dessen, durch ein Differenzialgehäuse 40 gebildetes und/oder mit diesem drehfest verbundenes Hohlrad 42. Zudem weist das Stirnrad- und/oder Planetengetriebe 38 des ersten Differenzialgetriebes 16 zwei parallele Planetenradstufen 44 und 46 mit jeweils einem damit im Eingriff stehenden Sonnenrad 48 bzw. 50 auf. Bei dieser Bauweise sind die Sonnenräder 48 und 50 jeweils mit den linken und rechten ersten Antriebswellen 18 der ersten Achse 22 des Fahrzeugs drehfest gekoppelt. Wie weiterhin in 2 verdeutlicht ist, ist das Differenzialgehäuse 40 des ersten Planetengetriebes 38 des ersten Differenzialgetriebes 16 drehfest mit dem Verteilergetriebe 24 verbunden. Eine sehr kompakte Bauweise wird dadurch erreicht, dass die rechte der beiden ersten Antriebswellen 18 der ersten Achse 22 des Fahrzeugs durch eine hohl ausgeführte Abtriebswelle 52 des Verteilergetriebes 24 geführt ist. Die Abtriebswelle 52 ist mit der Verbindungswelle 26 gekoppelt, die wiederum mit dem zweiten Differenzialgetriebe 28 gekoppelt ist (vgl. 1).
Die schaltbare Kupplung 34 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Mehrscheiben- bzw. Lamellenkupplung 54 gebildet. Die derart ausgebildete Kupplung 34 weist den Vorteil auf, dass durch eine variabel einstellbare Druckkraft, die auf die Scheiben oder Lamellen 56 und 58 der Lamellenkupplung 54 einwirkt, ein sehr sanfter Schaltvorgang ermöglicht werden kann. Darüber hinaus hat eine solche Kupplungsbauart den Vorteil, dass eine variable Kraft- und Drehmomentübertragung, d. h. eine stufenlose Einstellbarkeit des übertragenen Drehmoments zur variabel antreibbaren zweiten Achse 32 ermöglicht ist.
Der zwischen dem ersten Differenzialgetriebe 16 und dem Verteilergetriebe 24 angeordneten schaltbaren Kupplung 34 ist eine Übersetzungsstufe eines Zwischengetriebes 60 zugeordnet. Diese Übersetzungsstufe des Zwischengetriebes 60 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Stirnradgetriebe in Gestalt eines zweiten Planetengetriebes 62 gebildet, was den Vorteil einer sehr kompakten Bauweise aufweist. Zudem sorgt das der schaltbaren Kupplung 34 zugeordnete Zwischengetriebe 60 für eine Reduzierung der effektiven Drehzahldifferenzen zwischen den Reibpaarungen der Kupplung, was die Belastungen für die und deren Reibungsverluste vermindert.
Die Außenlamellen der Lamellenkupplung 56 sind mit einem Hohlrad 64 des zweiten Planetengetriebes 62 drehfest gekoppelt. Die Innenlamellen 58 der Lamellenkupplung 56 sind mit einem Planetenradträger 66 des zweiten Planetengetriebes 62 drehfest gekoppelt. Die Abtriebswelle 52 des Zwischengetriebes 60 ist schließlich mit einem Sonnenrad 68 des zweiten Planetengetriebes 62 drehfest gekoppelt. Bei dieser Bauweise bildet das Hohlrad 64 des Zwischengetriebes 60 dessen Antrieb. Das für den Antrieb des Zwischengetriebes 60 sorgende Hohlrad 64 ist mit einem Abtrieb des ersten Planetengetriebes 38 drehfest gekoppelt, im gezeigten Ausführungsbeispiel mit dessen Differenzialgehäuse 40.
Durch eine Ansteuerung der Lamellenkupplung 54 können die Innenlamellen 58 und die Außenlamellen 56 in axialer Richtung gegeneinander gedrückt werden, wodurch ein Kraftschluss zwischen Abtrieb des ersten Differenzialgetriebes 38 und der Abtriebswelle 52 des Verteilergetriebes 24 hergestellt werden kann. Durch Einstellung der zwischen Innen- und Außenlamellen 58, 56 wirkenden Andrückkraft kann das auf die Abtriebswelle 52 übertragene Drehmoment variiert werden. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die Innenlamellen 58 und die Außenlamellen 56 mittels einer axial wirkenden Vorspanneinheit 70 in axialer Richtung gegeneinander gedrückt werden. Die axiale Vorspanneinheit 70 umfasst eine zusätzliche Hilfslamellenkupplung 72, eine elektromagnetisch wirkende Vorschubeinheit 74 sowie eine axiale Rollenkupplung 76 mit zwischen Rampenscheibenpaaren abwälzenden Kugeln. Werden die beiden Rampenscheiben zugeordnet. Wird die Vorschubeinheit 74 hydraulisch, elektromagnetisch oder mechanisch betätigt, wird eine der beiden Rampenscheiben mit Hilfe der Hilfslamellenkupplung 72 allmählich mit dem schneller rotierenden Gehäuse des Zwischengetriebes 24 gekoppelt. Die Rampenscheiben verdrehen sich hierdurch relativ zueinander und bauen damit eine Axialkraft auf, welche die Lamellenkupplung 54 schließt, bis der Planetenradträger 66 und das Differenzialgehäuse 40 des ersten Planetengetriebes 38 mit gleicher Drehzahl rotieren. Gleichzeitig wird dadurch das Sonnenrad 68 des Zwischengetriebes 60 bzw. des zweiten Planetengetriebes 62 synchronisiert. Am Ende eines solchen Schaltzyklus werden ca. 90 bis 95% des vom ersten Planetengetriebe 38 übertragenen Drehmoments zum Verteilergetriebe 24 übertragen, während lediglich ein geringer Anteil von ca. 5 bis 10% des Drehmoments für die Aktivierung der axialen Vorspanneinheit 70 benötigt wird. Bei aktivierter axialer Vorspanneinheit 70 kann somit ein definierbarer Anteil eines über das Hohlrad 42 in das Zwischengetriebe 24 eingeleiteten Drehmo ments über die Innenlamellen 56 auf die Abtriebswelle 52 übertragen werden. Je nach Ansteuerung der Kupplung kann mehr oder weniger Drehmoment übertragen bzw. ein weitgehend vollständiger Kraftschluss zur Erzielung eines Antriebs beider Fahrzeugachsen hergestellt werden.
Anhand der schematischen Darstellungen der 3 bis 10 werden nachfolgend verschiedene Betriebszustände des schaltbaren Verteilergetriebes 24 näher erläutert. Das zwischen den Bauteilen übertragene Drehmoment ist dabei jeweils durch kurze Pfeile angedeutet.
Bei abgeschaltetem Hinterachsantrieb, d. h. bei abgeschalteter zweiter Achse 32, steht das Sonnenrad 68 des zweiten Planetengetriebes 62 still, während das Hohlrad 64 zusammen mit dem Gehäuse des Zwischengetriebes 60 und dem Differenzialgehäuse 40 mit den damit drehfest verbundenen Außenlamellen 56 mit gleicher Drehzahl des Abtriebs n_Abtrieb rotieren. Diese Neutralstellung kann der Darstellung der 2 entnommen werden. Bei Kurvenfahrt (vgl. 3) bewegen sich die Sonnen der Abtriebsräder mit Drehzahlen n_Abtrieb ± ∆n, wobei ∆n die Differenzdrehzahl zwischen dem kurvenäußeren und dem kurveninneren Rad 20 einer Achse ist. Der Planetenradträger 66 rotiert samt seinen Planetenrädern 78 und den drehfest damit verbundenen Innenlamellen 58 mit halber Drehzahl um die still stehende Sonne 68. Das Ausgangsdrehmoment des Gangwechselgetriebes 14 wird lediglich durch das erste Differenzialgetriebe 16 auf die Vorderachse, d. h. auf die erste Achse 22 übertragen. Die Pfeile in 3 deuten den Drehmomentfluss vom Hohlrad 42 des ersten Planetengetriebes 38 über die ersten und zweiten Planetenradstufen 44 und 46 und die ersten und zweiten Sonnenräder 48 und 50 zu den linken und rechten ersten Antriebswellen 18.
Wird entsprechend 4 die Hilfslamellenkupplung 72 der axialen Vorspanneinheit 70 hydraulisch, elektromagnetisch oder mechanisch durch Beaufschlagung mit einer Kraft F₁ betätigt, so wird eine der Rampenscheiben der Rollenkupplung 76 mit dem schneller rotierenden Gehäuse des Verteilergetriebes 24 gekoppelt. Die Rampenscheiben verdrehen sich relativ zueinander und bauen damit eine Axialkraft F₂ auf (vgl. 5). Diese Axialkraft F₂ drückt das Lamel lenpaket der Lamellenkupplung 54 zusammen (6), bis der Planetenträger 66 und das Hohlrad 64 und damit der Differenzialkorb mit gleicher Drehzahl rotieren. Gleichzeitig wird dabei das Sonnenrad 68 des Verteilergetriebes 24 synchronisiert. Am Ende des Schaltzyklus fließt ca. 90 bis 95% des Drehmoments zum Verteilergetriebe 24 durch die Lamellenkupplung 54 und lediglich ca. 5 bis 10% durch die axiale Vorspanneinheit 70 (vgl. 7).
Die Abschaltung der Einheit wird anhand der 8 bis 10 in knapper Form erläutert. Soll der Antrieb zum zweiten Differenzialgetriebe 28 der zweiten Achse 32 unterbrochen werden, wird zunächst die Hilfslamellenkupplung 72 der axialen Vorspanneinheit 70 geöffnet (vgl. 8). Da der Rampenwinkel der Rollenkupplung 76 der axialen Vorspanneinheit 70 oberhalb des Selbsthemmungswinkels liegt, verdrehen sich beide Rampenscheiben sofort bis zur Neutralposition. Das Hauptlamellenpaket der Lamellenkupplung 54 wird nicht mehr vorgespannt und beginnt zu schlupfen (vgl. 9). Am Ende des Abschaltvorgangs rotiert die Zuschalteinheit um die still stehende Sonne 68 des Verteilergetriebes 24 (vgl. 10).
Die schematischen Darstellungen der 11 und 12 zeigen zwei alternative Ausführungsvarianten des Verteilergetriebes 24. Während 11 nochmals die zuvor beschriebene Ausführungsvariante illustriert, bei der die Hilfslamellenkupplung 72 der Lamellenkupplung 54 parallel geschaltet ist, unterscheidet sich die Ausführungsvariante gemäß 12 durch die Position der Hilfslamellenkupplung 72, die sich hier unterhalb (in der Zeichnung) der axialen Vorspanneinheit 70, d. h. koaxial innerhalb zu dieser befindet. Die Außenlamellen 56 der Lamellenkupplung 54 sind mit einer der Rampenscheiben der Rollenkupplung 76 verbunden, während die Innenlamellen 58 zum Sonnenrad 68 des zweiten Planetengetriebes 62 greifen. Eine derartige Ausführung lässt sich in axialer Richtung kompakter gestalten und kann die Reaktionsfähigkeit der Zuschalteinheit 24 verbessern, da die Zuschaltung zur stillstehenden Sonne 68 vereinfacht ist. Ein Nachteil kann jedoch durch den unterbrochenen axialen Kraftfluss von der Lamellenkupplung 54 durch die Rollenkupplung 76 zur Hilfslamellenkupplung 72 entstehen, da die Lastübertragung auf zwei Ebenen erfolgt. Unter Umständen kann es notwendig sein, die Hilfslamellenkupplung 72 stabiler auszuführen und/oder für eine zusätzliche axiale Abstützung der Hilfslamellenkupplung 72 und/oder der Lamellenkupplung 54 zu sorgen.
Die Schnittansicht der 13 verdeutlicht nochmals die Getriebeanordnung gemäß 2 und ihre Einbaulage im Antriebsstrang des Fahrzeugs. Dabei wird deutlich, dass durch die äußerst kompakte Bauform des axial sehr kurz bauenden ersten Differenzialgetriebes 16 in Gestalt des ersten Planetengetriebes 38 Platz für die schaltbare Kupplung 34 und das damit verbundene Verteilergetriebe 24 geschaffen wird. Das Getriebegehäuse für das Getriebe 14 und die darin integrierten weiteren Bauteile muss in aller Regel nicht vergrößert werden.
Die beschriebene Einheit aus Stirnraddifferenzial, Planetenstufe und Zuschalteinheit kann relativ einfach modular aus eigens für ihren Einsatzzweck gestalteten und/oder aus bereits verfügbaren, vorwiegend umformtechnisch hergestellten und vorzugsweise bereits erprobten Komponenten aufgebaut werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

8: Kraftfahrzeug
10: Antriebsanordnung
12: Antriebsmotor
14: Gangwechselgetriebe
16: erstes Differenzialgetriebe
18: erste Antriebswelle
20: Rad
22: erste Achse
24: Verteilergetriebe
26: Verbindungswelle
28: zweites Differenzialgetriebe
30: zweite Antriebswelle
32: zweite Achse
34: schaltbare Kupplung, Schaltkupplung
36: weitere Kupplung
38: erstes Planetengetriebe
40: Differenzialgehäuse
42: Hohlrad
44: erste Planetenradstufe
46: zweite Planetenradstufe
48: erstes Sonnenrad
50: zweites Sonnenrad
52: Abtriebswelle
54: Lamellenkupplung
56: Außenlamellen
58: Innenlamellen
60: Zwischengetriebe
62: zweites Planetengetriebe
64: Hohlrad
66: Planetenradträger
68: Sonnenrad
70: axiale Vorspanneinheit
72: Hilfslamellenkupplung
74: Vorschubeinheit
76: Rollenkupplung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7309301 B2 [0005]

Claims

Achsantriebsanordnung (10) zur Übertragung einer Antriebskraft eines Antriebsmotors (12) auf Räder (20) eines Kraftfahrzeugs (8), umfassend ein mit dem Antriebsmotor (12) gekoppeltes Gangwechselgetriebe (14) mit mehreren schaltbaren Übersetzungsstufen, ein mit dem Gangwechselgetriebe (14) gekoppeltes erstes Differenzialgetriebe (16), das über zwei erste Antriebswellen (18) mit den Rädern (20) einer ersten Achse (22) des Fahrzeugs (8) gekoppelt ist, und ein mit dem Gangwechselgetriebe (14) und/oder mit dem ersten Differenzialgetriebe (16) gekoppeltes Verteilergetriebe (24), das über eine Verbindungswelle (26) mit einem zweiten Differenzialgetriebe (28) gekoppelt ist, das über zwei zweite Antriebswellen (30) mit den Rädern (20) einer zweiten Achse (32) des Fahrzeugs (8) gekoppelt ist, wobei die Wirkverbindung zwischen dem Gangwechselgetriebe (14) und/oder dem ersten Differenzialgetriebe (16) und dem Verteilergetriebe (24) zur Unterbrechung einer Antriebskraft- und Drehmomentübertragung an die Räder (20) der zweiten Achse (32) trennbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gangwechselgetriebe (14) und/oder dem ersten Differenzialgetriebe (16) und dem Verteilergetriebe (24) eine schaltbare Kupplung (34) angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Kupplung (34) durch eine Mehrscheiben- und/oder Lamellenkupplung (54) gebildet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbaren Kupplung (34) wenigstens eine Übersetzungsstufe eines Zwischengetriebes (60) zugeordnet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstufe des Zwischengetriebes (60) durch ein Stirnradgetriebe (62) gebildet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Außenlamellen (56) der Kupplung (34, 54) mit einem Hohlrad (64) des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes (60, 62) drehfest gekoppelt sind.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Innenlamellen (58) der Kupplung (34, 54) mit einem Planetenradträger (66) des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes (60, 62) drehfest gekoppelt sind.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtriebswelle (52) des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes (60, 62) mit einem Sonnenrad (68) drehfest gekoppelt ist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (64) des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes (60, 62) dessen Antrieb bildet.
Antriebsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (64) als Antrieb des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes (60, 62) mit einer Abtriebswelle des Gangwechselgetriebes (60) drehfest gekoppelt ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (64) als Antrieb des Zwischen- bzw. Stirnradgetriebes (60, 62) mit einem Differenzialgehäuse (40) des ersten Differenzialgetriebes (16) drehfest gekoppelt ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzialgehäuse (40) des ersten Differenzialgetriebes (16) mit dessen Differenzialkorb drehfest verbunden ist und/oder diesen bildet.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlamellen (58) und die Außenlamellen (56) in axialer Richtung gegeneinander drückbar sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlamellen (58) und die Außenlamellen (56) mittels einer mechanischen Reibungs- und/oder Schaltkupplung in axialer Richtung gegeneinander drückbar sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Reibungs- und/oder Schaltkupplung eine schaltbare Lamellenkupplung (72) und eine axiale Vorspanneinheit (70) umfasst.
Antriebsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Reibungs- und/oder Schaltkupplung einen einstellbaren Schlupf zwischen Innenlamellen (58) und Außenlamellen (56) erzeugt.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei aktivierter mechanischer Reibungs- und/oder Schaltkupplung ein definierbarer Anteil eines über das Hohlrad (64) in das Zwischengetriebe (24) eingeleitetes Drehmoment über die Innenlamellen (58) auf die Abtriebswelle (52) übertragbar ist.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Differenzialgetriebe (16) durch ein Stirnrad- und/oder Planetengetriebe (38) gebildet ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb des ersten Differenzialgetriebes (16) mit dessen, durch das Differenzialgehäuse (40) gebildeten und/oder mit diesem drehfest verbundenen Hohlrad (42) gekoppelt ist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnrad- und/oder Planetengetriebe (38) des ersten Differenzialgetriebes (16) zwei parallele Planetenradstufen (44, 46) mit jeweils einem damit im Eingriff stehenden Sonnenrad (48, 50) aufweist, wobei die Sonnenräder (48, 50) jeweils mit den linken und rechten ersten Antriebswellen (18) der ersten Achse (22) des Fahrzeugs (8) drehfest gekoppelt sind.
Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden ersten Antriebswellen (18) der ersten Achse (22) des Fahrzeugs (8) durch die hohl ausgeführte Abtriebswelle (52) des Zwischengetriebes (24) geführt ist.