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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für allradgetriebene Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine Antriebsvorrichtung ist in der
EP 1 000 792 A2 beschrieben. Durch eine in zwei Schaltzustände umschaltbare, formschlüssige Kupplung ist in der einen Schaltposition das Verteilerdifferenzial gesperrt und zugleich ein Achsdifferenzial abgekoppelt, so dass das Kraftfahrzeug nur an einer Achse angetrieben ist. In der anderen Schaltposition der Kupplung ist das Verteilerdifferenzial wirksam und treibt auf beide Achsen des Kraftfahrzeuges im Allradbetrieb ab. Die Auslegung des Verteilerdifferenziales (ein Planetengetriebe) in Verbindung mit einer in den Kraftfluss zur hinteren Achse des Kraftfahrzeuges eingeschalteten Untersetzungsstufe ist so, dass die Gesamtübersetzung im Allradbetrieb kürzer und im Antrieb nur einer Achse des Kraftfahrzeuges länger ist. Damit ist das Antriebsmoment und die Traktion des Kraftfahrzeuges bei Allradantrieb höher, während durch die längere Übersetzung und den Antrieb nur einer Achse ein besserer Getriebewirkungsgrad und ein geringerer Kraftstoffverbrauch erzielbar ist.
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Aus der
DE 30 36 445 A1 ist ein gattungsgemäßes Getriebe für Kraftfahrzeuge mit Vierradantrieb bekannt. Aus der
DE 103 04 813 A1 ist eine Antriebsvorrichtung bekannt. Aus der
DE 33 17 247 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit Allradantrieb bekannt. Aus der
DE 40 00 667 A1 ist eine Kraftübertragungseinrichtung für ein Motorfahrzeug mit Vierradantrieb bekannt. Aus der
DE 10 2006 013 542 A1 ist ein Antriebssystem für allradgetriebene Kraftfahrzeuge bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung diese so weiterzubilden, dass neben der genannten Vorteile den Fahrbetrieb und die Umschaltfunktionen verbessernde Eigenschaften erzielbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Abkoppeln des einen Achsdifferenziales und das Sperren des Verteilerdifferenziales über zwei separate Kupplungen erfolgt, von denen zumindest die das Verteilerdifferenzial sperrende Kupplung eine vorzugsweise hydraulisch betätigbare, in einen Schlupfbetrieb steuerbare Kupplung, insbesondere eine Lamellenkupplung ist. Unter Ausnutzung der nach dem Verteilerdifferenzial im Kraftfluss zur einen Achse des Kraftfahrzeuges vorgesehenen Untersetzungsstufe kann im Allradbetrieb bei normalerweise geöffneter Kupplung bzw. Lamellenkupplung diese bevorzugt zum Beispiel hydraulisch betätigt in einen geregelten Schlupfbetrieb gesteuert werden und dabei ein torque vectoring bzw. eine Antriebsmomenten-Umverteilung bewirken. Dabei kann das Antriebsmoment an der kürzer übersetzten Achse des Kraftfahrzeuges definiert erhöht bzw. an der länger übersetzten Achse vermindert werden, was insbesondere zur Beeinflussung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeuges relevant ist.
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Bevorzugt können beide Kupplungen der Antriebsvorrichtung hydraulisch betätigbare Lamellenkupplungen sein, die lastschaltbar eine stufenlose, schnelle Umschaltung der Antriebsarten ermöglicht. Gegebenenfalls können beide Lamellenkupplungen in einem gemeinsamen Kupplungsgehäuse angeordnet sein.
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Die Untersetzungsstufe zur einen Achse des Kraftfahrzeuges kann eine im Kraftfluss nach dem Verteilerdifferenzial angeordnete Vorgelegestufe sein, die dann auf das korrespondierende Achsdifferenzial abtreibt. Diese Ausbildung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine derartige Vorgelegestufe im Antriebszug ohnehin vorhanden ist und lediglich in der Übersetzung entsprechend zu verändern ist. Es kann gegebenenfalls aber auch das Übersetzungsverhältnis eines der Achsdifferenziale entsprechend modifiziert sein.
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In an sich bei Allradantrieben bekannter Weise kann zusätzlich das Verteilerdifferenzial auf unterschiedlich hohe Abtriebsmomente zum vorderen und hinteren Achsdifferenzial ausgelegt sein, zum Beispiel mit einem höheren Abtriebsmoment auf die Vorderachse des Kraftfahrzeuges.
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Ferner kann in dem abkoppelbaren Achsdifferenzial wenigstens eine Trennkupplung zu den mit den Räder verbundenen Antriebswellen angeordnet sein, die zur Erhöhung des Getriebewirkungsgrades bei geöffneter, das Achsdifferenzial abkoppelnder Kupplung am Verteilerdifferenzial ebenfalls geöffnet ist. Daraus resultiert, dass die Getriebeelemente im Kraftfluss zu den nicht angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges stillstehen und keine Reibungs- und Panschverluste erzeugen.
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In einer bevorzugten Antriebsstrategie der Antriebsvorrichtung wird ferner vorgeschlagen, dass das Übersetzungsverhältnis auf die vorderen Räder des Kraftfahrzeuges länger und das Übersetzungsverhältnis auf die hinteren Räder kürzer ausgelegt ist und dass die das eine Achsdifferenzial abkoppelnde Kupplung im Antriebsstrang zu den hinteren Rädern angeordnet ist. Damit ist das Kraftfahrzeug von Allradantrieb zum Beispiel in den unteren (langsameren) Gängen auf Frontantrieb in den höheren (schnelleren) Gängen umschaltbar, wobei im torque vectoring das momentane Antriebsmoment vermehrt auf die Hinterachse verlagerbar ist. Es versteht sich, dass gegebenenfalls auch eine umgekehrte Antriebsstrategie mit Allradantrieb und Heckantrieb verwirklichbar ist.
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Das Verteilerdifferenzial ist als Planetengetriebe ausgebildet sein, wobei in baulich und getriebetechnisch vorteilhafter Weise zumindest die das Verteilerdifferenzial sperrende Kupplung, insbesondere eine Lamellenkupplung in das Planetengetriebe integriert ist. Dabei ist der Steg des Planetengetriebes angetrieben, während das mit den Planetenrädern kämmende Außenrad auf das vordere Achsdifferenzial und das zentrale Sonnenrad auf das hintere Achsdifferenzial abtreibt und die Kupplung bzw. Lamellenkupplung im gesperrten Schaltzustand das Außenrad mit dem Sonnenrad verbindet. Schließlich können die im Allradantrieb normal geöffnete Kupplung und/oder die das eine Achsdifferenzial ankoppelnde, geschlossene Kupplung bei einem einen definierten Grenzwert überschreitenden Radschlupf und/oder abhängig von in einem elektronischen Fahrstabilitätsprogramm abgelegten Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges in einen geregelten Schlupfbetrieb steuerbar sein. Dadurch kann in noch größerem Umfang auf gegebenenfalls kritische Betriebsbedingungen steuerungstechnisch reagiert und zum Beispiel einem plötzlichem Durchdrehen der Räder einer Achse entgegengewirkt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Antriebsvorrichtung für ein wahlweise im Allradantrieb oder Frontantrieb antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe, einem über eine erste Lamellenkupplung sperrbaren Verteilerdifferenzial und zwei Achsdifferenzialen, von denen eines über eine zweite Lamellenkupplung abkoppelbar ist; und
- 2 das Verteilerdifferenzial gemäß 1 in einem skizzenhaften Längsschnitt mit den zwei separat angeordneten, hydraulisch betätigbaren Lamellenkupplungen.
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In der 1 ist grob schematisch eine Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge dargestellt, mit einem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe 10 und einem nachgeschalteten Verteilerdifferenzial 12, das auf ein vorderes Achsdifferenzial 14 und ein hinteres Achsdifferenzial 16 zum Antrieb der vorderen und hinteren Räder (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeuges abtreibt.
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Das Wechselgetriebe 10, das ein Schaltgetriebe oder ein automatisches Getriebe herkömmlicher Bauart sein kann, ist mit einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine als Antriebsquelle zu einem frontseitigen Antriebsaggregat zusammengebaut, wobei die Brennkraftmaschine über eine Trennkupplung 18 auf die Eingangswelle 20 des Wechselgetriebes 10 wirkt, dessen Ausgangswelle 22 mit dem Eingangselement 24 des Verteilerdifferenzials 12 trieblich verbunden ist.
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Das eine Ausgangselement 26 des Verteilerdifferenzials 12 treibt über eine Hohlwelle 28, eine Vorgelegestufe 30 mit zwei Stirnzahnrädern 32, 34 und eine Abtriebswelle 36 des Wechselgetriebes 10 das vordere, in das Wechselgetriebe 10 integrierte Achsdifferenzial 14 an, das zum Beispiel als Kegelraddifferenzial ausgeführt über Gelenkwellen auf die vorderen Räder des Kraftfahrzeuges wirkt.
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Das andere Ausgangselement 38 des Verteilerdifferenzials 12 treibt über eine Kardanwelle 40 das hintere Achsdifferenzial 16 an, das wiederum über Gelenkwellen (durch Pfeile angedeutet) mit den hinteren Rädern des Kraftfahrzeuges trieblich verbunden ist.
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Zwischen der Abtriebswelle 42 des Ausgangselements 38 und dem Ausgangselement 26 des Verteilerdifferenzials 12 ist eine erste hydraulisch betätigbare Lamellenkupplung 44 eingeschaltet, die im geschlossenen Zustand das Verteilerdifferenzial 12 sperrt.
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Im Kraftfluss hinter der ersten Lamellenkupplung 44 ist eine zweite hydraulisch betätigbare Lamellenkupplung 46 auf der Abtriebswelle 42 angeordnet, die im geöffneten Zustand die Antriebsverbindung vom Ausgangselement 38 zur Kardanwelle 40 bzw. zum hinteren Achsdifferenzial 16 unterbricht.
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Des Weiteren sind in dem hinteren Achsdifferenzial 16 zwei Trennkupplungen 48 vorgesehen, die im geöffneten Zustand die mit den Rädern verbundenen Gelenkwellen von dem Achsdifferenzial 16 abkoppeln.
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Über eine nicht dargestellte, hydraulische Betätigung der Kupplungen 44, 46, 48 ist die Antriebsvorrichtung in einen Allradantrieb oder einen Frontantrieb umschaltbar:
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Im Allradantrieb, zum Beispiel in den unteren Gängen 1 bis 4 des Wechselgetriebes 10, mit höherem Abtriebsmoment oder situativ (zum Beispiel bei Radschlupf) bzw. präventiv (zum Beispiel bei extrem sportlicher Fahrweise) in allen Gängen ist die Lamellenkupplung 44 geöffnet und damit die Ausgleichsfunktion des Verteilerdifferenzials 12 hergestellt. Zugleich sind die Lamellenkupplung 46 und die Trennkupplungen 48 (ebenfalls Lamellenkupplungen oder hydraulisch schaltbare Synchronkupplungen) geschlossen.
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Das Verteilerdifferenzial 12 verteilt somit das Antriebsmoment über das Ausgangselement 26, die Hohlwelle 28, die Vorgelegestufe 30 und die Abtriebswelle 36 auf das vordere Achsdifferenzial 14 und über das Ausgangselement 38, die Abtriebswelle 42 und die Kardanwelle 40 auf das hintere Achsdifferenzial 16. Je nach Auslegung des Verteilerdifferenzials 12 ist diese Momentenverteilung ungleich (zum Beispiel 60:40, Vorderachse : Hinterachse) oder gleich 50:50.
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Die Vorgelegestufe 30 bzw. deren Stirnzahnräder 32, 34 sind derart ausgelegt, dass die Übersetzung zum vorderen Achsdifferenzial 14 bzw. den vorderen Rädern des Kraftfahrzeuges länger ist als die Übersetzung zu den hinteren Rädern des Kraftfahrzeuges, die dementsprechend kürzer ist. Die Differenzdrehzahlen der Ausgangselemente 26, 38 werden im Verteilerdifferenzial 12 entsprechend ausgeglichen.
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Im Frontantrieb des Kraftfahrzeuges, zum Beispiel in den höheren Gängen 5 und 6, ist die Lamellenkupplung 44 geschlossen und verbindet die beiden Ausgangselemente 26, 38 miteinander, so dass das Verteilerdifferenzial 12 in seiner Ausgleichsfunktion gesperrt ist. Zugleich ist die zweite Lamellenkupplung 46 geöffnet und somit die Antriebsverbindung zum hinteren Achsdifferenzial 16 unterbrochen.
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Das Verteilerdifferenzial 12 treibt nun 1:1 nur auf das vordere Achsdifferenzial 14 ab, wobei die wirksame Gesamtübersetzung durch die ins Schnelle übersetzende Vorgelegestufe 30 länger ist als die Gesamtübersetzung im Allradbetrieb des Kraftfahrzeuges.
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Werden zudem die beiden Trennkupplungen 48 geöffnet, so ist zusätzlich die Antriebsverbindung vom Achsdifferenzial 16 zu den Gelenkwellen und hinteren Rädern des Kraftfahrzeuges unterbrochen, so dass im Frontantrieb die Kardanwelle 40 und die Getriebeelemente des Achsdifferenziales 16, ohne Reibungs- und Panschverluste zu erzeugen, stillstehen.
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Das Verteilerdifferenzial 12 kann zum Beispiel als Kegelraddifferenzial ausgeführt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist das Verteilerdifferenzial 12 jedoch wie dargestellt als Planetengetriebe ausgebildet, in dessen an das Wechselgetriebe 10 stirnseitig angeflanschtem Gehäuse 12a die beiden Lamellenkupplungen 44, 46 integriert sind.
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Die 2 zeigt in vergrößerter Darstellung skizzenhaft das Planetengetriebe und die Lamellenkupplungen 44, 46 des Verteilerdifferenzials 12 unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen.
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Das Planetengetriebe setzt sich aus einem Steg 24 als Eingangselement und einem Außenrad 26 und einem Sonnenrad 38 als Ausgangselemente zusammen, die in dem Gehäuse 12a des Verteilerdifferenzials 12 entsprechend drehbar gelagert sind.
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Der Steg 24 trägt in üblicher Weise Planetenräder 50, die mit dem innenverzahnten Außenrad 26 und dem außenverzahnten Sonnenrad 38 in Eingriff sind.
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Der Steg 24 ist mit der Ausgangswelle 22 des Wechselgetriebes 10 trieblich verbunden, während das Außenrad 26 über die Hohlwelle 28, die Vorgelegestufe 30 und die Abtriebswelle 36 des Wechselgetriebes 10 das vordere Achsdifferenzial 14 und über das Sonnenrad 38 und die Ausgangswelle 42 wie vorbeschrieben das hintere Achsdifferenzial 16 antreibt.
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Die erste Lamellenkupplung 44 setzt sich aus einem mit dem Außenrad 26 fest verbundenem, trommelförmigen Kupplungsgehäuse 44a und mit der Abtriebswelle 42 verbundenen Kupplungslamellen 44b zusammen, die hydraulisch beaufschlagbar sind, wobei im geschlossenen Zustand die beiden Ausgangselemente 26, 38 miteinander verbunden sind und die Ausgleichsfunktion des Verteilerdifferenzials 12 sperren.
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Der ersten Lamellenkupplung 44 nachgeschaltet ist die zweite Lamellenkupplung 46, deren trommelförmiges Kupplungsgehäuse 46a mit dem einen Abschnitt 42a der Abtriebswelle 42 und die hydraulisch beaufschlagbaren Kupplungslamellen 46b mit dem anderen Abschnitt 42b der entsprechend unterteilten Abtriebswelle 42 verbunden sind.
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Die beiden Lamellenkupplungen 44, 46 und auch die in 1 skizzierten Trennkupplungen 48 können soweit nicht beschrieben in bekannter Weise ausgeführt sein.
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Die Lamellenkupplungen 44, 46 und die Trennkupplungen 48 werden hydraulisch über ein Steuergerät einer hydraulischen Betätigungseinrichtung des Kraftfahrzeuges betätigt, das von einem die dynamischen Fahrbetriebszustände des Kraftfahrzeuges, die Schaltzustände des Wechselgetriebes 10 und über Drehzahlsensoren die Drehzahlen der antreibenden und abtreibenden Wellen oder Getriebeelemente erfassenden, elektronischen Steuergerät (zum Beispiel ein im Kraftfahrzeug bereits vorhandenes, entsprechend modifiziertes Fahrstabilitätsprogramm-Steuergerät) angesteuert wird und die Lamellenkupplungen 44, 46, 48 zur Herstellung der vorbeschriebenen Antriebsarten Allradantrieb - Frontantrieb entsprechend schließt oder öffnet.
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Zusätzlich wird über die genannten Steuergeräte bei Allradantrieb des Kraftfahrzeuges die geöffnete Lamellenkupplung 44 und gegebenenfalls auch die geschlossene Lamellenkupplung 46 in einen Schlupfbetrieb gesteuert, der die Antriebsmomente an den vorderen und hinteren Rädern des Kraftfahrzeuges in einem torque vectoring und/oder zur Vermeidung eines plötzlichen Durchdrehens der Räder einer Achse des Kraftfahrzeuges verändert.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
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So kann das Verteilerdifferenzial 12 zum Beispiel auch als Kegelraddifferenzial ausgeführt sein. Ferner kann das Verteilerdifferenzial 12 konstruktiv so ausgelegt sein, dass es auf die Ausgangselemente 26, 38 gleichmäßig 50:50 oder ungleich 60:40 oder dergleichen abtreibt.
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Die Lamellenkupplung 44 kann abhängig von konstruktiven Gegebenheiten auch zwischen dem Eingangselement 24 bzw. dem Steg 24 des Planetengetriebes und einem Ausgangselement 26 oder 38 vorgesehen sein und das Verteilerdifferenzial 12 entsprechend sperren.
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Ferner kann die Lamellenkupplung 46 auch als eine formschlüssige Kupplung, zum Beispiel als eine bekannte Synchronkupplung, ausgebildet sein.
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Die längere Übersetzung vom Verteilerdifferenzial 12 zu den angetriebenen Rädern des Kraftfahrzeuges kann auch im Kraftfluss zum hinteren Achsdifferenzial 16 mittels einer Vorgelegestufe 30 vorgesehen sein, während über die zweite Lamellenkupplung 46 dann das vordere Achsdifferenzial 14 abkoppelbar ist. Das Kraftfahrzeug ist dann mit Heckantrieb oder Allradantrieb betreibbar. Das torque vectoring ist dementsprechend insbesondere auf die Hinterachse ausübbar. Anstelle einer Vorgelegestufe 30 können schließlich auch unmittelbar die Achsdifferenziale 14, 16 mit derart unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen ausgelegt sein, dass die vorgenannte längere und kürzere Gesamtübersetzung im Allradbetrieb und Front- oder Heckantrieb gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Geschwindigkeits-Wechselgetriebe
- 12
- Verteilerdifferenzial
- 12a
- Gehäuse
- 14
- vorderes Achsdifferenzial
- 16
- hinteres Achsdifferenzial
- 18
- Trennkupplung
- 20
- Eingangswelle
- 22
- Ausgangswelle
- 24
- Eingangselement
- 26
- Ausgangselement
- 28
- Hohlwelle
- 30
- Vorgelegestufe
- 32, 34
- Stirnzahnräder
- 36
- Abtriebswelle
- 38
- Ausgangselement
- 40
- Kardanwelle
- 42
- Abtriebswelle
- 42a
- Abschnitt
- 42b
- Abschnitt
- 44
- Lamellenkupplung
- 44a
- Kupplungsgehäuse
- 44b
- Kupplungslamellen
- 46
- Lamellenkupplung
- 46a
- Kupplungsgehäuse
- 46b
- Kupplungslamellen
- 48
- Trennkupplungen
- 50
- Planetenräder
