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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für eine Fahrzeugachse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei einer solchen Antriebsanordnung wird im Fahrbetrieb von zum Beispiel einer Elektromaschine ein Antriebs-Achsmoment erzeugt, das über ein Achsdifferenzial auf die Fahrzeugräder eines zweispurigen Fahrzeugs übertragbar ist. Das Achsdifferenzial kann ein Kegelraddifferenzial mit einem antriebsseitigen Differenzialkorb sein, an dem zumindest ein Ausgleichskegelrad drehgelagert ist. Das Kegelraddifferenzial weist zudem ein erstes Achskegelzahnrad und ein zweites Achskegelzahnrad auf. Diese sind rechtwinklig zum Ausgleichskegelrad sowie koaxial mit Abstand zueinander angeordnet. Die beiden Abtriebskegelräder sind jeweils drehfest auf einer zum jeweiligen Fahrzeugrad führenden Achshalbwelle angeordnet. Jedes der Abtriebskegelräder ist in Zahneingriff mit dem Ausgleichskegelrad.
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In einem batteriebetriebenen Fahrzeug wird ein großes Augenmerk auf die Minimierung von Reibungsverlusten gelegt, um die Reichweite zu vergrö-ßern. Bei einem allradgetriebenen Elektrofahrzeug mit je einem Elektroantrieb an jeder Fahrzeugachse wird daher während des Fahrbetriebs, sofern es die Betriebsbedingungen zulassen, zum Beispiel die Vorderachse nicht bestromt und alleine mit der Hinterachse angetrieben und auch rekuperiert. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad erhöht und die Reichweite vergrößert. Es bleiben aber nach wie vor Reibungsverluste (Luft- und Lagerreibung, Verzahnungsreibung im Getriebe, Panschverluste, etc.) durch den mitgeschleppten Vorderachsantrieb. Vorteilhaft wäre es in diesem Zusammenhang, den Vorderachsantrieb mechanisch möglichst vollständig abzukoppeln, um diese Reibungsverluste einzusparen.
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Aus dem Stand der Technik sind Abkoppelvorrichtungen bekannt, die über eine axial wirkende Klauenkupplung eine der beiden Antriebswellen abkoppeln, die vom Achsdifferenzial zu den Fahrzeugrädern führen. Durch das Abkoppeln einer Antriebswelle kann, wegen des dazwischen angebrachten Achsdifferenzials, auch die weitere Antriebswelle kein Moment mehr übertragen. Somit ist die gesamte Fahrzeugachse momentenfrei und die nicht bestromte Elektromaschine mitsamt Getriebe komplett stillgelegt. Es verbleibt jedoch eine lastfreie Abwälzbewegung (Ausgleichs-Drehbewegung) an den Ausgleichskegelrädern des Achsdifferenzials.
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Gleichzeitig wird eine Trockensumpfschmierung umgesetzt, um Panschverluste im Fahrbetrieb zu vermeiden und den Wirkungsgrad bei schnell laufenden Getrieben zu steigern. Hierzu befindet sich die Hauptmenge des Öls in einem separaten Tank und wird im Betrieb mittels einer Ölpumpe zu den Schmierstellen gefördert. Das Achsdifferenzial wird dabei nicht aktiv beölt, sondern erhält dieses vielmehr eine Minimalmengenschmierung über umherspritzendes Öl. Daraus ergibt sich im abgekoppelten Zustand jedoch folgender Nachteil: Da mit dem Getriebe auch dessen Ölversorgung zum Stillstand kommt, ist kein Spritzöl zur Schmierung der noch immer abwälzenden Differenzialrädern vorhanden. Mit einer elektrischen Ölpumpe, welche auch im abgekoppelten Zustand läuft, könnte zwar eine Differenzialbeölung sichergestellt werden, jedoch würde deren Stromverbrauch den Verbrauchsvorteil durch die Abkoppelung schmälern. Zudem sind elektrische Ölpumpen vergleichsweise kostspielig.
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Aus der
DE 10 2016 220 250 A1 ist ein Differenzialgetriebe für ein Kraftfahrzeug bekannt. Aus der
DE 10 2016 221 016 A1 ist ein weiteres Differenzialgetriebe für ein Kraftfahrzeug bekannt. Aus der
DE 10 2016 203 970 A1 ist ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Aus der
DE 10 2008 037 885 A1 sind eine Kupplungsanordnung und eine gattungsgemäße Antriebsanordnung für ein mehrachsgetriebenes Kraftfahrzeug bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebsanordnung für eine Fahrzeugachse eines zweispurigen Kraftfahrzeugs bereitzustellen, bei der im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise im Fahrbetrieb Schleppverluste bzw. Reibungsverluste bei einer deaktivierten Antriebseinheit reduziert werden können.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Antriebsanordnung eine Abkoppeleinheit auf, mittels der das Ausgleichszahnrad von seiner Ankoppel-Position, in der das Ausgleichszahnrad in Zahneingriff mit den Achszahnrädern ist, in eine Abkoppel-Position verstellbar ist. In der Abkoppel-Position ist das Ausgleichszahnrad außer Zahneingriff mit den Achszahnrädern. Auf diese Weise wird eine Abwälzbewegung an den Differenzialzahnrädern (das heißt dem Ausgleichszahnrad) während des Fahrbetriebs sowie bei nicht bestromter Elektromaschine vermieden. Zudem ist der Beölungsbedarf des Achsdifferenzials im abgekoppelten Zustand drastisch reduziert.
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In einer später beschriebenen Weiterbildung der Erfindung kann zudem die Möglichkeit bereitgestellt sein, im angekoppelten Zustand des Achsdifferenzials gezielt mehr oder weniger mit Hilfe einer später beschriebenen Differenzialsperre zu sperren. Damit ergibt sich ein Traktionsvorteil der Fahrzeugachse, da diese nicht mehr komplett von der Traktionsfähigkeit eines Fahrzeugrades begrenzt wird. Umgesetzt wird eine solche Differenzialsperre, indem das zumindest eine Ausgleichszahnrad im Achsdifferenzial radial verschieblich im Differenzialgehäuse angebracht wird. Das Ausgleichsrad kann mittels Federkraft nach radial außen und über einen axial verschieblichen Schiebekeil (das heißt ein Schaltelement) nach radial innen gedrückt werden. Das Schaltelement kann hierbei in zwei Abschnitte unterteilt sein: Der erste Abschnitt (Abkoppel-Abschnitt) dient dazu, die Abkoppelfunktion darzustellen und bringt die Ausgleichszahnräder gegen die Federkraft in Eingriff mit den Achszahnrädern. Der zweite Abschnitt (das heißt Rampenabschnitt und Sperrabschnitt) des Schaltelements dient dazu, eine mehr oder weniger große Kupplungskraft auf die Reibscheibenkupplung (oder Lamellenkupplung) aufzubringen, welche zwischen dem Ausgleichszahnrad und dem Differenzialkorb zwischengeschaltet ist.
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Der Erfindungskern betrifft den Sachverhalt, dass im abgekoppelten Zustand im Achsdifferenzial kein Zahneingriff mehr vorliegt. Somit wird ein drastisch reduzierter Schmierungsbedarf umgesetzt. Vorteilhaft sind die Achszahnräder im Differenzialgehäuse (oder Differenzialkorb) mittels Wälzlager gelagert. Diese können über eine lange Betriebsdauer mit minimaler Ölmenge auskommen, welches sich im vorherigen Fahrbetrieb dort sammelt. Im angekoppelten Zustand kann durch die Steuerung der Klemmkraft auf die Sperrkupplung eine mehr oder weniger große Sperrwirkung des Achsdifferenzials eingestellt werden. Die axiale Verschiebung des Schiebekeils (Schaltelement) erfolgt dabei zum Beispiel durch einen elektromechanischen Aktor, etwa durch eine Schaltgabel.
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Nachfolgend sind weitere Erfindungsaspekte im Einzelnen beschrieben: So kann zur Drehlagerung am Differenzialkorb das Ausgleichszahnrad drehfest auf einer Ausgleichswelle angeordnet sein. Die Ausgleichswelle kann, gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Drehlagers, durch eine Lageröffnung des Differenzialkorbs nach radial außen geführt sein. In diesem Fall kann die Ausgleichswelle mitsamt Ausgleichszahnrad über einen Radial-Stellweg zwischen der Ankoppel-Position und der Abkoppel-Position verstellt werden. Das Ausgleichszahnrad kann mitsamt der Ausgleichswelle mittels der bereits oben erwähnten Vorspannfeder in Richtung auf die Abkoppel-Position vorgespannt sein. Mit Hilfe des Schaltelements kann das Ausgleichszahnrad unter Aufbau einer Rückstellkraft (in der Vorspannfeder) in seine Ankoppel-Position verstellt werden.
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Im Hinblick auf eine einfache Ansteuerung der Ausgleichswelle kann das Schaltelement mit Bezug auf die Fahrzeugachse über einen Axial-Stellweg zwischen der Ankoppel-Position und der Abkoppel-Position verstellt werden.
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Das Schaltelement kann eine Schaltkulisse aufweisen, die mittelbar oder unmittelbar in Gleitkontakt mit der Ausgleichswelle bringbar ist. Hierzu kann die Schaltelement-Schaltkulisse einen radial äußeren Abkoppel-Abschnitt aufweisen. Dieser ist in der Abkoppel-Position (mittelbar oder unmittelbar) in Gleitkontakt mit der Ausgleichswelle. Die Schaltkulisse kann zudem einen radial inneren Ankoppel-Abschnitt aufweisen, der in der Ankoppel-Position (mittelbar oder unmittelbar) gegen die Ausgleichswelle drückt.
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Im Hinblick auf eine einfache axiale Verstellung kann das Schaltelement eine Schiebemuffe aufweisen. Diese kann über eine Innenverzahnung axial verstellbar auf einem Schaltkörper angeordnet sein. Der Schaltkörper kann drehfest am Differenzialkorb angeordnet sein. Beispielhaft kann die Schiebemuffe mittels eines von einem Steuergerät ansteuerbaren Aktor, zum Beispiel einer Schaltgabel, axial verstellbar sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Antriebsanordnung zusätzlich zur oben beschriebenen Abkoppeleinheit auch eine Differenzialsperre aufweisen. Die Differenzialsperre kann als eine Sperrkupplung realisiert sein, mittels der das am Differenzialkorb drehgelagerte Ausgleichszahnrad drehfest am Differenzialkorb ankoppelbar ist. In diesem Fall sind die Ausgleichs-Drehbewegungen des Ausgleichszahnrads gesperrt.
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In einer bauraumgünstigen Ausführungsvariante kann die Vorspannfeder zwischen der Umfangswand des Differenzialkorbs und dem Kupplungsgehäuse der Sperrkupplung abgestützt sein. In diesem Fall kann die Vorspannfeder unter Zwischenlage des Kupplungsgehäuses gegen die Schaltkulisse des Schaltelementes drücken.
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Die Schaltkulisse des Schaltelementes kann neben dem bereits erwähnten Abkoppel-Abschnitt und dem Ankoppel-Abschnitt zusätzlich einen Rampenabschnitt aufweisen. Dieser kann mit Bezug auf die Fahrzeugachse keilförmig von dem Ankoppel-Abschnitt in Richtung auf einen radial inneren Sperrabschnitt der Schaltkulisse zulaufen. Für eine Kupplungsschlupf-Steuerung kann der Schaltkulissen-Rampenabschnitt gegen das kupplungsseitige Anpresselement drücken. In dem Sperrzustand kann der Schaltkulissen-Sperrabschnitt gegen das kupplungsseitige Anpresselement drücken.
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Im Hinblick auf eine einwandfreie Funktionsfähigkeit der Differenzialsperre sowie der Abkoppeleinheit können die Federkraft der Vorspannfeder sowie die Sperrkupplung so ausgelegt sein, dass sowohl in der Abkoppel-Position als auch in der Ankoppel-Position des Ausgleichszahnrads die Sperrkupplung in ihrem Freigabezustand verbleibt.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in grob schematischer Darstellung eine Antriebsanordnung für eine Fahrzeugachse eines Kraftfahrzeugs;
- 2 bis 4 jeweils Ansichten eines Achsdifferenzials in unterschiedlichen Betriebszuständen.
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In der 1 ist eine Antriebsanordnung für zum Beispiel eine Vorderachse VA eines zweispurigen Kraftfahrzeugs gezeigt, bei der eine Elektromaschine EM über ein Vorgelege 1 mit einem eingangsseitigen Außenzahnrad 3 eines Vorderachsdifferenzials 5 trieblich verbunden ist. An der Ausgangsseite des Vorderachsdifferenzials 5 sind Achskegelräder 7 an den beiden Achshalbwellen 9 angebunden. Die Achskegelräder 7 und ein damit verzahntes Ausgleichskegelrad 11 sind innerhalb eines Differenzialkorbs 13 des Achsdifferenzials 5 positioniert. Die beiden Achskegelräder 7 sind zueinander koaxial mit Abstand innerhalb des Differenzialkorbs 13 positioniert und rechtwinklig zum Ausgleichskegelrad 11 ausgerichtet. In der 1 sind die beiden Achshalbwellen 9 jeweils durch Lageröffnungen in axialen Stirnwänden 15 des Differenzialkorbs 13 geführt, gegebenenfalls unter Zwischenlage eines nicht angedeuteten Drehlagers. Analog dazu ist das Ausgleichskegelrad 11 drehfest auf einer Ausgleichswelle 17 angeordnet, die gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Drehlagers durch eine Lageröffnung 19 einer Umfangswand 21 des Differenzialkorbs 13 nach radial außen geführt ist. Das Ausgleichskegelrad 11 kann deutlich kleiner als die Achskegelräder 7 ausgelegt sein.
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Wie aus den Figuren hervorgeht, ist das Achsdifferenzial 5 sowohl mit einer später beschriebenen Abkoppeleinheit 22 als auch mit einer als Differenzialsperre wirkenden Sperrkupplung 23 realisiert. Mittels der Sperrkupplung 23 ist das am Differenzialkorb 13 drehgelagerte Ausgleichskegelrad 11 drehfest am Differenzialkorb 13 ankoppelbar. Die Sperrkupplung 23 ist als eine unter Last schaltbare Lamellenkupplung realisiert, deren Kupplungsgehäuse 25 radial außen - unter Zwischenschaltung einer Vorspannfeder 26 - an der Umfangswand 21 des Differenzialkorbs 13 befestigt ist.
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In das Kupplungsgehäuse 25 ragt die Ausgleichswelle 17 des Ausgleichskegelrads 11 ein. Zwischen der Ausgleichswelle 17 und dem Kupplungsgehäuse 25 ist ein Kupplungspaket geschaltet, das aus axial übereinander geschichteten Innenlamellen 27 und Außenlamellen 29 aufgebaut ist. Die Innenlamellen 27 sind axial verschiebbar, jedoch in Umfangsrichtung drehfest mit einer Innenverzahnung auf der Ausgleichswelle 17 angeordnet. Analog dazu sind die Außenlamellen 29 axial verschiebbar, jedoch in Umfangsrichtung drehfest, mit einer Außenverzahnung am Innenumfang des Kupplungsgehäuses 25 angeordnet. Das Kupplungspaket kann in der 2 über eine in Radialrichtung erfolgende Kupplungsbetätigung mit steigender Anpresskraft F (4) bis hin zu einer vollständigen Sperrwirkung beaufschlagt werden, bei der die Innen- und Außenlamellen 27, 29 gegeneinander verspannt sind. Hierzu weist die Sperrkupplung 23 ein radial äußeres Anpresselement 31 (3) auf, das in Radialrichtung über einen Radial-Stellweg r (4) zwischen dem radial äußeren Freigabezustand (3) und einem radial inneren Sperrzustand (4) verstellbar ist. Das radial verstellbare Anpresselement (d.h. Druckstück) 31 wirkt in den Figuren mit einem axial verstellbaren Schaltelement 33 zusammen. Das Schaltelement 33 ist über einen Axial-Stellweg a (3) zwischen dem Freigabezustand (3) und dem Sperrzustand (4) verstellbar.
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In den 2 bis 4 ist das axial verstellbare Schaltelement 33 mit einer Schaltkulisse 35 ausgebildet, die mit einer Gegenkontur des kupplungsseitigen Anpresselementes 31 zusammenwirkt. Die Schaltkulisse 35 weist in den 2 bis 4 einen radial äußeren Abkoppel-Abschnitt 32 und einen radial inneren Ankoppel-Abschnitt 34 auf. An dem Ankoppel-Abschnitt 34 schließt sich ein Rampenabschnitt 37 an, der mit Bezug auf die Fahrzeugachse VA keilförmig in Richtung auf einen radial inneren Sperrabschnitt 39 der Schaltkulisse 35 zuläuft. Bei einer Kupplungsschlupf-Steuerung wird das axial verstellbare Schaltelement 33 so von dem Kupplungs-Steuergerät angesteuert, dass das Schaltelement 33 im Bereich seines Rampenabschnittes 37 in Gleitkontakt mit dem kupplungsseitigen Anpresselement 31 ist. Sofern eine komplette Sperrwirkung erzielt werden soll, wird das Schaltelement 33 soweit axial verschoben, bis dessen Schaltkulissen-Sperrabschnitt 39 gegen das kupplungsseitige Anpresselement 31 drückt, wie es in der 4 gezeigt ist.
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Im Hinblick auf eine bauteiltechnisch einfache Aktuatorik kann das Schaltelement eine Schiebemuffe 41 aufweisen, die über eine Innenverzahnung axial verstellbar auf einem Schaltkörper 43 angeordnet ist. Der Schaltkörper 43 ist wiederum drehfest am Differenzialkorb 13 angeformt. Die Schiebemuffe 41 des axial verstellbaren Schaltelementes 33 ist mittels eines Aktors, zum Beispiel einer Schaltgabel 45, mit Bezug auf den Differenzialkorb 13 axial verstellbar.
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Nachfolgend wird anhand der 2 und 3 der Aufbau und die Funktionsweise der Abkoppeleinheit 22 beschrieben: Mittels der Abkoppeleinheit 22 kann das Ausgleichskegelrad 11 zusammen mit der Ausgleichswelle 17 zwischen einer Ankoppel-Position AN (3) und einer Abkoppel-Position AB (2) verstellt werden, in der das Ausgleichskegelrad 11 außer Zahneingriff mit den Achskegelrädern 7 ist. Die Vorspannfeder 26 ist in den Figuren zwischen der Umfangswand 21 des Differenzialkorbs 13 und dem Kupplungsgehäuse 25 der Sperrkupplung 23 abgestützt. In der 2 drückt die Vorspannfeder 26 unter Zwischenlage des Kupplungsgehäuses 25 gegen den Abkoppel-Abschnitt 32 der Schaltelement-Schaltkulisse 35. Auf diese Weise ist in der 2 das Ausgleichskegelrad 11 in die Abkoppel-Position AB verstellt.
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In der 3 ist das Schaltelement 33 um einen axialen Stellweg a soweit verstellt, bis deren Ankoppel-Abschnitt 34 in Gleitkontakt mit dem Kupplungsgehäuse 25 der Sperrkupplung 23 ist. Dadurch wird die Ausgleichswelle 17 mitsamt Ausgleichskegelrad 11 in die Ankoppel-Position AN verlagert.
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Im Hinblick auf eine einwandfreie Sperr-, Ankoppel- sowie Abkoppelfunktion ist die Federkraft der Vorspannfeder 26 und die Sperrkupplung 23 so ausgelegt, dass sowohl in der Abkoppel-Position AB (2) als auch in der Ankoppel-Position AN (3) die Sperrkupplung 23 unbetätigt in ihrem Freigabezustand verbleibt, das heißt ohne Drehmomenten-Übertragung. Erst bei Gleitkontakt des kupplungsseitigen Anpresselementes 31 mit dem Rampenabschnitt 37 oder mit dem Sperrabschnitt 39 des Schaltelementes 33 erfolgt eine zumindest teilweise oder vollständige Sperrkupplungsbetätigung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorgelege
- 3
- Außenverzahnung
- 5
- Achsdifferenzial
- 7
- Achskegelräder
- 9
- Achshalbwellen
- 11
- Ausgleichskegelrad
- 13
- Differenzialkorb
- 15
- axiale Stirnwand
- 17
- Ausgleichswelle
- 19
- Lageröffnung
- 21
- Umfangswand
- 22
- Abkoppeleinheit
- 23
- Sperrkupplung
- 25
- Kupplungsgehäuse
- 26
- Vorspannfeder
- 27
- Innenlamellen
- 29
- Außenlamellen
- 31
- radial verstellbares Anpresselement
- 33
- axial verstellbares Schaltelement
- 34
- Ankoppel-Abschnitt
- 35
- Schaltkulisse
- 36
- Abkoppel-Abschnitt
- 37
- Rampenabschnitt
- 39
- Sperrabschnitt
- 41
- Schiebemuffe
- 43
- Schaltkörper
- 45
- Aktor
- EM
- Elektromaschine
- VA
- Fahrzeugachse
- r
- radialer Stellweg
- a
- axialer Stellweg
- F
- Anpresskraft
- AB
- Abkoppel-Position des Ausgleichskegelrads 11
- AN
- Ankoppel-Position des Ausgleichskegelrads 11
