DE10313386A1

DE10313386A1 - Kraftübertragungseinheit mit einem Zentraldifferential

Info

Publication number: DE10313386A1
Application number: DE10313386A
Authority: DE
Inventors: Dennis Cook; George Leposky
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2003-10-16
Also published as: GB2388877A; US6620071B1; GB0304951D0; GB2388877B

Abstract

Die vorliegende Erfindung hat eine Kraftübertragungseinheit für ein Vierrad-getriebenes Fahrzeug mit einem als Planetengetriebe ausgebildeten Zentraldifferential, dessen Rotationsachse in Wirkverbindung mit einer Antriebswelle steht, zum Gegenstand. Das Zentraldifferential weist zumindest drei ineinander greifende Differentialbauteile auf, die die Antriebswelle sowohl mit einem als Planetengetriebe ausgebildeten Endgetriebe als auch mit einer Übertragungseinheit für den Heckantrieb so verbinden, dass ein auf die Kraftübertragungseinheit übertragenes Eingangsdrehmoment zwischen dem Endgetriebe und der Übertragungseinheit für den Heckantrieb in einem festgesetzten Verhältnis aufgeteilt wird. Darüber hinaus weist es eine Sperr-Kupplung auf, die auf der o. g. Rotationsachse angeordnet ist und einen Betätigungsmechanismus sowie durch Reibung zusammenwirkende Bauteile aufweist, wobei eines der durch Reibung zusammenwirkenden Bauteile mit zumindest einem der ineinander greifenden Differentialbauteile des Zentraldifferentials oder dem Endgetriebe-Planetenträger des Endgetriebes so verbunden ist, dass das Aufteilungsverhältnis des Drehmoments durch ein Reibmoment gesteuert wird, das sich zwischen den durch Reibung zusammenwirkenden Bauteilen der Sperr-Kupplung einstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zur Kraftübertragung, die Getriebe für Fahrzeuge mit einem Differentialmechanismus zur Aufteilung eines Drehmoments auf zwei Abtriebswellen besitzen. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung mit einer Kraftübertragungseinheit deren Zentraldifferentialkonstruktion die Drehmomentübertragung zwischen Vorder- und Hinterachse eines Vierradgetriebenen Fahrzeugs steuert, wobei ein Drehmomentunterschied zwischen den Abtriebswellen möglich ist.
Die Leistungs-Vorteile von Vierradgetriebenen Antriebssystemen sind wohlbekannt. Eine verbesserte Fahrzeugstabilität beim Fahren auf nassen oder eis- und schneebedeckten Straßen, Handhabung und Steuerbarkeit des Fahrzeugs auf Kies oder unebenem Untergrund, und generell Spursicherheit in Off-Road Situationen sind bereits hinreichend bekannte Vorzüge. Begleitende, wenngleich weniger erwünschte Eigenheiten von Vierradgetriebenen Antriebssystemen sind ein erhöhtes Fahrzeuggewicht und eine erhöhte Reibung im Antriebsstrang, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt. Die erhöhte Reibung im Antriebsstrang resultiert aus der größeren Anzahl bewegter Komponenten und fällt besonders bei Antriebssystemen mit permanentem Vierradantrieb ins Gewicht.
Vierradgetriebene Fahrzeuge, deren Antriebsstrang ein Verteilergetriebe aufweist, das die Kraft auf die Vorderrad- und Hinterradantriebsachsen verteilt, sind aus dem Stand der Technik bekannt. In solchen Fahrzeugen weist das Verteilergetriebe üblicherweise zwei oder mehr Abtriebswellen auf, die von einer Haupt- oder Antriebswelle angetrieben werden. Die angetriebenen Wellen können als Fahr-Abtriebswellen bezeichnet werden, da sie über die Fahrzeugachsen die Räder des Fahrzeugs antreiben. Ein gewisser Unterschied in der Drehzahl der Wellen muss möglich sein, um eine unterschiedliche Drehgeschwindigkeit der Räder des Fahrzeugs zuzulassen, was die Lenkbarkeit des Fahrzeugs erleichtert. Wenn ein Fahrzeug um eine Kurve fährt, beschreiben die Vorderräder einen größeren Bogen als die Hinterräder. Daher ist es notwendig, eine unterschiedliche Drehzahl von Vorder- und Hinterachse zuzulassen, um ein Durchdrehen der Hinterräder zu vermeiden. Des Weiteren beschreiben die äußeren Räder größere Bögen als die inneren Räder. Wenn ein Auto beispielsweise in eine 90-Grad-Kurve nach rechts gelenkt wird und das innere Rad einen Kurvenradius von etwa 9 m hat, legt es ungefähr 14 m zurück. Das äußere Rad, das im Durchschnitt einen etwa 1,5 m größeren Kurvenradius hat, durchläuft auf seiner Bahn fast 18 m. Daher muss sich das äußere Rad in einer Kurve schneller drehen. Ohne Vorrichtung, die eine unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeit der Räder ermöglicht, würden die Räder in einer Kurve durchdrehen. Dies wiederum würde unsicheres Fahrverhalten in Kurven und enormen Reifenverschleiß nach sich ziehen.
Des weiteren werden sich die Fahr-Abtriebswellen bis zu dem Zeitpunkt, an dem ein Rad als Folge des gleichschnellen Antriebs von Vorder- und Hinterachse durchdreht, gegeneinander verdrehen, bis das dadurch gespeicherte Drehmoment so groß wird, dass es die auf die Reifen wirkende Reibungskraft überwindet. In diesem Moment verlieren die Reifen plötzlich die Bodenhaftung und die Antriebswellen entwinden sich, was zu einem Bocken des Fahrzeugs führt. Solche Fahrbedingungen sind sowohl unakzeptabel für den Entwicklungsingenieur als auch beunruhigend für den Fahrer. Der Einbau einer herkömmlichen Differentialanordnung zwischen den beiden Antriebssträngen, das einen geringen Drehzahlunterschied zulässt, behebt das Verdrillungsproblem.
In manchen Anwendungen kommt in der Übertragungseinheit ein Kegelradialdifferentialgetriebe zum Einsatz, das das Drehmoment zu gleichen Teilen zwischen den beiden Fahr-Abtriebswellen aufteilt und die Vorder- und Hinterachse ständig antreibt. Gleichzeitig lässt es eine Relativrotation zwischen den beiden Wellen und gleicht somit die geometrischen Gegebenheiten beim Lenken aus. Die Verwendung eines Differentialgetriebes im Antriebsstrang hat zumindest einen Nachteil. Er besteht darin, dass die verschiedenen Achs- und Übertragungseinheitsdifferentiale das Durchdrehen eines Rades, das sich auf einem wenig griffigen Untergrund befindet, zulassen. Dies führt dazu, dass nur noch wenig Kraft oder ein kleines Drehmoment an die verbleibenden Räder abgegeben wird.
Um Schlupf beim Antrieb der Räder zu minimieren, ist das Differential der Übertragungseinheit in einigen Fällen mit einem manuell steuerbaren Sperrmechanismus ausgestattet. Ein solcher Mechanismus wird entweder in gesperrten oder in nicht gesperrtem Zustand betrieben. Wenn er gesperrt ist, verbindet er die Front- und Heckabtriebswellen miteinander und erzwingt einen Antrieb bei gleicher Drehzahl. Ein solcher Sperrmechanismus erlaubt keinerlei Abweichung in den Rotationsgeschwindigkeiten der Front- und Heckabtriebswelle, was zu den bereits angesprochenen Problemen führt.
Verschiedene Systeme sind ausgearbeitet worden, um das Drehmoment zwischen Vorder- und Hinterrädern zu verteilen. Bei diesen Systemen ist die Kupplung koaxial und in Reihe mit anderen Komponenten des Systems in einem linearen Drehmomentpfad angeordnet. Ein wesentlicher Nachteil eines solchen Designs ist jedoch, dass nur eine begrenzte Drehmomentübertragung realisiert werden kann, da die Größe der Kupplungsscheiben nach oben durch den begrenzten Bauraum eingeschränkt ist. In einem typischen Kraftfahrzeug stellen in axialer Richtung der Motorträger und die Zahnstange und in Bezug auf den Durchmesser ein Bauteil der vorderen Traverse und die Ölwanne des Motors Beschränkungen des Bauraums dar. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein sperrbares Differentialgetriebe anzugeben, welches die Vorderachse und die Hinterachse eines Allradgetriebenen Fahrzeuges miteinander verbindet und welches den zur Verfügung stehenden Bauraum optimal ausnutzt.
Ein konventionelles sperrbares Kraftübertragungssystem, ist bereits aus dem U. S. Patent Nr. 5.017.183 bekannt, wobei hier ein Differentialsystem mit einem Planetengetriebe zwischen zwei Abtriebswellen geschaltet wurde. Das U. S. Patent Nr. 4.989.686 zeigt ein System für einen ständigen Vierradantrieb vor, dessen Übertragungseinheit ein Differentialgetriebe mit einem Planetengetriebe und eine elektromagnetisch gesteuerte Kupplungsanordnung umfasst, wobei letztere einen Drehmomentunterschied zwischen Front- und Heckantrieb gemäß den Signalen der Steuerungseinheit zulässt. Das U. S. Patent Nr. 4.718.303 beschreibt eine Übertragungseinheit für einen Vierradantrieb mit einem Differentialgetriebe, welches aus einem dreiteiligen Planetengetriebe besteht, das mit der Abtriebswelle eines Getriebes verbunden ist und selbst wiederum zwei Abtriebswellen besitzt, die durch das Differential in einem festgelegten Drehzahlverhältnis angetrieben werden.
Es wurde eine Kraftübertragungseinheit für einen Vierradantrieb auf der Basis einer Zentraldifferentialkonstruktion entwickelt, die einen Drehmomentunterschied zulässt, welche viele der vorgenannten Probleme löst.
Ein erster Gegenstand der Erfindung ist eine Kraftübertragungseinheit für ein Vierradgetriebenes Fahrzeug, die ein Zentraldifferential mit umfasst, das wiederum eine Rotationsachse aufweist. Das Planetengetriebe kann mit einer Abtriebswelle eines Getriebes verbunden werden. Das Planetengetriebe besteht aus einem Gehäuse und mindestens drei ineinander greifenden Getriebekomponenten, die eine Verbindung der Abtriebswelle mit je einer Abtriebswelle für den Front- und Heckantrieb erlauben, was den ständigen Antrieb beider Wellen möglich macht. Ein Eingangs-Drehmoment an der Kraftübertragungseinheit wird normalerweise in einem bestimmten Verhältnis auf die beiden Abtriebswellen aufgeteilt. Eine verstellbare Reibungskupplung ist auf der Rotationsachse des Planetengetriebes angeordnet. Die Sperr-Kupplung weist einen Verstellmechanismus sowie in Reibverbindung stehende Bauteile auf, die zwei der Komponenten des Planetengetriebes so miteinander verbinden, dass der Drehmomentunterschied zwischen der Front- und der Heckabtriebswelle durch das Drehmoment gesteuert wird, das zwischen den beiden durch Reibung verbundenen Bauteilen der Sperr- Kupplung übertragen wird.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist eine Kraftübertragungseinheit für Vierradgetriebene Fahrzeuge, die eine elektronisch steuerbare Sperr- Kupplung aufweist, die ein Vorderachsendifferential umgreift. Die Sperr- Kupplung ist mit dem Hohlrad des Planetengetriebes verbunden und auf einer glockenförmigen Hohlwelle zur Verteilung eines Drehmomentes auf die beiden anderen Wellen befestigt. Sie weist außerdem Kupplungsscheiben mit einem inneren und einem äußeren Durchmesser auf.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Aufteilung eines Drehmomentes zwischen den Vorder- und Hinterrädern eines Vierradgetriebenen Fahrzeugs, bei dem eine Antriebswelle mit konstantem Drehmoment, angeschlossen an eine Kraftübertragungseinheit, zum Einsatz kommt. Die Kraftübertragungseinheit beinhaltet eine Sperr-Kupplung, die eine Mehrzahl von Kupplungsscheiben, jeweils mit einem inneren und einem äußeren Durchmesser aufweist. Am inneren Durchmesser der Kupplungsscheiben befinden sich Rillen, die in das Hohlrad eingreifen, und am äußeren Durchmesser befinden sich Rillen, die sich mit dem Planetenradträger verzahnen. Die Sperr-Kupplung ist auf besagter Rotationsachse in einen nichtlinearen Drehmomentpfad eingebunden. Das Verfahren schließt des Weiteren den Schritt des Aktivierens beziehungsweise Deaktivierens der Sperr-Kupplung mit ein, wodurch ein Drehmoment in einem vorher festgelegten Verhältnis auf die Vorder- und Hinterräder übertragen werden kann.
Die Erfindung weist neben den im vorstehend beschriebenen Eigenschaften noch weitere auf, die gemeinsam mit den Vorteilen der Erfindung in der nun folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen, ergänzt durch die begleitenden Zeichnungen erläutert werden. Die detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen sind in einem eher bildlich beschreibenden Stil verfasst und stellen keine Einschränkung des Gegenstands der Erfindung dar, der durch Ansprüche bestimmt wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist ein Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer Kraftübertragungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in einem Getriebe für einen Vierradantrieb zum Einsatz kommt;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Drehmomentpfads innerhalb der Kraftübertragungseinheit aus Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Kraftübertragungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in einem Getriebe für einen Vierradantrieb zum Einsatz kommt;
Fig. 4 ist ein Querschnitt der Kraftübertragungseinheit aus Fig. 3;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Drehmomentpfads innerhalb der Kraftübertragungseinheit aus Fig. 4;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Planetenradsatzes eines Planetengetriebes, wie er in der Kraftübertragungseinheit der Fig. 1, 3 und 4 verwendet wird;
Fig. 7 ist ein Querschnitt des Planetenradsatzes aus Fig. 6;
Fig. 8a ist ein Querschnitt der Kraftübertragungseinheit aus Fig. 1; und
Fig. 8b ist ein Querschnitt der erfindungsgemäßen Kraftübertragungseinheit aus Fig. 4.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen in allen Figuren einheitliche Referenznummern verwendet werden, zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Kraftübertragungseinheit ("PTU") 15 gemäß der vorliegenden Erfindung, deren Zentraldifferential für einen Drehmomentunterschied geeignet ist. Die PTU 15 ermöglicht die Drehmomentaufteilung zwischen der Vorder- und der Hinterachse. Die PTU 15 verfügt über einen Zahnkranzsatz zur Drehmomentübertragung, der einen Drehmomentübertragung auf die Hinterachse des Fahrzeugs erlauben.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die PTU 15 ein Vorderachsdifferential 20 auf. In einem konventionellen, für einen Frontmotor ausgelegten Antriebsstrang mit Kardanwelle ist das Vorderachsendifferential 20 auf dieser Kardanwelle angeordnet. Die Komponenten der PTU 15 sind in einem separaten Gehäuse 11 in einer Flüssigkeit gelagert und umfassen im allgemeinen ein Zentraldifferential 90, eine drehbar gelagerte Antriebswelle 50, eine drehbar gelagerte linke Abtriebswelle 70, eine drehbar gelagerte rechte Abtriebswelle 72, und eine verstellbare Sperr-Kupplung 80. Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung sowohl mit mechanisch als auch mit elektronisch verstellbaren Kupplungen verwendet werden. In der in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsform kommt vorzugsweise eine Kugelrampen-Betätigung 84 zum Einsatz. In der gezeigten Ausführungsform wird im Zentraldifferential 90 ein Planetenradsatz 30 verwendet.
Wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, besteht der Planetenradsatz 30 des Zentraldifferentials 90 bevorzugt aus drei ineinander eingreifenden und relativ zueinander drehbaren Komponenten, nämlich einem an seiner Außenseite gezähnten Sonnenrad 32, einem ringförmigen und an seiner Innenseite gezähnten Hohlrad 34, und Planetenrädern 36. Die Planetenräder 36 sind sowohl mit dem Sonnenrad 32 als auch mit dem Hohlrad 34 verzahnt. Die Planetenräder 36 werden von einem Planetenradträger 38 getragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform dreht sich das Sonnenrad 32 um seine Rotationsachse und ist über eine Hohlwelle 172 mit einem Endgetriebe- Sonnenrad 132 eines als Planetengetriebe ausgebildeten Endgetriebes 150 verbunden. Das Hohlrad 34 dreht sich vorzugsweise um eine Rotationsachse, die im Wesentlichen koaxial mit der Rotationsachse des Sonnenrades 32 verläuft. Das Hohlrad 34 ist des Weiteren mit einer glockenförmigen Hohlwelle 22 verbunden. Die Antriebswelle 50 hat vorzugsweise ein Außenverzahntes Verbindungsstück 52, das die glockenförmige Hohlwelle 22, die in ersten und zweiten Lagern 190, 192 gelagert ist, antreibt. Der Planetenradträger 38 des Zentraldifferentials 90 dreht sich um die Rotationsachse des Sonnenrads 32 und ist auf eine geeignete Weise mit einem Übertragungsmechanismus für den Heckantrieb verbunden, der ein Drehmoment auf die Hinterachse überträgt. Der Übertragungsmechanismus für den Heckantrieb ist vorzugsweise ein Heckantriebs-Zahnrad 110. Es können aber auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Übertragungsmechanismen für den Heckantrieb verwendet werden, wie zum Beispiel Ketten oder Riemen. Bei dieser Konstruktion ruft eine Rotation eines der Planetenräder 36 eine Rotation der beiden anderen Planetenräder 36 hervor.
Die Hohlwelle 172 gibt ein Drehmoment an das als Planetengetriebe ausgestattete Endgetriebe 150 ab. Das Endgetriebe 150 stellt eine Untersetzung für die Vorderräder dar. Das Endgetriebe-Sonnenrad 132 sowie der Endgetriebe-Planetenradträger 138 drehen sich, während das Endgetriebe-Hohlrad 134 stationär bleibt. Der Endgetriebe-Planetenradträger 138 ist mit einer inneren Hohlwelle 174 verzahnt, die wiederum mit dem Vorderachsendifferential 20 verbunden ist. Das Vorderachsendifferential 20 liefert ein Drehmoment an die linke Abtriebswelle 70 und die rechte Abtriebswelle 72.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein Drehmoment vom Getriebe über die Antriebswelle 50 in die PTU 15 eingeleitet. Die linke Seite der dargestellten geteilten Frontwelle ist die linke Abtriebswelle 70, die ein Vorderrad antreibt. Der rechte Teil der geteilten Frontwelle, die rechte Abtriebswelle 72, ist über das Vorderachsendifferential 20, das in einem Vorderachsendifferential- Gehäuse 22 untergebracht ist, mit einem zweiten Vorderrad verbunden, um dieses mit einem Antriebsmoment zu versorgen. Das Vorderachsendifferential 20 ist auf geeignete Weise so angeschlossen, dass es die Vorderräder über die linke Abtriebswelle 70 und die rechte Abtriebswelle 72 antreiben kann. Das Vorderachsendifferential 20 ermöglicht es, dass sich die Vorderräder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, und erlaubt außerdem eine Abweichung in der Rotationsgeschwindigkeit der Räder.
Ein Geschwindigkeitsmesser 140 misst die Umdrehungs-Geschwindigkeit des Endgetriebe-Planetenradträgers 138 und somit die Umdrehungs- Geschwindigkeit der Vorderräder. Wenn sich die Vorder- und die Hinterachse nahezu gleich schnell drehen, teilt das Zentraldifferential 90 das Drehmoment in einem festgelegten Verhältnis zwischen der Vorder- und der Hinterachse auf. Die Sperr-Kupplung 80 ist nicht betätigt. Das bedeutet, dass ein festgelegter Prozentsatz des vom Getriebe kommenden Drehmoments an die Vorderräder geleitet wird und ein festgelegter Prozentsatz an die Hinterräder. Das Zentraldifferential 90 und die Sperr-Kupplung 80 bestimmen die Aufteilung des Drehmoments. Wenn die Sperr-Kupplung 80 betätigt wird, wird das Drehmoment in einem anderen festgelegten Verhältnis zwischen der Vorder- und der Hinterachse aufgeteilt. Es werden bei betätigter Sperr- Kupplung 80 vorzugsweise vierzig Prozent des vom Getriebe kommenden Drehmoments an die Vorderräder und sechzig Prozent an die Hinterräder geleitet. Wenn die Sperr-Kupplung 80 nicht betätigt wird, wird das Drehmoment vorzugsweise zu fünfzig Prozent an die Vorderräder und zu fünfzig Prozent an die Hinterräder geleitet.
Es ist ein besonderes Merkmal der in Fig. 1 dargestellten PTU 15, dass das als Planetengetriebe ausgestattete Endgetriebe 150 im Gehäuse 11 der PTU 15 untergebracht ist, und das Drehmoment dem Endgetriebe 150 zugeleitet wird, nachdem es über das Zentraldifferential 90 und die Sperr-Kupplung 80 geleitet wurde. Das Endgetriebe 150 vervielfacht das Drehmoment, das an die Vorderräder geleitet wird. Das Endgetriebe 150 weist ein Endgetriebe- Planetengetriebe 130 auf, das aus dem Endgetriebe-Sonnenrad 132, dem Endgetriebe-Hohlrad 134 und dem Endgetriebe-Planetenradträger 138 für den Frontantrieb besteht. In einem konventionellen Aufbau wird ein als Planetengetriebe ausgebildetes Endgetriebe 150 außerhalb der PTU 15 angeordnet. Das vom Getriebe kommende Drehmoment wird zunächst durch das Endgetriebe 150 vervielfacht, bevor es an die PTU 15 geleitet wird. Daher werden in einem konventionellen Aufbau die Komponenten der PTU 15 mit einem größeren Drehmoment belastet als die Komponenten der erfindungsgemäßen PTU 15. Als Folge davon können die Komponenten einer erindungsgemäßen PTU 15 kleiner dimensioniert werden als es in einem konventionellen Aufbau möglich wäre.
Fig. 2 zeigt den Drehmomentpfad der PTU 15 aus Fig. 1. Das Drehmoment wird vom Getriebe über die Antriebswelle 50 bereitgestellt, durch die das Gehäuse 22 des Vorderachsdifferentials, wie bereits erläutert angetrieben wird. Das Drehmoment gelangt dann zum als Planetengetriebe ausgebildeten Zentraldifferential 90, wo es zunächst durch das Hohlrad 34 übertragen und dann zwischen dem Planetenradträger 38 und dem Sonnenrad 32 aufgeteilt wird. Der Anteil des Drehmoments, der über den Planetenradträger 38 aufgenommen wird, gelangt zum Heckantriebs-Zahnrad 110, das das Drehmoment an die Hinterräder weiterleitet. Der Anteil des Drehmoments, den das Sonnenrad 32 aufnimmt, wird vom als Planetengetriebe ausgebildeten Endgetriebe 150 vervielfacht und über den Endgetriebe-Planetenradträger 138 abgeführt. Der Endgetriebe-Planetenradträger 138 ist auf der Hohlwelle 174 befestigt, die im Vorderachsendifferential 20 mit einer Frontantriebswelle 92 verbunden ist. Die Frontantriebswelle 92 treibt die linke Abtriebswelle 70 und die rechte Abtriebswelle 72 an, wodurch das Drehmoment zu den Vorderrädern gelangt. Die Aufteilung des Drehmoments erfolgt derart, dass der Betrag ("A") des Drehmoments, das auf das Hohlrad 34 übertragen wird, gleich der Summe der Beträge der Drehmomente ist, die über den Planetenradträger 38 an den Heckantrieb ("B") und über das Sonnenrad 32 an den Frontantrieb ("C") geleitet werden. Die Sperr-Kupplung 80 regelt das Verhältnis zwischen den Drehmoment-Beträgen B und C. In der Ausführungsform, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, stellt die Sperr- Kupplung 80 diesen Drehmomentunterschied her, indem sie das an den Frontantrieb geleitete Drehmoment dadurch vermindert, dass sie die relative Drehbewegung des Endgetriebe-Planetenradträgers 138 abbremst.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftübertragungseinheit 10. Wie bereits erwähnt, beinhaltet die Kraftübertragungseinheit 10 auch eine Kupplungseinheit 180, die die Übertragung des Drehmoments durch das Zentraldifferential 90 steuert. Das bedeutet, dass die Kupplungseinheit 180 gezielt das Drehmoment, das an die Vorder- und Hinterräder geleitet wird, erhöht oder vermindert. In der zweiten Ausführungsform, wie sie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, umschließt die Kupplungseinheit 180 das Vorderachsendifferential 20.
In einer alternativen Ausführungsform, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist die Sperr-Kupplung 80 axial in einem linearen Drehmomentpfad mit den anderen Komponenten des Zentraldifferentials 90 angeordnet. Die Sperr-Kupplung 80 ist derart angeordnet, dass sie die gleiche Rotationsachse besitzt wie das Planetengetriebe 30, und ist vorzugsweise zwischen dem Heckantriebs-Zahnrad 110 und als Planetengetriebe ausgebildete Endgetriebe 150 angeordnet.
In der Ausführungsform, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, besitzt die Kupplungseinheit 180 die gleiche Rotationsachse wie das Planetengetriebe 30, nutzt jedoch den verfügbaren Bauraum in radialer Richtung aus. Deshalb wird die Kupplungseinheit 180 in der hier behandelten Ausführungsform vorzugsweise in Richtung der Fahrzeug-Front verlegt und umschließt das Vorderachsendifferential 20. Dies erlaubt es, die PTU 10 der hier behandelten Ausführungsform in einem kleineren Gehäuse unterzubringen als es bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten PTU 15 möglich ist, was eine bessere Ausnutzung des in einem Automobil verfügbaren Raumes bedeutet.
Die Kupplungseinheit 180 weist in reibender Verbindung stehende Bauteile wie etwa Kupplungsscheiben, die einen Außen- und einen Innendurchmesser haben. Die Kupplungseinheit 180 umspannt das Zentraldifferential 90. Die Zähne ("splines") auf dem Außendurchmesser des Hohlrads 34 sind mit dem Innendurchmesser der Kupplungsscheiben verzahnt. Die Zähne auf dem Innendurchmesser des Planetenradträgers 38 sind mit dem Außendurchmesser der Kupplungsscheiben verzahnt (in der Abbildung nicht dargestellt). Eine Federplatte 82 ist auf dem Hohlrad 34 angebracht und bestimmt und begrenzt die Kraft, die von dem Betätigungs-Mechanismus auf das Paket 86 der Kupplungsscheiben ausgeübt wird. In der Ausführungsform, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, stellt die Kupplungseinheit 180 den Drehmomentunterschied her, indem er das Drehmoment, das an die Hinterräder geleitet wird, begrenzt. Die betätigte Kupplungseinheit 180 verringert das Drehmoment, das auf den Planetenradträger 38 des Zentraldifferentials 90 übertragen wird.
Wie in Fig. 4 dargestellt, wird das Drehmoment vom Getriebe über eine Getriebeabtriebswelle 60 an die Antriebswelle 50 geleitet. Die Antriebswelle 50 hat vorzugsweise ein gezahntes Verbindungsstück 52, das die in einem ersten und einem zweiten Lager 190, 192 gelagerte glockenförmige Hohlwelle 22 antreibt. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird das Drehmoment dann an das Zentraldifferential 90 geleitet, wo es vom Hohlrad 34 aufgenommen und auf den Planetenradträger 38 und das Sonnenrad 32 aufgeteilt wird. Die Aufteilung des Drehmoments erfolgt derart, dass der Betrag A des Drehmoments, das auf das Hohlrad 34 übertragen wird, gleich der Summe der Beträge der Drehmomente ist, die über den Planetenradträger 38 (Betrag "B") und über das Sonnenrad 32 (Betrag "C") geleitet werden. Die Kupplungseinheit 180 steuert das Verhältnis zwischen den Drehmoments-Beträgen A und B. Das Drehmoment, das der Planetenradträger 38 aufnimmt, wird über das Heckantriebs-Zahnrad 110 auf die Hinterräder übertragen. Das Drehmoment, das vom Sonnenrad 32 aufgenommen wird, wird vom als Planetengetriebe ausgebildeten Endgetriebe 150 vervielfacht und über das Endgetriebe- Sonnenrad 132 abgegeben. Das Endgetriebe-Sonnenrad 132 ist mit der Frontantriebswelle 92 und dem Vorderachsendifferential 20 verbunden, das über die linke Abtriebswelle 70 und die rechte Abtriebswelle 72 die Vorderräder antreibt.
Das vorliegende System wurde für einen aktiven permanenten Vierradantrieb entwickelt. Ein permanent wirkendes aktives System betätigt immer dann die Sperr-Kupplung, wenn das Durchdrehen eines Rades registriert wird, und liefert dadurch immer ein Drehmoment an die Achse, die griffigen Bodenkontakt hat. Diese Systeme können sowohl mechanisch als auch elektronisch betätigt werden und erfordern keinerlei Eingriff des Fahrers.
Die Fig. 8a und 8b beinhalten eine Gegenüberstellung der beiden Ausführungsformen der PTU 10 bzw. 15 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in der vorstehend beschrieben wurden. Durch eine Anordnung der Kupplungseinheit 180 gemäß Abb. 8b kann ein Drehmomentunterschied zwischen Front- und Heckantrieb bei minimalem Raumbedarf in axialer Richtung erreicht werden. Da die Konstruktion die Unterbringung des Vorderachsendifferentials 20 innerhalb des Gehäuses 11 der Kraftübertragungseinheit 10 vorsieht, können die Kupplungsscheiben mit einem größeren Durchmesser hergestellt werden, wodurch ein größerer Drehmomentunterschied möglich ist. In Folge des erfindungsgemäßen Drehmomentpfads zieht diese Ausführungsform daraus einen Vorteil, dass das Drehmoment im Zentraldifferential 90 und in der Sperr-Kupplung 80 relativ gering ist, was die Wirksamkeit der Sperr-Kupplung 80 verbessert und die Möglichkeit bietet, kleinere Bauteile für das Zentraldifferential 90 zu verwenden. Durch die Anordnung der Kupplungseinheit 180 um das Vorderachsdifferential 20 herum bietet sich außerdem die Möglichkeit, die PTU 10 kleiner auszuführen, was in axialer Richtung mehr Bauraum 200 für andere Bauteile frei lässt.
Aus dem Vorangegangenen wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf einzigartige Weise eine Kraftübertragungseinheit 10 bzw. 15; die die Verteilung der Drehmomente an die Antriebswellen für den Front- und den Heckantrieb regelt, verwirklicht. Die Kraftübertragungseinheit ist dabei in der Lage, einen Drehmomentunterschied im Zentraldifferential zu erzeugen. Durch die vorliegende Erfindung können alle vier Räder kontinuierlich angetrieben werden, während der Betrag des Drehmomentes für jedes einzelne Rad präzise gesteuert wird.
Obwohl die Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen erläutert wurde, ist es offensichtlich, dass für einen Fachmann angesichts der vorangegangenen Beschreibung viele Alternativen, Änderungen und Abwandlungen nahe liegen können. Alle diese Alternativen, Änderungen und Abwandlungen sollen ebenfalls Gegenstand dieser Anmeldung sein, sofern sie mit dem eigentlichen Grundgedanken der Erfindung übereinstimmen.

Claims

1. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 15) für ein Vierradgetriebenes Fahrzeug, die folgendes umfasst:

a) ein als Planetengetriebe ausgebildetes Zentraldifferential (90), dessen Rotationsachse in Wirkverbindung mit einer Antriebswelle (50) steht und das zumindest drei ineinander greifende Differentialbauteile aufweist, die die Antriebswelle (50) sowohl mit einem als Planetengetriebe ausgebildeten Endgetriebe (150) als auch mit einer Übertragungseinheit für den Heckantrieb so verbinden, dass ein auf die Kraftübertragungseinheit (10, 15) übertragenes Eingangsdrehmoment zwischen dem Endgetriebe (150) und der Übertragungseinheit für den Heckantrieb in einem festgesetzten Verhältnis aufgeteilt wird, und

b) eine Sperr-Kupplung (80), die auf der o. g. Rotationsachse angeordnet ist und einen Betätigungsmechanismus sowie durch Reibung zusammenwirkende Bauteile aufweist, wobei eines der durch Reibung zusammenwirkenden Bauteile mit zumindest einem der ineinander greifenden Differentialbauteile des als Planetengetriebe ausgebildeten Zentraldifferentials (90) oder einem Endgetriebe-Planetenradträger (138) des Endgetriebes (150) so verbunden ist, dass das Aufteilungsverhältnis des Drehmoments durch ein Reibmoment gesteuert wird, das sich zwischen den durch Reibung zusammenwirkenden Bauteilen der Sperr- Kupplung (80) einstellt.

2. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 15) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei ineinander greifenden Differentialbauteile des als Planetengetriebe ausgebildeten Zentraldifferentials (90) ein Sonnenrad (32), ein Hohlrad (34), und eine Mehrzahl von Planetenrädern (36), die von einem Planetenradträger (38) getragen werden und mit dem Sonnenrad (32) und dem Hohlrad (34) verzahnt sind, umfassen.

3. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 15) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Reibung zusammenwirkenden Bauteile Kupplungsscheiben mit einem Außen- und einen Innendurchmesser umfassen.

4. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 15) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (34) eine Verzahnung auf seinem Außendurchmesser aufweist, die mit dem Innendurchmesser der Kupplungsscheiben verzahnt ist.

5. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 1 S) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenradträger (38) eine Verzahnung auf seinem Innendurchmesser aufweist, die mit dem Außendurchmesser der Kupplungsscheiben verzahnt ist.

6. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 15) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperr-Kupplung (80) ein Vorderachsdifferential (20) umschließt.

7. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 15) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperr-Kupplung (80) zwischen der Übertragungseinheit für den Heckantrieb und dem als Planetengetriebe ausgebildeten Endgetriebe (150) angeordnet ist.

8. Eine Kraftübertragungseinheit (10, 15) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperr-Kupplung (80) die relative Drehbewegung des Endgetriebe-Planetenradträgers (138) des als Planetengetriebe ausgebildete Endgetriebes (150) steuert.

9. Eine Kraftübertragungseinheit (10; 15) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperr-Kupplung (80) einen stufenlos veränderbaren Drehmomentunterschied ermöglicht, der zwischen einer vollkommen betätigten und einer nicht betätigten Position der Kupplung variiert.