DE10319681A1 - Verteilergetriebe mit mindestens drei Wellen - Google Patents

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Christoph Dr. Pelchen
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Ulrich Dipl.-Ing. Mair
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Abstract

Es wird ein Verteilergetriebe (8) mit mindestens drei Wellen (11, 12, 13) zum bedarfsgerechten Verteilen eines Antriebsmomentes (M_GE) auf wenigstens zwei Antriebsachsen (4, 5) beschrieben. Eine erste Welle (11) ist mit einer ersten Antriebsachse (5) wirkverbunden und mit dem Antriebsmoment (M_GE) beaufschlagbar. Eine zweite Welle (12) ist mit einer zweiten Antriebsachse (4) wirkverbunden und an einer dritten Welle (13) ist ein einen Verteilungsgrad (P_VA/P_GES) des Antriebsmomentes (M_GE) zwischen den Antriebsachsen (4, 5) beeinflussendes Moment (M_E) einer Maschineneinrichtung (14) aufbringabr.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verteilergetriebe mit mindestens drei Wellen zum bedarfsgerechten Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Antriebsachsen.
  • In aus der Praxis bekannten Antriebssträngen von Fahrzeugen wird ein von einer Antriebsmaschine erzeugtes Antriebsmoment bedarfsgerecht über ein Getriebe zu den Antriebsrädern geleitet. Sind Fahrzeuge, wie Allrad-PKW's oder Allrad-LKW's, mit mehreren angetriebenen Achsen ausgeführt, wird die Leistung der Antriebsmaschine im Antriebsstrang eines derartigen Fahrzeugs auf die einzelnen Antriebsachsen und die verschiedenen Antriebsräder verteilt.
  • Die vorbeschriebene Leistungsverteilung erfolgt im allgemeinen mit sogenannten Differentialgetrieben, wobei Längsdifferentialgetriebe in Fahrtrichtung gesehen zur Längsverteilung der Antriebsleistung der Antriebsmaschine auf mehrere angetriebene Fahrzeugachsen eingesetzt werden. Sogenannte Querdifferentiale bzw. Ausgleichsgetriebe sind in Bezug auf die Fahrrichtung eines Fahrzeugs für eine Querverteilung der Antriebsleistung auf Antriebsräder einer Fahrzeugachse vorgesehen.
  • Die in der Praxis herkömmlich verwendeten Bauarten von Differentialgetrieben sind sogenannte Kegelraddifferentiale, Stirnraddifferentiale in Planetenbauweise oder auch Schneckenraddifferentiale. Insbesondere Stirnraddifferentiale werden wegen der Möglichkeit zur unsymmetrischen Momentenverteilung meist als Längsdifferentiale eingesetzt. Kegelraddifferentiale stellen mittlerweile für einen Querausgleich bei Fahrzeugen einen Standard dar und Schneckenrad differentiale werden sowohl zur Längsverteilung als auch für eine Querverteilung eingesetzt.
  • Mit Hilfe der Längsverteilerdifferentiale ist ein Antriebsmoment in beliebigen Verhältnissen auf mehreren Antriebsachsen derart verteilbar, daß Verspannungen in einem Antriebsstrang vermieden werden.
  • Diesem Vorteil steht der Nachteil gegenüber, daß zur variablen Längsverteilung eines Antriebsmomentes ein Längsverteilerdifferential mit einem reibschlüssigen Schaltelement bzw. einer reibschlüssigen Lamellenkupplung ausgeführt ist, die während einer ungleichen Momentenverteilung zwischen zwei Antriebsachsen eines Fahrzeuges im wesentlichen in einem stark verlustbehafteten Schlupfbetrieb gehalten wird, wodurch ein Wirkungsgrad eines Antriebsstranges stark herabgesetzt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verteilergetriebe zur Verfügung zu stellen, mittels dem eine bedarfsgerechte Verteilung eines Antriebsmomentes auf mehrere Antriebsachsen durchführbar ist und das dabei nur geringe Energieverluste verursacht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verteilergetriebe gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verteilergetriebe mit mindestens drei Wellen zum bedarfsgerechten Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Antriebsachsen ist eine variable Verteilung eines Antriebsmomentes zwischen zwei Antriebsachsen nahezu verlustfrei durchführbar.
  • Dies wird dadurch erreicht, daß eine Welle des Verteilergetriebes mit einer Maschineneinrichtung wirkverbunden ist, von der ein einen Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den Antriebsachsen beeinflussendes Moment auf die Welle nahezu verlustfrei bringbar ist.
  • Die Reduzierung der Verlustleistungen im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Längsverteilergetrieben ergibt sich aus der Tatsache, daß Antriebsleistung bzw. Teile des Antriebsmomentes einer Antriebsmaschine nicht wie bisher üblich in einem reibschlüssigen Schaltelement eines Antriebsstranges als Reibungswärme verpuffen, sondern über das von der Maschineneinrichtung aufgebrachte Abstützmoment auf die Antriebsachsen aufgebracht werden.
  • Eine Antriebsleistung der Maschineneinrichtung ist dabei vorzugsweise über entsprechende Übersetzungsverhältnisse zwischen einer Antriebseinheit einer Maschineneinrichtung und der Welle in geeigneter Art und Weise derart reduzierbar, daß die auftretenden Verluste, die einer der Antriebsleistung der Maschineneinrichtungen entsprechen, während der Verteilung des Antriebsmomentes zwischen den Antriebsachsen im Vergleich zu den Verlustleistungen in einem reibschlüssigen Schaltelement eines aus der Praxis bekannten Längsverteilergetriebes gering sind.
  • Des weiteren weist das erfindungsgemäße Verteilergetriebe den Vorteil auf, daß mit ihm eine Traktion eines Fahrzeuges wesentlich verbessert werden kann und insbesondere ein Anfahren in ungünstigen Betriebszuständen überhaupt erst ermöglicht wird. So besteht mit dem Verteilergetriebe bei einer aufgrund ungünstiger Fahrbahnverhältnisse durchdrehenden Antriebsachse eines Fahrzeuges die Möglichkeit, daß das Antriebsmoment durch entsprechende Einstellung des Momentes der Maschineneinrichtung einer nicht durchdrehenden Antriebsachse zuzuführen. Des weiteren ist in kritischen Fahrsituationen eine Momentenverteilung zwischen mehreren Antriebsachsen derart gesteuert und/oder geregelt einstellbar, daß eine Fahrsicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Antriebskonzepten auf einfache Art und Weise situationsbezogen erhöhbar ist.
    •
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Es zeigt:
  • 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges;
  • 2 ein Räderschema eines Verteilergetriebes des Antriebsstranges gemäß 1 in Einzeldarstellung; und
  • 3 eine grafische Darstellung eines Zusammenhanges zwischen einer von der Maschineneinrichtung aufzubringenden Leistung und einem Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen zwei Antriebsachsen in Abhängigkeit einer Übersetzung eines Vorderachsdifferentiales.
  • 1 zeigt einen Antriebsstrang 1 eines allradgetriebenen Fahrzeugs in einer stark schematisierten Darstel lung. Der Antriebsstrang 1 umfaßt ein Antriebsaggregat bzw. eine Brennkraftmaschine 2 und ein Hauptgetriebe 3, welches jedes an sich aus der Praxis bekannte Getriebe sein kann.
  • Zwischen dem Hauptgetriebe 3 und zwei Antriebsachsen 4, 5 des Fahrzeuges, die in bekannter Weise auf jeder Fahrzeugseite mit wenigstens einem Antriebsrad 6, 7 verbunden sind, ist ein als Summiergetriebe ausgeführtes Verteilergetriebe 8 zum variablen und bedarfsgerechten Verteilen eines Antriebsmomentes bzw. eines Getriebeausgangsmomentes des Hauptgetriebes 3 auf die beiden Antriebsachsen 4 und 5 und somit auch auf die Antriebsräder 6 und 7 angeordnet. Des weiteren ist zwischen den Antriebsachsen 4 und 5 und dem Verteilergetriebe 8 jeweils ein Querverteilergetriebe 9, 10 in an sich bekannter Bauart vorgesehen, um den den Antriebsachsen 4 und 5 jeweils zugeführten Teil des Antriebsmomentes über die Antriebsachsen 4 und 5 zu den Antriebsrädern 6 und 7 zu führen und zwischen den Antriebsrädern 6 bzw. 7 einer Antriebsachse 4 bzw. 5 zu verteilen.
  • Die beiden Querverteilergetriebe 9 und 10 bieten die Möglichkeit, die Antriebsräder 6 und 7 der Antriebsachsen 4 und 5 unabhängig voneinander entsprechend den verschiedenen Weglängen der linken bzw. rechten Fahrspur mit unterschiedlichen Drehzahlen anzutreiben, wodurch das Antriebsmoment symmetrisch und somit giermomentenfrei zwischen zwei Antriebsrädern 6 bzw. 7 einer Antriebsachse 4 bzw. 5 verteilbar ist.
  • Das Verteilergetriebe 8 weist drei Wellen 11, 12 und 13 auf, wobei die erste Welle 11 mit der Antriebsachse 5 wirkverbunden ist und mit dem Antriebsmoment bzw. dem Getriebeausgangsmoment des Hauptgetriebes 3 beaufschlagbar ist. Die zweite Welle 12 des Verteilergetriebes 8 ist mit der Antriebsachse 4 wirkverbunden und die dritte Welle 13 ist mit einer Maschineneinrichtung 14 verbunden, über die ein einen Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den beiden Antriebsachsen 4 und 5 beeinflussendes Moment auf die dritte Welle 13 des Verteilergetriebes aufbringbar ist.
  • Bezug nehmend auf 2 ist ein Räderschema des in 1 stark schematisiert dargestellten Verteilergetriebes 8 gezeigt. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verteilergetriebes 8 ist das Verteilergetriebe 8 als ein doppelter Planetenradsatz ausgeführt, wobei es selbstverständlich im Ermessen des Fachmannes liegt, das Verteilergetriebe 8 in einer anderen geeigneten Ausführung auszugestalten, mit dem das vorbeschriebene Wirkprinzip durchführbar ist.
  • Ein Antriebsmoment bzw. ein Getriebeausgangsmoment M_GE des in 2 nicht näher dargestellten Hauptgetriebes 3 wird über die Vorgelegewelle 15 direkt auf die in 2 ebenfalls nicht näher dargestellte Antriebsachse 5, welche die Hinterachse des Fahrzeuges darstellt, geführt. Des weiteren wird das Getriebeausgangsmoment M_GE über ein mit der Vorgelegewelle 15 fest verbundenes Stirnrad 16 auf ein Hohlrad 17 des Verteilergetriebes 8 geleitet. Das Hohlrad 17 ist vorliegend als gemeinsames Hohlrad für die beiden Planetenradsätze 8A und 8B des doppelten Planetenradsatzes 8 bzw. des Verteilergetriebes ausgebildet und entspricht der ersten Welle 11 aus 1. Mit dem Hohlrad 17 kämmen Planetenräder 18 des Planetenradsatzes 8A, die auf einem Planetenträger 19 drehbar gelagert sind. Der Planetenträger 19 des Planetenradsatzes 8A ist mit einem Sonnenrad 20 des zweiten Planetenradsatzes 8B wirkverbunden.
  • Des weiteren kämmen Planetenräder 21 des Planetenradsatzes 8B mit dem Hohlrad 17, welche auf einem Planetenträger 22 des Planetenradsatzes 8B, der der zweiten Welle 12 aus 1 entspricht, drehbar gelagert sind. Der Planetenträger 22 des Planetenradsatzes 8B steht wiederum über ein Stirnrad 23 mit einer Vorgelegewelle 24 in Eingriff, so daß ein über das Verteilergetriebe 8 auf die Vorgelegewelle 24 geleitetes Antriebsmoment auf die Antriebsachse 4, welche vorliegend die Vorderachse des Fahrzeuges darstellt, geführt wird.
  • Die Planetenräder 18 des Planetenradsatzes 8A kämmen zusätzlich mit einem Sonnenrad 25 des Planetenradsatzes 8A. Das Sonnenrad 25 steht mit der als Elektromotor ausgeführten Maschineneinrichtung 14 derart in Wirkverbindung, daß in bestromtem Zustand des Elektromotors 14 ein Moment M_E über das Sonnenrad 25 in das Verteilergetriebe 8 eingeleitet wird.
  • Das bedeutet, daß über den Elektromotor 14 an dem Sonnenrad 25 des Planetenradsatzes 8A ein Abstützmoment anlegbar ist, in dessen Abhängigkeit das Antriebsmoment M_GE oder zumindest ein Teil des Antriebsmomentes M_GE über das Verteilergetriebe 8 auf die Vorgelegewelle 24 und somit auf die Antriebsachse 4 führbar ist.
  • Alternativ hierzu kann es selbstverständlich auch vorgesehen sein, daß die Maschineneinrichtung als eine hydraulische Maschine oder als eine beliebige andere Maschine mit stufenlos einstellbarem Antriebsmoment ausgeführt ist, um zwischen den beiden Antriebsachsen 4 und 5 eine beliebige Verteilung des Antriebsmomentes M_GE einstellen zu können.
  • Ein Vorteil der Ausführung der Maschineneinrichtung 14 als Elektromotor liegt darin, daß ein Elektromotor sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben werden kann. Ist der Elektromotor mit einem intelligenten Energiemanagement ausgeführt, kann der Elektromotor weitgehend autark von einem Bordnetz eines Fahrzeugs betrieben werden. So kann es vorgesehen sein, daß der Elektromotor im generatorischen Betrieb einen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie oder einen Kondensator, lädt und im motorischen Betrieb von dem Energiespeicher gespeist wird.
  • Mit der in 2 dargestellten Ausführung des Verteilergetriebes 8 ist der Abtrieb des Antriebsstranges 1 auf die Antriebsachse 5 als starrer und direkter Durchtrieb vom Getriebeausgang des Hauptgetriebes 3 zu der Antriebsachse 5 ausgeführt. Der Abtrieb auf die Antriebsachse 4 des Fahrzeugs erfolgt über das Summiergetriebe bzw. das Verteilergetriebe 8 mit der Maschineneinrichtung 14. Durch entsprechende Vorgabe eines von der Maschineneinrichtung 14 erzeugten Moments läßt sich die Verteilung des Antriebsmoments zwischen den beiden Antriebsachsen 4 und 5 des Fahrzeuges beliebig einstellen.
  • So wird das Getriebeausgangsmoment M_GE zu 100 % auf die Antriebsachse 5 geführt, wenn das Moment M_E der Maschineneinrichtung Null ist, da in diesem Fall kein Abstützmoment an dem Sonnenrad 25 vorliegt, welches wenigstens einen Teil des Antriebsmomentes M_GE in Richtung der Antriebsachse 4 abstützen und führen würde.
  • Wird das über die Maschineneinrichtung 14 an der dritten Welle 13 des Verteilergetriebes 8, welche in der Aus führung des Verteilergetriebes 8 gemäß 2 dem Sonnenrad 25 des Planetenradsatzes 8A entspricht, anliegende Moment angehoben bzw. gesteigert, wird das Antriebsmoment M_GE zunehmend abgestützt und der in Richtung der Antriebsachse 4 geführte Teil des Antriebsmomentes M_GE steigt, wohingegen der auf die Antriebsachse 5 geführte Anteil des Antriebsmomentes M_GE in gleichem Maße abnimmt.
  • Ab einem bestimmten Wert des Moments M_E der Maschineneinrichtung 14 wird das Antriebsmoment M_GE zu 100 % auf die Antriebsachse 4 über das Verteilergetriebe 8 zu der Antriebsachse 5 geführt und der der Antriebsachse 4 zugeführte Anteil des Antriebsmomentes M_GE ist Null.
  • Der Anteil des Antriebsmomentes M_GE, welcher über das Verteilergetriebe 8 auf die Antriebsachse 4 geführt ist, ist direkt proportional zu dem über die Maschineneinrichtung 14 in das Verteilergetriebe 8 eingeleiteten Moment M_E, wodurch sein Steuerungs- und Regelungsaufwand gering ist.
  • Dadurch, daß das Verteilergetriebe 8 als doppelter Planetenradsatz ausgeführt ist, ist die von dem Elektromotor 14 aufzubringende Leistung im Vergleich zu der maximal auf die Antriebsachse 4 zu führende Abtriebsleistung gering. Damit ist ein Elektromotor bzw. eine Maschineneinrichtung 14 mit einer nur geringen Antriebsleistung erforderlich, der einen geringen Bauraumbedarf aufweist. Das führt wiederum dazu, daß das Verteilergetriebe 8 mit einer kompakten Bauweise sowie einer geringen Teileanzahl ausgeführt werden kann.
  • Zusätzlich ist durch die Ausführung des Verteilergetriebes mit einer Maschineneinrichtung zum variablen Verteilen eines Antriebsmomentes zwischen zwei Antriebsachsen der Vorteil gegeben, daß eine Antriebsleistung im Vergleich zu einer in einer schlupfenden Kupplung auftretenden Verlustleistung eines aus der Praxis bekannten Verteilergetriebes wesentlich geringer ist.
  • Eine von der Maschineneinrichtung aufzubringende Leistung ist zusätzlich durch Veränderung einer Übersetzung i_VA des Querverteilergetriebes 9 beeinflußbar und vorzugsweise derart abstimmbar, daß die in 2 als Elektromotor ausgeführte Maschineneinrichtung nahezu mit gleichen Zeit- und Leistungsanteilen als Generator und als Motor betrieben werden kann.
  • Dies wird durch die in 3 grafisch dargestellte Abhängigkeit zwischen einer Leistung P_E des Elektromotors und einem Verteilungsgrad P_VA/P_GES des Antriebsmomentes M_GE zwischen den beiden Antriebsachsen 4, 5 deutlich, wobei der Verteilungsgrad vorliegend den Anteil des über das Verteilergetriebe 8 auf die Antriebsachse 4 geführten Antriebsmomentes wiedergibt. Die drei Kurven I, II und III sind in Versuchen ermittelt, die bei einem Antriebsmoment von 350 Nm, bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 180 km/h, einer Antriebsleistung der Brennkraftmaschine von 200 KW und einer Übersetzung i_HA des Querverteilergetriebes 10 mit einem Wert von 4,1 durchgeführt wurden.
  • Die drei Kurven I bis III gemäß 3 ergeben sich bei verschiedenen Übersetzungen i_VR des Querverteilergetriebes 9. Ausgehend von der Kurve I in Richtung der Kurve III wurde die Übersetzung i_VA des Querverteilergetriebes 9 bei gleichbleibender Gesamtübersetzung i_GES des Verteilergetriebes 8 reduziert.
  • Aus der in 3 gezeigten Darstellung ergibt sich, daß der Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den beiden Antriebsachsen 4 und 5, mit generatorisch und motorischem Betrieb des Elektromotors 14 stufenlos von Null Prozent bis 100 % eingestellt werden kann. Wird die Übersetzung i_VA des Querverteilergetriebes 9 der Antriebsachse 4 optimiert, sind die zeitlichen, generatorischen und motorischen Anteile des Betriebs des Elektromotors bzw. der Maschineneinrichtung 14 derart einstellbar, daß der Elektromotor zu ähnlichen Zeit- und Leistungsanteilen als Generator und als Motor betrieben werden kann, wodurch eine Leistungsaufnahme des Elektromotors insgesamt in der vorbeschriebenen Art und Weise gering gehalten werden kann.
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    Brennkraftmaschine
    3
    Hauptgetriebe
    4, 5
    Antriebsachse
    6, 7
    Antriebsrad
    8
    Verteilergetriebe, doppelter Planetenradsatz
    8A, 8B
    Planetenradsatz
    9, 10
    Querverteilergetriebe
    11, 12, 13
    Welle
    14
    Maschineneinrichtung
    15
    Vorgelegewelle
    16
    Stirnrad
    17
    Hohlrad des Planetenradsatzes 8A
    18
    Planetenräder des Planetenradsatzes 8A
    19
    Planetenträger des Planetenradsatzes 8A
    20
    Sonnenrad des Planetenradsatzes 8B
    21
    Planetenräder des Planetenradsatzes 8B
    22
    Planetenträger des Planetenradsatzes 8B
    23
    Stirnrad
    24
    Vorgelegewelle
    25
    Sonnenrad des Planetenradsatzes 8A
    M_E
    Moment der Maschineneinrichtung
    M_GE
    Getriebeausgangsmoment
    i_GES
    Übersetzung des Verteilergetriebes
    i_VA
    Übersetzung des Querverteilergetriebes 9
    i_HA
    Übersetzung des Querverteilergetriebes 10
    P_E
    Leistung der Maschineneinrichtung
    P_VA/P_GES
    Verteilungsgrad des Antriebsmomentes

Claims (10)

  1. Verteilergetriebe (8) mit mindestens drei Wellen (11, 12, 13) zum bedarfsgerechten Verteilen eines Antriebsmomentes (M_GE) auf wenigstens zwei Antriebsachsen (4, 5), bei dem eine erste Welle (11) mit einer ersten Antriebsachse (5) wirkverbunden und mit dem Antriebsmoment (M_GE) beaufschlagbar ist, eine zweite Welle (12) mit einer zweiten Antriebsachse (4) wirkverbunden ist und an einer dritten Welle (13) ein einen Verteilungsgrad (P_VA/P_GES) des Antriebsmomentes (M_GE) zwischen den Antriebsachsen (4, 5) beeinflussendes Moment (M_E) einer Maschineneinrichtung (14) aufbringbar ist.
  2. Verteilergetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (11, 12, 13) derart miteinander in Wirkverbindung stehen, daß das Antriebsmoment (M_GE) ohne Moment (M_E) der Maschineneinrichtung (14) vollständig auf die erste Antriebsachse (5) geführt wird.
  3. Verteilergetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmoment (M_GE) mit steigendem Moment (M_E) der Maschineneinrichtung (14) zunehmend auf die zweite Antriebsachse (4) geführt wird.
  4. Verteilergetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschineneinrichtung als ein Elektromotor (14) ausgeführt ist, der generatorisch und motorisch betreibbar ist.
  5. Verteilergetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilergetriebe (8) wenigstens einen Planetenradsatz aufweist.
  6. Verteilergetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Welle (11) ein Hohlrad (17) ist.
  7. Verteilergetriebe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (12) ein Planetenträger (22) ist.
  8. Verteilergetriebe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Welle (13) ein Sonnenrad (25) ist.
  9. Verteilergetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Antriebsachsen (4, 5) und den damit wirkverbundenen Wellen (11, 12) jeweils wenigstens ein Querverteilergetriebe (9, 10) angeordnet ist.
  10. Verteilergetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übersetzung (i_VA) des Querverteilergetriebes (9) der zweiten Antriebsachse (4) derart einstellbar ist, daß der Elektromotor (14) wenigstens annähernd zu gleichen Zeitanteilen generatorisch und motorisch betreibbar ist.
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