DE3810169C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Differentialgetriebe zur Verteilung eines Eingangsdrehmomentes auf zwei Abtriebswellen mit einer eingebauten Sperreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.

Derartige Differentialgetriebe werden z.B. in Kraft­ fahrzeugen eingesetzt zur Übertragung des Antriebsdrehmomentes auf die beiden Räder einer Antriebsachse oder auch in einem Antriebsstrang zwischen mehreren angetriebenen Achsen.

Die Erfindung geht aus von einem aus der US 12 29 548 be­ kannten Differentialgetriebe, bei dem die Ausgleichsräder, die auch als Ritzel bezeichnet werden, als Stirnräder ausgebildet sind. Mit den auf den beiden Abtriebswellen angeordneten Stirnrädern stehen jeweils paarweise kleine Ritzel in Eingriff, an denen wiederum im Durchmesser größere Ritzel drehfest angeordnet sind. Diese kämmen dann in einer weiteren, zentralen Ebene mit den benachbarten gleichen Ritzeln für die der jeweils anderen, benachbarten Abtriebswelle. Alle Ritzel sind vom Differentialgetriebegehäuse umschlossen und wirken mit dem im Gehäuse befindlichen Schmiermittel als Zahnradpumpen zur Erzeugung eines Sperrmomentes bei unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Abtriebswellen.

Aus der DE-PS 35 42 184 ist ein Sperrdifferential in Planetenbauweise bekannt, dessen Planeten einerseits mit einem innenverzahnten Hohlrad und andererseits mit einem außenverzahnten Sonnenrad kämmen, wobei alle Räder in einer Ebene angeordnet sind. Das auf die beiden Abtriebswellen abgegebene Drehmoment ist unterschiedlich groß. Die Sperrwirkung beruht darauf, daß die Planeten-Stirnräder mit dem inneren Sonnenrad bei relativer Drehung der beiden Abtriebswellen, also bei Kurvenfahrt oder bei Durchdrehen der mit einer der Abtriebswellen verbundenen Räder, als Zahnradpumpen wirken. Dabei wird das innerhalb des Differentialgetriebes befindliche und radial nach außen gedrängte Druckmedium, im allgemeinen Schmieröl, von der Verzahnung der Planetenräder erfaßt und radial nach innen gefördert. Dabei ist der Planetenträger als ein die Planetenräder und das innere Sonnenrad dicht umschließendes Pumpengehäuse ausgebildet. Das Sperrmoment entsteht durch den Aufbau eines hydrostatischen Druckes, der durch Spalte zwischen der Verzahnung und/oder dem Gehäuse aufgebaut wird. Je dichter die Planeten im eng umschließenden Gehäuse anliegen, desto höher ist das Sperrmoment. Die Planeten haben somit die Tendenz, die relative Drehung zwischen dem inneren und dem äußeren Sonnenrad zu hemmen.

Dieses bekannte Stirnrad-Differential hat die Eigenschaft, daß sich das eingeleitete Drehmoment nur im Verhältnis der Radien des inneren bzw. äußeren Sonnenrades auf die beiden Abtriebswellen verteilt. Eine Aufteilung des Drehmomentes je zur Hälfte auf die beiden Abtriebswellen ist nicht möglich. Bei einem Sperrdifferential der beschriebenen Art wird in der Sperrsituation aufgrund der kraftschlüssigen Bauweise auch das Sperrmoment im selben Verhältnis wie das Antriebsdrehmoment verteilt.

Aus der DE-PS 39 21 220 ist ein Differentialgetriebe bekannt, dessen Ausgleichsräder als gestufte Stirnräder ausgebildet sind. Dabei ist der aus den Stirnrädern gebildete Verbund als Zahnradpumpeneinheit ausgebildet, deren Saug- und Druckkanäle untereinander verbunden sind, wobei in den Kanälen ein Mittel zur Sperrung des viskosen Mediums angebracht ist. Die Stirnräder liegen in Zylindersegmenten, die an der Innenseite des Antriebsrades angebracht sind, wobei die Stirnräder mittels einer Seitenwand abgedichtet sind. Die Sperrwirkung wird von außen her gesteuert.

Ein kombiniertes Stirnrad- und Planetenrad-Differentialgetriebe zeigt die DE-OS 36 00 385. Offenbart ist eine Anordnung mit Differential zwischen beiden Seiten einer Fahrzeug-Antriebsachse und einem Differential zwischen den beiden Achsen des Fahrzeuges. Die Ausgleichsräder sind als lagerbolzenlose Stirnräder ausgebildet. Eine ungleiche Drehmomentaufteilung zwischen den Achsen ist ohne weiteres zu erreichen, eine Sperreinrichtung ist nicht beschrieben.

Für Antriebe, bei denen ein gleich hohes Drehmoment auf beide Abtriebswellen gewünscht wird, sind Differentialgetriebe aus dem Fachbuch "Zahnradgetriebe" (Johannes Looman, Konstruktions­ bücher Band 26, Springer-Verlag) Seite 218, 219 bekannt. Für Kegelraddifferentiale nach Bild 7.20, die vor allem zwischen den beiden Rädern einer Antriebsachse verwendet werden, sind ferner Sperreinrichtungen jener Art bekannt, bei der die resul­ tierende Axialkraft aus der Verzahnung zum Betätigen einer Rei­ bungsbremse verwendet wird. Bekannt ist aus der DE-OS 23 00 343 außerdem eine Sperreinrichtung, bei der die beiden Abtriebswel­ len mit den beiden Hälften einer Viskosekupplung verbunden sind, so daß zwischen den beiden Abtriebswellen ein dauernder Kraftschluß gegeben ist.

Insbesondere für Schwerfahrzeuge sind mechanische formschlüssi­ ge und extern gesteuerte hydraulische Sperreinrichtungen vielfach zu aufwendig und unzuverlässig, während Viskose-Sperreinrichtungen darüber hinaus einen zu großen Bauraum beanspruchen können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Stirnrad-Differen­ tialgetriebe zu schaffen, das auf die beiden Abtriebswellen jeweils ein gleich hohes Drehmoment überträgt, mit einer Sperr­ einrichtung, die auf einfache Weise ein hohes Sperrmoment ent­ wickelt, verzögerungs- und stoßfrei einsetzt und dennoch schlupffähig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Stirnraddifferentialgetriebe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspru­ ches 1 gelöst.

Das zweite und dritte Getriebeglied sind als gleich große Stirnräder ausgebildet, wie es für sich allein aus dem eingangs erwähnten Fachbuch in den Abbildungen 7.17 und 7.19 bekannt ist. Das mit dem Antrieb verbundene erste Getriebeglied umfaßt miteinander kämmende Ritzelpaare, die in einem gemeinsamen Gehäuse so angeordnet sind, daß von jedem Paar das eine Ritzel mit dem Stirnrad des zweiten und das ande­ re Ritzel mit dem Stirnrad des dritten Getriebegliedes in Ein­ griff steht. Die Stirnräder des zweiten und dritten Getriebe­ gliedes sind gemeinsam mit den Ritzeln des ersten Getriebeglie­ des dicht umschlossen und bilden gemeinsam Zahnradpumpen, wobei zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse Kopf- und Seitenspalt­ kanäle vorgesehen sind.

Die Anordnung der in gerader Anzahl vorhandenen Ritzelpaare ist so getroffen, daß in Umfangsrichtung der Stirnräder gesehen, die Ritzelpaare wechselweise so eingesetzt sind, daß das eine Ritzel mit dem Stirnrad des zweiten Getriebegliedes und das andere Ritzel mit dem Stirnrad des dritten Getriebegliedes in Eingriff steht, während beim nächst folgenden Ritzelpaar zuerst das andere Ritzel mit dem Stirnrad des dritten Getriebegliedes kämmt, gefolgt vom einen Ritzel mit Eingriff in das Stirnrad des zweiten Getriebegliedes.

Mit dieser Anordnung werden folgende Vorteile erzielt:

Die spezielle Bauart als Stirnräderdifferential mit unter sich gleichen axial nebeneinander angeordneten Sonnenrädern gewährleistet eine Dreh­ momentverteilung jeweils zur Hälfte auf die beiden Abtriebswel­ len, wobei die Sperrwirkung, wie im Prinzip für sich allein bekannt, dadurch erzielt wird, daß die Ritzel mit den Stirnrädern Zahnradpumpen bilden, sobald während einer Drehzahldifferenz zwischen den beiden Abtriebswellen eine Relativdrehung zwischen den Ritzeln und den Stirnrädern eintritt. Das dabei durch den hydrostatischen Gegendruck entstehende Pumpenmoment wird unmittelbar als Sperrmoment für das Differentialgetriebe genutzt. Das Pumpenmoment entsteht, wie aus der OE-PS 35 42 184 im Prinzip bekannt, dadurch, daß die Spalte zwischen den Zahnrädern und dem sie umgebenden Gehäuse so dimensioniert sind, daß das Druckmedium vor dem Zahneingriff Stirnrad-Ritzel stirnseitig und über die Zahnköpfe in genau bemessener Weise gedrosselt entgegen der Förderrichtung verdrängt werden muß. Bei einem derartigen hydrostatisch selbstsperrenden Stirnraddifferentialgetriebe ergibt sich aufgrund der Spaltdrosselung des Druckmediums selbsttätig ein vorteilhafter linearer Zusammen­ hang zwischen der Differenzdrehzahl der Abtriebswellen und der Höhe des Sperrmomentes. Aufgrund der speziellen Anordnung und Anzahl der Ritzelpaare wird erreicht, daß trotz der Verwendung eines Getriebes mit axial nebeneinander angeordneten Sonnenrädern das gleiche Sperrmoment in beiden Drehrichtungen entsteht, jeweils bei derselben Drehzahldifferenz. Ein entscheidender Vorteil des hydrostatisch selbstsperrenden Differentialgetriebes ist ferner, daß Gleitvorgängen, z. B. bei Kraftfahrzeugen, verzögerungsfrei entgegengewirkt wird. Dasselbe betrifft auch Schienenfahrzeuge mit geteilten Achsen und Antrieb über Differentialgetriebe.

Zur Erhöhung der Sperrwirkung in den Druckräumen zwischen den Stirnrädern bzw. Ritzeln und einer besseren Zufuhr von Druckmedium ist das Gehäuse von einer Kapselung umgeben.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte konstruktive Weiter­ bildungen der Erfindung. Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, die Werkstoffpaarung zwischen den die Zahnradpumpen bildenden Ritzeln und Stirnrädern in bezug auf das sie umgebende Gehäuse so zu wählen, daß auch bei höherer Temperatur des Druckmediums die Spalte zwischen den Rädern und dem Gehäuse so beeinflußt werden, daß dasselbe Sperrmoment entsteht wie bei niedrigerer Temperatur. Gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, die Kapselung mit einer Zu- und Ablaufleitung zu versehen. Durch die Abdichtung wird nicht nur die Ansaugung des zu fördernden Druckmediums im Bereich der Ritzel positiv beeinflußt, sondern die Trennung des Innenraums des Differentialgetriebes vom übrigen Getriebe reduziert leistungsverzehrende Planschverluste.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Differen­ tialgetriebe entlang der Schnittlinie I-I von Fig. 2;

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ritzel in Umfangs­ richtung.

Fig. 4 eine Stirnansicht auf die Ritzel gemäß Fig. 3.

Fig. 5 eine Darstellung eines Ritzelpaares innerhalb des Ge­ häuses.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Differentialgetriebe um­ faßt eine mit der Antriebsmaschine verbundene Antriebswelle 1 und zwei Abtriebswellen 2 und 3. Mit der Antriebswelle 1 ist ein Kegelritzel 4 verbunden, das mit einem Kegelrad 5 in Ein­ griff steht. Das Differentialgetriebe umfaßt ferner ein erstes Getriebeglied 11, das mit dem Kegelrad 5 verbunden ist, und ein zweites und drittes Getriebeglied 12, 13, die den Abtriebswel­ len 2, 3 zugeordnet sind. Zum ersten Getriebeglied 11 gehört ein Gehäuse 14, in dem Ritzel 21 a, 21 b achsparallel zu den Ab­ triebswellen gelagert sind und mit Stirnrädern 22, 23 in Ein­ griff stehen. Die Stirnräder 22, 23 sind dem zweiten und drit­ ten Getriebeglied 12, 13 zugeordnet, wobei die Anordnung, wie im Prinzip bekannt, so getroffen ist, daß das Ritzel 21 a mit dem Stirnrad 22, das Ritzel 21 b mit dem Stirnrad 23 in Eingriff steht und daß die Ritzel 21 a und 21 b so breit ausgebildet und eng benachbart im Gehäuse 14 gelagert sind, daß sie miteinander kämmen.

Die Stirnräder 22, 23 sind koaxial angeordnet und stehen somit nur über die Ritzel 21 a, 21 b miteinander in Verbindung. Bei Drehzahlgleichheit der Abtriebswellen 2, 3 erfolgt keine Rela­ tivrotation der Ritzel um deren eigene Achse. Bei Drehzahl­ differenz jedoch drehen sich die Ritzel 21 a, 21 b, und zwar mit unterschiedlicher Drehrichtung, je nachdem, welche der Ab­ triebswellen 2, 3 schneller oder langsamer rotiert.

Zur Erzielung einer selbsttätigen Sperrwirkung ist, wie für sich allein bekannt, vorgesehen, die Stirnräder 22, 23 und die Ritzel 21 a, 21 b als Zahnradpumpen auszubilden, wobei das ent­ wickelte Pumpenmoment direkt das Sperrmoment zwischen den bei­ den Abtriebswellen darstellt. Dazu ist das Gehäuse 14 so ausge­ bildet, daß es die Ritzel 21 a, 21 b und Stirnräder 22, 23 so eng umschließt, daß zwischen den Zahnköpfen und dem Gehäuse Kopf­ spalte 7 von exakt festgelegter Weite verbleiben. Das Gehäuse 14 ist beidseitig von Seitenteilen 15 umgeben, in denen sich auch die Lagerung der Ritzel befindet. Zwischen den Ritzeln 21 a, 21 b bzw. Stirnrädern 22, 23 und den Seitenteilen 15 befin­ den sich ferner festgelegte Stirnspalte 8, 9. Im Eingriffsbe­ reich zwischen den Ritzeln und den Stirnrädern befinden sich Druckräume 6, die mit den Kopfspalten 7 und den Stirnspalten 8, 9 in Druckverbindung stehen.

Üblicherweise ist ein solches Differentialgetriebe in einem mit Schmiermittel gefüllten Gehäuse untergebracht, so daß das Schmiermittel als Druckmedium für die Zahnradpumpen dient. Taucht das Gehäuse in das Medium ein, so fördern die Ritzel 21 a, 21 b Medium von radial außen zum jeweiligen Stirnrad hin. Der aufgebaute hydrostatische Druck wird sodann direkt durch gedrosseltes Abspritzen aus den beschriebenen Spalten 7, 8, 9 wieder abgebaut. Weitere Steuerungsmaßnahmen werden nicht be­ nötigt. Es ergibt sich in vorteilhafter Weise eine sanft und stoßfrei einsetzende Sperrwirkung schon bei kleiner Relativ­ drehzahl mit etwa linear ansteigender Kennlinie. Das absolute Maß für die Höhe des Sperrmomentes kann, abhängig vom jeweili­ gen Bedarfsfall, durch Bemessung der Spalte variiert werden.

Wie schon erwähnt, rotieren die Ritzel 21 a, 21 b je nach Drehzu­ stand der Abtriebswellen 2, 3 in beiden Drehrichtungen. Dabei aber entwickeln die als Zahnradpumpen wirkenden Ritzel unter­ schiedliche Wirkung, weil der Druckraum 6 für ein bestimmtes Ritzel nur in einer bestimmten Drehrichtung voll wirksam ist. In der anderen Drehrichtung ist aufgrund der Gehäuseausbildung im Bereich des Zahneingriffes mit dem benachbarten Ritzel kein vollwertiger hydrostatischer Druckaufbau möglich.

Damit das Differentialgetriebe dennoch in beiden Relativ-Dreh­ richtungen der Abtriebswellen 2, 3 ein gleich hohes Sperrmoment entwickelt, ist gemäß den Fig. 3 und 4 eine gerade Anzahl von Ritzelpaaren 21 a, 21 b vorgesehen, wobei die Ritzelpaare wechselweise über den Umfang angeordnet sind. Kämmt beispielsweise, in Pfeilrichtung nach Fig. 3 gesehen, das Stirnrad 22 zuerst mit Ritzel 21 a, dahinter Ritzel 21 b mit Stirnrad 23, so ist das nächste Ritzelpaar so angeordnet, daß zuerst das Ritzel 21 b in Stirnrad 23 eingreift, gefolgt vom Ritzel 21 a in Stirnrad 22. Aus Fig. 4 wird deutlich, daß durch diese Reihenfolge, die nur bei gerader Anzahl von Ritzelpaaren möglich ist, bei jeder Relativ-Drehrichtung dieselbe Anzahl von Druckräumen 6 voll wirksam ist. Dies trifft dann zu, wenn die Ritzel das Druckmedium jeweils entlang dem Wandbereich 10 zu den Stirnrädern fördern. Dies wiederum wird erst durch die spe­ zielle versetzte Anordnung nach Fig. 3 erreicht.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Differentialge­ triebe, bei dem die Stirnräder 22, 23 des zweiten und dritten Getriebegliedes Außenverzahnung aufweisen. In gleicher Weise wäre auch die Ausbildung als innenverzahnte Hohlräder denkbar.

Um die Sperrwirkung, die ja nur durch Drosselung des Stromes aus Druckmedium in den Spalten entsteht, in einem großen Tempe­ raturbereich möglichst konstant zu halten, wird gemäß der Er­ findung eine spezielle Materialwahl für die Zahnradpumpen vor­ geschlagen. Vorteilhaft ist es, das Gehäuse (nicht dargestellt) zumindest im Bereich der Wandung 10, also im Bereich der Spalte 7, 8, 9, aus einem Material herzustellen, dessen Wärmeausdeh­ nungskoeffizient kleiner ist als der betreffende Wert des Werk­ stoffes für die Stirnräder 22, 23 und die Ritzel 21 a, 21 b. Da­ durch wird erreicht, daß sich die Spalte 7, 8, 9 bei steigender Temperatur verringern, was zu einer Kompensation der Sperrwir­ kung führt bei nachlassender Viskosität des Druckmediums.

Vorteilhaft ist ferner, das Gehäuse 14 mit einer Kapselung 16 zu versehen, in das, unabhängig vom Schmiermittelinhalt des übrigen Getriebegehäuses, Druckmittel durch eine Zuleitung 19 zugeführt wird. Dadurch können Leistungsverluste durch Plan­ schen im Ölsumpf verringert werden. Da es sich nur um den Aus­ gleich von Leckverlusten handelt, kann das Druckmedium bei­ spielsweise durch den Bereich des Lagers 18 zugeführt werden, wobei ferner eine Dichtung 17 und eine Ableitung 20 zweckmäßig ist.

Die Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Eingriffsbereich zweier benachbarter Ritzel 21 a und 21 b und deren Anordnung in­ nerhalb des sie umschließenden Gehäuses 14. Dieser Bereich liegt also in einer Mittelebene zwischen den beiden Stirnrädern 22 bzw. 23, in dem keines der beiden Ritzel mit dem zugehörigen Stirnrad in Eingriff steht. Das Gehäuse 14 umschließt demzufol­ ge die beiden Ritzel in einem gegenüber der übrigen Eingriffs­ situation sehr großen Umfangsbereich. Das von den Zähnen bei entsprechender Drehrichtung entlang der Kopfspalte 7 geförderte Medium wird zu einem Druckraum 6 a gefördert, in dem sich ein besonders hoher Druck aufbauen kann. Dieser Druck kann über die erwähnten Kopfspalte 7, die schon beschriebenen Stirnspalte 8 und 9 sowie die Zahnlücken wieder entweichen. Es ist somit zu erkennen, daß die Ritzel 21 a und 21 b auf ihrer vollen Breite - vorausgesetzt ist die entsprechende Drehrichtung - zu einem Druckaufbau und zur Bildung eines Sperrmomentes beitragen.

Claims (3)

1. Selbstsperrendes hydrostatisches Differentialgetriebe mit einer Eingangswelle (1), die ein erstes Getriebeglied (11, 14) antreibt, in welchem stirnverzahnte, parallele Drehachsen aufweisende Ausgleichsräder (21 a, 21 b) drehbar gelagert sind, von denen mindestens zwei jeweils miteinander kämmen, und mit eingeschlossenem Druckmedium als Zahnradpumpen wirken, wobei das eine Ausgleichsrad (21 a) mit einem zweiten Getriebeglied (12) und das andere Ausgleichsrad (21 b) mit einem dritten Getriebeglied (13) in Eingriff steht, dessen Drehachse wie auch die Drehachse des zweiten Getriebegliedes (12) parallel zur Drehachse der Ausgleichsräder (21 a, 21 b) verläuft, die soweit möglich vom ersten Getriebeglied (11) umschlossen sind und örtlich zwischen diesem und den Ausgleichsrädern (21 a, 21 b) Dichtspalte (7, 8, 9) zur Erzielung von Drosselwirkungen aufweisen, wobei in Umfangsrichtung jeweils zwei benachbarte und nicht miteinander kämmende Ausgleichsräder (21 a, 21 b) mit dem gleichen Getriebeglied in Eingriff stehen;
gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden weiteren Merkmale:

• a) der Umfang der Ausgleichsräder (21 a, 21 b) im Bereich der Verzahnung und die Stirnseiten der zweiten und dritten Getriebeglieder (12, 13, 22, 23) sind zur Bildung von Kopfspaltkanälen (7) und Seitenspaltkanälen (8, 9) dicht umschlossen;
• b) jedes Ausgleichsrad (21 a, 21 b) weist nur eine einzige Verzahnungsgeometrie auf, wobei im gemeinsamen Eingriffsbereich zweier miteinander kämmender Ritzel (21 a, 21 b) eines Ritzelpaares zusätzliche Druckräume (6 a) gebildet sind;
• c) das erste Getriebeglied (11, 14) ist mit Hilfe einer Kapselung (16) flüssigkeitsdicht gegenüber dem Innenraum des Differentialgetriebe-Gehäuses abgedichtet, in welchem ein am ersten Getriebeglied (11) befestigtes Antriebszahnrad (5) umläuft.

2. Differentialgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der nachlassenden Sperrwirkung bei höherer Temperatur des Druckmediums die Ausgleichsräder (21 a, 21 b) des ersten Getriebegliedes (11) und Stirnräder (22, 23) des zweiten und dritten Getriebegliedes (12, 13) aus anderem Werkstoff bestehen als das Gehäuse (14), wobei der Werkstoff der Ausgleichsräder (21 a, 21 b) und Stirnräder (22, 23) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist als der Werkstoff des Gehäuses (14).

3. Differentialgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung (16) in deren radial innerem Bereich gegen Austritt von Druckmedium abgedichtet ist und mit einer Zuführleitung (19) für Druckmedium ins Innere der Kapselung in Verbindung steht, und daß eine Abflußleitung (20) für Druckmedium aus dem Innenraum der Kapselung (16) vorgesehen ist.