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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Differentialgetriebe
mit begrenztem Schlupf. Insbesondere betrifft die Erfindung
ein Differentialgetriebe mit begrenztem Schlupf, das sowohl
in Geländefahrzeugen als auch in Fahrzeugen, die für das
Befahren von Straßen ausgestaltet sind, eingesetzt werden
soll.
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Ein Differentialgetriebe ist ein Mechanismus, der in an sich
bekannter Weise das Drehmoment zwischen zwei Antriebsrädern
derart verteilt, daß eine verschiedene
Rotationsgeschwindigkeit der Räder zu ermöglicht wird.
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Die grundlegende Funktion eines solchen Mechanismus wird
während des Befahrens einer gekrümmten Wegstrecke durch das
Fahrzeug gebraucht.
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Während einer solchen Fahrt legt das äußere Rad einen
längeren Weg zurück als das innere Rad und der
Differentialmechanismus, der den beiden Rädern gestattet, bei zwei
verschiedenen Geschwindigkeiten zu rotieren, ermöglicht es,
Kraft an die Räder derart zu übertragen, daß eventuell
auftretender Schlupf dabei moglichst reduziert wird.
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Wenn infolge der Fahrbedingungen des Fahrzeugs die
Haftungsmoglichkeiten der Antriebsräder bedingt durch sowohl hohe
Antriebsdrehmomente wie auch begrenzte Haftungsbedingungen
an ihre Grenzen stoßen, kann das Rad mit der niedrigeren
Haftung über dem Belag abrutschen, so daß das an dieses Rad
zu übertragende Drehmoment abnimmt und manchmal praktisch
gleich null werden kann.
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Folglich geht das Rad bei den üblichen
Differentialgetrieben, bei denen die an die zwei Antriebsräder
übertragenen Drehmomente gleich groß sind, in freie Rotation
über, womit das Drehmoment an dem anderen Rad zu null wird
und damit das Fahrzeug an Antriebskraft verliert, da keine
Antriebskraft an die Auflagefläche übertragen wird.
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Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Vorrichtungen
bekannt, die den Nachteil zu vermeiden versuchen, der aus
der Tatsache herrührt, daß die Gesamtantriebskraft des
Fahrzeugs mit der Antriebskraft desjenigen Rades, daß am
leichtesten einem Verlust der Haftung unterliegt, korreliert
ist und durch dieselbe reduziert wird.
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Es sind daher Differentialvorrichtungen entwickelt worden,
die in der Lage sind, die Werte der auf die zwei Wellen
wirkenden Drehmomente verschieden zu machen.
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Solche Vorrichtungen, die im allgemeinen von sehr komplexem
Aufbau und komplizierter mechanischer Konstruktion sind,
basieren auf dem Prinzip, die Werte für die Drehmomente der
Antriebsräder dadurch verschieden zu machen, daß zwischen
diese ein System von Reibungskräften innerhalb der
Differentialvorrichtung eingesetzt wird, wobei das System
unterschiedliche Werte der zu den Wellen übertragenen
Drehmomente erzeugt.
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Je höher die durch das System von Reibungskräften ausgeübte
Widerstandskraft ist, um so höher ist der Wert der Differenz
der übertragenen Drehmomenten.
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Bei den schon aus dem Stand der Technik bekannten
Differentialvorrichtungen ist die Änderung des Wertes des
auf den Differentialmechanismus wirkenden Drehmoments und
seine Verteilung auf die beiden Wellen bei verschiedenen
Haftungsbedingungen des Rades verbunden mit Bauelementen
verschiedener Art, die durch bemerkenswerte Nachteile und
sowohl bezüglich der mechanischen Konstruktion, als auch vor
allem der Fähigkeit, eine angemessene Grundantriebskraft zur
Verfügung zu stellen, beeinträchtigt sind.
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Unter diesen Bauelementen ist die in dem europäischen Patent
EP-A-0 130 806 offenbarte besonders bekannt, das eine
Vorrichtung angibt, die ein schlupffreies Anfangs-Drehmoment
ermöglicht, wobei die Vorrichtung ein Bremselement enthält,
welches über federartige Elemente direkt auf die
Sonnenräder einwirkt.
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Eine derartige Konfiguration hat jedoch den Nachteil, daß
nur eine sehr geringe Möglichkeit der Einstellung des Wertes
des Anfangs-Drehmoments besteht, womit folglich stark
unterschiedliche Werte dieses Drehmoments schwierig zu erzielen
sind.
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Darüberhinaus ist die Arbeitseffizienz des Bremselementes
stark begrenzt durch seine Anordnung an dem mittleren Teil
des Mechanismus und andererseits extrem reduzierter
Bremsfläche und stark erschwerter Schmierung, wobei die
Oberfläche sehr leicht einer Überhitzung unterliegen kann.
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Ein weiterer Nachteil der genannten Vorrichtung, in der das
Bremselement direkt auf die sonnenräder des Differential
mechanismus einwirkt, besteht zusätzlich darin, daß die
Vorrichtung ein relatives Gleiten zwischen den
Sonnenrädern und den Wellen vorsieht, welches bei Vorhandensein
eines zu übertragenden Drehmoments infolge der zwischen den
genuteten Profilen des sonnenrades und der mit diesem in
Eingriff stehenden Welle auftretenden Reibung zu einer
axialen Kraft Anlaß gibt, die für die Lager der Wellen
schädlich ist.
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In anderen bereits bekannten Systemen, wie z.B. das im
britschen Patent GB-A-1,168,895 (und US-A-3 375 736)
beschriebene, welches ohnehin einen extrem komplexen Aufbau
aufweist, sind Federbremssysteme vorgesehen, die sowohl auf
die sonnenräder als auch auf Plantenräder frei drehbar
angeordnet sind, woraus unerwünschte Abnutzungseffekte
resultieren.
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Ein weiterer Nachteil von Systemen dieser Art besteht darin,
daß eine bremsende axiale Schubkomponente, die proportional
zu dem zu übertragenden Drehmoment ist, nicht erzeugt wird,
da keine eine schraubenförmige oder Schrägverzahnung
aufweisende Oberfläche auf den Planeten-und auf den
Sonnenrädern vorgesehen sind.
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Weiterhin sind andere Arten von Differentialvorrichtungen
bekannt, bei denen die nicht kontinuierlich in Bezug auf das
zentrale Gehäuse angeordneten Planeten- und Sonnenräder
unkompensierte Druckkräfte aufeinander ausüben, die zu
anomalen Abnutzungsproblemen führen, so daß die
Effizienzwerte verringert werden.
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Ein weiteres Merkmal vieler schon bekannter Vorrichtungen
besteht darin, daß ein schlupffreies Anfangs-Drehmoment
nicht bereitgestellt werden kann, daß die Effizienzwerte
sehr viel niedriger sind und die Federn der verschiedenen
Arten von vorgesehenen Bremselementen gleiten können, so daß
sie sich sehr schnell abnutzen.
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Es besteht also offensichtlich Bedarf an einem Differential
getriebe, das es gestattet, den Wert des an die zwei Wellen
zu übertragenden Drehmoments zu ändern und die Antriebskraft
auf ein Rad zu erhöhen auch wenn das andere Rad eine
geringere Haftung erfährt und wobei dasselbe Differentia-
Drehmoments zusätzlich die niedrige Effizienz und die durch
die Abnutzung gegebenen Nachteile vermeidet, die durch die
bekannten Ausführungsformen gegeben sind.
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Die vorliegende Erfindung schlägt zur Lösung dieser Aufgaben
eine epizykloidische Differentialvorrichtung vor, in der
zwei Gruppen von Planetenrädern derart angeordnet sind, daß
sie eine geschlossene kinematische Kette bilden, die in
einem Querschnitt in rechten Winkeln zu den Planetenrädern
durch ihre in gegenseitigem Eingriff stehenden Teile eine
geschlossene Krone bilden, wobei der schlupfvermeidende
Effekt beim Starten durch ein Bremssystem des Federtyps
gegeben ist, das über eine Oberfläche verteilt ist, die den
Querschnitten der Planetenräder selbst entspricht, und auf
diese von außerhalb auf indirekte Weise einwirkt, um ihre
Rotation um ihre Achsen zu begrenzen, und wobei die Änderung
in dem schlupffreien Anfangs-Drehmoment durch Einstellung
der Beanspruchung jeder Feder der Anzahl von Planetenrädern
erreicht wird, auf die die Feder einwirkt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Konfiguration
eines derartigen Differentialmechanismus vorgeschlagen, in
welcher die auf die Wellen übertragene Bremskraft, die
Unterschiede in den Drehmomenten bewirkt, eine Funktion von
sowohl der Änderung der Beanspruchung der federartigen
Bremselemente wie auch von weiteren Komponenten der zwischen
den Planetenrädern und den Begrenzungswänden des Gehäuses
der Differentialvorrichtung auftretenden Reibungskraft ist,
wobei die Komponenten der Reibungskraft durch die besondere
schraubenförmige Konfiguration der rotierenden Elemente
bewirkt wird.
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Ein weiterer Vorschlag der vorliegenden Erfindung besteht in
einer Differentialvorrichtung, in der an Stellen, an denen
die maximale Reibung auftritt eine Schmierungsanordnung
vorgesehen ist
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Es ist demgemäß ein besonderes Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Differentialgetriebe mit einem Deckel- und
Bodenteile aufweisenden Gehäuse oder Träger anzugeben, wobei
die Differentialvorrichtung ebenso eine erste und eine
zweite Gruppe von Planetenrädern aufweist, die in
entsprechenden im inneren Teil des Gehäuses vorgesehenen
Aufnahmeaushöhlungen drehbar dem Gehäuse gegenüber angeordnet
sind, wobei die erste und die zweite Gruppe von
Planetenrädern mit einem ersten und einem zweiten Sonnenrad in
Eingriff stehen, die mit den entsprechenden Wellen verbunden
werden können, wobei die erste und die zweite Gruppe von
Planetenrädern ineinander eingreifen, um so eine
geschlossene kinematische Kette zu bilden, und wobei die
Elemente der ersten und der zweiten Gruppe von
Planetenrädern und des ersten und zweiten Sonnenrades eine
Schräg- oder Schraubenverzahnung darstellen, wobei federartige
Bremsanordnungen oder Bremsmittel an solchen Stellen
vorgesehen sind, die dem äußeren Ende von mindestens einem
Glied der ersten oder der zweiten Gruppe von Planetenrädern
entsprechen, wobei die Bremsanordnungen innerhalb
entsprechender Aushöhlungen angeordnet sind und wobei eine
nicht-drehbare Scheibenanordnung zwischen der federartigen
Bremsanordnung und den äußeren Enden der Glieder der ersten
und zweiten Gruppe von Planetenrädern eingesetzt ist, wobei
die Scheibenanordnung eine Form mit einem vorspringenden
Teil und einem zurückgesetzten Teil aufweist, wobei der
erstgenannte Teil die Scheibe an der Drehbewegung hindert,
während der letztgenannte Teil den Durchfluß einer
Schmierflüssigkeit gestattet.
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Ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung ist die
federartige an den Enden angebrachte Bremsanordnung in passenden
Aushöhlungen in dem Gehäuse der Differentialvorrichtung oder
in dem Boden- und dem Deckelteil des Gehäuses angeordnet
oder in den Planetenrädern selbst in Ausrichtung mit den
Gehäuseaushöhlungen der Planetenräder, so daß die durch die
Bremsanordnung ausgeübte axiale Druckkraft direkt auf die
Planetenräder einwirken kann, um ihre Rotation zu bremsen.
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Ebenso gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine
Scheibenanordnung eingesetzt, die einen ersten konvexen
vorspringenden Teil zum Feststellen der Scheibe selbst
innerhalb des entsprechenden Gehäuses und einen gegenüber dem
äußeren Profil zurückgesetzten Teil aufweist, der den
Durchfluß der Schmierf lüssigkeit gestattet.
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Ein weiterer Vorteil der Differentialvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Bremsanordnung
innerhalb entsprechender Aushöhlungen eingesetzt ist, die in
dem äußeren Teil des Differentialmechanismus angeordnet
sind, so daß der Wärmeaustausch mit der Umgebung erleichtert
wird.
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Weiterhin bewirkt die Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung, in der die Bremselemente an Stellen entsprechend
der Enden der Planetenräder angeordnet sind, eine Reduktion
der Uberhitzung bei vorgegebenen Werten der Verlust Leistung
und Bremsleistung, da die den Reibungskräften zur Verfügung
stehende Oberfläche größer ist.
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Schließlich ist wieder gemäß der vorliegenden Erfindung der
Drehsinn der Wendelverzahnung der Glieder der ersten Gruppe
von Planetenrädern und der Drehsinn der Wendelverzahnung des
ersten Sonnenrades wie auch der Drehsinn der Verzahnung der
Glieder der zweiten Gruppe von Planetenrädern und des zweiten
Sonnenrades derart, daß während der Bewegung des Fahrzeugs in
der vorherrschenden Bewegungsrichtung das auf das Gehäuse und
von diesem auf die Planetenräder und von da zu den
Sonnenrädern übertragene Drehmoment eine axiale Kraft erzeugt, die
die Sonnenräder in Richtung des zentralen Teils und die
Planetenräder nach außen drückt, so daß die Federn durch die
Scheiben zusammengedrückt werden.
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Vorteilhafterweise ist gemäß der vorliegenden Erfindung die
Konfiguration der durch die zwei Gruppen von Planetenrädern
geformten kinematischen Kette derart beschaffen, daß die
Teile der ersten und der zweiten Gruppe von Planetenrädern
bei einem Querschnitt auf demselben Umfangskreis oder
alternativ auf zwei Umfangskreisen liegen, von denen einer innen
liegt, um den Einsatz von zwei Sonnenrädern unterschiedlichen
Durchmessers zu ermöglichen, womit wiederum eine
unterschiedliche Verteilung des Drehmoments zwischen diesen ermöglicht
wird.
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Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform des
Differentialgetriebes gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß eine solche Differentialvorrichtung ebenso für die
Verteilung der Bewegung zwischen je zwei Achsen eines
Fahrzeugs vorgesehen werden kann, z.B. der Vorder- und der
Hinterachse, zusätzlich zu dem Gebrauch der Vorrichtung zur
Differenzierung der Bewegung der Räder auf derselben Achse.
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Die Erfindung wird nun unter Zuhilfenahme der folgenden
Zeichnungen näher erläutert:
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Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines vertikalen
Querschnitts entlang der Linie X-X der Fig. 2 eines
Differentialgetriebes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 zeigt eine Frontansicht des vertikalen Querschnitts
entlang der Linie Y-Y der Fig. 1 des in Fig. 1
gezeigten Differentialgetriebes;
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Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung der
Differentialvorrichtung der Fig. 1;
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Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines vertikalen
Querschnitts eines Differentialgetriebes gemäß der
vorliegenden Erfindung, das als ein
Verteilungsmechanismus verwendet wird;
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Fig. 5 zeigt eine Frontansicht eines vertikalen Querschnitts
entlang der mittleren Ebene der Vorrichtung der
Fig. 4;
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Fig. 6 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des
Differentialmechanismus der Fig. 4, der als
Verteilungsvorrichtung verwendet wird.
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Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist der Differentialmechanismus
aus einem Differentialgehäuse oder einem Träger 1 aufgebaut,
der eine erste und eine zweite Gruppe von Planetenrädern
2 und 3 enthält, die innerhalb einer entsprechenden
Aushöhlung 4 angeordnet sind, die innerhalb des Gehäuses 1
enthalten und in den Fig. 2 und 3 deutlich zu erkennen ist.
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Die Anordnung der zwei Gruppen von Planetenrädern 2 und 3
ist, wie in den Fig. 1 und 2 zu erkennen, derart, daß an der
Stelle, die der mittleren Ebene des Gehäuses entspricht,
jedes Planetenrad der ersten Gruppe auf seinen beiden Seiten
mit zwei benachbarten Planetenrädern der zweiten Gruppe und
umgekehrt in Eingriff steht.
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In ähnlicher Weise folgen die Ausnehmungen 4 aufeinander in
einer in der Fig. 2 dargestellten Weise an den in der
mittleren Ebene liegenden Stellen.
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Die erste Gruppe von Planetenrädern 2 steht in Eingriff mit
einem Sonnenrad 5, wogegen die zweite Gruppe mit einem
Sonnenrad 6 in Eingriff steht, wobei diese beiden Räder mit
entsprechenden Wellen kuppelbar sind.
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An Stellen entsprechend dem Querschnitt am äußersten Ende von
jedem der Gruppen der zwei Planetenräder 2 und 3 sind
federartige in Aufnahmeöffnungen eingesetzte Bremsglieder 7
vorgesehen, die koaxial zu den Ausnehmungen 4 liegen, in denen
die Planetenräder angeordnet sind.
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Solche Aufnahmeöffnungen können in dem Deckelteil 9A oder in
dem Bodenteil 9B des Differentialgehäuses oder in dem
zentralen Körper 1 des Gehäuses selbst vorgesehen sein.
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Die Federn 7 wirken auf die Planetenräder 2 und 3 über
eine kleine Scheibe 8 ein, die an den Enden von jeder Feder
angebracht ist und innerhalb der Gehäuseaushöhlung der
Feder selbst angeordnet ist.
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Eine derartige kleine Scheibe 8 hat eine Form wie in den Fig.
1 und 3 dargestellt, bei der ein abgerundetes
vorspringendes Teil 30 und ein zurückgesetzter Teil 31 vorgesehen
sind.
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Ein derartiger vorspringender Teil 30 dient dazu, die kleine
Scheibe selbst innerhalb der entsprechenden Gehäuseaushöhlung
der Feder festzuhalten, und von der Drehbewegung zusammen mit
dem Planetenrad zu hindern, während der zurückgesetzte Teil
31 den Durchfluß der Schmierflüssigkeit ermöglicht, so daß
ein kontinuierlicher und kontrollierter schmiereffekt im
gesamten System gewährleistet wird.
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Die Einstellung des Wertes eines schlupffreien Anfangs-
Drehmoments ist erkennbar dadurch möglich, daß die
Beanspruchung von jeder der auf die Planetenräder einwirkenden
Federn variiert wird und daß die Anzahl solcher Federn oder
die Anzahl der Planetenräder, auf die sie ihre Wirkung
ausüben, variiert wird.
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Die maximal mögliche Anzahl der Bremselemente entspricht
eindeutig der maximalen Anzahl von in dem System vorgesehenen
Planetenräder.
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Wie in Fig. 2 zu erkennen, die eine Frontansicht einer
Differentialvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im
Querschnitt darstellt, ist der zentrale Teil der Anordnung an
den Stellen unausgefüllt, die in der mittleren Ebene liegen.
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Wie in Fig. 3 zu erkennen, haben sowohl die Planetenräder 2
und 3 als auch die sonnenräder 5 und 6 Schrauben- oder
Schrägverzahnungen an den äußeren Oberflächen.
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Diese Elemente sind in Differentialgehäuse oder Träger
zusammengesetzt, wobei der Drehsinn der schraubenförmigen
Verzahnung derart orientiert ist, daß, wenn das Fahrzeug sich
in der vorwiegenden Richtung fortbewegt, das Drehmoment vom
Gehäuse 1 zu den Planetenrädern und von diesen zu den
Sonnenrädern übertragen wird, die sonnenräder in Richtung auf den
zentralen Teil und die Planetenräder in Richtung nach außen
gedrückt werden, so daß die Federn 7 durch die kleinen
Scheiben 8 zusanmengedrückt werden.
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Falls eines der beiden Fahrzeugräder die Haftung auf der
Unterlage verliert mit einem Drehmoment gleich null und einer
höheren Geschwindigkeit als die des anderen Rades zum Gleiten
neigt, wird eine Relativ-Bewegung zwischen den Bestandteilen
der Differentialvorrichtung erzeugt, da eines der zwei
Sonnenräder mit einer höheren Geschwindigkeit rotiert als das
andere.
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In entsprechender Weise werden die zwei Gruppen von
Planetenrädern 2 und 3 in Drehbewegung versetzt und sowie sie von
den kleinen Scheiben 8 gebremst werden, wird ein beginnendes
widerstrebendes Anfangs-Drehmoment auf diese Gruppen erzeugt,
das es erlaubt, daß die Antriebskraft auf dem Rad erhalten
bleibt, das an der Unterlage haftet.
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Dieser Effekt wird zusätzlich verstärkt durch den Effekt,
der durch die schraubenförmige Verzahnung gegeben ist, die
den Wert des bremsenden Drehmoments erhöht, indem sie
weitere axiale Druckkräfte auf sowohl die Planeten- als auch
die sonnenrader erzeugt.
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Die oben beschriebene Ausführungsform kann ebenso gut
eingesetzt werden, um die Bewegung zwischen zwei Achsen eines
Fahrzeugs zu verteilen, so z.B. die Vorder- und die
Hinterachse eines Fahrzeuges mit Vierrad-Antrieb, zusätzlich zu
seinem Einsatz zur Differenzierung der Bewegung zwischen den
Rädern ein und derselben Achse.
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Die Fig. 4 und 5 erläutern die Anwendung einer alternativen
Ausführungsform 20 des Differentialgetriebes gemäß der
vorliegenden Erfindung als eine Verteilungsvorrichtung, die in
dem zentralen Teil zwischen der Vorder- und der Hinterachse
von Fahrzeugen mit Vierrad-Antrieb angeordnet ist.
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Der verteilende Differentialmechanismus 20 hat dieselbe
Anordnung im Aufbau wie die in den Fig. 1-4 erläuterten
Differentialeinrichtungen.
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Auch in diesem Fall enthält ein Gehäuse 21, das mit einem
Deckel 21A und einem Bodenteil 21B versehen ist, in seinem
zentralen Teil eine Gruppe von Aushöhlungen zur Aufnahme der
zwei Gruppen von Planetenrädern 22 und 23.
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Die zwei Gruppen von Federn 24 und 25 mit ihren
entsprechenden Scheiben 26 und 27 sind in dem Gehäuse innerhalb der
Planetenräder angeordnet. Derartige kleine Scheiben 26 und
27 haben einen vorspringenden Teil, der ihre Drehbewegung
blockiert.
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In der in dieser Figur gezeigten Ausführungsform beträgt die
Verteilung der Drehmomentwerte zwischen den zwei Achsen
60%-40% und wird durch Veränderung der Getriebeverhältnisse
zwischen den Planeten- und den Sonnenrädern erreicht.
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Weiterhin sind die zwei Gruppen von Planetenrädern 22 und 23,
wie in Fig. 5 zu erkennen ist, auf zwei verschiedenen
Durchmessern angeordnet, die den Einsatz gewisser Zahnräder mit
verschiedenen Durchmessern erlauben, so daß die
Differenzierung der übertragenen Drehmomentwerte möglich wird.