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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Differentialanordnung und insbesondere
eine variable Differentialanordnung, bei der die Drehmomentvorspannung
zwischen zwei Abtrieben verstellt werden kann.
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In
Kraftfahrzeugen verwendete Differentiale zum Ausgleich von Drehzahlunterschieden
von Fahrzeugrädern
sind schon lange bekannt. Während
die üblichen
Kegelrad-Differentiale schon seit Jahrzehnten eingesetzt werden,
hat es zahlreiche Verbesserungen gegeben. Beispielsweise gibt es
Differentiale mit begrenztem Schlupf (Sperrdifferential), bei denen eine
Kupplung mit voreingestellter Drehmomentbegrenzung eine unabhängige Drehung
verhindert, bis die auf die Räder
wirkenden Kräfte
und das auf die Achsen wirkende Drehmoment einen vorgegebenen Wert überschreiten.
Dies vermeidet den üblichen Nachteil
offener Differentiale, welche das Antriebsmoment auf das durchrutschende
Fahrzeugrad übertragen,
was häufig
dazu führt,
dass das Fahrzeug im Schnee, auf Eis oder im Matsch unnötigerweise
stecken bleibt.
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Typische
Differentiale sorgen für
eine gleichmäßige Drehmomentaufteilung
von 50% zu 50%. Dies trifft sowohl für Vorderachs- und Hinterachsdifferentiale
wie auch für
Mittendifferentiale zu. Es sind ferner auch Mittendifferentiale
bekannt, die für
eine andere Drehmomentaufteilung, beispielsweise von 40% zu 60%,
sorgen.
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Die
Mehrzahl aktiver Differentiale umfasst einen Mechanismus, der das
Drehmoment von dem schneller drehenden Abtrieb zu dem langsamer
drehenden Abtrieb überträgt. Es gibt
auch Situationen, bei denen es wünschenswert
wäre, Drehmoment
von dem langsamer drehenden Abtrieb zu dem schneller drehenden Abtrieb
zu übertragen.
Hierzu gehören
Situationen, bei denen ein Radschlupf bei Kurvenfahrten anfangs
an den Hinterrädern
auftritt. In einer Kurve drehen sich die Vorderräder mit einer höheren Durchschnittsgeschwindigkeit
als die Hinterräder. Wenn
der vorspannende Mechanismus eingerückt wird, ehe die durchschnittliche
Radgeschwindigkeit der Hinterräder größer als
die durchschnittliche Geschwindigkeit der Vorderräder ist,
ist das Ergebnis konterproduktiv. Das herkömmliche aktive Differential erzeugt
möglicherweise
die relativen Wellendrehzahlen nicht in der richtigen Richtung,
oder es erzeugt möglicherweise
eine unbedeutende relative Drehzahldifferenz, so dass die drehmomentvorspannenden
Kupplungen nicht zu der erwünschten Änderung im
Fahrverhalten des Fahrzeuges führen.
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Durch
die vorliegende Erfindung soll eine variable Differentialanordnung
geschaffen werden, bei der die Drehmomentaufteilung zwischen zwei
Abtrieben in Realzeit verstellbar ist.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Ansprüchen
definiert.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist wie folgt ausgebildet:
Die variable Differentialanordnung
liefert eine verstellbare Drehmomentvorspannung zwischen zwei Abtrieben.
Eine Eingangswelle überträgt ein Antriebsmoment
auf einen Planetenträger.
Eine erste Gruppe von Planetenrädern
treibt ein erstes Sonnenrad und einen ersten Abtrieb und eine zweite
Gruppe von Planetenrädern
an, welche ihrerseits weitere Planetenräder antreibt, welche ein zweites
Sonnenrad und einen zweiten Abtriebe antreiben. An den beiden Enden
des Planetenträgers
sind ein erstes und ein zweites Ringrad befestigt, welche jeweils
mit einem exzentrischen Zahnrad kämmen, welches seinerseits ein
exzentrisches zweites Ringrad umfasst, das wiederum mit einem innenverzahnten
Zahnrad kämmt,
welches um den ersten und zweiten Abtrieb herum angeordnet ist.
Diese Zahnräder
sind mit einer ersten bzw. zweiten Reibscheibenkupplung verbunden,
die unabhängig
voneinander betätigt
werden können,
um die Drehmomentvorspannung des Differentials zu verstellen.
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Ferner
wird ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einer einzigen Reibscheibenkupplung offenbart.
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Die
Drehmomentverteilung über
die variable Differentialanordnung kann eine erhebliche Auswirkung
auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges durch Umschalten der Kraftfaktoren
an den Reifen haben. Der Einfluss auf das Fahr verhalten des Fahrzeuges kann
so sein, dass es sich einer Übersteuerung,
Untersteuerung oder neutralen Steuerung entsprechend den Wünschen des
Fahrzeugherstellers und entsprechend Sicherheitsüberlegungen annähert. Die
variable Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann das Antriebsmoment bei jedem normalen Fahrzustand zu einem
erwünschten Abtrieb
führen,
der eine Drehmomentaufteilung von beispielsweise 80–20% bis
20–80%
erzeugt. Die erfindungsgemäß ausgebildete
Differentialanordnung kann daher viele der Nachteile überwinden,
die sich in herkömmlichen
Differentialen und aktiven Differentialsystemen finden.
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Gemäß einem
Ziel der Erfindung wird somit eine variable Differentialanordnung
zur Verwendung in Kraftfahrzeugen geschaffen.
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Gemäß einem
weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung wird eine variable Differentialanordnung
mit einem Planetengetriebe-Differential und zwei Reibscheibenkupplungen
geschaffen.
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Gemäß einem
weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung wird eine variable Differentialanordnung
geschaffen, die entweder als Vorderachs- bzw. Hinterachsdifferential
oder als Mittendifferential verwendet werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung wird eine variable Differentialanordnung
geschaffen, die ein Planetengetriebedifferential, zwei „versetzte" Zahnradsätze und
zwei Reibscheibenkupplungen umfasst.
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1A eine
schematische Ansicht eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs mit einer
variablen Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die als Mittendifferential verwendet wird;
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1B eine
schematische Ansicht eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs mit einer
variablen Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die in einer Hinterachse verwendet wird;
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2 eine
Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer variablen Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Schnittansicht längs
der Linie 3-3 in 2;
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4 eine
Schnittansicht längs
der Linie 4-4 in 2;
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5 eine
Schnittansicht längs
der Linie 5-5 in 2;
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6 eine
Abwicklung eines Kugelrampenmechanismus längs der Linie 6-6 in 2;
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7 eine
Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der variablen
Differentialanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 eine
Schnittansicht längs
der Linie 8-8 in 7,
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9 eine
Abwicklung eines Kugelrampenmechanisms längs der Linie 9-9 in 7.
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In 1A ist
ein Antriebsstrang 10 für
ein Kraftfahrzeug mit vier Rädern
dargestellt. Der Antriebsstrang 10 umfasst einen Primärantrieb 12 wie eine
Benzin- oder Diesel-Brennkraftmaschine oder einen Hybridantrieb.
Der Primärantrieb 12 kann
in Längs-
oder Querrichtung angeordnet sein. Der Primärantrieb 12 hat einen
Abtrieb, der mit einem Wechselgetriebe 14 verbunden ist
und dieses unmittelbar antreibt. Der Abtrieb des Wechselgetriebes 14 treibt unmittelbar
eine variable Differentialanordnung 16 über ein Eingangsglied in Form
einer Eingangswelle 18 an. Die Differentialanordnung 16 gibt
Antriebsmoment an einen primären
oder hinteren Antriebsstrang 20 ab, welcher eine primäre oder
hintere Antriebswelle 22, ein primäres oder hinteres Differential 24,
zwei primäre
oder hintere Achswellen 26 und ein entsprechendes Paar
primärer
oder hinterer Fahrzeugräder 28 umfasst.
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Die
variable Differentialanordnung 16 gibt ferner Antriebsmoment
an einen sekundären
oder vorderen Antriebsstrang 30 ab, der eine sekundäre oder
vordere Antriebswelle, welche koaxial um die Eingangswelle 18 herum
angeordnet ist, ein sekundäres
oder vorderes Differential 34, ein Paar sekundärer oder
vorderer Achswellen 36 und ein entsprechendes Paar sekundärer oder
vorderer Fahrzeugräder 38 umfasst.
Vorzugsweise sind die Vorderräder 38 unmittelbar
mit den entsprechenden Vorderachswellen 36 verbunden, wenngleich
manuell oder fernbedienbare Sperrnaben (nicht gezeigt) zwischen
den Vorderachswellen 36 und den entsprechenden Fahrzeugrädern 38 angeordnet
sein können,
um sie wahlweise miteinander zu verbinden, falls dies erwünscht ist.
Schließlich
kann sowohl der primäre
Antriebsstrang 20 wie auch der sekundäre Antriebsstrang 30 Universalgelenke 44 umfassen,
um in herkömmlicher Weise
statische und dynamische Fehlausrichtungen zwischen den verschiedenen
Wellen und Bauteilen auszugleichen.
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Jedem
der Hinterräder 28 ist
ein Radgeschwindigkeitssensor 48 zugeordnet. Vorzugsweise sind
die Radgeschwindigkeitssensoren 48 die gleichen Sensoren,
die beispielsweise für
ein ABS-System oder ein anderes Steuer- oder Traktionssystem verwendet
werden. Die Signale der Sensoren 48 werden über Leitungen 52 einem
Mikroprozessor 56 zugeführt.
In der gleichen Weise sind den vorderen Fahrzeugrädern 38 entsprechende
Radgeschwindigkeitssensoren 58 zugeordnet, deren Signale über Leitungen 62 dem
Mikroprozessor 56 zugeführt
werden. Auch diese Sensoren können
unabhängig
oder Teil eines ABS-Systems
oder anderen Steuer- bzw. Traktionssystems des Fahrzeugs sein.
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Ein
manuell bedienbarer Schalter 64 oder eine Gruppe von Tastknöpfen können in
Reichweite des Fahrers innerhalb der Fahrgastzelle (nicht gezeigt)
angeordnet sein. Der Schalter 64 kann beispielsweise dazu
dienen, die variable Differentialanordnung 16 zu- oder
abzuschalten. Ferner kann ein Drosselstellungssensor 66 vorgesehen
werden, um dem Mikroprozessor 56 ein Signal entsprechend
der Stellung der Drosselklappe oder des Beschleunigerpedals zuzuleiten,
und ein Lenkwinkelsensor 68 kann in gleicher Weise dem
Mikroprozessor 56 ein Signal zuführen, das die Winkelstellung
der vorderen oder hinteren Fahrzeugräder 38 darstellt.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen. Die dort dargestellte
variable Differentialanordnung 16 umfasst ein vorzugsweise
gegossenes metallisches Gehäuse 98,
das zur Aufnahme und Lagerung verschiedener Komponenten der Differentialanordnung 16 wie
einem Planetengetriebedifferential 100 dient. Das Planetengetriebedifferential 100 wird
von der Eingangswelle 18 angetrieben, die über eine
Keilverzahnung (Leisten 102 und Nuten 104) mit
einem Planetenträger 106 drehfest
verbunden ist. Der Planetenträger 106 trägt mehrere
Wellenstummel 108, von denen eine in 2 dargestellt
ist; jedes der Wellenstummel 108 trägt ein Planetenrad einer Gruppe
von Planetenrädern 110,
deren Zähne 112 mit
den Zähnen 114 eines
Sonnenrades 116 ständig
in Eingriff stehen. Das Sonnenrad 116 ist mit der Antriebswelle 32 einstückig ausgebildet
oder an dieser befestigt.
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Die
Differentialanordnung 100 umfasst ferner eine zweite Gruppe
länglicher
Planetenräder 120,
die auf einer entsprechenden Anzahl länglicher Wellenstummel 122 frei
drehbar gelagert sind, welche wiederum an dem Planetenträger 106 befestigt sind.
Gleitlager oder Wälzlager
wie Nadellager 124 können
zwischen der zweiten Gruppe von Planetenrädern 120 und den Wellenstummeln 122 verwendet werden.
Die Planetenräder 120 der
zweiten Gruppe haben Zähne 126,
die mit den Zähnen 112 der
Planetenräder 110 der
ersten Gruppe ständig
in Eingriff stehen. Ständig
in Eingriff mit den Zähnen 126 der Planetenräder 120 der
zweiten Gruppe sind ferner die Zähne 128 eines
zweiten oder hinteren Sonnenrades 132, das mit der Ausgangswelle 22 einstückig ausgebildet
oder an dieser befestigt ist.
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Die
Eingangswelle 18 umfasst einen durchmesserverringerten
Bereich 136, auf dem ein Wälzlager, insbesondere ein Rollenlager 138,
angeordnet ist. die Ausgangswelle 22 umfasst eine Gegenbohrung 142 in
Form einer Sackbohrung, welche das Rollenlager 138 aufnimmt.
Falls erwünscht,
können reibungsarme
Scheiben 144 zwischen den verschiedenen Rädern 116, 132 und
dem zentralen Abschnitt des Planetenträgers 106 vorgesehen
werden.
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Die
Bauteile des gerade beschriebenen Planetengetriebe-Differentials 100 sorgen
für eine
herkömmliche
Differentialwirkung, durch die die Eingangswelle 18 die
beiden Ausgangswellen 22 und 32 antreibt und hierbei
für einen
Ausgleich zwischen den Drehzahlen der beiden Ausgangswellen 22 und 32 sorgt.
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Die
Differentialanordnung 16 umfasst ferner zwei exzentrische
Zahnradsätze 150A und 150B, welche
im wesentlichen identisch sind, jedoch der Ausgangswelle 22 bzw.
der Ausgangswelle 32 zugeordnet sind. Insofern wird nur
einer der beiden Zahnradsätze,
und zwar der Zahnradsatz 150B, beschrieben, wobei es sich
jedoch versteht, dass der Getriebesatz 150A den gleichen
Aufbau hat.
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Ein
Bestandteil des Planetenträgers 106 der Differentialanordnung 100 ist
ein Ringzahnrad 152 mit inneren Zähnen 154, die mit äußeren Zähnen 156 eines
exzentrischen Ringzahnrades 160 kämmen. Das exzentrische Ringzahnrad 160 ist
innerhalb des Gehäuses 98 der
Differentialanordnung 16 frei drehbar gelagert auf einer
gegenüber
der Achse der Wellen 18, 22 und 32 versetzten
Achse durch Wellenlager, insbesondere ein Gleitlager 162.
Statt des Gleitlagers 162 kann auch ein Wälzlager
wie z.B. ein Rollenlager (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Das exzentrische
Ringzahnrad 160 umfasst ferner innere Zähne 164, die mit äußeren Zähnen 166 eines
Ritzels 170 ständig
kämmen,
welches koaxial zur Achse der Eingangswelle 18 und der
Ausgangswelle 32 angeordnet ist. Das Ritzel 170 ist
mit inneren Nuten 172 einer Keilverzahnung versehen.
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Das
Planetengetriebe-Differential 100 umfasst ferner zwei symmetrisch
angeordnete Reibscheibenkupplungen 180A und 180B.
Da ihr Aufbau gleich ist, wird nur die hintere Reibscheibenkupplung 180A beschrieben.
Der Übersichtlichkeit
wegen erscheinen allerdings Bezugszeichen in beiden Reibscheibenkupplungen.
Die Reibscheibenkupplung 180A hat ein glockenförmiges Gehäuse 182 mit
einem hülsenförmigen Abschnitt 184 kleineren
Durchmessers, der über
eine Keilverzahlung (Leisten 186 und Nuten 172)
mit dem Ritzel 170 drehfest verbunden ist. Das glockenförmige Gehäuse 182 ist über eine
Keilverzahnung 188 mit einer ersten Gruppe Reibscheiben 190 größeren Durchmessers
drehfest verbunden. Abwechselnd zu den Reibscheiben 190 ist
eine zweite Gruppe Reibscheiben 192 kleineren Durchmessers
angeordnet. An den Reibscheiben 190 und 192 ist
ein papierförmiges
oder anderes Reibmaterial befestigt. Die Reibscheiben 192 der zweiten
Gruppe sind über
eine Keilverzahnung 196 mit einer zylindrischen Nabe 200 drehfest
verbunden. Die Nabe 200 wiederum ist über eine Keilverzahnung (Nuten 202 und
Leisten 204) mit der Ausgangswelle 22 drehfest
verbunden. Die Nabe 200 dreht sich daher zusammen mit der
Ausgangswelle 22.
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Wie
aus 2 in Verbindung mit 6 hervorgeht,
umfasst die Reibscheibenkupplung 180A ferner einen hinteren
Kugelrampenmechanismus 210A. Die vordere Reibscheibenkupplung 180B umfasst
in der gleichen Weise einen vorderen Kugelrampenmechanismus 210B.
Da die beiden Kugelrampenmechanismen 210A und B, abgesehen
von ihrer Spiegelsymmetrie, den gleichen Aufbau haben, wird wiederum
nur ein Kugelrampenmechanismus beschrieben, wenngleich der Übersichtlichkeit
halber die Bezugszeichen auf beide Kugelrampenmechanismen verteilt
sind. Der hintere Kugelrampenmechanismus 210A umfasst eine
kreisförmige
Andruckplatte 212 mit mehreren gewölbten (gekrümmten) Ausnehmungen 214,
die eine entsprechende Anzahl von Kraftübertragungsgliedern in Form
von Kugeln 216 aufnehmen. Die Andrückplatte 212 ist über eine Keilverzahnung
(Nuten 218 und Leisten 196) mit der Nabe 200 drehfest
verbunden. Die Andrückplatte 212 dreht
sich daher zusammen mit der Nabe 200.
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Angrenzend
an der Andrückplatte 212 ist
ein kreisförmiges
Bauteil 222 eines kleineren Durchmessers angeordnet. Das
Bauteil 222 umfasst eine entsprechende Anzahl gewölbter Ausnehmungen 224, welche
ebenfalls die Kugeln 216 aufnehmen. Es versteht sich, dass
die rampenförmig
ausgebildeten Ausnehmungen 214 und 224 und die
Kugeln 216 durch entsprechende mechanische Elemente ersetzt werden
könnten,
welche eine axiale Verstellung der Andrückplatte 212 und des
Bauteils 222 in Abhängigkeit
von einer Relativdrehung zwischen diesen bewirken. Beispielsweise
können
Kegelrollen in komplementär
ausgebildeten konischen Wendeln angeordnet werden, oder es können gegenüberliegende
Nocken mit komplementären
mehrfach abgeschrägten Flächen verwendet
werden.
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Das
kreisförmige
Bauteil 222 ist über
eine Keilverzahnung 228 mit einer ersten Gruppe von Reibscheiben 232 einer
Vorsteuer-Reibscheibenkupplung drehfest verbunden. Die Reibscheiben 232 der
ersten Gruppe sind abwechselnd zu Reibscheiben 234 eines
größeren Durchmessers
einer zweiten Gruppe der Vorsteuer-Reibscheibenkupplung angeordnet.
Die Reibscheiben 234 sind über eine Keilverzahnung 188 mit
dem glockenförmigen
Gehäuse 182 drehfest
verbunden. Die Reibscheiben 234 der zweiten Gruppe der
Vorsteuer-Reibscheibenkupplung drehen
sich daher gemeinsam mit dem Gehäuse 182.
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Eine
kreisförmige
dickere Beilagscheibe 236 ist über eine Keilverzahnung (Leisten 238 und
Nuten 188) mit dem Gehäuse 182 drehfest
verbunden. Eine dünne
Axialdruckscheibe 240 ist zur Reibungsverringerung zwischen
der Beilagscheibe 236 und der Andruckplatte 212 angeordnet.
Ein Axiallager 242 ist angrenzend an dem Bauteil 222 angeordnet
und wird in seiner Lage auf der Nabe 200 von einem Schnappring 244 gehalten,
der in einer entsprechenden Nut 246 der Nabe 200 sitzt.
Eine axial bewegliche Betätigungsplatte 250 greift
an dem Axiallager 252 und einer zweiten kreisförmigen Andruckplatte 254 an,
die in axialer Richtung translationsförmig in Richtung auf die Reibscheibenkupplungen 180 von
einer Betätigungsstange 258 bewegt
werden kann, welche ihrerseits von einem drehrichtungsumkehrbaren
elektrischen Aktuator 260 axial in entgegengesetzten Richtungen
bewegt werden kann. Der Aktuator 260 steht unter der Steuerung
des in 1A dargestellten Mikroprozessors 56.
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Die
Funktionsweise der Differentialanordnung 16 wird nun unter
Bezugnahme auf 2 beschrieben. Wie bereits erwähnt, arbeiten
die Eingangswelle 18 und das Planetengetriebe-Differential 100 mit
dem Planetenträger 106,
den Planetenrädern 110 und 120,
dem vorderen Sonnenrad 116 und dem hinteren Sonnenrad 132 wie
auch die zugehörigen Ausgangswellen 32 und 22 als
herkömmliches
Planetengetriebe-Differential, welches im Zentrum des Fahrzeugs
angeordnet ist und häufig
als Mittendifferential bezeichnet wird.
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Hinsichtlich
des Planetengetriebe-Differentials 100 sei darauf hingewiesen,
dass die Durchmesser der Sonnenräder 116 und 132,
wie dargestellt, nicht gleich sind. Das hintere Sonnenrad 132 ist
größer als
das vordere Sonnenrad 116, so dass die kämmenden
länglichen
Planetenräder 120 die
Drehbewegung des vorderen Sonnenrades 116 nicht stören. Der
Durchmesserunterschied hat ein unterschiedliches Verhältnis entsprechend
der relativen Durchmesser zur Folge; es kommt jedoch einem gleichen Verhältnis nicht
näher als
einem Verhältnis
von 48 : 52. Dieses Verhältnis
wird, wenn sich die Differentialanordnung 100 in einem
nicht vorgespannten Zustand befindet, als gleich betrachtet. Dieses
Verhältnis
kann jedoch durch Verstellen der relativen Durchmesser der Sonnenräder 116 und 132 gegebenenfalls
erhöht
werden.
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Der
Planetenträger 106 treibt
das entsprechende vordere und hintere exzentrische Ringzahnrad 160 an.
Dieser wiederum treiben die Ritzel 170 und die zugehörigen Gehäuse 182 mit
einer Drehzahl an, die geringfügig
kleiner als die nicht durch das Differential geänderte Drehzahl der entsprechenden Ausgangswellen 18 und 22 ist.
Wenn der elektrische Aktuator 260 die Betätigungsstange 256 entweder nach
links oder rechts verschiebt, um die Reibscheibenkupplung 180A oder 180B einzurücken, werden die
Kupplungsscheiben 190 und 192 von der zugehörigen Andruckplatte 212 gegeneinander
gedrückt,
so dass ein Drehmoment von der hinteren oder vorderen Ausgangswelle 22 bzw. 18 auf
das Gehäuse 182 übertragen
wird, was wiederum über
die exzentrischen Zahnräder
und das Planetengetriebe-Differential 100 sich an der anderen
Ausgangswelle 18 bzw. 22 „wiederspiegelt".
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Das
Differential ist somit in der Lage, Drehmoment von einer langsamer
drehenden Ausgangswelle zu einer schneller drehenden Ausgangswelle zu übertragen.
Diese Konfiguration verringert ferner das Drehmoment, das durch
die Kupplungsscheiben 190 und 192 übertragen
wird, und verringert die Drehzahlunterschiede an den Reibflächen. Das
verringerte Drehmoment und die verringerte Drehzahl tragen beide
dazu bei, die in den Reibscheibenkupplungen erzeugte Wärme zu verringern
und somit die Lebensdauer der Reibscheibenkupplungen und der Differentialanordnung 16 zu
erhöhen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Reibscheibenkupplungen 180A und 180B Rutschkupplungen
und nicht Sperrkupplungen sind und nicht in einem Sperrmodus arbeiten,
welcher typischerweise eine und 20% höhere Drehzahl der einen Ausgangswelle
gegenüber
der anderen zur Folge hätte.
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Wenngleich
statt des einzelnen elektrischen Aktuators 260 andere einzelne
oder doppelt wirkende, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren
oder Betätigungsvorrichtungen
unterschiedlichster Bauart verwendet werden könnten, sei jedoch darauf hingewiesen,
dass ein einzelner Aktuator ausreichend ist, da es niemals erforderlich
ist, beide Reibscheibenkupplungen 180A und 180B gleichzeitig
einzurücken.
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Es
wird nun auf 1B Bezug genommen. Bei dem dort
dargestellten Antriebsstrang 70 für ein Kraftfahrzeug mit vier
Rädern
wird die Differentialanordnung gemäß der Erfindung in einer Hinterachse verwendet.
Der Antriebsstrang 70 umfasst einen Primärantrieb 12 in
Form einer Brennkraftmaschine. Der Primärantrieb 12 kann in
Längsrichtung
oder Querrichtung angeordnet sein. Der Primärantrieb 12 hat einen
Abtrieb, der mit einem Transaxle-Getriebe 74 verbunden
ist und dieses unmittelbar antreibt. Ein erster Abtrieb des Transaxle-Getriebes 74 treibt
eine hintere variable Differentialanordnung 80 über eine Antriebswelle 82 an.
Die Differentialanordnung 80 überträgt Antriebsmoment auf zwei
Ausgangsglieder in Form von Hinterachswellen 26A und 26B und
ein entsprechendes Paar hinterer Fahrzeugräder 28.
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Das
Transaxle-Getriebe 74 überträgt ferner Antriebsmoment
auf zwei vordere Achswellen 36' und ein entsprechendes Paar vorderer
Fahrzeugräder 38.
Schließlich
enthält
die Antriebswelle 82 Universalgelenke 84, die
statische und dynamische Fehlausrichtungen zwischen der Antriebswelle 82 und
den zugehörigen
Bauteilen ausgleichen.
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Jedem
der hinteren Fahrzeugräder 28 ist
ein Hinterradgeschwindigkeitssensor 48 zugeordnet. Die Sensoren 48 können unabhängige Sensoren
oder dieselben Sensoren sein, welche beispielsweise für ein ABS-System
oder ein anderes Steuer- oder Traktionssystem des Fahrzeuges verwendet
werden. Die Signale der Sensoren 48 werden über Leitungen 52 einem
Mikroprozessor 56 zugeführt.
In der gleichen Weise sind den vorderen Fahrzeugrädern 38 Radgeschwindigkeits-Sensoren 58 zugeordnet,
deren Signale dem Mikroprozessor 56 über Leitungen 62 zugeführt werden.
Wiederum können
die Sensoren 58 unabhängig
oder Teil eines ABS-Systems oder anderen Traktions- oder Stabilitätssystems
des Fahrzeugs sein.
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Ein
manuell bedienbarer Schalter 64 oder eine Gruppe von Tastknöpfen können in
Reichweite des Fahrers innerhalb der Fahrgastzelle (nicht gezeigt)
angeordnet sein. Der Schalter 64 kann beispielsweise dazu
dienen, die variable Differentialanordnung 16 zu- oder
abzuschalten. Ferner kann ein Drosselstellungssensor 66 vorgesehen
werden, um dem Mikroprozessor 56 ein Signal entsprechend
der Stellung der Drosselklappe oder des Beschleunigerpedals zuzuleiten,
und eine Lenkwinkelsensor 68 kann in gleicher Weise dem
Mikroprozessor 56 ein Signal zuführen, das die Winkelstellung
der vorderen oder hinteren Fahrzeugräder 38 darstellt.
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Das
in den 1B und 7 dargestellte zweite
Ausführungsbeispiel
einer variablen Differentialanordnung 80 umfasst ein kleineres
Kegelrad 276, das ein größeres Kegelrad 278 antreibt;
beide Kegelräder
werden von einem zylindrischen Gehäuse 280 aufgenommen.
Eine zylindrische Verlängerung 282 des
größeren Kegelrades 278 ist
im Gehäuse 280 mittels
eines Gleit- oder Wälzlagers 284 gelagert.
Außerdem
ist die Verlängerung 282 des
größeren Kegelrades 278 durch
ein Kegelrollenlager 286 gelagert, welches seinerseits
von der linken Hinterachswelle 26A getragen wird. Die zylindrische
Verlängerung 282 des
größeren Kegelrades 278 ist
mit inneren Nuten 288 einer Keilverzahnung versehen.
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Wie
aus den 7 und 8 hervorgeht, umfasst
die Differentialanordnung 80 ebenfalls ein Planetengetriebe-Differential 290.
Das Planetengetriebe-Differential 290 umfasst einen Planetenträger 292 mit
einem durchmesserverringerten Abschnitt, der mit äußeren Leisten 294 versehen
ist, welche zusammen mit den Nuten 288 des größeren Kegelrades 278 die
Keilverzahnung bilden. Der durchmesserverringerte Abschnitt des
Planetenträgers 292 ist durch
ein Rollenlager 296 auf der linken hinteren Achswelle 26A frei
drehbar gelagert. Mit dem Planetenträger 292 ist eine erste
Gruppe Wellenstummel 302 drehfest verbunden, von denen
einer in 7 dargestellt ist. Jeder der
Wellenstummel 302 trägt
ein Wälzlager
in Form eines Rollenlagers 304, das seinerseits ein Planetenrad 306 frei
drehbar lagert. Die Planetenräder 306 sind über eine
Keilverzahnung (Leisten 308 und Nuten 312) mit
einem auf der rechten Seite befindlichen Sonnenrad 314 drehfest
verbunden. Das Sonnenrad 314 ist über eine Keilverzahnung (Nuten 316 und
Leisten 318) mit einem Endabschnitt der rechten Hinterachswelle 26B drehfest verbunden.
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Die
erste Gruppe Planetenräder 306 treibt eine
zweite Gruppe Planetenräder 324 an,
die eine erste Gruppe Zähne 326 kleineren
Durchmes sers und eine zweite Gruppe Zähne 328 größeren Durchmessers
haben. Die Planetenräder 324 der
zweiten Gruppe sind mittels Wälzlager
in Form von Rollenlagern 332 drehbar gelagert, welche ihrerseits
von Wellenstummeln 334 getragen werden, welche an dem Planetenträger 292 befestigt
sind. Die Zähne 328 größeren Durchmessers
der zweiten Gruppe Planetenräder 324 kämmen ständig mit
den Zähnen 336 eines
auf der linken Seite angeordneten zweiten Sonnenrades 338.
Das Sonnenrad 338 ist über
eine Keilverzahnung (Nuten 342 und Leisten 344)
mit der linken Hinterachswelle 26A drehfest verbunden.
Ein Rollenlager 346, das sich innerhalb einer Gegenbohrung 348 der
linken Hinterachswelle 26A befindet, lagert und stabilisiert
die Hinterachswellen 26A und 26B relativ zueinander.
Eine ebene Scheibe 352, die zwischen dem ersten Sonnenrad 314 und
dem zweiten Sonnenrad 338 angeordnet ist, verringert die
Reibung zwischen ihnen und hält
sie in ihren korrekten axialen Lagen. Das gerade beschriebene Planetengetriebe-Differential 290 arbeitet
als herkömmliches Differential,
das Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Hinterachswellen 26A und 26B ausgleicht,
wenn beispielsweise das zugehörige
Fahrzeug durch eine Kurve fährt.
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Wie
aus 7 hervorgeht, umfasst die Differentialanordnung 80 ferner
eine Differentialantriebsvorrichtung 360. Die Differentialantriebsvorrichtung 360 umfasst
ein U-förmiges
Gehäuse 362 mit
längs verlaufenden äußeren Nuten 364,
in die radial verlaufende Anschläge
bzw. Stifte 366 greifen können, um das Gehäuse 362 innerhalb
der Differentialanordnung 380 stationär zu halten. Die radialen Stifte 366 können durch
geeignete Elemente wie z.B. einen Haltering 368 und einen
Schnappring 372 gesichert und stabilisiert werden.
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Innerhalb
des stationären
Gehäuses 362 sind,
in Winkelabständen
von 120°,
drei Wellenstummel 374 angeordnet, von denen einer in 7 dargestellt
ist. Die Wellenstummel 374 sind an dem stationären Gehäuse 362 befestigt
und sind somit ebenfalls stationär.
Die drei Wellenstummel 374 tragen Rollenlager 376,
welche ihrerseits drei Zahnräder 380 frei
drehbar lagern. Die Zahnräder 380 haben zwei
Gruppen Zähne 382 und 392 unterschiedlichen Durchmessers.
Die erste Gruppe Zähne 382 größeren Durchmessers
kämmt ständig mit
Zähnen 384 eines
ersten Ringzahnrades 386, das mit dem Planetenträger 292 des
Planetengetriebe-Differentials 290 drehfest verbunden ist.
Die zweite Gruppe Zähne 392 kleineren
Durchmessers kämmt
ständig
mit Zähnen 394 eines
zweiten zylindrischen Ringzahnrades 396. Das Ringszahnrad 396 ist
mit inneren Nuten 398 einer Keilverzahnung versehen.
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Die
Differentialanordnung 80 umfasst ferner einen Kugelrampenmechanismus 400.
Der Kugelrampenmechanismus 400 weist ein glockenförmiges Gehäuse 402 mit
einem Nabenbereich 404 kleineren Durchmessers auf, welcher
von einem Gleit- oder Wälzlager 406 auf
der rechten Achswelle 26B frei drehbar gelagert ist. Ein
Axiallager 408 hält
die axiale Lage des Gehäuses 402 relativ
zu der rechten Achswelle 26B aufrecht, und die axiale Lage
des Axiallagers 408 und einer angrenzenden ebenen Scheibe 412 wird
durch einen Schnappring 414 aufrechterhalten, der in einer
umlaufenden Nut 416 der rechten Achswelle 26B sitzt.
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Das
Gehäuse 402 hat
einen durchmesservergrößerten Abschnitt 422 mit äußeren Leisten 424, die
mit den Nuten 398 des zweiten Ringzahnrades 396 die
Keilverzahnung bilden. Das Gehäuse 402 dreht
sich somit zusammen mit dem zweiten Ringzahnrad 396. Der
durchmesservergrößerte Abschnitt 422 des
Gehäuses 402 ist über eine
Keilverzahnung 426 mit Reibscheiben 428 größeren Durchmessers drehfest
verbunden. Reibscheiben 432 kleineren Durchmessers sind
abwechselnd zu den Reibscheiben 428 größeren Durchmessers angeordnet.
Die Reibscheiben 428 und 432 sind jeweils mit
einem Reibbelag in Form eines geeigneten Kupplungspapiers oder anderen
Belagmaterials versehen.
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Die
Reibscheiben 432 sind über
eine Keilverzahnung 434 mit einer Kupplungsnabe 436 drehfest verbunden.
Die Kupplungsnabe 436 ihrerseits ist durch eine Keilverzahnung 438 mit
der rechten Achswelle 26B drehfest verbunden. Eine kreisförmige Andrückplatte 442 ist
ebenfalls über
eine Keilverzahnung (Nuten 444 und Leisten 434)
mit der Kupplungsnabe 436 drehfest verbunden. Die Andrückplatte 442 dreht
sich daher zusammen mit der Kupplungsnabe 436 und der rechten
Achswelle 26B. Wie in den 7 und 9 dargestellt
ist, hat die Andrückplatte 442 mehrere
beabstandete gewölbte, rampenförmige Ausnehmungen 446,
die jeweils ein Kraftübertragungsglied
in Form einer Kugel 448 aufnehmen. Vorzugsweise werden
drei Ausnehmungen 446 in Winkelabständen von 120° verwendet.
Ein kreisförmiges
Bauteil 452 hat eine entsprechende Anzahl von in gleicher
Weise beabstandeten Ausnehmungen 454, welche ebenfalls
die Kugeln 448 aufnehmen. Die rampenförmigen Ausnehmungen 446 und 454 mit
den Kugeln 448 können
durch andere entsprechende mechanische Elemente ersetzt werden,
welche eine axiale Verstellung der Andrückplatte 442 und des
Bauteils 452 als Folge einer Relativdrehung zwischen ihnen
bewirkt. Beispielsweise können
Kegelrollen in komplementär
ausgebildeten konischen Wendeln angeordnet sein, oder es können gegenüberliegende
Nocken mit komplementär
ausgebildeten mehrfach abgeschrägten
Flächen
verwendet werden.
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Das
kreisförmige
Bauteil 452 ist über
eine Keilverzahnung 456 mit Reibscheiben 458 kleineren Durchmessers
einer Vorsteuer-Reibscheibenkupplung drehfest verbunden. Abwechselnd
zu den Reibscheiben 458 ist eine zweite Gruppe Reibscheiben 462 größeren Durchmessers
angeordnet. Die Reibscheiben 462 größeren Durchmessers sind über eine Keilverzahnung 426 mit
dem Gehäuse 402 drehfest verbunden.
Beide Gruppen von Reibscheiben 458 und 462 sind
mit einem Reibbelag in Form eines geeigneten Kupplungspapiers oder
anderen Belagmaterials versehen. Die axiale Lage des kreisförmigen Bauteils 454 wird
durch ein Axiallager 466 aufrechterhalten, welches an einer
Schulter 468 in der rechten Achswelle 26B anliegt.
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Die
Differentialanordnung 80 umfasst ferner eine Betätigungsvorrichtung
mit einem Aktuator 470. Der Aktuator 470 weist
einen drehrichtungsumkehrbaren elektrischen Motor 472 einer
Leistungsstärke eines
Bruchteils einer Pferdestärke
auf, welcher ein Ritzel 474 in beiden Drehrichtungen antreibt.
Das Ritzel 474 steht mit äußeren Zähnen 476 eines Ringzahnrades 478 in
Eingriff Das Ritzel 474 ist über eine Keilverzahnung 476 mit
einem Ringzahnrad 478 drehfest verbunden. Das Ringzahnrad 478 ist über ein
Schraubgewinde 482, 484 mit einem stationären Ringkörper 486 in
Eingriff. Bei einer Drehung des Ritzels 474 in beiden Drehrichtungen
wird das Ringzahnrad 478 gedreht und axial bewegt, und
zwar mit erheblich verringerter Geschwindigkeit und vergrößertem Drehmoment.
Das Ringzahnrad 478 greift an einer kreisförmigen Abstandscheibe 492 an,
welche ihrerseits an einem allgemein kreisförmigen, schräg verlaufenden Übertragungsglied 494 angreift,
welches die Reibscheiben 458 und 462 der Vorsteuer-Reibscheibenkupplung
in Anlage miteinander drückt.
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Die
Differentialanordnung 80 umfasst ferner eine Schmiermittelpumpe 500,
welche einen axialen Kanal 502 in der rechten Achswelle 26B mit
Schmiermittel versorgt. Mehrere radiale Öffnungen 504 verteilen
das Schmiermittel auf verschiedene Komponenten der Differentialanordnung 80.
Eine Dichtung 506 verschließt das offene Ende des axialen
Kanals 502. Ein Wälzlager,
insbesondere ein Kugellager 508, lagert die rechte Hinterachswelle 26B innerhalb des
Gehäuses 280,
und eine Öldichtung 510 sorgt
für eine
Abdichtung zwischen ihnen.
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Die
Funktionsweise der Differentialanordnung 80 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird
nun unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Wie bereits erwähnt, arbeitet
das Planetengetriebe-Differential 290 als herkömmliches
Differential, das unterschiedliche Drehzahlen zwischen den Hinterachswellen 26A und 26B ausgleicht,
während
es Drehmoment von dem Kegelrad 278 größeren Durchmessers auf sie überträgt. Wegen
der unterschiedlichen Durchmesser der Zahnräder 326 und 328 innerhalb
des Differentials 290 kommt es zu einer ungleichmäßigen Drehmomentaufteilung,
welche das Drehmoment auf beispielsweise die Hinterräder so überträgt bzw. „vorspannt", dass die Hinterräder 60%
des Antriebsmomentes und die Vorderräder 40% des Antriebsmomentes
erhalten.
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Die
Funktionsweise der Differentialanordnung 80 entspricht
derjenigen der Differentialanordnung 16 insofern, als der
Abtrieb der Differentialantriebsvorrichtung 360 und insbesondere
das glockenförmige
Gehäuse 442 der
Reibscheibenkupplung 400 aufgrund der Drehzahlverringerung
durch die Differentialantriebsvorrichtung 360 mit geringerer Drehzahl
als der Planetenträger 292 dreht.
Wenn somit die Reibscheibenkupplung 400 durch Erregung des
elektrischen Motors 472 aktiviert wird, wird Drehmoment
durch die Reibscheibenkupplung 400 von der rechten Achswelle 26B durch
die Differentialantriebsvorrichtung 360 auf linke Achswelle 26A übertragen.
Wenn die Vorspannung bzw. Aufteilung anfangs so ist, dass 60% des
Antriebsmomentes auf die Achswelle 26B und 40% auf die
Achswelle 26A übertragen
wird, so kann es bei einer Aktivierung der Reibscheibenkupplung 400 zu
einer Übertragung von
80% des Drehmomentes auf die linke Achswelle 26A und von
20% auf die rechte Achswelle 26B kommen.
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Gemäß der obigen
Beschreibung ist das erste Ausführungsbeispiel
der Differentialanordnung 16 als Mittendifferential und
die Differentialanordnung 80 des zweiten Ausführungsbeispiels
als Hinterachsdifferential ausgebildet. Da beide Differentialanordnungen 16 und 80 so
ausgelegt werden können,
dass sie gleiches Drehmoment abgeben oder anfangs eine „Vorspannung" in eine Richtung
bewirken, d.h. wesentlich mehr Drehmoment an die Hinterachswelle
bei normalem Betrieb abgeben und dann aktiviert werden, um wesentlich
mehr Drehmoment an die Vorderachswelle des Fahrzeugs abzugeben,
können beide
Differentialanordnungen 16 und 80 entweder als
Mittendifferential oder als Hinterachsdifferential entsprechend
den 1A bzw. 1B eingesetzt werden.