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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit zwei angetriebenen Achsen (Allradantrieb) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei derartigen Antriebsanordnungen unterscheidet man im Wesentlichen permanente Antriebssysteme mit einem dazwischen geschalteten Verteilerdifferenzial zur Vermeidung von Verspannungen im Antriebssystem, manuell auf Allradantrieb umschaltbare Antriebsanordnungen und sogenannte hang an Systeme mit im Antriebsstrang zur einen Achse des Kraftfahrzeuges einer integrierten Viscokupplung oder dergleichen. Bei Letzterem wird die zweite Achse bei auftretendem Radschlupf aktiviert.
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Durch die
DE 14 55 901 A1 wurde für ein fahrbares Arbeitsgerät wie einen Radlader auch schon vorgeschlagen, für den Schnellgang (zum Beispiel zum Überführen des Arbeitsgerätes an einen anderen Einsatzort) eine zusätzliche Kupplung vorzusehen, die mit dem Einschalten des Schnellganges automatisch den Allradbetrieb aufhebt bzw. das Antriebsmoment nur auf eine Achse leitet. Hintergrund dieser Maßnahme ist insbesondere, den für den Arbeitsbetrieb besonders niedrig übersetzten Getriebeteil zur Vermeidung hoher Drehzahlbelastungen im Schnellgang abzuschalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsanordnung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die bei Kraftfahrzeugen mit mehreren Vorwärtsgängen (zum Beispiel mit bis zu acht Gängen) und Abtrieb auf beide Achsen einen günstigen Getriebewirkungsgrad und eine baulich und steuerungstechnisch besonders einfache Getriebekonstruktion ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angeführt.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Wechselgetriebe in zwei Teilgetriebe aufgeteilt ist, von denen eines der Teilgetriebe mit wenigstens einem diesem zugeordneten Vorwärtsgang auf die die eine Achse antreibende Antriebswelle des Differenzials mit entsprechend angeordneten Gangzahnrädern mittelbar oder unmittelbar abtreibt und das andere Teilgetriebe mit den diesen zugeordneten Gängen auf die das Gehäuse des Verteilerdifferenziales antreibende Abtriebswelle wirkt. Die vorgeschlagene Konstruktion ermöglicht ein Umschalten vom Antrieb beider Achsen des Kraftfahrzeuges in den unteren, hohe Radantriebsmomente aufweisenden Gängen in den Antrieb nur einer Achse (zum Beispiel Frontantrieb) in einem oder mehreren höheren Gängen, ohne das Erfordernis einer oder mehrerer, zusätzlicher Kupplungen. Mit dem Einlegen des jeweiligen Ganges wird automatisch die Antriebart bestimmt.
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In fertigungstechnisch und baulich besonders vorteilhafter Weise wird ferner vorgeschlagen, dass die auf der Eingangswelle des Wechselgetriebes angeordneten Gangzahnräder beim ersten Teilgetriebe auf die mit dem Ausgleichsgehäuse des Verteilerdifferenziales trieblich verbundene Abtriebswelle abtreiben und dass auf der Abtriebswelle die als Hohlwelle ausgeführte Antriebswelle gelagert ist, die zusätzlich über ein Zwischenzahnrad auf eine das Differenzial der einen Achse antreibende Nebenwelle abtreibt.
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Insbesondere kann dabei das Verteilerdifferenzial auf der der Eingangsseite des Wechselgetriebes gegenüberliegenden Stirnseite angeordnet sein, wobei das zumindest eine Gangzahnrad des zweiten Teilgetriebes und das Zwischenzahnrad auf der hohlen Antriebswelle dem Verteilerdifferenzial unmittelbar axial benachbart angeordnet sind.
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Bei einem Wechselgetriebe mit sechs oder mehr Vorwärtsgängen kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest einer der höchsten Gänge, z. B. zumindest der höchste Gang, dem zweiten Teilgetriebe und die restlichen Vorwärtsgänge und der Rückwärtsgang dem ersten Teilgetriebe mit Allradantrieb zugeordnet sind. Da der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges mit Antrieb nur einer Achse hinsichtlich des Getriebewirkungsgrades günstiger ist, sollte bei der Bestimmung der relevanten Vorwärtsgänge das voraussichtliche Fahrprofil berücksichtigt werden. Wird das Kraftfahrzeug zum Beispiel überwiegend im 5. und 6. Gang betrieben, so können diese dem zweiten Teilgetriebe zugeordnet sein; es kann aber auch ausreichend sein, nur den höchsten, im Beispielfall den 6. Gang für den Antrieb nur einer Achse auszulegen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann dabei bei einem manuell geschalteten Wechselgetriebe und im Fahrbetrieb mit dem nur auf eine Achse des Kraftfahrzeuges wirkenden, zumindest einem Vorwärtsgang im zweiten Teilgetriebe bei einem auftretendem Radschlupf an dieser Achse eine Anzeige generiert werden, die die Bedienungsperson des Kraftfahrzeuges zum Rückschalten in einen dem ersten Teilgetriebe zugeordnetem Vorwärtsgang auffordert. So kann bei einem auftretenden, unzulässigen Radschlupf zum Beispiel im 6. Gang (nur bei ungünstigen Fahrbedingungen und hohem Antriebsmoment, zum Beispiel Volllast) eine akustische und/oder optische Anzeige generiert werden, die zum Rückschalten in den geschwindigkeitsabhängig geeigneten Vorwärtsgang im Allradantrieb auffordert.
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In alternativer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann das Wechselgetriebe als automatisch geschaltetes Doppelkupplungsgetriebe an sich bekannter Bauart konzipiert sein, mit zwei je einer Kupplung zugeordneten Eingangswellen, die Gangzahnräder in alternierender Gangfolge (zum Beispiel 1 bis 7) tragen, wobei die eine hohle Eingangswelle Gangzahnräder eines ersten Teilgetriebes und eines zweiten Teilgetriebes aufweist. Deren korrespondierende Gangzahnräder sind bevorzugt auf der Antriebswelle zur einen Achse des Kraftfahrzeuges und auf der als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle positioniert. Die bei Doppelkupplungsgetrieben an sich übliche Aufteilung in zwei Teilgetriebe ist erfindungsgemäß so modifiziert, dass das eine Teilgetriebe auf beide Achsen abtreibende Gangzahnräder und zusätzlich nur auf eine Achse abtreibende Gangzahnräder trägt.
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Dabei kann in besonders vorteilhafter Auslegung die auf das Ausgleichsgehäuse des Verteilerdifferenziales abtreibende, hohle Abtriebswelle die Gangzahnräder definierter Vorwärtsgänge, zum Beispiel der Vorwärtsgänge 1, 2, 3, 4, 6 und des Rückwärtsganges R des ersten Teilgetriebes tragen, während die korrespondierenden Gangzahnräder der restlichen Vorwärtsgänge, insbesondere der Vorwärtsgänge 5 und 7 (oder nur 7), des zweiten Teilgetriebes auf der Antriebswelle nur zu der einen Achse angeordnet sind. Damit kann ebenfalls unter Berücksichtigung eines definierten Fahrprofils des Kraftfahrzeuges ein einen günstigen Getriebewirkungsgrad sicherstellender Fahrbetrieb gesteuert sein, insbesondere wenn bei relativ niedriger Lastanforderung zum Beispiel der 6. Vorwärtsgang lediglich kurzzeitig geschaltet bleibt, sozusagen als Überbrückung vom 5. Gang in den 7. Gang bzw. als Allradgang im hohen Geschwindigkeitsbereich mit automatischer Rückschaltung vom z. B. 7. Gang in den 6. Gang bei auftretendem Radschlupf oder ähnlichen Fahrsituationen.
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Insbesondere bei einem Doppelkupplungsgetriebe mit integriertem Vorderachs-Differenzial wird zur Erzielung einer baulich gedrängten, fertigungstechnisch günstigen Konstruktion vorgeschlagen, dass die mit dem einen Ausgangselement des gegenüber der Eingangsseite des Wechselgetriebes angeordneten Verteilerdifferenziales verbundene Antriebswelle eingangsseitig des Wechselgetriebes über einen Stirnzahnradtrieb eine Ritzelwelle des Differenziales der ständig angetriebenen Achse des Kraftfahrzeuges antreibt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann somit, wie bereits zuvor beschrieben, im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges in höheren Gangstufen, insbesondere im 7. oder 5. Gang, bei einem auftretenden, unzulässigen Radschlupf an der korrespondierenden Vorder- oder Hinterachse über die elektronische Getriebesteuerung eine automatische Rückschaltung auf den nächst niedrigeren, beide Achsen antreibenden Vorwärtsgang gesteuert sein, zum Beispiel vom 7. Gang in den 6. Gang oder vom 5. Gang in den 4. Gang, etc.
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Schließlich kann im Kraftfluss zu der nicht ständig angetriebenen Achse des Kraftfahrzeuges zumindest eine Trennkupplung eingeschaltet sein, die bei einem nur die eine Achse antreibenden Vorwärtsgang über die Getriebesteuerung automatisch geöffnet bzw. bei Allradantrieb geschlossen ist. Sind zum Beispiel zwei Trennkupplungen im Abtrieb des nicht ständig angetriebenen Achsdifferenziales vorgesehen, so ist in deren geöffnetem Zustand die triebliche Verbindung zum Wechselgetriebe unterbrochen, so dass die korrespondierenden Getriebeelemente im Achsdifferenzial nicht über die zugehörigen Räder „mitgeschleppt” werden. Daraus resultiert, dass die an das Verteilerdifferenzial angebundenen Getriebeelemente des Wechselgetriebes nur mit halber Drehzahl der Antriebswelle zur angetriebenen Achse drehen, wodurch der Antriebswirkungsgrad insgesamt weiter verbessert ist.
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Besonders bevorzugt ist weiter eine Ausgestaltung, bei der der Schrägungswinkel wenigstens einer Zahnradstufe eines Teilgetriebes so ausgelegt ist, dass damit zumindest eine Teilkompensation der Axialkräfte der Abtriebsstufe, insbesondere einer Abtriebs-Stirnradstufe, bewirkt wird. Dadurch kann auf einfache Weise eine reibungsreduzierende und lebensdauererhöhende Entlastung der entsprechenden Wellenlagerung erfolgen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
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1 als Blockschaltbild ein einfaches, manuell schaltbares Geschwindigkeits-Wechselgetriebe (Schaltgetriebe) für Kraftfahrzeuge mit einem integrierten Verteilerdifferenzial zum Antrieb beider Achsen des Kraftfahrzeuges, wobei ein Vorwärtsgang unter Umgehung des Verteilerdifferenziales nur auf eine Achse abtreibt; und
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2 ebenfalls als Blockschaltbild ein Doppelkupplungsgetriebe für Kraftfahrzeuge mit einem integrierten Verteilerdifferenzial zum Antrieb beider Achsen des Kraftfahrzeuges, wobei zwei Vorwärtsgänge unter Umgehung des Verteilerdifferenziales nur auf eine Achse abtreiben.
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In der 1 ist ein manuell schaltbares Geschwindigkeits-Wechselgetriebe 10 für Kraftfahrzeuge mit Allradantrieb dargestellt, mit einer Eingangswelle 12, einer parallel dazu angeordneten Abtriebswelle 14 und einer Nebenwelle 16, die über ein Kegelritzel 18 ein nicht dargestelltes Vorderachs-Differenzial des Kraftfahrzeuges antreibt. Das Differenzial kann zum Beispiel ein Kegelraddifferenzial üblicher Bauart sein.
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Die Eingangswelle 12 kann über eine eingangsseitig des Wechselgetriebes 10 vorgesehene Reibungskupplung 20 mit einer nicht dargestellten Antriebsmaschine trieblich verbunden werden. Die besagten Wellen 12, 14, 16 sind in einem nicht dargestellten Getriebegehäuse in bekannter Weise drehbar gelagert.
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An dieses Getriebegehäuse angebaut oder in dieses integriert ist ein Verteilerdifferenzial 22 (zum Beispiel ebenfalls ein Kegelraddifferenzial), dessen eines Achskegelrad 24 mit einer Antriebswelle 26 verbunden ist, über die unter Zwischenschaltung einer Kardanwelle das hintere Achsdifferenzial des Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt) angetrieben ist.
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Das zweite Achskegelrad 28 des Verteilerdifferenziales 22 treibt auf eine als Hohlwelle ausgeführte Antriebswelle 30 ab, die ein Zwischenzahnrad 32 trägt, das mit einem Antriebszahnrad 34 auf der Nebenwelle 16 kämmt.
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Die Abtriebswelle 14 des Wechselgetriebes 10 ist über einen Mitnehmerzapfen 36 mit dem Ausgleichsgehäuse 38 des Verteilerdifferenziales 22 trieblich verbunden. Auf dem Mitnehmerzapfen 36 sind auch die mit den Achskegelrädern 24, 28 kämmenden Ausgleichskegelräder 40 drehbar gelagert.
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Das Wechselgetriebe 10 ist hinsichtlich der schaltbaren Vorwärtsgänge 1 bis 6 und des Rückwärtsganges R in zwei Teilgetriebe I und II unterteilt.
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Dabei treiben die Gangzahnradsätze für den Rückwärtsgang R (mit einem integrierten Umkehrzahnrad 42) und die Vorwärtsgänge 1 bis 5 des Teilgetriebes I von der Eingangswelle 12 auf die Abtriebswelle 14 ab. Die Gangzahnradsätze (ohne Bezugszeichen) sind jeweils wie aus der 1 ersichtlich durch ein Festzahnrad und ein Loszahnrad gebildet, die miteinander in Eingriff sind und die über Synchronkupplungen 44 (Doppelsynchronkupplungen) und eine Einfachsynchronkupplung 46 für den Rückwärtsgang R alternierend über eine nicht dargestellte Schaltvorrichtung aktivierbar bzw. mit der entsprechenden Welle 12, 14 kuppelbar sind.
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Die Vorwärtsgänge 1 bis 5 und der Rückwärtsgang R treiben in der geschalteten Position jeweils in Kraftflussrichtung von der Eingangswelle 12 auf die Abtriebswelle 14, von dieser über den Mitnehmerzapfen 36 auf das Ausgleichsgehäuse 38 des Verteilerdifferenziales 22, und dieses über die beiden Achskegelräder 24, 28 auf die Antriebswelle 26 für den Antrieb der hinteren Achse des Kraftfahrzeuges und über die hohle Antriebswelle 30, den Zahnradtrieb 32, 34 und die Nebenwelle 16 auf das vordere Achsdifferenzial des Kraftfahrzeuges (Allradbetrieb).
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Der Gangzahnradsatz für den 6. Vorwärtsgang ist durch ein Loszahnrad 48 auf der Eingangswelle 12 und ein Festzahnrad 50 auf der hohlen Antriebswelle 30 gebildet und wird durch die auch für den 5. Vorwärtsgang vorgesehene Doppelsynchronkupplung 44 aktiviert.
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Im 6. Gang verläuft der Kraftfluss von der Eingangswelle 12 über den Gangzahnradsatz 48, 50 auf die hohle Antriebswelle 30 und von dieser direkt über den Zahnradtrieb 32, 34 auf die Nebenwelle 16 bzw. das vordere Achsdifferenzial des Kraftfahrzeuges. Das Verteilerdifferenzial 22 mit den entsprechenden Kegelrädern 24, 28, 40 sowie das hintere Achsdifferenzial drehen momentenfrei mit, weil an der Abtriebswelle 14 kein Antriebsmoment anliegt bzw. diese frei drehen kann.
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Sollte in diesem Betriebszustand (6. Gang) an der angetriebenen Vorderachse ein unzulässiger Radschlupf auftreten, so kann gegebenenfalls über Steuereinrichtungen im Kraftfahrzeug (Radsensoren, Geschwindigkeitssignale, Ganganzeige) eine elektrische Anzeige generiert werden, die die Bedienungsperson des Kraftfahrzeuges auffordert, in einen niedrigeren, von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges abhängigen Vorwärtsgang (zum Beispiel den 5. oder 4. Gang) zurückzuschalten.
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Des Weiteren können in an sich bekannter Weise in den die hinteren Räder des Kraftfahrzeuges antreibenden Antriebswellen Trennkupplungen (z. B. hydraulisch betätigt) vorgesehen sein, die bei geschaltetem 6. Vorwärtsgang (Frontantrieb) geöffnet sind und somit das hintere Achsdifferenzial von den korrespondierenden Rädern abkoppeln. Damit werden die Getriebeelemente des hinteren Achsdifferenziales und die Kardanwelle stillgesetzt, z. B. durch Lagerreibung stillgesetzt, während das Ausgleichsgehäuse 38 des Verteilerdifferenziales 22, die Abtriebswelle 14 im Wechselgetriebe 10 und die korrespondierenden Gangzahnradsätze 3, 4 und 5 nur noch mit halber Drehzahl mit Bezug zur Antriebswelle 30 frei mitdrehen.
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Weiter ist hier der Schrägungswinkel der Zahnradstufe 48, 50 des Teilgetriebes II bevorzugt so ausgelegt, dass damit zumindest eine Teilkompensation der Axialkräfte der hier beispielhaft als Abtriebs-Stirnradstufe ausgebildeten Abtriebsstufe 32, 34 bewirkt wird.
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Die 2 zeigt ein automatisch über eine nicht dargestellte, elektronische und hydraulische Getriebesteuerung geschaltetes Doppelkupplungsgetriebe 52, das soweit nicht beschrieben bekannter Bauart sein kann. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in der 1 versehen.
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Die alternierend schaltbare Doppelkupplung 20 treibt auf eine erste Eingangswelle 56 und auf eine zweite, als Hohlwelle ausgeführte Eingangswelle 58 ab, die koaxial zueinander angeordnet sind.
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Parallel dazu sind in dem nicht dargestellten Getriebegehäuse eine als Hohlwelle ausgeführte Abtriebswelle 60 und eine koaxial zu dieser angeordnete Antriebswelle 62 drehbar gelagert.
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Die hohle Abtriebswelle 60 treibt das Ausgleichsgehäuse 38 des Verteilerdifferenziales 22 an, dessen eines Achskegelrad 28 mit der Antriebswelle 62 trieblich verbunden ist, die über einen eingangsseitig des Wechselgetriebes 52 vorgesehenen Stirnzahnradsatz 64, 66 die Ritzelwelle 68 des in das Wechselgetriebes 52 integrierten Vorderachsdifferenziales (nicht dargestellt) antreibt, während das andere Achskegelrad 24 wie vorstehend auf die hintere Antriebswelle 26 bzw. das hinter Achsdifferenzial abtreibt.
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Das Doppelkupplungsgetriebe 52 weist sieben Vorwärtsgänge 1 bis 7 und einen Rückwärtsgang R auf, die wie folgt angeordnet sind:
Auf der ersten, hohlen Eingangswelle 58 sind die Gangzahnräder (ohne Bezugszeichen) für die Vorwärtsgänge 7, 5, 3, 1 und auf der zweiten Eingangswelle 56 die Gangzahnradsätze R (mit einem Umkehrzahnrad 42) und den Vorwärtsgängen 2, 4, 6 angeordnet. Diese Aufteilung bildet zunächst zwei für ein Doppelkupplungsgetriebe übliche Teilgetriebe, wobei über alternierendes Schließen der Doppelkupplung 54 und entsprechendes Aktivieren der Gänge über die vier Doppelsynchronkupplungen 44 die Gänge entsprechend geschaltet werden.
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Abweichend vom Stand der Technik ist diese Aufteilung der Gänge vom Kraftfluss her gesehen an der ersten Eingangswelle 58 weiter unterteilt, derart, dass ein Teilgetriebe II und ein Teilgetriebe I wie eingezeichnet gebildet ist.
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Dabei treiben die Gangzahnradsätze für den 7. und 5. Vorwärtsgang als das eine Teilgetriebe II von der Eingangswelle 58 direkt auf die Antriebswelle 62 ab, während die Gangzahnradsätze für den 3. und 1. Vorwärtsgang von der gleichen Eingangswelle 58 als zum Teilgetriebe I gehörig auf die Abtriebswelle 60 wirken.
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Im Fahrbetrieb verläuft bei ins Schnelle übersetzten, geschalteten 7. oder 5. Vorwärtsgang der Kraftfluss von der Eingangswelle 58 über den korrespondierenden Gangzahnradsatz auf die Antriebswelle 62 und von dieser über den Stirnzahnradtrieb 64, 66 und die Ritzelwelle 68 auf das vordere Achsdifferenzial. Das Verteilerdifferenzial 22 und das hintere Achsdifferenzial drehen wir vorbeschrieben momentenfrei mit oder sind über die vorbeschriebenen Trennkupplungen abgekoppelt.
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Im Fahrbetrieb in den übrigen Gängen R, 1, 2, 3, 4, 6 verläuft bei entsprechend aktivierter Doppelkupplung 20 und geschalteten Doppelsynchronkupplungen 44 der Kraftfluss von der hohlen Eingangswelle 58 (im 3. oder 1. Gang) oder von der Eingangswelle 56 (im Rückwärtsgang R oder in den Gängen 2, 4, 6) auf die Abtriebswelle 60 und von dieser auf das Ausgleichsgehäuse 38 des Verteilerdifferenziales 22, welches das Antriebsmoment über die Achskegelräder 24, 28 auf die Antriebswellen 26, 62 bzw. die beiden Achsdifferenziale verteilt.
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Die besagte elektrohydraulische Getriebesteuerung (nicht dargestellt) kann so ausgeführt sein, dass bei einem unzulässigen Radschlupf bei nur einer angetriebenen Achse des Kraftfahrzeuges in den Vorwärtsgängen 7 oder 5 die Getriebesteuerung automatisch auf einen benachbarten Vorwärtsgang umschaltet (zum Beispiel 6. oder 4. Gang), bei dem beide Achsen angetrieben sind (Allradantrieb).
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können mehrere oder wenigere, ins Schnelle übersetzte Vorwärtsgänge auf den Antrieb nur einer Achse des Kraftfahrzeuges ausgelegt sein. Die ständig angetriebene Achse kann selbstverständlich auch die hinter Achse des Kraftfahrzeuges sein.