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Die Erfindung betrifft ein Differenzial mit einem Antriebsrad und mit mindestens einem Achsrad.
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Ein Differentialgetriebe bzw. Differenzialgetriebe, auch Ausgleichsgetriebe oder kurz Differential bzw. Differenzial genannt, ist ein spezielles Planetengetriebe, das z. B. beim Fahren eines Fahrzeugs in einer Kurve einen Ausgleich für den von den beiden Rädern einer Achse zurückgelegten unterschiedlich langen Weg schafft, indem die Räder sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen. Hierfür weist das Differenzial ein Antriebsrad auf, das zumeist mit einem Übersetzungsgetriebe und darüber mit dem eigentlichen Fahrzeugmotor verbunden ist und dadurch ein Antriebsmoment erfährt. Das Antriebsrad überträgt das Antriebsmoment auf üblicherweise zwei Achsräder (z. B. Achskegelräder), die selbst jeweils mit einem Abschnitt einer Achse des Fahrzeugs verbunden sind und dadurch die Fahrzeug-Räder antreiben. Tritt eine Drehzahldifferenz zwischen den Rädern, z. B. durch eine Kurvenfahrt auf, so drehen sich Ausgleichsräder, die mit den zwei Achsrädern in drehmoment-relevanter Verbindung stehen und bewirken, dass sich einer der beiden Abschnitte der Achse schneller dreht. Im Stand der Technik sind die Achsräder und die Ausgleichsräder im Allgemeinen in einem Differenzialkorb angeordnet, der am Umfang mit dem Antriebsrad verbunden ist. Eine Ausgestaltung eines Differenzials findet sich beispielweise in der Offenlegungsschrift
WO 2008/122276 A2 . Nachteilig an den Differenzialen des Differenzialen des Standes der Technik ist insbesondere der Differenzialkorb, der aufwändig zu fertigen ist, einen hohen Platzbedarf und ein hohes Gewicht aufweist. Um diese Nachteile zu vermeiden, beschreibt die
DE 10 2010 013 510 A1 ein Differenzial, das ohne Differenzialkorb ausgestaltet ist. Dafür ist im Antriebsrad ein Stern vorgesehen, auf dem die Achsräder und die Ausgleichsräder drehbar gelagert sind.
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Ein Differenzial dient dazu, Drehzahlunterschiede zwischen den Rädern einer Achse auszugleichen. Dabei ist das Drehmoment gleich. Tritt der Fall auf, dass ein Rad die Haftreibung mit dem Boden verliert, z. B. in Folge von Eis auf der Straße, so kann dieses Rad durchdrehen, während das andere Rad und damit das Fahrzeug stehen bleibt. Dieser Nachteil lässt sich überwinden, indem ein Sperrdifferenzial verwendet wird, bei dem die ausgleichende Wirkweise des Differenzials teilweise oder komplett ausgeschaltet werden kann. Damit ist es insbesondere möglich, das Drehmoment der Fahrsituation entsprechend auf die Räder aufzuteilen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Differenzial vorzuschlagen, das die Vorteile eines Sperrdifferenzials mit sich bringt.
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Das erfindungsgemäße Differenzial, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen durch folgende Merkmale gekennzeichnet: es ist mindestens ein Verbindungselement vorgesehen, das das Antriebsrad und das Achsrad zumindest bei einer relativen Position zwischen Achsrad und Verbindungselement und zwischen Antriebsrad und Verbindungselement drehfest miteinander verbindet. Das Verbindungselement erlaubt es, dass das Achsrad und das Antriebsrad – zeitweise und dadurch auch situationsbedingt – drehfest miteinander verbunden werden. Damit folgt das Achsrad der Drehung des Antriebsrads, das im eingebauten Zustand vom Motor mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, und es besteht kein Drehmomentunterschied zwischen Achsrad und Antriebsrad. Dies bedeutet, dass für das Achsrad die Funktion des Differenzials ausgeschaltet ist. In einer anderen relativen Position des Verbindungselements zum Achs- bzw. Antriebsrad ist umgekehrt die drehfeste Verbindung zwischen Achs- und Antriebsrad wieder aufgehoben, so dass das Differenzial wieder als Differenzial fungiert.
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In einer Ausgestaltung ist das Verbindungselement längs einer Längsachse des Achsrads axial verschiebbar. Durch die Verschiebbarkeit kann die drehfeste Verbindung zwischen Antriebsrad und Achsrad erzeugt bzw. wieder aufgehoben werden. Für die Verschiebung ist dabei eine lineare Bewegung ausreichend.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Verbindungselement mindestens einen ersten Profilierungsabschnitt und einen zweiten Profilierungsabschnitt aufweist. Über den ersten Profilierungsabschnitt ist eine drehfeste Verbindung zwischen Verbindungselement und Achsrad und über den zweiten Profilierungsabschnitt eine drehfeste Verbindung zwischen Verbindungselement und Antriebsrad herstellbar. Das Verbindungselement erzeugt eine drehfeste Verbindung zwischen Achsrad und Antriebsrad. Dafür ist das Verbindungselement derartig ausgestaltet und mit dem Achsrad und dem Antriebsrad abgeglichen, dass sich auch drehfeste Verbindungen zwischen Verbindungselement und Achsrad bzw. zwischen Verbindungselement und Antriebsrad erzeugen lassen. Besteht jeweils eine drehfeste Verbindung zwischen dem Verbindungselement und den beiden Rädern (Antriebsrad und Achsrad), so führt dies auch zu einer drehfesten Verbindung zwischen den Rädern, die über das Verbindungselement vermittelt wird.
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In einer von der vorhergehenden Ausgestaltung abhängigen Ausgestaltung weist das Achsrad mindestens ein Außenprofil auf. Dabei sind das Außenprofil und der erste Profilierungsabschnitt derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass eine drehfeste Verbindung zwischen Verbindungselement und Achsrad zumindest bei einer relativen Position zwischen Achsrad und Verbindungselement besteht. Die drehfeste Verbindung zwischen Achsrad und Verbindungselement wird in dieser Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass das Achsrad ein Außenprofil aufweist, also eine Profilierung, die sich zumindest teilweise an der Außenseite des Achsrads befindet. Außen sei dabei verstanden als relativ zur Längsachse des Achsrades weiter außen liegend. In einer Ausgestaltung sind insbesondere das Außenprofil und der erste Profilierungsabschnitt jeweils im Wesentlichen als längs der Längsachse verlaufende Längsprofile ausgestaltet. Diese Längsprofile erlauben ein axiales Verschieben zwischen Verbindungselement und Achsrad und führen gleichzeitig zu einer drehfesten Kopplung zwischen beiden.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist das Antriebsrad mindestens ein Innenprofil auf. Dabei sind das Innenprofil und der zweite Profilierungsabschnitt derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass eine drehfeste Verbindung zwischen Verbindungselement und Antriebsrad zumindest bei einer relativen Position zwischen Antriebsrad und Verbindungselement besteht. In dieser Ausgestaltung verfügt das Antriebsrad über ein Innenprofil, das sich radial an der Innenseite des Antriebsrads befindet. An der Außenseite ist im Allgemeinen bereits eine Kontur vorgesehen, die eine Übertragung des Drehmoments vom Motor auf das Antriebsrad als dafür vorgesehene Komponente des Differenzials ermöglicht. Das Antriebsrad ist vorzugsweise im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet. In einer Variante sind das Innenprofil und der zweite Profilierungsabschnitt jeweils im Wesentlichen als Längsprofile ausgestaltet. Diese Längsprofile erlauben auch hier das axiale Verschieben und gleichzeitig die drehfeste Verbindung. In einer Ausgestaltung ist der Rand des Längsprofils z. B. über eine Abschrägung oder über mindestens eine Fase derartig ausgestaltet, dass das Einführen des zweiten Profilierungsabschnitts in das Innenprofil des Antriebsrads erleichtert wird.
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In einer Ausgestaltung ist das Verbindungselement zumindest teilweise scheibenförmig und weist eine Aussparung auf, die von dem ersten Profilierungsabschnitt umfasst ist. in einer Variante ist in dem Verbindungselement eine kreisförmige Aussparung – insbesondere mittig – vorgesehen, deren Rand vom ersten Profilierungsabschnitt gebildet wird. In einer damit einhergehenden Ausgestaltung ist der zweite Profilierungsabschnitt eine im Wesentlichen kreisförmige Außenberandung des scheibenförmigen Abschnitts des Verbindungselements.
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In einer Ausgestaltung ist mindestens ein Stellelement vorgesehen, das dem axialen Verschieben des Verbindungselements längs der Längsachse dient.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind zwei Achsräder im Differenzial vorgesehen. In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist das Differenzial zwei Verbindungselemente für die zwei Achsräder auf. In einer ergänzenden Ausgestaltung ist ein Element vorgesehen, das die Drehzahlanpassung zwischen dem Verbindungselement und dem Antriebsrad bewirkt. Alternativ ist auch ein Element vorgesehen, das eine solche Anpassung zwischen Achsrad und Verbindungselement erzeugt. Die zuletzt genannten Ausgestaltungen erleichtern vornehmlich das Herbeiführen der drehfesten Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Antriebsrad bzw. dem Achsrad.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Differenzial auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische, im Wesentlichen die funktionalen Wirkzusammenhänge verdeutlichende Darstellung eines erfindungsgemäßen Differenzials, teilweise als Explosionsdarstellung,
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2 eine seitliche Draufsicht auf das Differenzial der 1 ohne drehfeste Verbindung zwischen Achsrad und Antriebsrad,
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3 eine seitliche Draufsicht auf das Differenzial mit drehfester Verbindung zwischen Achsrad und Antriebsrad und
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4 ein Schnitt durch das Differenzial der 3.
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In den 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Differenzials dargestellt, wobei die für die Erklärung und Anschaulichkeit erforderlichen Bestandteile schematisiert sind. Dabei sind andere Ausgestaltungen und Anordnungen grundsätzlich ebenfalls möglich und im Rahmen der Erfindung.
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In der 1 sind einige Bestandteile eines Differenzials 1 in Explosionsdarstellung gezeigt. Das im Wesentlichen ringförmig ausgestaltete Antriebsrad 2 wird im in einem Fahrzeug eingebauten Zustand vom Motor mit einem Drehmoment beaufschlagt. Das Drehmoment wird dann über das Differenzial 1 auf die beiden – hier nicht dargestellten – Räder der zugeordneten Fahrzeugachse übertragen. In Richtung eines – hier nicht dargestellten – Rades ragt ein Achsrad 3, das hier als Kegelrad ausgestaltet ist, hervor.
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Um die Wirkung des Differenzials bei entsprechender Fahrsituation – z. B. auf einer teilweise glatten Straße – zu unterbrechen, ist das Verbindungselement 4 vorgesehen, dass eine drehfeste Verbindung zwischen dem Achsrad 3 und dem Antriebsrad 1 herstellt und dadurch dafür sorgt, dass das Achsrad 3 mit dem gleichen Drehmoment wie das Antriebsrad 2 bewegt wird. Für das temporäre Feststellen des Achsrads 3 gegenüber dem Antriebsrad 2 ist das Verbindungselement 4 längs der Längsachse 5 des Achsrads 3 verschiebbar. Die Längsachse 5 fällt dabei in der gezeigten Ausgestaltung im eingebauten Zustand mit der Längsachse der Räderachse des Fahrzeugs im Wesentlichen zusammen. Das teilweise scheibenförmig ausgestaltete Verbindungselement 4, das für die Gewichtsreduktion noch mit zusätzlichen, hier trapezförmigen Löchern versehen ist, weist für die drehfeste Verbindung einen ersten Profilierungsabschnitt 6 und einen zweiten Profilierungsabschnitt 7 auf. Beide Profilierungsabschnitte 6, 7 sind in der dargestellten Variante als Längsprofile ausgeführt, die jeweils zu dem Außenprofil 8 des Achsrads 3 bzw. zum Innenprofil 9 des Antriebsrads 2 passen. Der erste Profilierungsabschnitt 6 ist dabei ein Rand der mittig angeordneten Aussparung 10 des Verschiebeelements 4. Der zweite Profilierungsabschnitt 7 bildet die radial äußere Berandung des Verschiebeelements 4 bzw. stellt einen erhöhten Absatz dar.
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Für das Bewegen des Verschiebeelements
4 ist ein Stellelement
11 vorgesehen, das mit einem halbrunden Ende auf dem Achsrad
3 geführt ist. Das Stellelement
11 ist dabei selbst wieder mit einer – hier nicht dargestellten – Einheit verbunden und wird durch diese bewegt. Das Achsrad
3 verfügt dabei an dem vom Differenzial
1 abgewandten Ende über einen schaftartigen Abschnitt, der auch das Außenprofil
8 trägt. Das Achsrad
3 steckt auf einem Arm eines Sterns
12, der in dieser besonderen Ausgestaltung des Differenzials
1 das Drehmoment vom Antriebsrad
2 auf das Achsrad
3 überträgt und der mit vier weiteren Armen
13 mit der Innenseite des Antriebsrads
2 verbunden ist. Auf einem der Arme
13 ist ein Ausgleichskegelrad
14 vorgesehen, das beim normalen Funktionieren des Differenzials
1 für den Ausgleich der Drehzahldifferenz der zwei Räder bzw. der zwei Achsräder
3 sorgt. Weitere Details bezüglich der sonstigen Ausgestaltung des gehäuselosen Differenzials
1 lassen sich der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 013 510 A1 entnehmen.
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Für die Lagerung der beiden Achsräder 3 des Differenzials, von denen in der Darstellung hier nur das eine Achsrad 3 zu sehen ist, sind jeweils Lager 15 vorgesehen, die den schaftartigen Abschnitt der Achsräder 3 umfassen.
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Das Funktionieren des Verbindungselements 4 und das damit verbundene Sperren der Funktion des Differenzials 1 lässt sich den folgenden Abbildungen entnehmen. Dabei sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 2 zeigt das Differenzial 1 mit Draufsicht auf das Antriebsrad 2 – hier mit einer Schrägverzahnung – und den davon seitlich abgehenden entlang der Längsachse 5 angeordneten Drehrädern 3, die hier als Achskegelräder mit Stirnverzahnung ausgeführt sind. Die Verzahnung ist hier jedoch nur beim rechten Achsrad 3 zu erkennen, da die Sicht beim linken Achsrad 3 durch das Verbindungselement 4 verdeckt wird. Das schaftartige Ende des linken Achsrads 3 ragt aus dem Verbindungselement 2 heraus und wird vom Lager 15 umfasst. Das Verbindungselement 4 ist über die passend zueinander ausgestalteten Längsverzahnungen axial entlang des linken Achsrads 3 verschiebbar und dreht sich dabei mit diesem mit. Der zweite Profilierungsabschnitt 7 des Verbindungselements 2 befindet sich in der gezeigten Situation nicht m Eingriff mit dem Antriebsrad 2. Daher sind das linke Achsrad 3 und das Antriebsrad 2 nicht miteinander verbunden und das Differenzial 1 kann für den Drehzahlausgleich zwischen den Achsrädern bzw. den damit im eingebauten Zustand verbundenen Rädern sorgen.
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In der 3 ist der Fall gezeigt, dass das Differenzial 1 keine Drehzahldifferenz ausgleichen und dass vielmehr die Achsräder 3 unterschiedliches Drehmoment erfahren sollen. Hierfür hat das Stellelement 11 das Verbindungselement 4 in Richtung des Antriebsrads 2 verschoben, so dass der zweite Profilierungsabschnitt 7 in das Innenprofil des Antriebsrads 2 eingreift und dort eine drehfeste Verbindung zwischen Antriebsrad 2 und Verbindungselement 4 und dadurch über das Außenprofil 8 des Achsrads 3 insgesamt zwischen Antriebsrad 2 und dem linken Achsrad 3 erzeugt. Diese drehfeste Verbindung bedeutet, dass sich das linke Achsrad 3 fest mit dem Antriebsrad 2 mitdreht und daher auch das gleiche Drehmoment wie das Antriebsrad 2 erfährt. Soll umgekehrt wieder die Funktionalität des Differenzials 1 ermöglicht werden, so bewegt das Stellelement 11 das Verbindungselement 4 fort vom Antriebsrad 2, bis die Profile keinen Eingriff mehr miteinander haben und sich daher auch das Verbindungselement 4 und das Antriebsrad 2 frei voneinander drehen können. In der dargestellten Ausgestaltung würden sich daher nur noch das Achsrad 3 und das Verbindungselement 4 miteinander drehen (siehe 2).
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Den Zustand des gesperrten Differenzials 1 der 3 zeigt der Schnitt der 4. Zu erkennen ist der Stern 12 in der Mitte, der hier über zwei Arme 13 mit dem Antriebsrad 2 verbunden ist und sich mit diesem mitdreht. Auf den zwei dazu senkrecht angeordneten Armen 13 sind die zwei Achsräder 3 aufgesteckt. Für die Anbindung weisen die Achsräder 3 in der dargestellten Ausgestaltung zwei Vertiefungen auf. Die eine befindet sich innerhalb des kegelartigen Abschnitts und dient dem Aufstecken auf dem Stern 12. Die andere Vertiefung ist mit einer Profilierung versehen und erlaubt das Einstecken einer Welle oder eines Teils eines Gelenks im eingebauten Zustand für die Anbindung des Differenzials 1 an die Fahrzeugachse. Für die Positionierung im Antriebsstrang eines Fahrzeugs sind hier die beiden Lager 15 vorgesehen, von denen sich das dem linken Achsrad 3 zugeordnete auf der vom Stern 12 abgewandten Seite des Verbindungselements 4 befindet. Im Schnitt ist gut zu erkennen, wie das Verbindungselement 4 den Abstand zwischen dem Antriebsrad 2 und dem linken Achsrad 3 überbrückt und dadurch für die drehfeste Verbindung sorgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/122276 A2 [0002]
- DE 102010013510 A1 [0002, 0021]