DE10118201A1 - Schlupfbegrenzendes Schraubrad-Differentialgetriebe - Google Patents

Abstract

Schlupfbegrenzendes Schraubrad-Differentialgetriebe (LSD) mit einem Differentialgetriebegehäuse (11), das einstückig mit einem Hohlrad verbunden ist, das durch von einem Getriebe abgegebene Leistung gedreht wird, einem Sonnenrad (13), das mit Antriebswellen (12) keilwellenverbunden ist, die an beiden Seiten des Differentialgetriebegehäuses (11) eingesetzt sind, um die Leistung auf die Antriebswellen (12) zu übertragen, und einer Mehrzahl von Planetenrädern (15), die mit dem Sonnenrad (13) über eine Schraubverzahnung in Eingriff stehen, um eine zu den Antriebswellen (12) parallele Position aufrechtzuerhalten, wobei die Planetenräder (15) innerhalb des Differentialgetriebegehäuses (11) asymmetrisch zueinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein schlupfbegrenzendes Differentialgetriebe zum temporären Stoppen des Betriebs des Differentialgetriebes eines Fahrzeuges, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug in den Normalantrieb zurückkehrt, und insbesondere ein Schraubrad-Differentialgetriebe, das die von einem als Schraubrad ausgebildeten Planetenrad erzeugte Reibkraft verwenden kann, um den Differentialbetrieb zu begrenzen.

Im allgemeinen wird bei einem Fahrzeug eine Kupplung und ein Getriebe zum geeigneten Übertragen der von einem Motor erzeugten Leistung auf die Räder verwendet, und ein Differentialgetriebe wird zum geeigneten Verteilen der von dem Getriebe an die Räder abgegebenen Leistung verwendet. Das Differentialgetriebe ist mit einem Getriebe verbunden, wobei der Abtrieb von dem Getriebe direkt auf das Differential­ getriebe bei einem Fahrzeug mit Frontantrieb übertragen wird, während der Abtrieb von dem Getriebe auf das Differential­ getriebe über eine Antriebswelle bei einem Fahrzeug mit Heckantrieb übertragen wird.

Das oben beschriebene Differentialgetriebe dient zum Erzeugen einer Drehzahldifferenz zwischen den Innen- und den Außenrädern, wenn das Fahrzeug um eine Kurve fährt, um eine leichte Richtungsänderung zu ermöglichen und eine ausreichende Fahrsicherheit auf schlechten Straßen zu erreichen.

In anderen Worten, wenn ein Fahrzeug um eine Kurve fährt, drehen sich die äußeren Räder schneller als die inneren Räder. Das Differentialgetriebe ist daher ein wichtiges Aggregat für eine sichere Kurvenfahrt des Fahrzeuges.

Jedoch wird bei einem mit einem Differentialgetriebe ausgestatteten Fahrzeug bei Auftreten einer großen Reibungsdifferenz durch Kontakt der beiden Antriebsräder auf der Straßenoberfläche eine Kraftübertragung zwischen den beiden Antriebsrädern erzeugt. Infolgedessen fährt das eine Antriebsrad mit der geringen Reibkraft frei, während das Rad mit der größeren Reibkraft gestoppt wird, um den Antrieb des Fahrzeuges zu erschweren. In anderen Worten, wenn das eine Antriebsrad freiliegt, wird nur das freiliegende Antriebsrad gedreht, während das andere Antriebsrad nicht gedreht wird, wodurch das Fahrzeug in einer Situation ist, in der es nicht aus eigener Kraft weiterfahren kann.

Um dieses Problem zu lösen, wird ein schlupfbegrenzendes Differentialgetriebe (nachfolgend einfach als LSD bezeichnet) bei Geländefahrzeugen eingesetzt, und die meisten Fahrzeuge werden später mit LSD nachgerüstet. Das LSD gibt es in verschiedenen Formen und Strukturen. Die Erfindung betrifft ein Schraubrad-LSD als eine Art der LSDs.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen ein Schraubrad-LSD, welches ein Differentialgetriebegehäuse 51, das einstückig mit einem Hohlrad verbunden ist, das durch die von einem Getriebe abgegebene Leistung gedreht wird, Antriebswellen 52, die an beiden Seiten des Differentialgetriebegehäuses 51 eingesetzt sind, ein Sonnenrad 53, das mit der Abtriebswelle 52 keilwellenverbunden ist, eine Mehrzahl von Planetenrädern 55, die mit dem Sonnenrad 53 über eine Schraubverzahnung in Eingriff stehen und in einer Mehrzahl von Nuten 54 montiert sind, die an der Innenseite des Differentialgetriebegehäuses 51 zum Aufrechterhalten einer zu der Antriebswelle 52 parallelen Position vorgesehen sind, zwei Begrenzungsplatten 56, die innerhalb des Differentialgetriebegehäuses 51 zum Begrenzen eines vorbestimmten Abstandes an den Seiten der Planetenräder 55, und zwei Seitendeckel 57 aufweist, die an der Außenseite des Differentialgetriebegehäuses 51 montiert sind.

Mit dem derart konstruierten Schraubrad-LSD wird ein Differentialbetrieb entsprechend dem auf die beiden Räder einwirkenden Widerstand durchgeführt, wobei die Reibkraft verwendet wird, die zwischen den Planetenrädern und dem Differentialgetriebegehäuse wirkt, um den Differentialbetrieb einzuschränken.

Im Falle, daß der über die Antriebswellen 52 von den Rädern übertragene Widerstand gleich ist, werden das Differentialgetriebegehäuse 51 und das Sonnenrad 53 zusammen gedreht. Beide Antriebswellen 52, die mit dem Sonnenrad 53 keilwellenverbunden sind, werden mit derselben Drehzahl gedreht, um zu ermöglichen, daß das Fahrzeug stabil fortbewegt wird.

Wenn das Fahrzeug um eine Kurve fährt, erfahren die inneren Räder einen größeren Widerstand als die äußeren Räder, wodurch die Planetenräder 55 in dem Differentialgetriebegehäuse 51 gedreht werden und sich gleichzeitig um ihre eigene Achse drehen, wenn die Leistung der inneren Räder auf die äußeren Räder übertragen wird, und die äußeren Räder drehen sich schneller als die inneren Räder. Die oben beschriebene Wirkung wird als Differentialbetrieb bezeichnet, wobei die Planetenräder 55 durch die auf die beiden Räder einwirkende Widerstandsdifferenz um ihre Achse gedreht werden, wobei das eine Rad schneller als das Differentialgetriebegehäuse 51 gedreht wird, und das andere Rad langsamer als das Differentialgetriebegehäuse 51 gedreht wird.

Ferner wird die Drehung der Planetenräder 55 beschrieben. Es wird angemerkt, daß eine Druckkraft in Axialrichtung entsprechend der Drehung der Planetenräder 55 erzeugt wird. In anderen Worten stehen die Planetenräder 55 und das Sonnenrad 53 gemeinsam über eine Schraubverzahnung in Eingriff, um eine Druckkraft in Axialrichtung parallel zur Drehachse zu erzeugen, wenn die Planetenräder 55 gedreht werden. Die Sonnenräder 53 und die Planetenräder 55 werden durch die Begrenzungsplatten 56 und die Seitendeckel 57 in der Bewegung in Axialrichtung zurückgehalten, so daß bei Drehung der Planetenräder 55 um ihre Achsen eine Reibkraft auf die Querschnittsfläche der Sonnenräder 53, die Querschnittsflächen der Begrenzungsplatten 56, der Sonnenräder 55 und des Differentialgetriebegehäuses 51 einwirkt. Ferner wird eine Reibkraft auch zwischen den in dem Differentialgetriebegehäuse 51 ausgebildeten Nuten 54 und den Planetenrädern 55 erzeugt. Eine Reibkraft wird auch an der Schraubverzahnung erzeugt. Die so erzeugt Reibkraft schränkt den Differentialbetrieb ein, und die Reibkraft steigt an, wenn die Drehzahldifferenz zwischen den beiden Antriebswellen 52 steigt, wodurch der Differentialbetrieb beeinträchtigt wird.

In anderen Worten, wenn die an beiden Rädern auftretende Widerstandsdifferenz größer wird, wird die Drehzahl der Planetenräder 55 erhöht, wodurch die in dem Differential­ getriebegehäuse 51 erzeugte Reibkraft erhöht wird.

Wenn die Reibkraft in dem Differentialgetriebegehäuse erhöht wird, wird die Drehung der Planetenräder beeinträchtigt, um einen übermäßigen Differentialbetrieb zu verhindern. Infolgedessen nutzt die LSD die in dem Differentialgetriebe­ gehäuse 51 erzeugte Reibkraft, um ein Überschreiten der Drehzahldifferenz zwischen dem Differentialgetriebegehäuse 51 und den Antriebswellen 52 in Grenzen zu halten und ein Freilaufen zu verhindern.

Die oben beschriebene Schraubrad-LSD hat einen einfachen Aufbau und ein schnelles Ansprechverhalten, wird bei Personenkraftwagen und Sportwagen eingebaut, und zeichnet sich durch ein geringes Gewicht und geringe Herstellungskosten aus. Es tritt jedoch das Problem auf, daß das Erreichen der maximalen Antriebskraft bezüglich des grundsätzlichen Systems begrenzt ist, bei dem die Reibkraft von Schraubverzahnungen benutzt wird, so daß es schwierig ist, die Schraubrad-LSD bei Geländefahrzeugen einzusetzen, die eine Differential­ begrenzungswirkung mit hoher Leistung erfordern.

Mit der Erfindung wird ein schlupfbegrenzendes Schraubrad- Differentialgetriebe geschaffen, bei dem das Drehmoment- Schlupf-Verhältnis (TBR) zum Bestimmen der Differential­ begrenzungswirkung einfach durch Änderung der strukturellen Anordnung der in einem Differentialgetriebegehäuse montierten Planetenräder verbessert wird, um dieses bei Geländefahrzeugen anzuwenden.

Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch ein schlupfbegrenzendes Schraubrad-Differentialgetriebe (LSD) mit einem Differentialgetriebegehäuse, das einstückig mit einem Hohlrad verbunden ist, das durch von einem Getriebe abgegebene Leistung gedreht wird, einem Sonnenrad, das mit Antriebswellen keilwellenverbunden ist, die an beiden Seiten des Differentialgetriebegehäuses eingesetzt sind, um die Leistung auf die Antriebswellen zu übertragen, und einer Mehrzahl von Planetenrädern, die mit dem Sonnenrad über eine Schraubverzahnung in Eingriff stehen, um eine zu den Antriebswellen parallele Position aufrechtzuerhalten, wobei die Planetenräder innerhalb des Differentialgetriebegehäuses (11) asymmetrisch zueinander angeordnet sind.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines schlupfbegrenzenden Schraubrad-Differentialgetriebes nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Längsschnitt des Differentialgetriebes aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt eines schlupfbegrenzenden Schraubrad- Differentialgetriebes nach dem Stand der Technik;

Fig. 5 eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines schlupfbegrenzenden Schraubrad-Differentialgetriebes gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 eine Diagramm, aus dem die Änderung des Drehmoment- Schlupf-Verhältnisses in Abhängigkeit von der Winkelanordnung der Planetenräder ersichtlich ist.

Mit Bezug auf die Zeichnung wird ein schlupfbegrenzendes Schraubrad-Differentialgetriebe nach einer Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, weist ein schlupfbegrenzendes Schraubrad-Differentialgetriebe ein Differentialgetriebegehäuse 11, das einstückig mit einem Hohlrad verbunden ist, das durch die von einem Getriebe abgegebene Leistung gedreht wird, ein Sonnenrad 13, das mit Antriebswellen 12 keilwellenverbunden ist, die an beiden Seiten des Differentialgetriebegehäuses 11 eingesetzt sind, um die Leistung auf die Antriebswellen 12 zu übertragen, und eine Mehrzahl von Planetenrädern 15 auf, die mit dem Sonnenrad 13 über eine Schraubverzahnung in Eingriff stehen, um eine zu den Antriebswellen 12 parallele Position aufrechtzuerhalten.

Die Planetenräder 15 sind paarweise und im Winkel von 75 Grad zueinander angeordnet. Die Planetenräder 15 sind daher asymmetrisch innerhalb des Differentialgetriebegehäuses 11 angeordnet. Die Winkelanordnung der Planetenräder 15 kann entsprechend der benötigten Anwendung variiert werden. Um jedoch eine Asymmetrie zu realisieren, darf der Winkel zwischen den Planetenradpaaren nicht 90 Grad sein, wenn die Planetenräder in vier Paaren angeordnet sind.

Das oben beschriebene Schraubrad-LSD gemäß der Erfindung hat dieselbe Wirkung wie das herkömmliche LSD, jedoch ist die Belastung der Planetenräder in Axialrichtung erhöht, um den Differentialbegrenzungsbetrieb infolge der asymmetrischen Anordnung der Planetenräder zu verbessern.

In anderen Worten ist das Schraubrad-LSD gemäß der Erfindung grundsätzlich aus denselben Bauteilen wie nach dem Stand der Technik zusammengesetzt und führt dieselben Funktionen aus, jedoch sind gemäß der Erfindung die Planetenräder um das Sonnenrad herum asymmetrisch angeordnet, wohingegen nach dem Stand der Technik die Planetenräder symmetrisch angeordnet sind.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wenn die Planetenräder 15 in vier Paaren angeordnet sind, sind gemäß der Erfindung die Paare im Abstand von 75 Grad voneinander angeordnet und bilden einen Gesamtwinkel von 225 Grad, wohingegen nach dem Stand der Technik die Planetenräder im Abstand von 90 Grad voneinander angeordnet sind, um einen Gesamtwinkel von 270 Grad zu bilden.

Nun wird das Wirkprinzip der Differentialbegrenzungs­ funktion unter direktem Bezug auf die Erfindung bezogen, während das grundsätzliche Wirkprinzip der Differential­ begrenzungsfunktion weggelassen wird. Arten des Reibmoments zum Durchführen der Differentialbegrenzungsfunktion in dem LSD und grundsätzliche Bauteile zum Erzeugen derselben werden mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben.

Ein erstes Reibmoment zwischen den Planetenrädern 15 und dem Differentialgetriebegehäuse 11 wird durch die Getriebereaktionskraft entsprechend dem Druckwinkel der Planetenräder 15 erzeugt. Das erste Reibmoment wirkt daher radial relativ zu der Antriebswelle 12.

Ein zweites Reibmoment mit einem Element entsprechend den Formen der Planetenräder 15 und dem Sonnenrad 13 wird durch Reibung zwischen dem Sonnenrad 13 und der Begrenzungsplatte 16 und zwischen den Abschnitten der Planetenräder 15 und des Differentialgetriebegehäuses 11 entsprechend der bei Drehung der Planetenräder 15 erzeugten Druckkraft erzeugt. Das zweite Reibmoment wird daher durch den Torsionswinkel entsprechend den Schraubformen der Planetenräder 15 und des Sonnenrades 13 bestimmt.

Die zuvor genannten zwei Drehmomente wurden durch grundsätzliche Bauelemente zum Bestimmen eine Differential­ begrenzungsfähigkeit eines LSD nach dem Stand der Technik erreicht, so daß der Druckwinkel der Planetenräder 15, der Torsionswinkel und die Reibkoeffizienten des jeweiligen Reibelements geändert wurden, um den Differentialbegrenzungs­ betrieb zu verbessern. Jedoch konnte das hohe Niveau der TBR- Wirkung infolge der Basisstruktur und des Prinzips des Schraubrad-LSD nicht gesteuert werden.

In anderen Worten, wenn der Druckwinkel und der Torsions­ winkel der Planetenräder 15 hoch sind, kann die Leistung der LSD erhöht werden, jedoch können die Getriebeelemente wie gewünscht in numerischer Folge infolge der eigenen Einschränkung der Schraubräder nicht geändert werden.

Dementsprechend werden gemäß der Erfindung Paare von Planetenrädern in asymmetrischer Form angeordnet, um die Reibkraft zwischen den Planetenrädern 15 und den Nuten 14 in dem Differentialgetriebegehäuse 11 zu erhöhen, wodurch der Differentialbegrenzungsbetrieb verbessert wird. Gleichzeitig wirkt die dadurch erzeugte Reibkraft in Axialrichtung wie die Reibkraft entsprechend dem Druckwinkel.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, aus dem die Änderung des Drehmoment-Schlupf-Verhältnisses in Abhängigkeit von der geänderten Winkelanordnung der Planetenräder 15 ersichtlich ist.

Wenn die Planetenräder in vier Paaren angeordnet sind, ist entsprechend den verschiedenen Betriebselementen des LSD nach dem Stand der Technik das TBR annähernd 2,0, wobei der Gesamtwinkel 270 Grad vom ersten bis zum letzten Planetenrad­ paar beträgt, jedoch hat das LSD gemäß der Erfindung einen Gesamtwinkel von 225 Grad infolge der Differentialbegrenzungs­ funktion durch die exzentrische Wirkung der Planetenradpaare, wodurch das TBR auf etwa 3,0 verbessert wird. Die Differential­ begrenzungsleistung infolge der Exzentrizität kann erhöht werden, um zu ermöglichen, daß ein LSD mit hoher TBR entwickelt wird, wenn der Winkel zwischen den Planetenrädern verringert wird.

Wie aus dem vorgenannten ersichtlich ist, besteht ein Vorteil des schlupfbegrenzenden Schraubrad-Differential­ getriebes gemäß der Erfindung darin, daß nur die in einem Differentialgetriebegehäuse montierten Planetenräder strukturell in ihrer Anordnung geändert werden, um das TBR zum Bestimmen einer Differentialbegrenzungsfunktion zu verbessern, ohne die gesamten strukturellen Elemente zu verändern, wodurch dieselben auch bei Geländefahrzeugen angewendet werden können.

Claims (3)

1. Schlupfbegrenzendes Schraubrad-Differentialgetriebe (LSD) mit einem Differentialgetriebegehäuse (11), das einstückig mit einem Hohlrad verbunden ist, das durch von einem Getriebe abgegebene Leistung gedreht wird, einem Sonnenrad (13), das mit Antriebswellen (12) keilwellenverbunden ist, die an beiden Seiten des Differentialgetriebegehäuses (11) eingesetzt sind, um die Leistung auf die Antriebswellen (12) zu übertragen, und einer Mehrzahl von Planetenrädern (15), die mit dem Sonnenrad (13) über eine Schraubverzahnung in Eingriff stehen, um eine zu den Antriebswellen (12) parallele Position aufrechtzuerhalten, wobei die Planetenräder (15) innerhalb des Differentialgetriebegehäuses (11) asymmetrisch zueinander angeordnet sind.

2. LSD nach Anspruch 1, wobei die Planetenräder (15) paarweise und in einem Winkel kleiner als 90 Grad zueinander angeordnet sind.

3. LSD nach Anspruch 2, wobei der Winkel zwischen den Planetenradpaaren 75 Grad beträgt.