DE102004002187A1

DE102004002187A1 - Getriebe zum Verteilen eines Antriebsmomentes und Verfahren zum Steuern und Regeln eines Getriebes

Info

Publication number: DE102004002187A1
Application number: DE200410002187
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Rögner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-08-04

Abstract

Es wird ein Getriebe (1) zum Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Abtriebswellen (9, 14) mit mindestens zwei wenigstens dreiwelligen Differenzialen (2, 3) beschrieben. Zwischen einer dritten Welle (15) des zweiten Differenzials (3) und der zweiten Welle (8) des ersten Differenzials (2) sowie zwischen der zweiten Welle (13) und der dritten Welle (15) des zweiten Differenzials (3) ist jeweils ein reibschlüssiges Schaltelement (16, 17) angeordnet, deren Übetragungsfähigkeit jeweils über eine Aktuatorik einstellbar sind. Das Antriebsmoment ist zwischen den beiden Abtriebswellen (9, 14) in Abhängigkeit der eingestellten Übertragungsfähigkeiten der Kupplung (16, 17) verteilbar. Dazu sind die Übertragungsfähigkeiten der beiden Schaltelemente zwischen einem unteren Grenzwert, bei dem im Wesentlichen kein Drehmoment von den Schaltelementen übertragen wird, und einem oberen Grenzwert, der einem synchronen Zustand der Schaltelemente entspricht und bei dem ein an einem Schaltelement anliegendes Drehmoment vollständig und wenigstens annähernd verlustfrei übertragen wird, variierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zum Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Abtriebswellen mit mindestens zwei wenigstens dreiwelligen Differenzialen und ein Verfahren zum Steuern und Regeln eines derartigen Getriebes.
In der Praxis wird bekannterweise bei Fahrzeugen ein von einer Antriebsmaschine erzeugtes Antriebsmoment bedarfsgerecht über ein Getriebe zu den Antriebsrädern geleitet. Sind Fahrzeuge, wie beispielsweise Allrad-Pkws oder allradgetriebene Lkws, mit mehreren angetriebenen Achsen ausgeführt, muss die Leistung der Antriebsmaschine im Antriebsstrang eines derartigen Fahrzeugs auf die einzelnen Antriebsachsen verteilt werden.
Zur Leistungsverteilung werden sogenannte Differenzialgetriebe eingesetzt, wobei Längsdifferenziale in Fahrtrichtung gesehen zur Längsverteilung der Antriebsleistung der Antriebsmaschine auf mehrere angetriebene Achsen eines Fahrzeuges eingesetzt werden. Sogenannte Querdifferenziale bzw. Ausgleichsgetriebe werden in bezug auf die Fahrtrichtung eines Fahrzeugs zu einer Querverteilung der Antriebsleistung auf Antriebsräder einer Fahrzeugachse verwendet.
Die in der Praxis herkömmlich verwendeten Bauarten von Differenzialgetrieben sind sogenannte Kegelraddifferenziale, Stirnraddifferenziale in Planetenbauweise oder auch Schneckenraddifferenziale. Insbesondere Stirnraddifferenziale werden wegen der Möglichkeit zur unsymmetrischen Momen tenverteilung meist als Längsdifferenziale eingesetzt. Kegelraddifferenziale stellen mittlerweile für den Querausgleich bei Fahrzeugen einen Standard dar und Schneckenraddifferenziale werden sowohl zur Längsverteilung als auch für eine Querverteilung eingesetzt.
Mit Hilfe derartiger Verteilergetriebe besteht die Möglichkeit, ein Antriebsmoment in beliebigen Verhältnissen auf mehrere Antriebsachsen zu verteilen, ohne Verspannungen in einem Antriebsstrang zu erzeugen. Des Weiteren wird mit dem Einsatz von Ausgleichsgetrieben erreicht, dass Antriebsräder einer Antriebsfahrzeugachse mit unterschiedlichen Drehzahlen unabhängig voneinander entsprechend den verschiedenen Weglängen der linken bzw. rechten Fahrspur angetrieben werden können, wodurch das Antriebsmoment symmetrisch und somit giermomentenfrei auf beide Antriebsräder verteilbar ist.
Diesen beiden Vorteilen steht jedoch der Nachteil gegenüber, dass die auf die Fahrbahn übertragbaren Vortriebskräfte zweier Antriebsräder einer Fahrzeugachse bzw. zweier oder mehrerer Antriebsachsen aufgrund der Ausgleichstätigkeit eines Differenzialgetriebes jeweils von dem geringeren bzw. geringsten übertragbaren Antriebsmoment der beiden Antriebsräder bzw. der Antriebsachsen abhängig ist. Das bedeutet, wenn ein beispielsweise auf Glatteis stehendes Antriebsrad durchdreht, wird dem anderen Antriebsrad kein höheres Moment als dem durchdrehenden Antriebsrad zugeführt, auch wenn es auf griffigem Untergrund steht. In einer solchen Fahrsituation kann das Fahrzeug aufgrund der Ausgleichstätigkeit eines Differenzialgetriebes, welche eine Drehzahldifferenz zwischen zwei Abtriebswellen eines Differenzialgetriebes ermöglicht, nachteilhafterweise nicht anfahren.
Deshalb ist in der Praxis dazu übergegangen worden, eine Ausgleichsbewegung eines Ausgleichsgetriebes bei Vorliegen kritischer Fahrzustände durch geeignete Maßnahmen zu behindern. Dies wird beispielsweise durch eine manuell oder automatisch mit mechanischen, magnetischen, pneumatischen oder hydraulischen Mitteln aktivierbare und an sich bekannte Differenzialsperre realisiert, die durch ein Blockieren des Ausgleichsgetriebes jede Ausgleichsbewegung zu 100 % sperrt.
Des Weiteren werden selbsttätig sperrende Differenziale, die auch Ausgleichsgetriebe mit begrenztem Schlupf oder Sperrdifferenziale genannt werden, verwendet. Derartige Ausgleichsgetriebe ermöglichen es, auf ein Rad einer Fahrzeugachse oder eine Antriebsachse auch dann ein Drehmoment zu übertragen, wenn das andere Rad oder bei mehreren Antriebsachsen die andere Antriebsachse infolge schlechter Bodenhaftung durchrutscht. Gleichzeitig geht jedoch der Vorteil der vorgenannten giermomentenfreien Kraftübertragung verloren, und die freie Anpassung der Raddrehzahlen an die Weglängen der beiden Fahrspuren der beiden Antriebsräder einer Antriebsachse wird nachteilhafterweise ebenfalls behindert.
Weiters ist es aus der Praxis bekannt, extern angesteuerte Differenzialbremsen zum Einstellen eines Grades der Ausgleichstätigkeit eines Ausgleichsgetriebes vorzusehen. Derartige Differenzialbremsen stellen oft elektronisch geregelte und hydraulisch betätigte Systeme dar, bei welchen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Fahrzustand ein normalerweise nicht gesperrtes oder nur schwach gesperrtes Differenzial in weiten Grenzen sperrbar ist. Eine Höhe der Behinderung der Ausgleichstätigkeit eines Differenzialgetriebes ist über eine Steuerung an den jeweils aktuellen Fahrzustand anpassbar.
Letztgenannte Lösungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie durch einen hohen Steuerungs- und Regelungsaufwand charakterisiert sind und zudem aufgrund der Hydraulik einen hohen konstruktiven Aufwand erfordern.

Aus der DE 197 48 525 A1 ist eine Allradantriebseinheit mit einem Zentraldifferenzial bekannt, bei dem ein Getriebeausgangsmoment eines Schaltgetriebes über ein Antriebszahnrad in das Zentraldifferenzial eingeleitet wird. Das Getriebeausgangsmoment des Schaltgetriebes wird über den Planetenträger eines ersten Planetensatzes des Zentraldifferenzials in dieses eingeleitet und über Planeten auf das Sonnenrad des ersten Planetensatzes geführt, welches mit der linken Halbachse einer ersten angetriebenen Achse des Fahrzeugs verbunden ist. Das Hohlrad des ersten Planetensatzes ist einstückig mit dem Hohlrad eines zweiten Planetensatzes des Zentraldifferenzials ausgeführt, so dass das über dem Planetenträger des ersten Planetensatzes eingeleitete Antriebsmoment über die Planeten und das Hohlrad des ersten Planetensatzes auf das zweite Hohlrad des zweiten Planetensatzes geführt wird. Der Planetenträger des zweiten Planetensatzes ist mit einer zweiten Antriebsachse des Fahrzeuges wirkverbunden und das Sonnenrad des zweiten Planetensatzes steht mit der rechten Halbachse der ersten angetriebenen Achse des Fahrzeugs in Verbindung. Mit dieser mit einem Zentraldifferenzial ausgeführten Allradantriebseinheit besteht die Möglichkeit, ein Antriebsmoment einer Antriebsmaschine in Fahrzeugquerrichtung zwischen zwei Antriebsrädern einer Fahrzeugachse und zusätzlich in Fahrzeuglängsrichtung zwischen zwei Antriebsachsen im Bauraum optimierter Art und Weise zu verteilen.

Nachteilig dabei ist jedoch, dass eine durch die Zähnezahlen der beiden Planetensätze sowie die Kopplung der beiden Planetensätze fest vorgegebene Verteilung des Antriebsmomentes zwischen den Abtriebswellen des Zentraldifferenzials während des Betriebs nicht veränderbar ausgeführt ist, so dass eine betriebszustandsabhängige, individuelle Verteilung des Antriebsmomentes, um beispielsweise eine Fahrstabilität eines Fahrzeuges zu erhöhen, nicht durchführbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Getriebe zum Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Abtriebswellen zur Verfügung zu stellen, mittels dem eine Verteilung betriebszustandsabhängig variierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Getriebe gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie mit einem Verfahren zum Steuern und Regeln eines Getriebes gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 14 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Getriebe zum Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Abtriebswellen mit mindestens zwei wenigstens dreiwelligen Differenzialen ist mit einfachen konstruktiven Mitteln sowie mit geringem Bauraumbedarf ein Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den Abtriebswellen betriebszustandsabhängig variierbar.

Dies wird dadurch erreicht, dass die Übertragungsfähigkeiten der zwischen der dritten Welle des zweiten Differenziales und der zweiten Welle des ersten Differenziales sowie zwischen der zweiten Welle und der dritten Welle des zweiten Differenziales angeordneten reibschlüssigen Schaltelemente über eine Aktuatorik derart einstellbar sind, dass ein Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den Abtriebswellen betriebszustandsabhängig, beispielsweise zur Erhöhung einer Fahrstabilität eines Fahrzeugs, variierbar ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern und Regeln eines Getriebes, bei welchem zur Verteilung eines Antriebsmomentes zwischen den beiden Abtriebswellen die Übertragungsfähigkeiten der beiden reibschlüssigen Schaltelemente zwischen einem unteren Grenzwert, bei dem im Wesentlichen kein Drehmoment von den Kupplungen übertragen wird, und einem oberen Grenzwert, der einem synchronen Zustand der Kupplungen entspricht und bei dem ein an einer Kupplung anliegendes Drehmoment vollständig und wenigstens annähernd verlustfrei übertragen wird, besteht vorteilhafterweise die Möglichkeit, die für die jeweilige Fahrsituation günstigste Antriebscharakteristik einzustellen, sowie einen Wirkungsgrad des Getriebes zu verbessern.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Getriebes;
2 eine grafische Darstellung eines Zusammenhanges zwischen den Übertragungsfähigkeiten der reibschlüssigen Schaltelemente des Getriebes gemäß 1 und einem Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den beiden Abtriebswellen des Getriebes und
3 ein Räderschema eines ersten Ausführungsbeispieles des in 1 dargestellten Getriebes.
Bezug nehmend auf 1 ist ein Grundschema eines Getriebes 1 gezeigt, welches vorzugsweise als Differenzialgetriebe zur Längsverteilung eines Antriebsmomentes einer Antriebsmaschine in einem Fahrzeug einsetzbar ist. Mit dem Getriebe 1 besteht auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, das Antriebsmoment in Längsrichtung, d. h. in Fahrtrichtung eines Fahrzeuges gesehen, zwischen zwei antreibbaren Fahrzeugachsen eines Fahrzeuges bedarfsgerecht zu verteilen.
Das Getriebe 1 ist mit zwei Differenzialen 2, 3 ausgeführt, die in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles jedes aus der Praxis bekannte Differenzial, wie beispielsweise ein Minus- oder Plus-Planetensatz (in Bauart als Kegelrad- oder Stirnrad- oder Stufenrad-Planetensatz) sowie als ein Torsendifferenzial ausgebildet sein kann. Die Be-griffe Plus- und Minus-Planetensatz sind aus der Getrie besystematik bekannt (ein Plus-Planetensatz bezeichnet ein Planetengetriebe, dessen Hohlrad mit gleicher Drehrichtung rotiert wie das Sonnenrad, wenn der Steg festgehalten wird; entsprechend rotiert das Hohlrad eines Minus-Planetensatzes bei festgehaltenem Steg in zum Sonnenrad entgegengesetzter Richtung). Eine erste Welle 4 des ersten Differenzials 2 ist mit einer Getriebeausgangswelle 5 eines Hauptgetriebes 6 verbunden, das wiederum einer Antriebsmaschine 7 nachgeschaltet ist. Das Hauptgetriebe 6 ist zur Darstellung unterschiedlicher Übersetzungen vorgesehen und kann jedes an sich aus der Praxis bekannte Getriebe sein.
Eine zweite Welle 8 des ersten Differenzials 2 ist mit einer ersten Abtriebswelle 9 des Getriebes 1 verbunden, welche vorliegend mit der Vorderachse 9A des Antriebsstranges 10 wirkverbunden ist. Eine dritte Welle 11 des ersten Differenzials 2 ist mit einer ersten Welle 12 des zweiten Differenzials 3 verbunden. Eine zweite Welle 13 des zweiten Differenzials ist mit einer zweiten Abtriebswelle 14 des Getriebes 1, welche vorliegend zur Hinterachse 14A des Antriebsstranges 10 führt, verbunden. Zwischen einer dritten Welle 15 des zweiten Differenzials 3 und der zweiten Welle 8 des ersten Differenzials 2 sowie zwischen der zweiten Welle 13 und der dritten Welle 15 des zweiten Differenzials 3 ist jeweils ein reibschlüssiges Schaltelement 16 bzw. 17 angeordnet.
Die beiden reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sind vorliegend als steuer- und regelbare reibschlüssige Lamellenkupplungen ausgeführt, deren Übertragungsfähigkeiten jeweils über eine in 3 dargestellte Aktuatorik 18 einstellbar sind. Mit den reibschlüssigen Schaltelementen 16 und 17 besteht die Möglichkeit, ein Antriebsmoment der Antriebsmaschine 7 bzw. ein Getriebeausgangsmoment des Hauptgetriebes 6 variabel und bedarfsgerecht zwischen den beiden Abtriebswellen 9 und 14 zu verteilen.
Die Ansteuerung der beiden reibschlüssigen Schaltelemente 16 und 17 sowie die daraus resultierende Verteilung des an dem Getriebe 1 anliegenden Antriebsmomentes auf die beiden Fahrzeugachsen 9A und 14A bzw. die Abtriebswellen 9 und 14 wird anhand der Darstellung in 2 näher erläutert.
2 zeigt drei schematisierte Verläufe, wovon ein erster Verlauf gk_16 einen Verlauf einer Übertragungsfähigkeit der ersten Kupplung 16 bzw. des ersten reibschlüssigen Schaltelementes zwischen einem unteren Grenzwert W(u) und einem oberen Grenzwert W(o) darstellt. Ein weiterer Verlauf gk_17 stellt den Verlauf der Übertragungsfähigkeit der zweiten Kupplung 17 bzw. des zweiten reibschlüssigen Schaltelementes dar, der mit dem Verlauf gk_16 der ersten Kupplung 16 korrespondiert. Ein dritter Verlauf vt stellt den Verlauf eines Verteilungsgrades des Antriebsmomentes der Antriebsmaschine 2 zwischen den beiden Abtriebswellen 9 und 14 grafisch dar.
Im Punkt I, in welchem die Übertragungsfähigkeit der ersten Kupplung 16 dem unteren Grenzwert W(u) entspricht, wird über die erste Kupplung 16 im Wesentlichen kein Drehmoment übertragen. Gleichzeitig ist die Übertragungsfähigkeit der zweiten Kupplung 17 auf den oberen Grenzwert W(o) eingestellt, bei dem sich die zweite Kupplung 17 in einem synchronen Zustand befindet und zwischen den beiden Kupplungshälften der zweiten Kupplung 17 kein Schlupf auftritt. In diesem Betriebszustand der beiden Kupplungen 16 und 17 wird das Antriebsmoment der Antriebsmaschine 2 einem ersten Grundverteilungsgrad entsprechend zwischen den beiden Fahrzeugachsen 9A und 14A verteilt.
Im Bereich zwischen dem Punkt I und einem zweiten Punkt II des Diagramms gemäß 2 wird die Übertragungsfähigkeit der zweiten Kupplung 17 derart gesteuert und geregelt eingestellt, dass die Kupplung 17 in ihrem synchronen Zustand verbleibt. Gleichzeitig wird die Übertragungsfähigkeit der ersten Kupplung 16 von ihrem unteren Grenzwert W(u), bei dem sie kein Drehmoment überträgt, in Richtung des oberen Grenzwertes W(o) der Übertragungsfähigkeit verändert, bei welchem sich die erste Kupplung 16 ebenfalls in ihrem synchronen Zustand befindet. Das bedeutet, dass die Übertragungsfähigkeit der ersten Kupplung 16 im Bereich zwischen dem Punkt I und dem Punkt II stetig angehoben wird. Dies hat zur Folge, dass sich der Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den beiden Fahrzeugachsen 9A und 14A ändert, da mit steigender Übertragungsfähigkeit der ersten Kupplung 16 ein zunehmender Teil des Antriebsmomentes auf die vordere Fahrzeugachse 9A geführt wird.
Bei Vorliegen des Betriebszustandes des Antriebsstranges 10, der dem Punkt II des Diagramms gemäß 2 entspricht und bei dem sich beide Kupplungen 16 und 17 in synchronem Zustand befinden, sind die beiden Differenziale 2 und 3 und damit das Getriebe 1 gesperrt, so dass die beiden Abtriebswellen 9 und 14 mit gleicher Drehzahl angetrieben werden (und bei idealen Betriebsbedingungen bei Geradeausfahrt ein Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den beiden Fahrzeugachsen 9A und 14A von 50:50 vorliegt). Durch Aufhebung von Ausgleichsbewegungen stellt sich die Momen tenverteilung aufgrund der Reibwertverhältnisse der Räder ein.
In einem Bereich zwischen dem zweiten Punkt II und einem dritten Punkt III des Diagramms gemäß 2 wird die Übertragungsfähigkeit der ersten Kupplung 16 derart geregelt und gesteuert eingestellt, dass die erste Kupplung 16 in ihrem Synchronzustand gehalten wird. Gleichzeitig wird die Übertragungsfähigkeit der zweiten Kupplung 17 ausgehend von dem oberen Grenzwert W(o) der Übertragungsfähigkeit, bei welchem die zweite Kupplung 17 synchron ist, stetig in Richtung des unteren Grenzwertes W(u) der Übertragungsfähigkeit reduziert, bei dem die zweite Kupplung 17 im Wesentlichen kein Drehmoment überträgt.
Wie 2 zu entnehmen ist, steigt der Verlauf vt des Verteilungsgrades des Antriebsmomentes zwischen den Fahrzeugachsen 9A und 14A bzw. zwischen den beiden Abtriebswellen 9 und 14 mit zunehmender Reduzierung der Übertragungsfähigkeit der zweiten Kupplung 17 bis hin zu seinem maximalen Wert im Punkt III an, bei dem das Antriebsmoment einem zweiten Grundverteilungsgrad entsprechend zwischen den beiden Abtriebswellen 9 und 14 verteilt wird.
Mittels der beiden steuer- und regelbaren Kupplungen 16 und 17 besteht die Möglichkeit, das Antriebsmoment der Antriebsmaschine 7 bzw. das Getriebeausgangsmoment des Hauptgetriebes 6 bedarfsgerecht, stufenlos und wirkungsgradoptimiert zwischen den Fahrzeugachsen 9A und 14A zu verteilen. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Getriebes 1 wird durch die vorbeschriebene Vorgehensweise bei der Steuerung und Regelung der Übertragungsfähigkeiten der beiden Kupplungen erreicht, da stets eine der beiden Kupplun gen 16 bzw. 17 schlupffrei betrieben wird, während die andere Kupplung 17 bzw. 16 mit einer mit der betriebssituationsabhängigen Antriebsleistungsverteilung im Antriebsstrang korrespondierenden Differenzdrehzahl betrieben wird. Mittels dieser Betriebsstrategie lassen sich die Reibungsverluste mit allen Vorteilen eines kupplungsgesteuerten Allradantriebes minimieren.
Des Weiteren besteht durch den Einsatz der beiden steuer- und regelbaren Kupplungen 16 und 17 im Getriebe 1 vorteilhafterweise die Möglichkeit, das Hauptgetriebe 6 ohne ein separates Anfahrelement, wie beispielsweise einen hydrodynamischen Drehmomentwandler oder eine reibschlüssige Anfahrkupplung, auszuführen oder ein Anfahrelement als zusätzliches Bauelement in den Antriebsstrang integrieren zu müssen, da entweder eine der beiden Kupplungen 16 bzw. 17 oder beide Kupplungen 16 und 17 die Funktion eines Anfahrelementes übernehmen können.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die beiden Kupplungen als Anfahrhilfe für einen mit einer abgasturbogeladenen Dieselbrennkraftmaschine ausgeführten Antriebsstrang einzusetzen, da Dieselbrennkraftmaschinen dieser Bauart bekannterweise eine Anfahrschwäche aufweisen. Über die beiden Kupplungen 16 und 17 besteht wiederum die Möglichkeit, den Abtrieb eines Kraftfahrzeuges von der Dieselbrennkraftmaschine zunächst zu entkoppeln und auf eine erforderliche Drehzahl zu führen, bei welcher der Abgasturbolader ausreichend wirksam ist und bei Erreichen dieser Drehzahl den Kraftfluss zwischen der Dieselbrennkraftmaschine und dem Abtrieb des Fahrzeuges über die beiden Kupplungen 16 und 17 auf einfache Art und Weise wieder herzustellen. Hierdurch wird ein zügiges, sportliches Anfahrverhalten des Fahrzeugs erreicht.
Ist das Hauptgetriebe 6 beispielsweise als ein stufenloses Getriebe mit einem Kettenvariator ausgeführt, besteht vorteilhafterweise die Möglichkeit, den Variator bei stehendem Fahrzeug in seine Anfahrübersetzung zu verstellen, wenn der stehende Abtrieb des Fahrzeuges bei geöffneten Kupplungen 16 und 17 von dem Hauptgetriebe 7 getrennt ist.
Darüber hinaus ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Antriebsstranges 10 mit dem Getriebe 1, das mit den beiden Kupplungen 16 und 17 ausgeführt ist, eine optimale Beeinflussung der Fahrdynamik, der Traktion sowie der Stabilität eines mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstranges ausgeführten Fahrzeuges gewährleistet. Des Weiteren ist der Antriebsstrang 10 im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Lösungen durch ein geringeres Gewicht gekennzeichnet.
Die beiden Differenziale 2 und 3 sind entsprechend ihrer konstruktiven Ausgestaltung jeweils durch eine bestimmte Übersetzung gekennzeichnet. Die Übersetzungen der beiden Differenziale bestimmen die beiden vorgenannten Grundverteilungsgrade, welche sich bei geschlossener erster Kupplung 16 oder bei geschlossener zweiter Kupplung 17 bei gleichzeitig geöffneter zweiter Kupplung 17 bzw. geöffneter erster Kupplung 16 einstellen. D. h., dass zur Einstellung definierter Grundverteilungsgrade jeweils Differenziale mit den entsprechenden mechanisch vorgegebenen Übersetzungen vorzusehen sind. Die Grundverteilungsgrade sind in allen Fahrsituationen eines Fahrzeugs, wie einer Vorwärtsfahrt, einer Rückwärtsfahrt, einem Zug- oder Schubbetrieb oder während einer Kurvenfahrt wirksam.
So wird bei geschlossener zweiter Kupplung 17 das zweite Differenzial 3 überbrückt und das Antriebsmoment wird dem zweiten Grundverteilungsgrad entsprechend, bei dem beispielsweise 30 % des Antriebsmomentes auf die Vorderachse und 70 % des Antriebsmomentes auf die Hinterachse des Antriebsstranges 10 geführt wird, verteilt. Gleichzeitig führt das erste Differenzial 2, wie ein aus der Praxis an sich bekanntes offenes Differenzial lediglich Ausgleichsbewegungen aus, wodurch Verspannungen im Antriebsstrang 10 vermieden werden. Das zweite Differenzial 3 läuft verlustfrei in verblocktem Zustand um, wobei das Fahrzeug mit dominierender Hinterachse zum Übersteuern neigt.
Bei geschlossener erster Kupplung 16 und gleichzeitig geöffneter Kupplung 2 wird das Antriebsmoment zwischen den beiden Abtriebswellen 9 und 14 dem ersten Grundverteilungsgrad entsprechend verteilt, wobei der Grundverteilungsgrad derart ausgeführt sein kann, dass 60 % des Antriebsmomentes auf die Vorderachse und 40 % des Antriebsmomentes auf die Hinterachse des Antriebsstranges 10 geführt wird. Die beiden Differenziale 2 und 3 führen in diesem Betriebszustand der Kupplungen 16 und 17 lediglich Ausgleichsbewegungen aufgrund unterschiedlicher Schlupfzustände an den Antriebsrädern sowie unterschiedlicher Kurvenradien während Kurvenfahrten aus und das Fahrzeug neigt mit dominierender Vorderachse zum Untersteuern.
Werden beide Kupplungen 16 und 17 gleichzeitig geschlossen bzw. in synchronem Zustand betrieben, sind die beiden Differenziale 2 und 3 gesperrt bzw. verblockt, so dass keine getriebeseitige Ausgleichstätigkeit vorliegt und bei schwierigen Fahrbahnverhältnissen eine optimale Traktion zur Verfügung gestellt werden kann.
Durch eine geeignete Ansteuerung können zwischen den beiden Grundverteilungsgraden des Antriebsmomentes zwischen den Abtriebswellen des Getriebes 1, die eindeutige Betriebszustände darstellen, stufenlos alle Verteilungsgrade eingestellt werden, um die für die jeweilige Fahrsituation günstigste Antriebscharakteristik erzeugen zu können. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, während eines Anfahrvorganges oder bei sprungartigen Änderungen des Reibwertes des Untergrundes die antreibbaren Fahrzeugachsen des Antriebsstranges eines Fahrzeuges mit gleichen Drehzahlen anzutreiben, was durch gleichzeitiges Schließen der beiden Kupplungen erreicht wird.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, den Antriebsstrang 10 während einer gradlinigen Bewegung oder in leichten Kurven mit einer dominierenden Hinterachse darzustellen, wozu die zweite Kupplung 16 in synchronem Zustand zu betreiben ist und über die erste Kupplung 16 im Wesentlichen kein Drehmoment zu führen ist. Dieser Betriebszustand des Antriebsstranges ist zudem auch für ein Notprogramm geeignet, welches beim Ausfall der erfindungsgemäßen Ansteuerung der beiden Kupplungen zur Verfügung gestellt wird und bei dem die zweite Kupplung 17 über eine entsprechende Aktuatorik, vorzugsweise einen Federspeicher, in geschlossenem Zustand gehalten wird.
In Kurvenfahrten, in denen aus Gründen der Fahrstabilität ein untersteuerndes Fahrverhalten eines Fahrzeuges erwünscht ist, wird die erste Kupplung bei gleichzeitig geöffneter zweiter Kupplung in synchronem Zustand betrieben, so dass das Fahrzeug mit einer dominierenden Vorderachse dargestellt wird.
3 zeigt nun ein Ausführungbeispiel des in 1 stark schematisiert dargestellten, erfindungsgemäßen Getriebes 1.
Bei dem in 3 dargestellten Räderschema des Getriebes 1 sind die beiden Differenziale 2 und 3 jeweils als Planetensätze ausgebildet, wobei die erste Welle 4 des ersten Differenzials 2 als Planetenträger, die zweite Welle 8 des ersten Differenzials 2 als Sonnenrad und die dritte Welle 11 des ersten Differenzials 2 als Hohlrad ausgeführt ist. Das Hohlrad 11 des ersten Differenzials 2 ist integral mit der ebenfalls als Hohlrad ausgeführten ersten Welle 12 des zweiten Differenzials 3 ausgebildet. Die zweite Welle 13 des zweiten Differenzials 3 ist vorliegend als Planetenträger und die dritte Welle 15 des zweiten Differenzials 3 ist als Sonnenrad ausgeführt.
Darüber hinaus ist das zweite Differenzial im Gegensatz zu dem als einfacher Planetensatz ausgeführten ersten Differenzial 2 als doppelter Planetensatz, d. h. mit jeweils zwei miteinander kämmenden Planeten 19A und 19B ausgebildet, um die erforderliche Drehzahlinvertierung zwischen den Hohlrädern 11 bzw. 12 und dem Sonnenrad 15 des zweiten Differenzials zu erreichen, da das Sonnenrad 15 des zweiten Differenzials 3 und das Sonnenrad 8 des ersten Differenzials 2 über die Kupplung 16 miteinander in Wirkverbindung bringbar sind. Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes, das erste Differenzial 2 als doppelten Planetensatz und das zweite Differenzial 3 als einfa chen Planetensatz auszuführen, um nach Erfordernis weitere Ausbildungen der Grundverteilungen zu realisieren.
Die beiden Kupplungen 16 und 17 werden vorliegend über die elektrohydraulische Aktuatorik 18 angesteuert, wobei die Aktuatorik 18 im Bereich der zweiten Kupplung 17 zusätzlich mit einer mechanischen Komponente 20 ausgeführt ist, mittels der eine Fahrbarkeit eines mit dem Getriebe 1 ausgeführten Fahrzeuges bei einem Ausfall der elektrohydraulischen Komponente der Aktuatorik 18 sichergestellt wird. Die mechanische Komponente 20 der Aktuatorik 18 ist vorliegend als eine Federeinrichtung ausgeführt, die die zweite Kupplung 17 ohne den von der elektrohydraulischen Komponente der Aktuatorik 18 anliegenden Ansteuerdruck in einem synchronen Zustand bzw. in einem geschlossenen Zustand hält. Das bedeutet, dass die zweite Kupplung 17 von der elektrohydraulischen Komponente der Aktuatorik 18 durch einen entsprechenden Ansteuerdruck bedarfsweise geöffnet oder derart schlupfend betrieben werden kann, dass die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Zustände des Getriebes 1 darstellbar sind.
Die Ausgestaltung der Aktuatorik 18 mit der elektrohydraulischen Komponente und der mechanischen Komponente 20 bietet zusätzlich die Funktionalität einer Parkbremse, welche bei einer Kombination des Getriebes 1 mit einem als Automatgetriebe ausgeführten Hauptgetriebe 6 zur Fahrzeugsicherung im Fahrzeugstillstand abtriebsseitig des Hauptgetriebes benötigt wird.
Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes das Getriebe 1 mit einer herkömmlichen Parksperreneinrichtung 21, welche, wie in 3 dargestellt, der Abtriebs welle 9 oder auch Welle 14 zugeordnet ist, im Kraftfluss des Antriebsstranges den beiden Differenzialen 2 und 3 nachgeschaltet anzuordnen.
Generell sind bei dem erfindungsgemäß ausgeführten Getriebe 1 im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Überlagerungsgetrieben Wälzverluste minimiert, da über die Zahnradpaarungen lediglich reine Ausgleichsbewegungen zwischen den Fahrzeugachsen eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges ausgeführt werden. Zusätzlich ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Getriebes im Vergleich zu herkömmlichen Verteilergetrieben mit regelbaren Sperren verbessert, da die Verluste in den beiden reibschlüssigen Schaltelementen bzw. den Kupplungen durch Vermeidung langanhaltender Schlupfzustände während der Regelung der Kupplungen reduziert werden. Darüber hinaus steht eine Überlagerungsfunktionalität des Getriebes 1, welche durch die beiden Differenziale 2 und 3 zur Verfügung gestellt wird, unabhängig von der jeweilig vorliegenden Fahrsituation, wie beispielsweise der Kurvensituation, den Schlupfverhältnissen sowie den dynamischen Raddurchmesser-Veränderungen, zur Verfügung, so dass das Antriebsmoment mit jeweils an die Fahrsituation angepassten Verteilungsgraden zwischen den Fahrzeugachsen verteilt werden kann.

1: Getriebe
2: erstes Differenzial
3: zweites Differenzial
4: erste Welle des ersten Differenzials
5: Getriebeausgangswelle
6: Hauptgetriebe
7: Abtriebsmaschine
8: zweite Welle des ersten Differenzials
9: erste Abtriebswelle
9A: Vorderachse
10: Antriebsstrang
11: dritte Welle des ersten Differenzials
12: erste Welle des zweiten Differenzials
13: zweite Welle des zweiten Differenzials
14: zweite Abtriebswelle
14A: Hinterachse
15: dritte Welle des zweiten Differenzials
16: reibschlüssiges Schaltelement, erste Kupplung
17: reibschlüssiges Schaltelement, zweite Kupplung
18: Aktuatorik
19A, B: Planet des zweiten Differenzials
20: mechanische Komponente der Aktuatorik
21: Parksperreneinrichtung
gk_16: Verlauf der Übertragungsfähigkeit
: der ersten Kupplung
gk_17: Verlauf der Übertragungsfähigkeit
: der zweiten Kupplung
vt: Verteilungsgrad

Claims

Getriebe (1) zum Verteilen eines Antriebsmomentes auf wenigstens zwei Abtriebswellen (9, 14) mit mindestens zwei wenigstens dreiwelligen Differenzialen (2, 3), wobei eine erste Welle (4) des ersten Differenzials (2) mit einer Antriebswelle (5) und eine zweite Welle (8) des ersten Differenzials (2) mit der ersten Abtriebswelle (9) verbunden ist, wobei eine dritte Welle (11) des ersten Differenzials (2) mit einer ersten Welle (12) des zweiten Differenzials (3) und eine zweite Welle (13) des zweiten Differenzials (3) mit der zweiten Abtriebswelle (14) verbunden ist, wobei zwischen einer dritten Welle (15) des zweiten Differenzials (3) und der zweiten Welle (8) des ersten Differenziales (2) sowie zwischen der zweiten Welle (13) und der dritten Welle (15) des zweiten Differenziales (3) jeweils ein reibschlüssiges Schaltelement (16, 17) angeordnet ist, deren Übertragungsfähigkeiten jeweils über eine Aktuatorik (18) einstellbar sind, und wobei das Antriebsmoment zwischen den beiden Abtriebswellen (9, 14) in Abhängigkeit der eingestellten Übertragungsfähigkeiten der Kupplungen (16, 17) verteilbar ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Differenzial (2) und das zweite Differenzial (3) jeweils als Planetensatz ausgeführt ist.
Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Welle (4) des ersten Planetensatzes (2) als ein Planetenträger, die zweite Welle (8) als ein Sonnenrad und die dritte Welle (11) als ein Hohlrad ausgeführt ist.
Getriebe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (12) des zweiten Planetensatzes (3) als ein Hohlrad, die zweite Welle (13) als ein Planetenträger und die dritte Welle (14) als ein Sonnenrad ausgeführt ist.
Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlrad (12) und dem Sonnerad (14) des zweiten Planetensatzes (3) jeweils zwei miteinander kämmende Planeten (19A, 19B) vorgesehen sind, wobei ein Planet (19B) in das Sonnenrad (14) und ein Planet (19A) in das Hohlrad (12) eingreift.
Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlrad und dem Sonnerad des ersten Planetensatzes jeweils zwei miteinander kämmende Planeten vorgesehen sind, wobei ein erster Planet in das Sonnenrad und ein zweiter Planet in das Hohlrad eingreift.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmoment bei synchronem ersten Schaltelement (6) und bei einer gleichzeitig vorliegenden Übertragungsfähigkeit des zweiten Schaltelementes (17), bei der über das zweite Schaltelement (17) im Wesentlichen kein Drehmoment führbar ist, mit einem ersten Grundverteilungsgrad zwischen den beiden Abtriebswellen (9, 14) verteilbar ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmoment bei synchronem zweiten Schaltelement (16) und bei einer gleichzeitig vorliegenden Übertragungsfähigkeit des ersten Schaltelements (17), bei der über das erste Schaltelement (16) im Wesentlichen kein Drehmoment führbar ist, mit einem zweiten Grundverteilungsgrad zwischen den beiden Abtriebswellen (9, 14) verteilbar ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei synchronem ersten Schaltelement (16) und bei gleichzeitig synchronem zweiten Schaltelement die beiden Abtriebswellen (9, 14) mit gleicher Drehzahl antreibbar sind.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftfluss zwischen der Antriebswelle (5) und den Abtriebswellen (9, 14) unterbrochen ist, wenn die Schaltelemente (16, 17) gleichzeitig derartige Übertragungsfähigkeiten aufweisen, dass über die Schaltelemente (16, 17) im Wesentlichen kein Drehmoment führbar ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Abtriebswelle (9) und/oder der zweiten Abtriebswelle (14) eine Parksperreneinrichtung (21) zugeordnet ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorik (18) ein elektrohydraulisches System ist.
Getriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorik (18) sowohl elektrohydraulische Komponenten als auch mechanische Komponenten (20) aufweist.
Verfahren zum Steuern und Regeln eines Getriebes (1) gemäß einem der vorstehend genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verteilung eines Antriebsmomentes zwischen den beiden Abtriebswellen (9, 14) die Übertragungsfähigkeiten der beiden Schaltelemente (16, 17) zwischen einem unteren Grenzwert (W(u)), bei dem im Wesentlichen kein Drehmoment von den Schaltelementen (16, 17) übertragen wird, und einem oberen Grenzwert (W(o)), der einem synchronen Zustand der Schaltelemente (16, 17) entspricht und bei dem ein an einem Schaltelement (16, 17) anliegendes Drehmoment vollständig und wenigstens annähernd verlustfrei übertragen wird, variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfähigkeiten der Schaltelemente (16, 17) zur Minimierung von Verlustleistungen im Getriebe (1) derart eingestellt werden, dass ein Schaltelement (16 bzw. 17) einen synchronen Zustand aufweist und die Übertragungsfähigkeit des anderen Schaltelementes (17 bzw. 16) zwischen dem unteren Grenzwert (W(u)) und dem oberen Grenzwert (W(o)) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmoment bei synchronem ersten Schaltelement (16) und bei Vorliegen des zweiten Schaltelementes (17) mit einer Übertragungsfähigkeit, die dem unteren Grenzwert (W(u)) entspricht, mit einem Verteilungsgrad zwischen den Abtriebswellen (9, 14) verteilt wird, der einem ersten Grundverteilungsgrad entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmoment bei synchronem zweiten Schaltelement (17) und bei Vorliegen des ersten Schaltelementes (16) mit einer Übertragungsfähigkeit, die dem unteren Grenzwert (W(u)) entspricht, mit einem Verteilungsgrad zwischen den Abtriebswellen (9, 14) verteilt wird, der einem zweiten Grundverteilungsgrad entspricht.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verteilungsgrad des Antriebsmomentes zwischen den beiden Abtriebswellen (9, 14) zwischen dem ersten Grundverteilungsgrad und dem zweiten Grundverteilungsgrad in Abhängigkeit der Übertragungsfähigkeit des Schaltelements (16 oder 17) variiert, deren Übertragungsfähigkeit verändert wird, wobei jeweils die Übertragungsfähigkeit des anderen Schaltelements (17 oder 16) auf dem oberen Grenzwert (W(o)) gehalten wird.