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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Provisional
Application Nr. 60/443,830, angemeldet am 30. Januar 2003, sowie
der US-Anmeldung 10/435,852, angemeldet am 12. Mai 2003, deren gesamte
Offenbarung durch diese Bezugnahme zum Bestandteil dieser Anmeldung
gemacht wird.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Differentialgetriebeanordnung und insbesondere auf
ein Differentialgetriebe mit geringem Gewicht und mit einer vorspannenden
Vorlast.
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Differentialanordnungen sind in der
Technik bekannt und umfassen im Allgemeinen offene Differentiale
oder Ausgleichsgetriebe, Differentialgetriebe mit begrenztem Schlupf
und Sperrdifferentialgetriebe, wobei die einfachsten davon offene
Differentialgetriebe sind. Ein offenes Differential überträgt gleiche
Drehmomente auf jedes Rad. In Situationen mit geringer Traktion,
beispielsweise beim Fahren auf Eis, ist das auf die Räder übertragbare
Drehmoment, ohne dass eines der Räder durchdreht, auf den größten Drehmomentbetrag
begrenzt, der auf das Rad mit der geringsten Traktion angewendet
werden kann. Ein in 1 gezeigtes
konventionelles offenes Differentialgetriebe umfasst ein Differentialgehäuse 20,
in welchem Seitenzahnräder 41 und 42 und
Ritzel 30 gelagert sind, die vom Differentialgehäuse 20 um schlossen
werden. Eine plane Druckscheibe 60 ist jeweils zwischen
den Seitenzahnrädern 41, 42 und dem
Differentialgehäuse 20 angeordnet,
um zu verhindern, dass die Seitenzahnräder 41 und 42 in
das Differentialgehäuse 20 eingreifen.
Die Druckscheiben 60 werden typischerweise mit spezifischen
Toleranzen hergestellt, um eine Vorspannung oder eine Sperrmoment
zu verhindern.
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Differentiale mit begrenztem Schlupf
umfassen im Allgemeinen die Komponenten eines offenen Differentialgetriebes
und darüber
hinaus auch ein Kupplungselement und ein Vorspannelement, beispielsweise
eine Feder. Teile der Kupplungselemente drehen sich mit den Seitenzahnrädern. Das
Vorspannelement drückt
die Seitenzahnräder
auseinander, um ein Anfangssperrmoment innerhalb des Kupplungselements
zu erzeugen. Dieses Anfangssperrmoment verhindert, dass sich die
Seitenzahnräder relativ
zueinander drehen, bis die Anfangssperrmoment überwunden ist. Die Größe des Anfangssperrmoment
ist eine Funktion der vom Vorspannelement angewendeten Kraft, der
Anzahl der Reibflächen
im Kupplungselement, der Oberfläche
der Reibflächen, und
dem Reibungskoeffizienten der Reibflächen. In Situationen mit niedriger
Traktion erzeugen Differentialgetriebe mit begrenztem Schlupf ein
Sperrmoment, so dass, wenn eine relative Rotation der Seitenzahnräder zueinander
erst auftritt, wenn das auf jedes Rad angewendete maximale Drehmoment
größer ist
als das Drehmoment, das zur Überwindung des
Kupplungselements erforderlich ist. Dies stellt eine wesentliche
Verbesserung gegenüber
einem offenen Differential dar. Die vom Kupplungselement aufgebaute
Vorspannung bewirkt typischerweise bei Differentialgetrieben mit
begrenzten Schlupf ein Sperrmoment welches größer ist als 108 Nm.
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Vierradantriebe oder Allradgetriebene
Fahrzeuge umfassen typischerweise eine konstant angetriebene Achse 4 und
eine wahlweise zuschaltbare Achse 2 (6). Zuschalten der wahlweise zuschaltbaren
Achse 2 umfasst typi scherweise das Betätigen eines Verteilergetriebes 80 und
von Radnabenarretierungen 92 (6). Beim Betätigen stellen die Radnabenarretierungen 92 sicher,
dass sich die Räder mit
ihren zugeordneten Wellen drehen. Wenn die wahlweise zuschaltbare
Achse 2 nicht angetrieben wird, sind die Arretierungen 92 gelöst, so dass
sich die Räder
relativ zu den zugeordneten Achswellen drehen können, um somit die Kraftstoffeffizienz
zu verbessern.
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Jedoch kann ein Differentialgetriebe
mit begrenztem Schlupf an der wahlweise zuschaltbaren Achse 2 nicht
erforderlich oder nicht erwünscht
sein. Beispielsweise erhöhen
sich durch den Einbau eines Differentialgetriebes mit begrenztem
Schlupf an einer wahlweise zuschaltbaren Achse 2, typischerweise der
Vorderachse, die Fahrzeugkosten und darüber hinaus kann die Lenkung
ungünstig
beeinflusst werden. Somit ist es üblicherweise wünschenswert,
ein offenes Differential für
die wahlweise zuschaltbaren Achse zu verwenden. Ein Problem bei
der Verwendung eines offenen Differentials auf der wahlweise zuschaltbaren
Achse besteht darin, dass während die
Radnabenarretierungen 92 und das Verteilergetriebe 80 nicht
in Eingriff stehen, sich die Ausgangshalbwellen 12 und 14 mit
unterschiedlichen Drehzahlen aufgrund der inhärenten Reibung oder Zugkraftdifferenzen
zwischen jeder der Ausgangshalbwellen drehen können. Wenn sich die Ausgangshalbwellen mit
verschiedenen Geschwindigkeiten drehen, können von den eingreifenden
Zähnen
zwischen den Seitenzahnrädern 40 und
den Ritzeln 30 Geräusche, Vibrationen
und Rauheiten auftreten, wenn diese sich innerhalb des Differentialgehäuses 20 drehen. Unterschiedliche
Geschwindigkeiten der Halbwellen 12 und 14 können es
auch erschweren, die Radendnabenarretierungen 92 in Eingriff
zu bringen und können
ein Eingreif- oder Schaltgeräusch
hervorrufen, was zu Verschleiß sowie
Geräuschen,
Vibrationen oder Rauheiten führt,
wenn die Radnabenarretierungen eingreifen. Somit ist es wünschenswert
sicherzustellen, dass die Differentialseitenzahnräder 40 und die
Ausgangswellen 12 und 14 mit derselben Drehzahl
rotieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb,
eine Differentialanordnung anzugeben, bei der oben genannte Nachteile überwunden
werden und bei der die Drehzahlen der Seitenzahnräder und
der Ausgangswellen möglichst
gleich sind.
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Mit Blick auf das Obenstehende ist
die vorliegende Erfindung im Wesentlichen darauf gerichtet, ein
offenes Differential anzugeben, dem ein Vorspannelement zwischen
den Seitenzahnrädern
hinzugefügt
wird. Das Vorspannelement übt
eine Kraft auf die Seitenzahnräder
aus, wodurch ein Anfangsvorspannmoment erzeugt wird, so dass die
Seitenzahnräder
an einer relativen Drehung zueinander gehindert werden, bis das
Anfangsvorspannmoment überwunden
ist. Insbesondere erzeugt die angewendete Kraft ein Vorspannmoment
zwischen den Seitenzahnrädern
und dem Vorspannelement, den Seitenzahnrädern und der Scheibe, und der
Scheibe und dem Differentialgehäuse,
wobei die Summe davon ungefähr
gleich der Anfangssperrmoment ist.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann das Differentialgehäuse ohne
die Scheiben, die typischerweise in einem offenen Differential vorhanden sind,
montiert werden, so dass die vom Vorspannelement aufgewendete Kraft
ein Sperrmoment zwischen dem Vorspannelement und den Seitenzahnrädern und
zwischen den Seitenzahnrädern
und dem Differentialgehäuse
bewirkt, um ein Anfangssperrmoment zu erzeugen. In anderen Ausführungsbeispielen kann
das Vorspannelement eine Kraft auf die Ritzel ausüben, die
drehend mit den Seitenzahnrädern
in Eingriff stehen. Die auf die Ritzel angewendete Kraft erzeugt ähnlich zu
dem oben Beschriebenen in Bezug auf die Seitenzahnräder, an
den Ritzeln ein Anfangssperrmoment, so dass aufgrund des drehenden Eingriffs
der Seitenzahnräder
mit den Ritzeln die Seitenzahnräder
an einer relativen Rotation zueinander gehindert werden, bis das
Anfangssperrmoment an den Ritzeln überwunden wird.
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Der weitere Anwendungsbereich der
vorliegenden Erfindung wird durch die folgende detaillierte Beschreibung
der Ansprüche
und Zeichnungen deutlich. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass die
detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, die bevorzugte
Ausführungen
der Erfindung darstellen, nur zur Veranschaulichung angegeben sind,
da für den
auf diesem Gebiet tätigen
Fachmann verschiedene Veränderungen
und Modifikationen der Erfindung offensichtlich sind.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand
der im Folgenden angegebenen, detaillierten Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und
angehängten
Zeichnungen deutlicher. Es zeigen:
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1 eine
Teilschnittdarstellung eines Differentials gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine
Teilschnittdarstellung einer Differentialanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
Seitenansicht einer Druckscheibe gemäß 2;
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4 eine
Explosionsdarstellung des Differentials gemäß 2;
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5 eine
Seitenansicht des Differentials gemäß 2;
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6 ist
eine schematische Ansicht eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs
mit einer wahlweise zuschaltbaren Achse;
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7 ist
eine Teilschnittdarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels,
das ein in die Ritzelzahnräder
eingreifendes Vorspannelement zeigt; und
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8 ist
eine Teilschnittdarstellung eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels,
das die Differentialanordnung ohne Druckscheiben zeigt.
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In 2 ist
ein Differential 10 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
dargestellt. Das Differential 10 empfängt ein Eingangsdrehmoment
von einer Antriebswelle 6 (6)
und überträgt das Drehmoment
auf eine erste Achswelle 12 und eine zweite Achswelle 14.
Insbesondere wird ein Differentialgehäuse 20 um eine Differentialachse 70 von
der Antriebswelle 6 gedreht. Das übertragene Drehmoment wird
von dem Differentialgehäuse 20 zu
den Ausgangshalbwellen 12 und 14 durch ein Paar
von Ritzeln 30 und ein Paar von Seitenzahnrädern übertragen,
die innerhalb des Differentialgehäuses 20 angeordnet
sind. Wie in 4 dargestellt,
umfassen die Seitenzahnräder
ein erstes Zahnrad 41, das an die erste Halbwelle 12 gekoppelt
ist und ein zweites Zahnrad 42, das an die zweite Ausgangshalbwelle 14 gekoppelt
ist. Das Differential 10 umfasst auch ein Vorspannelement 50,
um die Seitenzahnräder 41 und 42 gegen
das Differentialgehäuse 20 oder
gegen eine Druckscheibe 60 zu drücken, die zwischen den Seitenzahnrädern 41 und 42 und
dem Differentialgehäuse 20 gesichert
angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein Anfangssperrmoment erzeugt,
welches eine relative Drehung zwischen den Seitenzahnrädern 41 verhindert,
so dass sich die Ausgangshalbwellen 12 und 14 gemeinsam
drehen, bis das Anfangssperrmoment überwunden ist. Eine Differentialabdeckung (nicht
gezeigt) kann das Differentialgehäuse 20 umschließen, um
das Differential vor Verschmutzung zu schützen.
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Das Differential 10 wird
weiter unten beschrieben, wie es in einem Fahrzeug mit einer Antriebsachse 4 und
einer wahlweise zuschaltbaren Achse 2 (6) eingebaut ist, wobei jedoch leicht
erkannt wird, dass das Differential 10 eine breitere Anwendbarkeit
aufweist und an jeder angetriebenen Achse verwendet werden kann.
Zum Beispiel ist das Differential 10 der vorliegenden Erfindung
insbesondere gut für
Anwendungen geeignet, bei denen es wün schenswert aber ökonomisch
nicht praktikabel ist, ein Differential mit begrenztem Schlupf anzuwenden,
oder bei typischen Anwendungen von offenen Differentialen, wobei
jedoch ein kleineres Sperrmoment als das typische Sperrmoment von
Differentialen mit begrenztem Schlupf erwünscht ist.
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Das Differentialgehäuse 20 ähnelt den
Differentialgehäusen
der meisten offenen Differentiale und umfasst im Wesentlichen eine
Stützfläche 24,
an der eine Druckscheibe 60 anliegt. Das Differentialgehäuse 20 weist
auch Bohrungen 26 auf, um einen Differentialstift 32 aufzunehmen
und abzustützen,
um den sich die Ritzelzahnräder 30 drehen.
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Die Seitenzahnräder 41 und 42 und
die Ritzel 30 ähneln
denen in den meisten offenen Differentialen, können jedoch in Größe und Form
abhängig von
der gewünschten
Anwendung variieren. Die Seitenzahnräder 41 und 42 drehen
sich um die Differentialachse 70, während sich die Ritzel 30 um
eine Ritzelachse 72 drehen. Das Differential 10 ist
mit zwei Ritzeln 30 dargestellt, obwohl die Konfiguration
auch so verändert
werden kann, dass weitere Ritzel vorgesehen sind. Die Ritzel 30 stehen
in Eingriff mit oder greifen in das erste Seitenzahnrad 41 und
zweite Seitenzahnrad 42 ein, die jeweils mit der ersten
Ausgangshalbwelle 12 und der zweiten Ausgangshalbwelle 14 drehfest
verbunden sind, so dass, wenn die Raddrehzahlen der gegenüberliegenden
Rädern 16 voneinander
abweichen, sich die Ritzel um die Ritzelachse 72 drehen.
Hierdurch wird es ermöglicht,
dass sich die Seitenzahnräder 41 und 42 relativ
zueinander drehen. Eine Ritzelscheibe 34 kann zur Reibungsvermeidung
zwischen das Ritzel 30 und das Differentialgehäuse 20 eingefügt werden.
Die Ritzel 30 und die Seitenzahnräder 41 und 42 sind
vorzugsweise – jedoch
nicht notwendigerweise – aus
Stahl geformt und geschmiedet. Es ist dem Fachmann deutlich, dass
auch, obwohl beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Ritzel 30 auf
einem gemeinsamen Stift 32 angeordnet sind, diese auch
auf eigenen individuellen Stiften (nicht dargestellt) angeordnet sein
können.
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Die Seitenzahnräder 41 und 42 können einstückig mit
der Achswelle 12 und 14 ausgeführt sein oder können mit
den Achswellen 12 durch eine Vielzahl von in der Technik
bekannten Verfahren verbunden werden. Beispielhaft ist in 4 eine Verbindung mittels
Splines 13 dargestellt. Die Seitenzahnräder 41 und 42 umfassen
jeweils eine ringförmige
axiale äußere Oberfläche 40,
die jeweils an der Scheibe 60 anliegt, die zwischen dem
Differentialgehäuse 20 und den
Seitenzahnrädern 41, 42 gehalten
wird. Wenn keine Scheibe 60 in die Anordnung eingebaut
wird, kann die ringförmige
Oberfläche 40 alternativ
direkt an dem Differentialgehäuse 20 anliegen.
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Das Differential 10 umfasst
ein Vorspannelement 50, das eine Kraft ausübt, um eine
Anfangssperrmoment zu erzeugen. Dieses verhindert eine relative
Rotation der Seitenzahnräder 41 und 42,
so dass die Seitenzahnräder 41, 42 sich
im Wesentlichen gemeinsam drehen, wenn die wahlweise zuschaltbare
Achse 2 nicht zugeschaltet ist (6). Das Vorspannelement 50 verhindert
eine Rotation der Seitenzahnräder 41 und 42 relativ
zueinander und erzeugt damit ein Sperrmoment zwischen den Ausgangswellen 12 und 14,
so dass diese relativ zueinander an einer Drehung relativ zueinander
gehindert werden.
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Das Anfangssperrmoment wird von dem
Vorspannungselement 50 verursacht, dass die Seitenzahnräder 41 und 42 gegen
die Scheibe 60 drückt, die
sich an der Stützfläche 24 am
Differentialgehäuse 20 abstützt. Insbesondere
wird das Anfangssperrmoment durch viele Faktoren erzeugt, einschließlich der aufgewendeten
Kraft des Vorspannelements 50, der Anzahl der Kontaktflächen, des
Reibungskoeffizienten dieser Kontaktflächen und der in Kontakt stehenden
oder berührenden
Größe der Flächen. In
einigen Ausführungsbeispielen
kann das Anfangssperrmoment auch ohne die Scheibe erzeugt werden,
so dass das Anfangssperrmoment etwa die Summe der Reibmomente vom
direkten Angreifen der Stützfläche 24 gegen
die Seitenzahnräder 41 und
42 und dem
Angreifen der Seitenzahnräder 41, 42 gegen das
Vorspannelement (8)
ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Vorspannelement 50 als komprimierte Feder dargestellt,
die zwischen den Seitenzahnrädern 41 und 42 platziert
ist. Die Feder kann S-förmig,
als „Bevel-Feder" oder als Druckfeder ausgebildet
sein, eine Schraubenfeder oder jedes andere Vorspannelement sein,
das die notwendige Kraft auf die Seitenzahnräder 41, 42 ausübt, um das wie
oben beschriebene Anfangssperrmoment zu erzeugen. In einem Fahrzeug
mit einer wahlweise zuschaltbaren Achse ist es grundsätzlich wünschenswert,
ein Anfangssperrmoment zu erzeugen, das größer als jede Reibungskraft
oder inhärente
Zugkraft im Antriebsstrang ist. Durch das Anfangssperrmoment, das
größer als
die inhärente
Zugkraft im Antriebsstrang ist, drehen sich die Ausgangshalbwellen 12 und
14 im Wesentlichen gemeinsam, wodurch Geräusche, Vibrationen und Rauheiten
reduziert werden, wenn die wahlweise zuschaltbare Achse 2 zugeschaltet
ist, oder vom Zahnradeingriff wenn die wahlweise zuschaltbare Achse
nicht zugeschaltet ist.
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Das Vorspannelement 50 ist
also dazu vorgesehen eine ausreichende Kraft auf die Seitenzahnräder 41 und 42 auszuüben, sodass
sich die Ausgangswellen 12 und 14 gleichmäßig drehen,
auch wenn die wahlweise zuschaltbare Achse 2 nicht zugeschaltet
ist.
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Im Allgemeinen ist es in einem Fahrzeug
mit einer wahlweise zuschaltbaren Achse auch wünschenswert, ein geringeres
Sperrmoment bereitzustellen als typischerweise von einem Differential
mit begrenztem Schlupf bereitgestellt wird. Das Anfangssperrmoment
kann von Anwendung zu Anwendung verschieden sein, jedoch ist im
dargestellten Beispiel das Anfangssperrmoment niedriger als 50 Nm
und bewegt sich im Wesentlichen im Bereich von etwa 3,4 Nm bis etwa
45,2 Nm, und in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von etwa 4,5
Nm bis etwa 39,5 Nm.
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Obwohl die obige Erfindung so beschrieben wurde,
dass eine Kraft auf die Seitenzahnräder 41 und 42 ausgeübt wird,
um ein Anfangssperrmoment zu erzeugen, wird der Fachmann leicht
erkennen, dass aufgrund des drehenden Eingriffs der Ritzelzahnräder 30 mit
den Seitenzahnrädern 41, 42 das Vorspannelement 50 auch
eine Kraft auf die Ritzel 30 ausüben kann, um den gleichen Sperreffekt
zu erzeugen, der verhindert, dass sich die Seitenzahnräder 41 und 42 relativ
zueinander drehen. Eine repräsentative
Darstellung davon ist in 7 gezeigt.
Wie in 8 gezeigt ist,
kann ein Sperrmoment sowohl von dem Eingriff zwischen den Ritzeln 30,
den Ritzelscheiben 34 und dem Differentialgehäuse 20 als auch
von dem Eingriff zwischen den Ritzeln 30 direkt gegen das
Differentialgehäuse 20 erzeugt
werden.
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Die vorstehende Diskussion offenbart
und beschreibt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Der Fachmann wird jedoch aus dieser Diskussion und den
beigefügten
Zeichnungen und Ansprüchen
leicht erkennen, dass verschiedene Veränderungen, Modifikationen und
Variationen vorgenommen werden können,
ohne von dem Bereich der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen.