-
Die Erfindung betrifft ein Zweigang-Verteilergetriebe
mit einem einfachen Planetenradsatz, der sowohl als eine ein Übersetzungsverhältnis erzeugende
Einrichtung als auch als ein Zentraldifferential arbeitet.
-
Fahrzeuge mit Vierradantrieb (4WD)
stellen eine Zugkraft bereit, die in Fahrzeugen mit Zweiradantrieb
(2WD) oftmals nicht erzielt werden kann, indem Leistung an beide
Fahrzeugachsen geliefert wird. Die zusätzliche Zugkraft, die durch
den Vierradantrieb bereitgestellt wird, wird durch die im Gegensatz
zu nur zwei Rädern
zusätzliche
Komplexität
des Antriebsstrangs begleitet, die erforderlich ist, um die Leistung
für alle
vier Räder
zu steuern bzw. an diese abzugeben. Es ist kennzeichnend, dass ein
Vierradantrieb kein Zentraldifferential aufweist, das einen festen
an jede Achse abgegebenen Drehmomentbruchteil aufrechterhalten würde, sondern
vielmehr die gleiche Drehzahl an jeder Achse ungeachtet der Drehmomentaufteilung
aufrecht erhält.
Die Leistungsabgabe zwischen den Vorderrädern und Hinterrädern des
Fahrzeugs wird typischerweise durch einen Verteilergetriebemechanismus
gehandhabt; der gewöhnlich
entweder eine mechanisch gesteuerte Kupplung oder eine elektronisch gesteuerte
Kupplung aufweist, um zwischen Hinterradantrieb und Vierradantrieb
umzuschalten.
-
In Allradantriebssystemen (AWD-Systemen) stehen
die Vorder- und
Hinterachsen in kontinuierlichem Antriebseingriff mit dem Verteilergetriebe,
aber das System enthält
ein Zentraldifferential, um ein festes Drehmomentverhältnis zwischen
der Vorderachse und der Hinterachse aufrechtzuerhalten.
-
Zusätzlich zur Steuerung der Übertragung von
Drehmoment zwischen den Vorder- und Hinterachsen eines Fahrzeugs
kann das Verteilergetriebe auch einen Planetenradsatz oder einen
Satz von Vorgelegewellenzahnrädern
umfassen, die ein Übersetzungsverhältnis ins
Langsame (Underdrive) oder ein Übersetzungsverhältnis ins
Schnelle (Overdrive) bereitstellen. Statt ein neues Fünfgang-
oder Sechsganggetriebe herzustellen, kann darüber hinaus ein bereits vorhandenes
Vierganggetriebe mit einem Verteilergetriebe verwendet werden, um
zusätzliche Drehzahlverhältnisse
bereitzustellen, wie etwa zum Herausziehen von Baumstümpfen (extremes Übersetzungsverhältnis ins
Langsame) oder in einem Zustand eines Übersetzungsverhältnisses
ins Schnelle im höchsten
Gang.
-
Die vorliegende Erfindung erwägt die Verwendung
eines einfachen Planetenradsatzes in einem Verteilergetriebe, das
sowohl als eine ein Übersetzungsverhältnis erzeugende
Einrichtung als auch als ein Zentraldifferential arbeitet.
-
Im Besonderen stellt die Erfindung
eine einfache Planetengetriebeanordnung für ein Verteilergetriebe bereit,
die einen Träger,
der mit einem Antrieb (d.h. dem Abtrieb von dem Getriebe) verbunden
ist, und ein Hohlrad in Antriebseingriff mit einer Hinterachse umfasst.
Das Sonnenrad ist mit der Vorderachse über eine Kuppelanordnung verbindbar,
die eine Freilaufkupplung und eine Klauenkupplung umfasst, die parallel
geschaltet sind. Die Freilaufkupplung und die Klauenkupplung können unabhängig voneinander
in Eingriff gebracht werden. Das Sonnenrad kann über eine Reibungskupplung wahlweise
am Fahrzeug festgelegt werden (d.h. ist mit einem Verteilergetriebegehäuse verbindbar).
Der einfache Planetenradsatz arbeitet als eine ein Übersetzungsverhältnis erzeugende
Einrichtung, wenn die Reibungskupplung in Eingriff steht, und als
ein Zentraldifferential, wenn die Klauenkupplung oder die Freilaufkupplung
in Eingriff steht. Ein Übersetzungsverhältnis ins Schnelle,
das durch einen Eingriff der Reibungskupplung erzeugt wird, beträgt beispielhaft
annähernd
1,5 : 1.
-
Die Kuppelanordnung des Sonnenrades
mit der Vorderachse, die die Freilaufkupplung und die Klauenkupplung
umfasst, könnte
durch eine einzige Kupplung ersetzt sein.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung
stellt einen Antriebsstrang für
ein Fahrzeug bereit, der vordere und hintere Achsen und ein Verteilergetriebe
umfasst. Das Verteilergetriebe umfasst einen Planetenradsatz, der
ein Hohlrad, einen Träger
und ein Sonnenrad aufweist. Der Träger steht in kontinuierlicher Verbindung
mit einem Antrieb, das Hohlrad steht in kontinuierlicher Verbindung
mit der Hinterachse und das Sonnenrad kann über eine Kuppelanordnung wahlweise
mit der Vorderachse in Verbindung gebracht werden. Das Sonnenrad
kann auch wahlweise über
eine Reibungskupplung am Fahrzeug festgelegt werden. Der einfache
Planetenradsatz arbeitet als eine ein Übersetzungsverhältnis erzeugende
Einrichtung, wenn die Reibungskupplung in Eingriff steht, und als
ein Zentraldifferential, wenn die Kuppelanordnung in Eingriff steht,
infolge der Verbin dung der Hinterachse mit der Vorderachse über eine
Straßenoberfläche, auf
der durch die Vorder- und Hinterachsen gelagerte Räder abrollen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand
der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigt:
-
1 ein
Hebeldiagramm eines erfindungsgemäßen Zweigang-Verteilergetriebes;
-
2 eine
Wahrheitstabelle für
das Hebeldiagramm von 1;
-
3 ein
schematisches Schaubild der durch das Hebeldiagramm von 1 dargestellten Anordnung;
-
4 ein
Hebeldiagramm eines Zweigang-Verteilergetriebes gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung;
-
5 eine
Wahrheitstabelle für
das Hebeldiagramm von 4,
-
6 ein
schematisches Schaubild einer Anordnung, in der das Hebeldiagramm
von 4 ausgeführt ist;
und
-
7 eine
Ansicht in Teillängsschnitt
eines Verteilergetriebes gemäß der Ausführungsform
der 4 – 7.
-
Die vorliegende Erfindung lässt zu,
dass ein einfacher Planetenradsatz in einem Verteilergetriebe sowohl
als eine ein Übersetzungsverhältnis erzeugende
Einrichtung als auch als ein Zentraldifferential arbeitet. Diese
beiden Zustände
treten nicht gleichzeitig auf. In der Direktantriebs-Betriebsart
wird das Drehmoment auf der Grundlage des Zähneverhältnisses von Hohlrad zu Sonnenrad
des Planetenradsatzes zu annähernd
33 % auf die Vorderachse und zu 67 % auf die Hinterachse verteilt,
und in der Overdrive-Betriebsart geht das gesamte Drehmoment auf die
Hinterachse.
-
Um die Anzahl von Kuppelelementen
zu minimieren, ist es notwendig, die Übersetzungsverhältnisse
Direkt (1 : 1) und Overdrive (annähernd 1,5 : 1) einzurichten.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen
ist der Planetenradsatz ein einfacher Zahnradsatz mit einem Verteilergetriebeantrieb
(d.h. dem Getriebeabtrieb), der in kontinuierlicher Verbindung mit dem
Planetenträger
steht, und dem Hohlrad, das in kontinuierlicher Verbindung mit der
Hinterachse steht. Das Sonnenrad wird zwischen einer Verbindung
mit dem Fahrzeug (um einen Overdrive für die Hinterachse zu schaffen)
und einer Verbindung mit der Vorderachse (für ein Drehmomentverhältnis von Vorderachse
zu Hinterachse von 1/3 zu 2/3 bei offenem Zentraldifferential) umgeschaltet.
Der Planetenradsatz ist in dem direkten Drehmomentverhältnis durch
die Verbindung der Hinterachse mit der Vorderachse über die
Straße
gesperrt. Da das Verteilergetriebe dynamisch schaltet (eine Reibungskupplung wird
für den
Wechsel vom direkten Verhältnis
zum Overdrive-Verhältnis
verwendet), erzielt die Anordnung zusätzlich ein oder zwei Vorwärts-Übersetzungsverhältnisse.
Ein zusätzliches Übersetzungsverhältnis wird
erzeugt, wenn das Getriebe sich im höchsten Gang befindet und das
Verteilergetriebe von Direkt nach Overdrive schaltet. Ein zweites
zusätzliches Übersetzungsverhältnis kann
erzielt werden, indem das Verteilergetriebe von Direkt nach Overdrive
umgeschaltet wird, wenn sich das Getriebe im ersten Gang befindet.
Dies führt
zu einem zusätzlichen Übersetzungsverhältnis zwischen
dem ersten und dem zweiten Gang.
-
1 zeigt
ein Hebeldiagramm für
ein erfindungsgemäßes Zweigang-Verteilergetriebe.
Ein Antrieb 14 des Verteilergetriebes 12 wird
vom Abtrieb eines entsprechenden Getriebes angetrieben und überträgt Drehmoment
wahlweise auf die Hinterachse 16 bzw. die Vorderachse 18.
-
Das Hebeldiagramm für den einfachen
Planetenradsatz 20 des Verteilergetriebes 12 umfasst wie
gezeigt einen Sonnenradknoten 22, einen Planetenträgerknoten 24 und
einen Hohlradknoten 26. Der Antrieb 14 steht in
kontinuierlicher Verbindung mit dem Träger 24, und das Hohlrad 26 steht
in kontinuierlicher Verbindung mit der Hinterachse 16.
-
Das Sonnenrad 22 kann über Kupplung "A" 28 wahlweise am Fahrzeug (d.h.
am Getriebegehäuse
oder am Verteilergetriebegehäuse)
festgelegt werden, oder kann alternativ über Kupplung "B" 30 mit der Vorderachse 18 in
Verbindung gebracht werden.
-
2 zeigt
eine Wahrheitstabelle, die die Zustände angibt, in denen die Kupplungen "A" und "B" 28, 30 in
Eingriff stehen. In einer hohen Übersetzung
bei Zweiradantrieb (Overdrive) steht die Kupplung "A" 28 in Eingriff und die Kupplung "B" 30 steht außer Eingriff.
Dementsprechend ist das Sonnenrad 22 fahrzeugfest und die
Hinterachse 16 rotiert schneller als der Antrieb 14.
Im Zustand eines direkten Antriebs bei Allradantrieb mit niedriger Übersetzung
steht die Kupplung "B" 30 in Eingriff
und die Kupplung "A" 28 steht
außer
Eingriff. In dieser Konfiguration wird Drehmoment von dem Antrieb 14 zwischen
den Hinter- und Vorderachsen 16, 18 aufgeteilt,
wobei 33 % des Drehmomentes auf die Vorderachse 18 gehen
und 67 % des Drehmomentes auf die Hinterachse 16 gehen,
auf der Basis des vorgeschlagenen Zähneverhältnisses von Hohlrad zu Sonnenrad
von 70 : 30.
-
3 zeigt
ein schematisches Schaubild, das die Struktur des Hebeldiagramms
von 1 wiedergibt, wobei
gleiche Bezugszeichen dazu verwendet werden, auf gleiche oder ähnliche
Bauelemente von 1 Bezug
zu nehmen. Das Kettenrad 32 transportiert wie gezeigt Drehmoment
von der Kupplung 30 zur Vorderachse 18 über das
angetriebene Kettenrad 34 und die Übertragungskette 36. 1 veranschaulicht auch,
dass die Straße 15 eine
direkte Verbindung zwischen den Rädern 17, 19 der
Hinter- und Vorderachsen 16, 18 bereitstellt,
um den Planetenradsatz 20 im direkten Übersetzungsverhältnis zu
sperren.
-
In 4 ist
ein alternatives Hebeldiagramm 110 gemäß der Erfindung gezeigt. Wie
die Ausführungsform
von 1 veranschaulicht
das Hebeldiagramm 110 ein Verteilergetriebe 112,
das einen Antrieb 114 in Verbindung mit einem entsprechenden Getriebe
aufweist und das Drehmoment wahlweise zwischen der Hinterachse 116 und
der Vorderachse 118 aufteilt. Der einfache Planetenradsatz 120 umfasst
ein Sonnenrad 122, einen Planetenträger 124 und ein Hohlrad 126.
-
Der Antrieb 114 steht in
kontinuierlicher Verbindung mit dem Träger 124, und das Hohlrad 126 steht
in kontinuierlicher Verbindung mit der Hinterachse 116.
Das Sonnenrad 122 kann über
die Kupplung 128 wahlweise am Fahrzeug (d.h. am Getriebegehäuse oder
am Verteilergetriebegehäuse)
festgelegt werden. Das Sonnenrad 122 kann wahlweise mit der
Vorderachse 118 über
eine Kuppelanordnung 130 verbunden werden, die eine Freilaufkupplung 131 umfasst,
die parallel zu einer Klauenkupplung 133 geschaltet ist. 4 veranschaulicht auch,
dass die Straße 115 eine
direkte Verbindung zwischen den Rädern 117, 119 der
Hinter- und Vorderachsen 116, 118 bereitstellt,
um den Planetenradsatz 120 in dem 1 : 1-Übersetzungsverhältnis zu
sperren.
-
Die Klauenkupplung 133 wird
durch ein PRNDL-Kabel in Zuständen
Parken und Rückwärts aufgebracht
und in Neutral-, Drive- und
niedrigeren Vorwärtsübersetzungsverhältnissen
gelöst.
Dies lässt
zu, dass das Getriebe sowohl die Funktion Parken als auch die Funktion
Rückwärts in dem
Getriebe bereitstellen kann, da die Klauenkupplung 133 in
der Lage ist, Drehmoment in beide Richtungen zu transportieren und
die Vorderachse 118 in dem Hebeldiagramm von 4 "drücken
oder ziehen" kann.
-
5 zeigt
eine Wahrheitstabelle, die die Zustände angibt, in denen die Kupplungen 128, 133, 131 von 4 in Eingriff stehen (O
= offen, X = in Eingrifft. In dem direkten Antrieb (Drehzahlen Eins – Vier)
steht die Freilaufkupplung 131 in Eingriff und die anderen
Kupplungen 128, 133 stehen außer Eingriff. In diesem Zustand
werden die Drehzahlen Eins – Vier
innerhalb des entsprechenden Getriebes festgelegt und das Verteilergetriebe 112 teilt
das Drehmoment zwischen der Hinterachse 116 und der Vorderachse 118 proportional
zu dem Zähneverhältnis von Hohlrad
zu Sonnenrad auf. In dem Overdrive-Zustand (fünfter Gang) steht die Kupplung 128 in
Eingriff und die Kupplungen 131, 133 stehen außer Eingriff.
In diesem Zustand ist das Sonnenrad 122 fahrzeugfest und
das Hohlrad 126 und die Hinterachse 116 rotieren
schneller als der Träger 124 und
der Antrieb 114, was zu dem Overdrive-Zustand führt. In dem
Zustand Parken/Rückwärts steht
die Klauenkupplung 133 in Eingriff und die Kupplungen 128, 131 stehen
außer
Eingriff. In diesem Zustand ermöglicht es
die Klauenkupplung 133, dass das Sonnenrad 122 die
Vorderachse 118 "drücken oder
ziehen" kann, wenn
das PRNDL-Kabel die Klauenkupplung 133 in Eingriff bringt,
so dass die Zustände
Parken und Rückwärts innerhalb
des Getriebes festgelegt werden.
-
6 zeigt
ein schematisches Schaubild, das das Hebeldiagramm von 4 wiedergibt, wobei gleiche
Bezugszeichen dazu verwendet werden, ähnliche oder gleiche Bauteile
von 4 zu beschreiben.
Das Antriebskettenrad 132 rotiert wie gezeigt das angetriebene
Kettenrad 134 über
die Übertragungskette 136 zum
Antreiben der Vorderachse 118. Die Klauenkupplung 133 ist
als eine Hülse
gezeigt, die im Zustand "offen" angeordnet ist.
Die Hülse
wird sich nach rechts, wie in 6 betrachtet,
bewegen, um die Kupplung für
Parken und Rückwärts zu schließen.
-
Dementsprechend arbeitet der einfache
Planetenradsatz 120 als eine ein Übersetzungsverhältnis erzeugende
Einrichtung, wenn die Reibungskupplung 128 in Eingriff
steht, so dass ein Overdrive-Zustand geschaffen wird, und als ein
Zentraldifferential, wobei die Freilaufkupplung 131 oder
die Klauenkupplung 133 in Eingriff steht, da die Straße die Vorderachse 118 mit
der Hinterachse 116 verbindet. Beispielsweise könnte diese
Konstruktion den Planetenradsatz, die Kupplungen und die Freilaufkupplung
von existierenden Getrieben von General Motors verwenden. Diese
Konstruktion hat einen Vorteil, dass die Scheibenkupplung eine Kupplungsbremse
(kein rotierender Kolben) ist und somit jegliche Probleme in Hinblick
auf Leckage an rotierenden Dichtungen beseitigt, was zulässt, dass
die Kupplung Öl
anwenden kann, das in das Verteilergetriebe eintritt.
-
Ein Nachteil dieser Konstruktion
ist, dass sie nicht in der Lage ist, unabhängig zwischen Lo (Niedrig) – Hi (Hoch)
und Zweiradantrieb – Allradantrieb umzuschalten.
Das System wird nur in Lo (direkter Antrieb) einen Allradantrieb
bereitstellen und wird nur in Hi (Overdrive) einen Zweiradantrieb
bereitstellen. Dies sollte annehmbar sein, da das Fahrzeug im höchsten Gang
nicht die Zugkraft eines Allradantriebs benötigt. Wenn eine zusätzliche
Zugkraft erforderlich ist, wird der Antriebsstrang das Verteilergetriebe
dynamisch in den direkten Antrieb, der den Allradantrieb bereitstellt,
herunterschalten. Die vorgeschlagene Anordnung mit der Freilaufkupplung
erzeugt einen Vorteil bei der Schaltqualität, erlaubt aber kein Motorbremsen
in der direkten (Allradantriebs-)Betriebsart. Der Fahrer kann ein
Motorbremsen erzielen, wenn das Getriebe in eine "manuelle" D3-, D2- oder D1-Betriebsart
gebracht wird und das Verteilergetriebe in den Overdrive geschaltet
wird (ein Motorbremsen wird nur im Zweiradantrieb verfügbar sein).
Der Fahrer wird nicht in der Lage sein, ein Motorbremsen in dem
niedrigsten Gang (höchstes
N/V-Verhältnis,
d.h. höchstes
Verhältnis
von Motordrehzahl/Fahrzeuggeschwindigkeit) zu erhalten, aber dieser
Antriebsstrang wird drei N/V-Verhältnisse bereitstellen, was
für ein
Motorbremsen mehr als angemessen ist. Das extrem hohe N/V-Verhältnis im ersten
Gang eines Getriebes mit einem Gesamtübersetzungsverhältnis von
6 : 1 wäre
wahrscheinlich zu hoch, um für
den Fahrer von Nutzen zu sein.
-
Das Achsantriebs-Übersetzungsverhältnis wird
zwischen 20 % bis 30 % von den gegenwärtigen Werten (es ist zu erwarten,
dass das N/V-Verhältnis im
höchsten
Gang 5 % bis 15 % für
einen Antriebsstrang mit einem Gesamtübersetzungsverhältnis von 6
: 1 abfallen wird) zunehmen müssen
(sich in Richtung eines Übersetzungsverhältnisses
ins Langsame bewegen müssen).
Diese Änderung
des Achsantriebs-Produktmixes könnte
die Investitionskosten oder den Stückpreis etwas erhöhen, jedoch
erlaubt es das System, dass ein existierendes Viergang-Automatikgetriebe
an ein Verteilergetriebe mit geringfügig mehr Inhalt angepasst werden
und die Funktion eines Fünf-(oder
Sechs-)Gang-Automatikgetriebes erfüllen kann, das mit einem Verteilergetriebe
mit einer Drehzahl und Allradantrieb (offenes Zentraldifferential)
kombiniert ist, was beträchtliche
Einsparungen liefern kann.
-
Die Erfindung verringert die Kosten
gegenüber
der Alternative, ein Fünf-
oder Sechs-Gang-Automatikgetriebe an ein Verteilergetriebe mit einem
Zentraldifferential anzupassen.
-
7 zeigt
eine besondere Ausführungsform
eines Verteilergetriebes 210. Eine Antriebswelle 214 steht
wie gezeigt mit einem Träger 224 in
Verbindung. Ein Sonnenrad 222 kann über eine Reibungskupplung 223 mit
einem Getriebegehäuse 225 in
Eingriff gebracht werden (um es fahrzeugfest zu machen). Das Sonnenrad 222 kann
auch über
eine Freilaufkupplung 227 oder eine Klauenkupplung 229 wahlweise
mit einem Antriebskettenrad 232 in Eingriff gebracht werden,
um die Vorderachse (nicht gezeigt) über eine Übertragungskette 231 anzutreiben.
-
Ein Hohlrad 226 steht in
kontinuierlicher Verbindung mit einer Abtriebswelle 227,
um die Hinterachse (nicht gezeigt) anzutreiben.
-
Obwohl die besten Ausführungsarten
zur Umsetzung der Erfindung ausführlich
beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, zu dem
die Erfindung gehört,
verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen
Umsetzung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.
Beispielsweise könnte
ein zusammengesetzter Planetenradsatz verwendet werden, und die
Hohlrad- und Sonnenradverbindungen mit den Vorder- und Hinterachsen
könnten
ausgetauscht werden. Gleichermaßen
bietet diese Erfindung die Freiheit, unterschiedliche Vorder- und
Hinterachsenverhältnisse
zu verwenden, damit ein einfacher Planetenradsatz mit herkömmlichen Übersetzungsverhältnissen
von Hohlrad zu Sonnenrad unterschiedliche Drehmomentaufteilungswerte
von vorne nach hinten bei einem Allradantrieb und eine unterschiedliche Stufengröße bei Overdrive
erzielen kann.
-
Zusammengefasst ist eine einfache
Planetengetriebeanordnung für
ein Verteilergetriebe vorgesehen. Das Verteilergetriebe umfasst
einen Träger, der
mit dem Antrieb des Verteilergetriebes verbunden ist. Das Hohlrad
ist mit einer Hinterachse verbunden. Das Sonnenrad kann mit einer
Vorderachse über
eine Kuppelanordnung in Verbindung gebracht werden, die eine Freilaufkupplung
und eine Klauenkupplung umfasst, die parallel geschaltet sind. Die Freilaufkupplung
und die Klauenkupplung können unabhängig voneinander
in Eingriff gebracht werden. Das Sonnenrad kann wahlweise über eine
Reibungskupplung fahrzeugfest gemacht werden. Dementsprechend arbeitet
der einfache Planetenradsatz als eine ein Übersetzungsverhältnis erzeugende
Einrichtung, wenn die Reibungskupplung in Eingriff steht, und als
ein Zentraldifferential, wenn die Klauenkupplung oder die Freilaufkupplung
in Eingriff steht.