DE102004035568A1

DE102004035568A1 - Allrad-Antriebsstrang mit einem Toroidgetriebe

Info

Publication number: DE102004035568A1
Application number: DE200410035568
Authority: DE
Inventors: Steffen Dipl.-Ing. Henzler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Allrad-Antriebsstrang mit einem Toroidgetriebe, dessen einziger koaxialer Getriebeausgangswelle sich ein Verteilergetriebe anschließt, bei welchem als Schmier- und Kühlmittel sowohl für das Toroidgetriebe als auch für das Verteilergetriebe dasselbe Traktionsfluid verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Allrad-Antriebsstrang mit einem Toroidgetriebe gemäß dem einteiligen Patentanspruch 1.

Aus der DE 102 57 884 A1 ist bereits ein Allrad-Antriebsstrang mit einem Toroidgetriebe bekannt. Das Toroidgetriebe ist mit einer Vorgelegewelle ausgeführt. Das Toroidgetriebe ist mittels einer Trennwand vom Verteilergetriebe getrennt, so dass unterschiedliche Öle beiderseits der Trennwand verwendet werden.

Aus der DE 198 59 380 A1 ist ebenfalls bereits ein Allrad-Antriebsstrang mit einem Toroidgetriebe bekannt. Die beiden Toruskammern des Toroidvariators selbst werden dabei zur Leistungsaufteilung auf die Hinterachse und die Vorderachse verwendet.

Aus "Bohner, Max, Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik Verlag Europa-Lehrmittel, 26. Auflage, 1999, Seiten 411 bis 412" ist bereits eine hilfskraftbetätigte Getriebeschaltung bekannt, welche automatisiert die Gänge bzw. Kupplungen und Bremsen eines Planetenautomatikgetriebes schaltet. Dabei wird ein Arbeitsdruck bzw. Systemdruck von bis zu 25 bar moduliert, um diesen Arbeitsdruck auf ein Niveau zu verringern, mit dem die besagten Kupplungen und Bremsen geschaltet werden. Zur Modu lierung des Arbeitsdruckes werden dabei Ventile von einer elektronischen Getriebesteuerung angesteuert.

Die "mot, Heft 5 vom 12.2.2003, Seite 96 bis 97" beschreibt den Volvo XC 90. Dieses Fahrzeug weist eine Haldexkupplung als Zentraldifferential auf. Diese Haldexkupplung weist eine Lamellenkupplung auf, die stufenlos sperrbar ist. Ein Fluiddruck zur Betätigung der Lamellenkupplung wird intern über eine Axialkolbenpumpe erzeugt, die ihre Betätigungskraft bei Drehzahldifferenz zwischen Ein- und Ausgangswelle über die Bewegung einer Taumelscheibe bezieht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen Antriebsstrang zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Der Allrad-Antriebsstrang ist dabei unter Verwendung eines koaxialen Toroidgetriebes ausgeführt, wie ein solches beispielsweise aus der DE 101 21 042 C1 bekannt ist. Vorteile eines solchen vollständig koaxialen Getriebekonzeptes sind:

– Infolge der Abmessungen ist ein solches Getriebe auch in kleinen Fahrzeugtunneln unterbringbar,
– es lassen sich mit einem Getriebetyp Heck- und Allradvarianten erstellen,
– die Radialkräfte aus den getriebeinternen Drehmomentübertragungen werden in den Planetengetrieben selbst abgestützt, so dass das Getriebegehäuse keine/kaum Radialkräfte aufnehmen muss und entsprechend leicht aus Leichtbauwerkstoff gefertigt werden kann,
– die geringe Verformung der Wellen bringt gegenüber Getriebekonzepten mit Vorgelegewelle eine hohe Laufruhe mit sich.

Erfindungsgemäß ist keine Trennung der Ölhaushalte zwischen dem Toroidgetriebe und dem Verteilergetriebe vorgesehen.

Es kann sogar ein vom Verteilergetriebe abgehender Antrieb für die Vorderachse vom selben Ölhaushalt versorgt werden. Dieser Antrieb kann insbesondere ein Achsversatzgetriebe sein, das beispielsweise als Kettentrieb oder als Stirnradverzahnung mit oder ohne leicht kegeligen Winkel ausgeführt ist.

Von dem Ölhaushalt kann auch ein Lastschlagelement oder eine Verteilerkupplung des Verteilergetriebes versorgt werden. Ebenso kann eine Haldex-Kupplung vom selben Ölhaushalt versorgt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, bei dem Allrad-Antriebsstrang ein Ventil – beispielsweise ein Magnetventil – für zwei Kupplungen zu verwenden. Als Kupplungen werden im Folgenden auch Bremsen, insbesondere die Bremsen von Summen bzw. Planetengetrieben des Toroidgetriebes bezeichnet. Dabei stehen die beiden Kupplungen mittels eines Hydraulikkanals in Verbindung oder sind zumindest in Verbindung bringbar. Die zweite Kupplung ist derart ausgelegt, dass diese erst dann betätigt wird, wenn der Fluiddruck nach Betätigung der ersten Kupplung einen Schwellwert überschreitet. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass ein Stellkolben eines Stellschiebers – insbesondere eines Hydraulikschiebers – zur Betätigung der zweiten Kupplung mittels einer vorgespannten Feder in einer Stellung gehalten wird, welche die Hydraulikdruckversorgung der ersten Kupplung sicherstellt, aber die zweite Kupplung von Hydraulikdruck freihält. Erst wenn der Hydraulikdruck den besagten Schwellwert, d.h. die Vorspannung der Schraubendruckfeder, überschreitet, gibt der Stellkolben einen Hydraulikkanal zu der zweiten Kupplung frei, die dann betätigt wird. Unter Betätigung der Kupplung soll hier sowohl das Einrücken, als auch das Ausrücken der Kupplung verstanden werden. So kann die erste Kupplung bis zu einem Schwellwert von 16 bar eingerückt werden, wobei nach Überschreitung dieses Schwellwertes von 16 bar die zweite Kupplung ebenfalls eingerückt wird. Aus dem technischen Zusammenhang der beiden Kupplungen zueinander kann sich jedoch auch ergeben, dass es vorteilhaft ist, die erste Kupplung beispielsweise bis zu einem Schwellwert des Fluiddrucks einzurücken, wobei nach Übersteigen dieses Schwellwerts die zweite Kupplung ausgerückt wird. In besonders vorteilhafter Weise kann die Axt der Betätigung der Kupplung – d.h. ob Einrücken oder Ausrücken – davon abhängen, was vom Wirkungsgrad η her günstiger ist. Wenn der Fluiddruck von einer Pumpe aufgebracht wird, sollte diese für einen günstigen Wirkungsgrad η so wenig wie möglich beansprucht werden. Ist eine Kupplung also einen Großteil des Fahrbetriebes eingerückt, so sollte die Kupplung mittels Fluiddruck ausrückbar sein. Ist die Kupplung hingegen einen Großteil des Fahrbetriebes ausgerückt, so sollte die Kupplung mittels Fluiddruck einrückbar sein.

Neben der genannten Ausgestaltung, bei welcher der besagte Schwellwert technisch dadurch verwirklicht wird, dass ein Stellschieber eine Fluidpassage freigibt, wenn die Vorspannung einer innerhalb des Stellschiebers angeordneten Feder überschritten wird, sind weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen denkbar. So kann beispielsweise eine vorgespannte Feder auch unmittelbar innerhalb der zweiten Kupplung angeord net sein. Dabei hält ein Kraftspeicher – wie beispielsweise eine vorgespannte Feder – einen Stellkolben in einer unbetätigten Stellung, so dass die beiden Kupplungshälften – d.h. beispielsweise Lamellenpakete – unbetätigt sind. Erst wenn ein Fluiddruck die Vorspannung überschreitet, wird die Kupplung betätigt. In diesem Fall kann auf einen speziell für die zweite Kupplung vorgesehenen Stellschieber verzichtet werden.

Generell muss die erste Kupplung derart ausgelegt sein, dass für diese die Schwellwertüberschreitung zu keiner Überlastung führt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung einer reibschlüssigen Lamellenkupplung oder einer formschlüssigen Klauenkupplung, da solche Kupplungen eine Überschreitung der notwendigen Einrückkraft ohne Funktionsnachteile ertragen.

In besonders vorteilhafter Weise kann der Antriebsstrang als Allrad-Antriebsstrang ausgestaltet sein. Dabei kann die erste Kupplung eine Kupplung/Bremse sein, während die zweite – d.h. die bei Überschreitung des Schwellwertes betätigte – Kupplung eine Zentraldifferentialsperre ist. Dabei ermöglicht die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise die Verwendung einer steuerbaren Zentraldifferentialsperre, die als Lamellenkupplung ausgeführt sein kann.

In besonders vorteilhafter Weise kann der Allrad-Antriebsstrang kostengünstig als Add-On-Variante zu einem Standardantrieb ausgeführt sein. Als Standardantrieb soll hier ein Hinterachsantrieb mit front-längs eingebautem Antriebsmotor und Getriebe verstanden werden. Der Allradantrieb kann jedoch auch als Add-On-Variante zu einem anderen Einachsantrieb, wie beispielsweise dem Vorderachsantrieb ausgeführt sein.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein beim reinen Standard-Heckantrieb bereits zur Betätigung einer Kupplung des Toroidgetriebes vorhandener Hydraulikschieber bzw. vorhandenes Magnetventil genutzt, um mit diesem auf höherem Druckniveau auch die Zentraldifferentialsperre einzurücken. Damit bedarf die Integration der steuerbaren Zentraldifferentialsperre in die Getriebesteuerung des Standardantriebes lediglich einer Änderung der Software bzw. der Programms. Es ist keine neue Getriebesteuerplatte für die Fertigungslinie des Allrad-Antriebsstrangs notwendig. Einzige notwendige Änderung der Hardware des Standardantriebsstranges ist ein Kanal, der vom Fluiddrucksystem der getriebeseitigen Kupplung zur Kupplung der Zentraldifferentialsperre geschaffen werden muss. Für diesen Kanal können in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bereits im Toroidgetriebegehäuse Vorkehrungen geschaffen sein, die im Standardantrieb dann nicht genutzt werden. Diese Vorkehrungen können insbesondere

– ein mit einem Blindstopfen verschließbarer Leitungsanschluss oder
– eine Gehäuseverdickung, die Platz für eine Bohrung lässt,

sein. Erhält das Toroidgetriebe für den Allrad-Antriebsstrang in der Add-On-Variante ein spezielles gegenüber dem Standardantrieb abgewandeltes Getriebegehäuse, um den Seitenabtrieb für den zusätzlichen Vorderachsantrieb besonders gut zu integrieren, so kann die Vorkehrung für einen Abzweigfluidkanal für die Zentraldifferentialsperre in diesem speziellen Getriebegehäuse vorgesehen sein.

Es kann beim Allrad-Antriebsstrang gegenüber dem Standardantrieb eine zusätzliche Lamelle in der Kupplung des Toroidgetriebes vorgesehen sein. Somit kann bei Fahrzeugen der Fertigungslinie mit Standardantrieb gegenüber Fahrzeugen der Fertigungslinie mit Allrad-Antriebsstrang der Fluiddruck der betreffenden Bremse gesenkt werden, so dass der zur Betätigung der Zentraldifferentialsperre notwendige Fluiddruck niedrig sein kann. Ein solch niedriger Schwellwert für den Fluiddruck bietet in besonders vorteilhafter Weise noch einen breiten Druckbereich zur Steuerung der steuerbaren Zentraldifferentialsperre. So kann beispielsweise der Hydraulikdruck der notwendig ist, um die Kupplung/Bremse des Getriebes zu betätigen, von 20 bar bei dem Standardantriebsstrang mittels der zusätzlichen Lamelle auf 16 bar gesenkt werden, so dass die erste Kupplung bei nahezu gleicher Funktionalität nur noch von 0 bis 16 bar anstelle von 0 bis 20 bar regelbar ist. Der Abzweigfluidkanal für den Fluiddruck zur Betätigung der Zentraldifferentialsperre kann in diesem Fall direkt vom Arbeitsdruck aus dem Kolbenraum für den Stellzylinder der ersten Kupplung abgeleitet werden. Demzufolge kann die Zentraldifferentialsperre nur betätigt werden, wenn auch die Kupplung des Getriebes betätigt ist, weshalb zweckmäßigerweise eine Kupplung des Getriebes gewählt wird, die in den Situationen ohnehin betätigt ist, in denen eine Zentraldifferentialsperre benötigt wird. Dies sind üblicherweise die niedrigen Gänge und der Rückwärtsgang. Diese werden in vorteilhafter Weise durch einen ersten Fahrbereich eines Toroidgetriebes mit Geared-Neutral-Funktion realisiert!!!!

Zu einer Komforteinbusse könnte es bei der Verwendung des Fluiddruckes einer Kupplung/Bremse kommen, da die Regelvorgänge beim Betätigen einer Kupplung/Bremse beim Schalten der Gänge äußerst komplex sind. So gehen beispielsweise die temperaturabhängige Viskosität des Hydraulikfluids und der Lamellenverschleiß in diese über die Getriebelebensdauer adaptive Regelung ein. Um solche Komforteinbußen gegenüber dem Standardantriebsstrang zu vermeiden, kann in besonders vorteilhafter Weise die Software bzw. das Programm der Getriebe steuerung, dass beim Add-On eines Allradantriebes mit Zentraldifferentialsperre zum Einsatz kommt, berücksichtigen, ob die Differentialsperre betätigt ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Zentraldifferentialsperre vollkommen unabhängig von der Stellung einer Kupplung des Getriebes ein- und ausgerückt werden, indem der Arbeitsdruck selbst zur Betätigung der Zentraldifferentialsperre verwendet wird. Die Höhe dieses Arbeitsdruckes wird abhängig vom Motormoment geregelt, so dass ein möglichst günstiger Wirkungsgrad η des Getriebes erzielt wird, indem der Arbeitsdruck nur geringfügig höher moduliert wird, als dies für die Übertragung des aktuellen Antriebsmotormomentes notwendig ist, wobei ein bestimmter maximaler Arbeitsdruck von beispielsweise 22 bar zur Übertragung des Antriebsmotormomentes nicht überschritten werden braucht. Das Getriebe wird jedoch sowohl für den Einbaufall im Standardantriebsstrang, als auch für den Einbaufall im Allrad-Antriebsstrang auf ein relativ hohen Fluiddruck von beispielsweise 25 bar ausgelegt. Von der Arbeitsdruckleitung geht der Abzweigfluidkanal zur Zentraldifferentialsperre ab. Wird in diesem Fall vom Arbeitsdruck der Schwellwert von 22 bar überschritten, so führt dieser zu einer unschädlichen Überanpressung der aktuell betätigten Kupplungen/Bremsen des Getriebes. Dabei steht für die Steuerung des Übertragungsmomentes der Zentraldifferentialsperre ein Druck von 22 bar bis 25 bar zur Verfügung.

Die Verwendung des Arbeitsdruckes vom Gesamtsystem hat gegenüber der Verwendung des Druckes einer einzelnen Kupplung/Bremse den Vorteil, dass bei Betätigen der Zentraldifferentialsperre im Getriebesteuergerät nicht unbedingt eine Kompensationsprozedur abgearbeitet werden muss, um den Schaltkomfort auf dem Niveau eines Standardantriebsstranges zu halten. Dies liegt daran, dass der Arbeitsdruck des Ge samtsystems in Grenzen schaltkomfortunabhängig abnehmbar ist. Um Komforteinbußen gegenüber dem Standardantriebsstrang jedoch besonders sicher auszuschließen, kann in besonders vorteilhafter Weise die Software bzw. das Programm zur Steuerung der Übersetzungswechsel, welches beim Add-On eines Allradantriebes mit Zentraldifferentialsperre zum Einsatz kommt, berücksichtigen, ob der Arbeitsdruck zur Betätigung der Zentraldifferentialsperre erhöht wurde.

Die zu schaltenden Kupplungen müssen nicht reibschlüssige Kupplungen sein, sondern können auch formschlüssig ausgestaltet sein.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervor.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigen:

1 ein Toroidgetriebe,

2 einen Allrad-Antriebsstrang mit dem Toroidgetriebe aus 1 und einer stufenlos regelbaren Zentraldifferentialsperre,

3 schematisch den Allrad-Antriebsstrang aus 2, wobei insbesondere das grundsätzliche Zusammenwirken der Hydraulikkomponenten der Getriebe- und der Zentraldifferentialsperrenschaltung dargestellt ist,

4 einen Hydraulikschieber, wobei dieser einen Arbeitsdruck zur Zentraldifferentialsperre aus 2 sperrt,

5 den Hydraulikschieber aus 4, wobei dieser einen Arbeitsdruck zur Zentraldifferentialsperre aus 2 freigibt und

6 eine zweite Ausgestaltungsalternative des Antriebsstranges in einer Darstellung ähnlich 3.

Zunächst wird der Getriebeaufbau anhand des in der 1 dargestellten Toroidgetriebes erläutert. Dieses Toroidgetriebe ist an sich schematisch auch bereits aus der DE 102 06 201.3-12 bekannt.

Dabei zeigt 1 in einem Axialschnitt ein Kraftfahrzeuggetriebe, welches einen stufenlosen Toroidvariator 7, ein Planetenräder-Zwischengetriebe 8 und ein Planetenräder-Endgetriebe 9 umfasst.

Das Planetenräder-Zwischengetriebe 8 ist als Summengetriebe ausgeführt, mit dem in einem ersten Fahrbereich eine Leistungszirkulation für eine Geared-Neutral-Funktion verwirklicht wird. In einem zweiten Fahrbereich dient das Planetenräder-Zwischengetriebe 8 ebenfalls als Summengetriebe, wobei dieses hierbei zur Zusammenführung von zwei Leistungsflüssen ausgeführt ist. Von den Leistungsflüssen ist einer als verzahnter konstanter Pfad ausgeführt, wohingegen der andere Pfad als stufenlos variabler Pfad ausgeführt ist.

Das Planetenräder-Endgetriebe 9 dient zur Anpassung der Drehrichtungen und Drehzahlen, so dass die Übersetzungsbereiche der beiden stufenlosen Fahrbereich direkt aneinandergrenzen.

Mittels einer am hinteren Ende des Kraftfahrzeuggetriebes angeordneten Reibungskupplung K3 ist die Eingangswelle 5 mit einer Ausgangswelle 6 reibschlüssig koppelbar, so dass ein direkter Durchtrieb vom Antriebsmotor zum Hinterachsgetriebe herstellbar ist.

Die Eingangswelle 5 ist an deren beiden Endbereichen mittels zwei Wälzlagern 135a und 135b drehbar gegenüber einem nichtdrehenden Getriebegehäuse 26 des Kraftfahrzeuggetriebes gelagert. Dabei sind die beiden Wälzlager 135 und 136 als Loslager ausgebildet. Die Eingangswelle 5 ist mit einer benachbarten ersten toroidalen zentralen Antriebsscheibe 11 des Toroidvariators 7 und über die koaxiale zentrale Eingangswelle 5 mit einem zweistegigen Planetenträger 18 des Zwischengetriebes 8 bewegungsfest verbunden. Dieser Planetenträger 18 ist mit der zu diesem benachbart angeordneten zweiten zentralen toroidalen Antriebsscheibe 12 des Toroidvariators 7 drehfest verbunden. Somit sind die beiden Antriebsscheiben 11 und 12 im Kraftfluss parallel geschaltet bzw. drehfest zueinander. Eine zur Eingangswelle 5 koaxial angeordnete und von dieser mit Spiel durchsetzte konzentrische Zwischenwelle 14 ist drehfest mit einer axial mittigen Antriebsscheibe 10 ausgestaltet. In diese Antriebsscheibe 10 sind an deren axial voneinander abgewandten Seiten die beiden toroidalen Abtriebsoberflächen eingearbeitet. Die Abtriebsscheibe 10 ist mit einem inneren Zentralrad 19 des Zwischengetriebes 8 bewegungsfest verbunden.

Eine Antriebsscheibe 11 bzw. 12 steht mit ihrer zugehörigen Abtriebsoberfläche über zwei Planeten, sogenannte Roller in Reibkontakt. Jeweils zwei Roller sind einer von zwei Toruskammern 193, 194 zugeordnet. Die Roller sind sowohl um je eine eigene Drehachse drehbar als auch um eine zu ihrer eigenen Drehachse senkrechte Schwenkachse schwenkbar.

Das innere Zentralrad 19 des Zwischengetriebes 8 weist eine Antriebsverbindung mit einem inneren Zentralrad 21 als ein erstes Getriebeglied des Endgetriebes 9 auf. Diese Antriebsverbindung 20 enthält an dem einen Steg des Planetenträgers 18 des Zwischengetriebes 8 gelagerte Hauptplaneten 46 mit beiderseits eines radialen Antriebssteges des Planetenträgers 18 angeordneten Zahnkränzen 43a, 43b, von denen der eine Zahnkranz 43a mit dem mit der konzentrischen Zwischenwelle 14 verbundenen inneren Zentralrad 19 und der andere Zahnkranz 43b mit einem axial auf der anderen Seite des radialen Antriebssteges angeordneten zweiten inneren Zentralrad 48 kämmt, das schließlich seinerseits eine – eine ein- und ausrückbare Kupplung K2 enthaltende – Antriebsverbindung mit dem das erste Getriebeglied des Endgetriebes 9 bildenden inneren Zentralrad 21 aufweist.

Der mit dem einen inneren Zentralrad 19 des Zwischengetriebes 8 kämmende Zahnkranz 43a des Hauptplaneten 46 steht zusätzlich im Kämmeingriff mit einem Nebenplaneten 63, der an dem zweiten Steg des Planetenträgers 18 gelagert ist und seinerseits mit einem äußeren Zentralrad 22 kämmt, welches über eine topfförmige Antriebsverbindung 23 mit einer Kupplungshälfte einer ein- und ausrückbaren Reibungskupplung K1 drehfest verbunden ist. Eine zweite Kupplungshälfte dieser Reibungskupplung K1 ist mit einem ein zweites Getriebeglied des Endgetriebes 9 bildenden äußeren Zentralrad 24 drehfest verbunden.

Das Endgetriebe 9 weist ein drittes Getriebeglied in Form eines Planetenträgers 25 auf, welcher mittels eines radialen Abstützsteges 36 drehfest mit dem nichtdrehenden Getriebegehäuse 26 des Kraftfahrzeuggetriebes verbunden ist und Planetenräder 34a, 34b mit zwei Zahnkränzen 37a, 37b gleicher Zähnezahl lagert, welche beiderseits des Abstützsteges 36 angeordnet sind, und von denen der eine, dem Zwischengetriebe 8 benachbart liegende Zahnkranz 37a sowohl mit dem inneren als auch mit dem äußeren Zahnrad 21 bzw. 24 kämmt.

Das Endgetriebe 9 weist ein viertes Getriebeglied in Form eines zweiten äußeren Zentralrades 27 auf, welches mit dem anderen Zahnkranz 37b der Planetenräder 34b kämmt und eine Antriebsverbindung 28 mit der Ausgangswelle 6 aufweist.

Im unteren Fahrbereich sind im Vorwärtsfahrtbetrieb die Kupplung K1 eingerückt und die Kupplung K2 ausgerückt, so dass die Leistung am Zwischengetriebe 8 verzweigt wird, wobei ein erster Teil der Leistung zur Ausgangswelle 6 und ein zweiter Teil der Leistung über den Toroidvariator 7 in die Antriebswelle 5 einfließt.

Das Toroidgetriebe ist dabei einem Allrad-Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zugehörig, welcher einen prinzipiellen Aufbau gemäß EP 1321327 A2 aufweist.

2 zeigt dabei einen sich dem Toroidgetriebe gemäß 1 anschließenden Teil des Allrad-Antriebsstrangs. Die besagte Ausgangswelle 6 setzt sich dabei fort zur Eingangswelle 2 des Zentraldifferentials 203. Die besagte Antriebsverbindung 28 weist an deren Außenumfang eine Parksperrenverzahnung 204 auf, in die eine Parksperrenklinke 200 eingreifen kann, die mittels eines Stellgliedes 302 betätigbar ist.

Das Toroidgetriebe besitzt das spezielle, gegenüber dem Standardantrieb abgewandelte Getriebegehäuse 26 mit einem angeformten Lagergehäuse 205 für einen Seitenabtrieb 207, so dass das Toroidgetriebe kostengünstig für die Allradvariante nutzbar ist.

Bei dieser hier dargestellten Allradvariante ist die gegenüber der reinen Heckantriebsvariante verlängerte Ausgangswelle 6 über das Zentraldifferential 203 und eine Heckantriebsgelenkwelle mit einer Kitzelwelle eines nicht näher dargestellten Hinterachsgetriebes derart verbunden, dass ein erster Teil des Antriebsmomentes auf das Hinterachsgetriebe übertragen wird. Ein zweiter Teil des Antriebsmomentes wird von der Ausgangswelle 6 bzw. Eingangswelle 2 über

– das Zentraldifferential 203,
– ein Antriebsritzel 208,
– ein Abtriebsritzel 209,
– eine Gelenkwelle 210 des Seitenabtriebs 207 und
– eine Kegelritzelwelle eines nicht näher dargestellten Vorderachsgetriebes

auf eine Vorderachse übertragen. Mittels des Zentraldifferentials 203 sind Abtriebsmomente auf das Vorderachsgetriebe und das Hinterachsgetriebe verteilbar sowie Drehzahldifferenzen ausgleichbar.

Die Gelenkwelle 210 des Seitenabtriebs 207 ist horizontal um einen Winkel von ca. 8° zur Antriebsstranglängsachse 211 verschwenkt. Die Gelenkwelle 210 des Seitenabtriebs 207 ist vertikal um einen Winkel von ca. 4° zur Antriebsstranglängsachse 211 verschwenkt.

Der Seitenabtrieb 207 wird von zwei Zahnrädern gebildet, und zwar von dem Antriebsritzel 208, und dem mit diesem kämmenden Abtriebsritzel 209. Das Antriebsritzel 208 ist drehfest mit einer Hohlwelle 212 verbunden, welche einteilig mit einem Sonnenrad des Zentraldifferentials 203 ausgeführt ist. Innerhalb dieser Hohlwelle 212 verläuft die Eingangswelle 2. Das Abtriebsritzel 209 ist prinzipiell eine hohle, außenverzahnte Welle, welche mittels einer angestellten Kegelrol lenlagerung in x-Anordnung in dem Lagergehäuse 205 gelagert ist.

Zur Herstellung des horizontalen Winkels und des nicht näher dargestellten vertikalen Winkels ist die Gelenkwelle 210 mittels eines Kreuzgelenkes gelenkig radial innerhalb des Abtriebsritzels 209 angeordnet. Ferner ist die Gelenkwelle 210 in Fahrtrichtung vorn – d.h. an deren anderem Ende – mit einem weiteren Kreuzgelenk gelenkig an die nicht näher dargestellte Kegelritzelwelle des Vorderachsgetriebes gekoppelt.

Bei dem Allrad-Antriebsstrang sind das Antriebsritzel 208 und das mit diesem kämmende Abtriebsritzel 209 jeweils als Spiralkegelräder ausgeführt. Anstelle einer Spiralverzahnung können auch kegelige Stirnräder oder eine Kronenradverzahnungspaarung Anwendung finden. Die Gelenkwelle 210 ist auf der in Fahrtrichtung rechts liegenden Seite des nicht näher dargestellten Antriebsmotors angeordnet.

Ferner weist der Allrad-Antriebsstrang eine regelbare Differentialsperre 213 für das Zentraldifferential 203 auf, die zusätzlich als Lastschlagelement bzw. Rutschkupplung ausgeführt ist. Die Zentraldifferentialsperre 213 ist unmittelbar axial benachbart zum Toroidgetriebe zwischen diesem und dem Antriebsritzel 208 angeordnet.

Die Zentraldifferentialsperre 213 umfasst eine Lamellenkupplung 214, mittels welcher

– die Hohlwelle 212 bzw.
– das Sonnenrad des Zentraldifferentials 203 bzw.
– das Antriebsritzel 208

reibschlüssig drehfest bzw. reibmomentübertragend mit

– der Eingangswelle 2 bzw.
– dem Hohlrad des Zentraldifferentials 203

koppelbar ist.

Zur Regelung des übertragenen Reibmoments zwischen zwei Kupplungshälften 215, 216 der Differentialsperre 213, sind die beiden Kupplungshälften 215, 21b mittels eines ringförmigen Stellkolbens 217 axial aneinander andrückbar. Der Stellkolben 217 ist axial verschieblich innerhalb eines Stellzylinders 201 geführt, welcher als ringförmige Ausnehmung in das Getriebegehäuse 26 eingearbeitet ist. Der sich somit zwischen dem Stellzylinder 201 und dem Stellkolben 217 bildende Kolbenraum 301 wird durch eine Bohrung 202 im Getriebegehäuse 26 mit Hydraulikfluid versorgt. Diese Bohrung 202 führt über einen nicht näher ersichtlichen Kanal und eine weitere Bohrung zu einem Kolbenraum der Reibungskupplung K1 des Toroidgetriebes, welche im geschlossenen Zustand den unteren Fahrbereich einlegt. Der nicht näher ersichtliche Kanal kann insbesondere

– als Bohrung im Getriebegehäuse 26,
– als außenliegende Rohrleitung oder aber
– als außenliegende Schlauchleitung

ausgeführt sein.

Der Stellkolben 217 der Zentraldifferentialsperre 213 stützt sich axial einerseits am Getriebegehäuse 26 und andererseits über ein Axial-Wälzlager an einer Lamelle 218 der ersten Kupplungshälfte 215 ab. Dieser Lamelle 218 folgen in der nach vorne weisenden Richtung axial wechselweise die übrigen Lamellen der beiden Kupplungshälften 215, 216, wobei sich der letzten Lamelle 219 der zweiten Kupplungshälfte 216 eine Widerlagerscheibe 220 anschließt, die axial an einem Trägertopf 221 anliegt, der mittels einer Keilwellenverzahnung 295 drehfest mit der Eingangswelle 2 verbunden ist. Dieser Trägertopf 221 ist als Rotationskörper ausgebildet und stützt sich in der axial von vorne weisenden Richtung an einem Absatz der Eingangswelle 2 ab, so dass sämtliche Lamellen der Differentialsperre 213 beim Ausrücken des Stellkolbens 217 im Kraftfluss zwischen dem Getriebegehäuse 26 und der Eingangswelle 2 verspannt werden. Der Trägertopf 221 weist zusätzlich zur Keilwelleninnenverzahnung 295 zur drehfesten Verbindung mit der Eingangswelle 2 eine Innenverzahnung 294 zur drehfesten und axial verschieblichen Verbindung mit den Lamellen der zweiten Kupplungshälfte 216 auf. Dazu weisen die Lamellen der zweiten Kupplungshälfte 216 an deren Außenkantenbereich eine Außenverzahnung auf, die in die Innenverzahnung des Trägertopfes 221 eingreift.

Die Lamellen der ersten Kupplungshälfte 215 weisen am Innenkantenbereich eine Innenverzahnung auf, welche das Drehmoment formschlüssig auf eine außenverzahnte Steckhülse 222 überträgt, die mittels einer Keilwellenverzahnung drehfest am vorderen Ende der Hohlwelle 212 angeordnet ist. Die Steckhülse 222 bildet einen Rotationskörper und ist einerseits am vorderen Ende der Eingangswelle 2 an einem Axialsicherungsring abgestützt. Andererseits ist die Steckhülse 222 an einem Lagerinnenring des Kegelrollenlagers abgestützt, welches das Antriebsritzel 208 lagert.

Innerhalb des Getriebegehäuses 26 ist ein spezielles Traktionsfluid eingefüllt, das

– die Kräfte am Toroidvariator überträgt,
– den Toroidvariator kühlt,
– die Zahnräder schmiert und kühlt und
– die Lamellenkupplungen kühlt.

Dieses Traktionsfluid ist auch im Gehäuse des Verteilergetriebes bzw. des Zentraldifferentials 203 und dem Lagergehäuses 205 und der Differentialsperre 213 angeordnet.

Ferner ist das Traktionsfluid auch das Arbeitsmedium in der Steuerplatte 240, die auf der Unterseite des Toroidgetriebes liegt und zur Steuerung der Kupplungen dient, welche den jeweiligen Fahrbereich einlegen.

Diese Steuerplatte 240 umfasst mehrere Magnetventile, welche als pulsweitenmodulierte oder alternativ als Proportional-Ventile ausgestaltet sein können. Die Ventile können von einem in dem Toroidgetriebe integrierten elektronischen Getriebesteuergerät angesteuert werden.

Die Hydraulikdruckversorgung der Getriebesteuerung erfolgt durch eine Ölpumpe 70, die in üblicher Weise proportional zur Drehzahl der in 1 ersichtlichen Eingangswelle 5 angetrieben wird. Deren drehzahlabhängiger Hydraulikdruck wird, wie schematisch in 3 darstellt, auf ein Arbeitsdruckregelventil bzw. ein Arbeitsdruckhydraulikschieber 341 geleitet. Dieses/dieser regelt abhängig vom Motormoment, d.h, lastabhängig, einen Arbeitsdruck p-A ein. Es wird nur soviel Arbeitsdruck p-A erzeugt, wie nötig. D.h., es wird in den meisten Fällen nicht soviel Arbeitsdruck p-A erzeugt, wie die Antriebsmotordrehzahl aktuell vorgibt. Dies ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad η des Toroidgetriebes. Der Arbeitsdruck p-A wird über eine Leitung 342 in die Kupplungssteuerung 343 eingeleitet.

Innerhalb der Kupplungssteuerung 343 sind neben den besagten elektrisch ansteuerbaren Magnetventilen noch Hydraulikschieber angeordnet, welche von den Magnetventilen angesteuert werden, um die Haltedrücke und die Schaltdrücke über mehrere Kanäle 346, 347, 348 auf die Kupplungen des Getriebes, wie beispielsweise die Reibungskupplung K1, zu verteilen. von dem Kolbenraum der Reibungskupplung K1 geht eine Abzweigfluidleitung auf ein Differenzdruckventil, welches als Hydraulikschieber 349 ausgestaltet ist. Dieser Hydraulikschieber 349 öffnet zwei zusammengeführte Kanäle 51, 352, die auf den Kolbenraum 301 der Zentraldifferenzialsperre 213 geleitet werden, so dass diese bei geöffnetem Hydraulikschieber 349 eingerückt wird, wobei die Höhe des von der eingerückten Lamellenkupplung übertragenen Drehmomentes von der Höhe des Hydraulikdruckes im Kanal 51, 352 abhängig ist. Diese Höhe ist in den Fällen, in denen die Kupplung K1 eingerückt ist, ein über einen Schwellwert erhöhter Haltedruck bzw. der Arbeitsdruck p-A. Der notwendige Hydraulikdruck zum Einrücken der Kupplung K1 des Getriebes beträgt lediglich 16bar. Der notwendige Hydraulikdruck eines gleichen Getriebes, welches sich jedoch in einem Standardantriebsstrang ausschließlich mit Hinterachsantrieb befindet, beträgt 20bar. Bei dem Getriebe des Standardantriebsstranges weist die Kupplung K1 jedoch aufgrund des höheren Hydraulikdruckes eine Lamelle weniger auf.

4 zeigt den Hydraulikschieber 349 bzw. Differenzdruckschieber, der ausschließlich der Zentraldifferentialsperre 213 aus 2 zugeordnet ist. Dieser Hydraulikschieber 349 sperrt in der Darstellung den Arbeitsdruck p-A zur Zentraldifferentialsperre 213. Der Hydraulikschieber 349 wird eingangsseitig mit Arbeitsdruck p-A des Kanals 348 versorgt. Dieser Arbeitsdruck p-A liegt in dem dargestellten Zustand unter dem Schwellwert von 16bar.

Der Hydraulikschieber 349 weist den Stellkolben 1110 auf, welcher axial verschieblich in einem beidseitig abgeschlossenen Hydraulikzylinder 1111 geführt ist. An den beiden stirnseitigen Enden weist der Hydraulikzylinder 1111 radial nach außen ausgeformte Innenringnuten 1112, 1116 auf. Zwischen den beiden Enden sind mittig drei weitere radial nach außen ausgeformte Innenringnuten 1113, 1114, 1115 in den Aluwerkstoff eines Hydraulikschiebergehäuses eingearbeitet. Der Arbeitsdruck p-A ist der von links gesehen ersten Innenringnut 1112 und der vierten Innenringnut 1115 über Zuleitungen 1121 und 1122 zuführbar. Von den beiden Innenringnuten 1114 und 1116 führen die besagten Kanäle 51, 352 zu der Bohrung 202 des Kolbenraums 301 der Zentraldifferentialsperre 213, so dass diese von dem Hydraulikdruck innerhalb der beiden Innenringnuten 1114 und 1116 betätigbar ist. Von der Innenringnut 1113 geht eine Ablassöffnung 1123 ab, welche zu einem Ölsumpf des Toroidgetriebes führt.

Der Stellkolben 1110 besteht aus eine Kolbenstange, die zwei an der Innenwandung des Hydraulikzylinders 1111 anliegende Kolben 1117, 1118 aufweist, so dass an den Enden der Kolbenstange koaxiale Zapfen 1119, 1120 überstehen. Eine vorgespannte Schraubendruckfeder 1054 stützt sich einerseits an der rechten Stirnseite des rechten Kolbens 1118 und andererseits an der stirnseitigen Innenwandung des Hydraulikzylinders 1111 axial ab, so dass die Stirnfläche des linken Zapfens 1119 unter Spannung an der stirnseitigen Innenwandung des Hydraulikzylinders 1111 anliegt.

Der linke Kolben 1117 liegt in einer axialen Position zwischen der Innenringnut 1112 und der Innenringnut 1113 und versperrt somit den Hydraulikfluss zwischen der Innenringnut 1112 und der Innenringnut 1113. Der rechte Kolben 1118 liegt in der axialen Position der Innenringnut 1115 und versperrt somit den Hydraulikfluss aus der Innenringnut 1115 in die übrigen Bereiche des Hydraulikzylinders 1111.

Wird nun von der Software der Getriebesteuerung der Kolbendruck p_K im Kolbenraum der Kupplung K1 erhöht, so stellt sich der in 5 dargestellt Zustand ein.

5 zeigt den Hydraulikschieber 349 aus 4, wobei dieser den Kolbendruck p_K zur Zentraldifferentialsperre 213 aus 2 freigibt. Infolge der Erhöhung des Kolbendruckes p_K auf über 16bar wird die Vorspannung der Schraubendruckfeder 1054 überschritten. Der einseitig auf der linken Seite mit Druck beaufschlagte Kolben 1117 wird somit gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 1054 nach rechts verschoben. Damit wird die zweite Innenringnut 1113 verschlossen, so dass ein Ablass des Kolbendruckes p_K über die Ablassöffnung 1123 nicht möglich ist. Da der bewegungsfest mit dem linken Kolben 1117 verbundene Kolben 1118 ebenfalls nach rechts verschoben wird, wird die vierte Innenringnut 1115 freigegeben. Damit wird der geregelte Differenzdruck = Kolbendruck pK – Schwelldrucküber die beiden Kanäle 51, 352 auf den Kolbenraum 301 der Zentraldifferentialsperre 213 geleitet, so dass diese eingerückt wird. Der Schwelldruck ist dabei definiert durch die Federkraft.

6 zeigt eine zweite Ausgestaltungsalternative des Antriebsstranges in einer Darstellung ähnlich 3. Im Wesentlichen gegenüber der ersten Ausgestaltungsalternative unveränderte Bauteile werden im Folgenden nicht näher erläutert.

Der Hydraulikdruck zur Betätigung der Zentraldifferentialsperre 213 wird in diesem Fall direkt vom Arbeitsdruck p-A des Arbeitsdruckregelventils 341 abgeleitet und in die Zuleitungen 121, 122 des Hydraulikschiebers 349 gemäß 4 und 5 eingeleitet.

Die Schwellwertüberschreitung wird somit in beiden Ausgestaltungsalternativen mittels der Schraubendruckfeder 1054 festgelegt. Diese Verwirklichtung der Erfindung mit einem Differenzdruckschieber ermöglicht es, diese Schraubendruckfeder bauraumgünstig klein zu dimensionieren, da die Kräfte des Kolbens 1117 infolge dessen kleiner Kolbenfläche auch gering sind.

In weiteren Ausgestaltungsalternativen findet kein separater Differenzdruckschieber Anwendung. Stattdessen ist innerhalb der Lamellenkupplung der Zentraldifferentialsperre selbst eine vorgespannte Feder vorgesehen. Die Überschreitung der Vorspannkraft dieser Feder führt dann ebenfalls dazu, dass die Zentraldifferentialsperre betätigt – d.h. ein- oder alternativ ausgerückt – wird. Dem Vorteil des Verzichts auf einen separaten Differenzdruckschieber steht dabei der Nachteil gegenüber, dass die Feder – beispielsweise eine Tellerfeder – infolge der großen Kolbenfläche von Zentraldifferentialsperren sehr stark dimensioniert sein muss. Demzufolge bietet sich bei einer solchen Lösung eine kraftschlüssige Zentraldifferentialsperre mit kleiner Kolbenfläche oder sogar eine formschlüssige Zentraldifferentialsperre an.

Je nach Toroidgetriebekonzept können eine oder mehrere der Kupplungen auch als Bremse ausgeführt sein. Prinzipiell verbindet eine Kupplung zwei rotierende Getriebebauteile, wohingegen eine Bremse ein rotierendes Bauteil gegenüber dem Getriebegehäuse 26 festsetzt.

Die Zentraldifferentialsperre wird somit mit einer Kupplung eingerückt, die erst ab einem definierten Schwellwert betätigt wird, wobei zur Ansteuerung der Kupplung Drücke unterschiedlicher Fahrbereichskupplungen -d.h. K1 bzw. K2- verwendet werden wobei beispielsweise der höhere der beiden Drücke maßgebend ist. Es ist somit in einer weiteren Ausgestaltung auch möglich, jeweils einen Differenzdruckschieber nach 4 zu verwenden, der entsprechend der jeweiligen Fahrbereichskupplung einen spezifischen Schwellwert festlegt.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die Kupplung der Zentraldifferentialsperre mittels einer Kombination aus Kupplungsdruck und Arbeitsdruck eingerückt.

Zur Steuerung des Hydraulikdruckes können sowohl Hydraulikschieber als auch Magnetventile Anwendung finden. So kann ein Magnetventil mit einem geringen maximalen Hilfsdruck von beispielsweise 6bar einen Hydraulikschieber verschieben, der einen Hauptdruck von bis zu 25bar freigibt. Ebenso ist es möglich, den Hauptdruck unmittelbar mit Magnetventilen zu schalten, die dann auf einen entsprechend hohen Volumenstrom ausgelegt sein müssen.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.

Claims

Allrad-Antriebsstrang mit einem Toroidgetriebe, dessen koaxial zur Getriebeeingangswelle (5) angeordneter Getriebeausgangswelle (6) sich ein Verteilergetriebe (203) anschließt, welches mittels des Traktionsfluides des Toroidgetriebes geschmiert und gekühlt wird.
Allrad-Antriebsstrang nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine hilfskraftunterstützte Getriebeschaltung vorgesehen ist, bei welcher zumindest zwei von einem gemeinsamen Fluiddruck des Traktionsfluides versorgte Kupplungen (K1, 214) mittels des Fluiddrucks betätigbar sind, wobei die zweite Kupplung (214) derart ausgelegt ist, dass diese erst dann betätigt wird, wenn der Fluiddruck einen Schwellwert überschreitet, der zur Betätigung der ersten Kupplung (K1) notwendig ist.
Allrad-Antriebsstrang nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluiddruck zum Einrücken einer Kupplung einer Zentraldifferentialsperre des Allrad-Antriebsstrangs ein Arbeitsdruck p-A der Getriebeschaltung ist.
Allrad-Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplung (214) eine Zentraldifferentialsperre (213) ist.
Allrad-Antriebsstrang nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrwirkung der Zentraldifferentialsperre (213) stufenlos regelbar ist.
Allrad-Antriebsstrang nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenkupplung (214) der Zentraldifferentialsperre (213) von einem Hydraulikdruck eines separaten Hydraulikschiebers (349) versorgt wird, der einen Kraftspeicher (Schraubendruckfeder 1054) aufweist, wobei die Höhe der gespeicherten Kraft (Vorspannung) den Schwellwert vorgibt.
Allrad-Antriebsstrang nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenkupplung (214) der Zentraldifferentialsperre (213) einen Kraftspeicher (Tellerfeder) aufweist, wobei die Höhe der gespeicherten Kraft (Vorspannung) den Schwellwert vorgibt.
Allrad-Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang eine für einen Standardantrieb vorgesehene Getriebesteuerplatte (240) mit zugehörigem Planetenräder-Zwischengetriebe (8 bzw. 9) umfasst, wo bei eine Kupplung für das Planetenräder-Zwischengetriebe (8 bzw. 9) mittels eines gegenüber dem Standardantrieb modifizierten Programms angesteuert wird, wobei sich dem Planetenräder-Zwischengetriebe als Erweiterung ein Verteilergetriebe eines Allrad-Antriebsstrangs anschließt.
Allrad-Antriebsstrang nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraldifferentialsperre (213) mit einer Kupplung (Lamellenkupplung 214) eingerückt wird, die erst ab einem definierten Schwellwert betätigt wird, wobei zur Ansteuerung dieser Kupplung (Lamellenkupplung 214) Drücke unterschiedlicher Fahrbereichskupplungen (K1 oder K2) des Toroidgetriebes verwendet werden wobei der höhere der beiden Drücke maßgebend ist.
Allrad-Antriebsstrang nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung der Zentraldifferentialsperre (213) ein Differenzdruckschieber (Hydraulikschieber 349) Anwendung findet, der entsprechend einer Fahrbereichskupplung (K1 oder K2) des Toroidgetriebes einen spezifischen Schwellwert festlegt.
Allrad-Antriebsstrang nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (Lamellenkupplung 214) der Zentraldifferentialsperre (213) mittels einer Kombination aus Kupplungsdruck und Arbeitsdruck p-A eingerückt wird.