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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differentialanordnung und insbesondere eine variable Differentialanordnung, bei der die Drehmomentvorspannung zwischen zwei Abtrieben verstellt werden kann.
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In Kraftfahrzeugen verwendete Differentiale zum Ausgleich von Drehzahlunterschieden von Fahrzeugrädern sind schon lange bekannt. Während die üblichen Kegelrad-Differentiale schon seit Jahrzehnten eingesetzt werden, hat es zahlreiche Verbesserungen gegeben. Beispielsweise gibt es Differentiale mit begrenztem Schlupf (Sperrdifferential), bei denen eine Kupplung mit voreingestellter Drehmomentbegrenzung eine unabhängige Drehung verhindert, bis die auf die Räder wirkenden Kräfte und das auf die Achsen wirkende Drehmoment einen vorgegebenen Wert überschreiten. Dies vermeidet den üblichen Nachteil offener Differentiale, welche das Antriebsmoment auf das durchrutschende Fahrzeugrad übertragen, was häufig dazu führt, dass das Fahrzeug im Schnee, auf Eis oder im Matsch unnötigerweise stecken bleibt.
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Typische Differentiale sorgen für eine gleichmäßige Drehmomentaufteilung von 50% zu 50%. Dies trifft sowohl für Vorderachs- und Hinterachsdifferentiale wie auch für Mittendifferentiale zu. Es sind ferner auch Mittendifferentiale bekannt, die für eine andere Drehmomentaufteilung, beispielsweise von 40% zu 60%, sorgen.
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Die Mehrzahl aktiver Differentiale umfasst einen Mechanismus, der das Drehmoment von dem schneller drehenden Abtrieb zu dem langsamer drehenden Abtrieb überträgt. Es gibt auch Situationen, bei denen es wünschenswert wäre, Drehmoment von dem langsamer drehenden Abtrieb zu dem schneller drehenden Abtrieb zu übertragen. Hierzu gehören Situationen, bei denen ein Radschlupf bei Kurvenfahrten anfangs an den Hinterrädern auftritt. In einer Kurve drehen sich die Vorderräder mit einer höheren Durchschnittsgeschwindigkeit als die Hinterräder. Wenn der vorspannende Mechanismus eingerückt wird, ehe die durchschnittliche Radgeschwindigkeit der Hinterräder größer als die durchschnittliche Geschwindigkeit der Vorderräder ist, ist das Ergebnis konterproduktiv. Das herkömmliche aktive Differential erzeugt möglicherweise die relativen Wellendrehzahlen nicht in der richtigen Richtung, oder es erzeugt möglicherweise eine unbedeutende relative Drehzahldifferenz, so dass die drehmomentvorspannenden Kupplungen nicht zu der erwünschten Änderung im Fahrverhalten des Fahrzeuges führen.
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Durch die vorliegende Erfindung soll eine variable Differentialanordnung geschaffen werden, bei der die Drehmomentaufteilung zwischen zwei Abtrieben in Realzeit verstellbar ist.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wie folgt ausgebildet:
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Die variable Differentialanordnung liefert eine verstellbare Drehmomentvorspannung zwischen zwei Abtrieben. Eine Eingangswelle überträgt ein Antriebsmoment auf einen Planetenträger. Eine erste Gruppe von Planetenrädern treibt ein erstes Sonnenrad und einen ersten Abtrieb und eine zweite Gruppe von Planetenrädern an, welche ihrerseits weitere Planetenräder antreibt, welche ein zweites Sonnenrad und einen zweiten Abtriebe antreiben. An den beiden Enden des Planetenträgers sind ein erstes und ein zweites Ringrad befestigt, welche jeweils mit einem exzentrischen Zahnrad kämmen, welches seinerseits ein exzentrisches zweites Ringrad umfasst, das wiederum mit einem innenverzahnten Zahnrad kämmt, welches um den ersten und zweiten Abtrieb herum angeordnet ist. Diese Zahnräder sind mit einer ersten bzw. zweiten Reibscheibenkupplung verbunden, die unabhängig voneinander betätigt werden können, um die Drehmomentvorspannung des Differentials zu verstellen.
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Ferner wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einzigen Reibscheibenkupplung offenbart.
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Die Drehmomentverteilung über die variable Differentialanordnung kann eine erhebliche Auswirkung auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges durch Umschalten der Kraftfaktoren an den Reifen haben. Der Einfluss auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges kann so sein, dass es sich einer Übersteuerung, Untersteuerung oder neutralen Steuerung entsprechend den Wünschen des Fahrzeugherstellers und entsprechend Sicherheitsüberlegungen annähert. Die variable Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Antriebsmoment bei jedem normalen Fahrzustand zu einem erwünschten Abtrieb führen, der eine Drehmomentaufteilung von beispielsweise 80-20% bis 20-80% erzeugt. Die erfindungsgemäß ausgebildete Differentialanordnung kann daher viele der Nachteile überwinden, die sich in herkömmlichen Differentialen und aktiven Differentialsystemen finden.
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Gemäß einem Ziel der Erfindung wird somit eine variable Differentialanordnung zur Verwendung in Kraftfahrzeugen geschaffen.
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Gemäß einem weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung wird eine variable Differentialanordnung mit einem Planetengetriebe-Differential und zwei Reibscheibenkupplungen geschaffen.
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Gemäß einem weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung wird eine variable Differentialanordnung geschaffen, die entweder als Vorderachs- bzw. Hinterachsdifferential oder als Mittendifferential verwendet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung wird eine variable Differentialanordnung geschaffen, die ein Planetengetriebedifferential, zwei „versetzte“ Zahnradsätze und zwei Reibscheibenkupplungen umfasst.
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Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1A eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs mit einer variablen Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die als Mittendifferential verwendet wird;
- 1B eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs mit einer variablen Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in einer Hinterachse verwendet wird;
- 2 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer variablen Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in 2;
- 4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in 2;
- 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in 2;
- 6 eine Abwicklung eines Kugelrampenmechanismus längs der Linie 6-6 in 2;
- 7 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der variablen Differentialanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 in 7,
- 9 eine Abwicklung eines Kugelrampenmechanismus längs der Linie 9-9 in 7.
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In 1A ist ein Antriebsstrang 10 für ein Kraftfahrzeug mit vier Rädern dargestellt. Der Antriebsstrang 10 umfasst einen Primärantrieb 12 wie eine Benzin- oder Diesel-Brennkraftmaschine oder einen Hybridantrieb. Der Primärantrieb 12 kann in Längs- oder Querrichtung angeordnet sein. Der Primärantrieb 12 hat einen Abtrieb, der mit einem Wechselgetriebe 14 verbunden ist und dieses unmittelbar antreibt. Der Abtrieb des Wechselgetriebes 14 treibt unmittelbar eine variable Differentialanordnung 16 über ein Eingangsglied in Form einer Eingangswelle 18 an. Die Differentialanordnung 16 gibt Antriebsmoment an einen primären oder hinteren Antriebsstrang 20 ab, welcher eine primäre oder hintere Antriebswelle 22, ein primäres oder hinteres Differential 24, zwei primäre oder hintere Achswellen 26 und ein entsprechendes Paar primärer oder hinterer Fahrzeugräder 28 umfasst.
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Die variable Differentialanordnung 16 gibt ferner Antriebsmoment an einen sekundären oder vorderen Antriebsstrang 30 ab, der eine sekundäre oder vordere Antriebswelle, welche koaxial um die Eingangswelle 18 herum angeordnet ist, ein sekundäres oder vorderes Differential 34, ein Paar sekundärer oder vorderer Achswellen 36 und ein entsprechendes Paar sekundärer oder vorderer Fahrzeugräder 38 umfasst. Vorzugsweise sind die Vorderräder 38 unmittelbar mit den entsprechenden Vorderachswellen 36 verbunden, wenngleich manuell oder fernbedienbare Sperrnaben (nicht gezeigt) zwischen den Vorderachswellen 36 und den entsprechenden Fahrzeugrädern 38 angeordnet sein können, um sie wahlweise miteinander zu verbinden, falls dies erwünscht ist. Schließlich kann sowohl der primäre Antriebsstrang 20 wie auch der sekundäre Antriebsstrang 30 Universalgelenke 44 umfassen, um in herkömmlicher Weise statische und dynamische Fehlausrichtungen zwischen den verschiedenen Wellen und Bauteilen auszugleichen.
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Jedem der Hinterräder 28 ist ein Radgeschwindigkeitssensor 48 zugeordnet. Vorzugsweise sind die Radgeschwindigkeitssensoren 48 die gleichen Sensoren, die beispielsweise für ein ABS-System oder ein anderes Steuer- oder Traktionssystem verwendet werden. Die Signale der Sensoren 48 werden über Leitungen 52 einem Mikroprozessor 56 zugeführt. In der gleichen Weise sind den vorderen Fahrzeugrädern 38 entsprechende Radgeschwindigkeitssensoren 58 zugeordnet, deren Signale über Leitungen 62 dem Mikroprozessor 56 zugeführt werden. Auch diese Sensoren können unabhängig oder Teil eines ABS-Systems oder anderen Steuer- bzw. Traktionssystems des Fahrzeugs sein.
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Ein manuell bedienbarer Schalter 64 oder eine Gruppe von Tastknöpfen können in Reichweite des Fahrers innerhalb der Fahrgastzelle (nicht gezeigt) angeordnet sein. Der Schalter 64 kann beispielsweise dazu dienen, die variable Differentialanordnung 16 zu- oder abzuschalten. Ferner kann ein Drosselstellungssensor 66 vorgesehen werden, um dem Mikroprozessor 56 ein Signal entsprechend der Stellung der Drosselklappe oder des Beschleunigerpedals zuzuleiten, und ein Lenkwinkelsensor 68 kann in gleicher Weise dem Mikroprozessor 56 ein Signal zuführen, das die Winkelstellung der vorderen oder hinteren Fahrzeugräder 38 darstellt.
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Es wird nun auf 2 Bezug genommen. Die dort dargestellte variable Differentialanordnung 16 umfasst ein vorzugsweise gegossenes metallisches Gehäuse 98, das zur Aufnahme und Lagerung verschiedener Komponenten der Differentialanordnung 16 wie einem Planetengetriebedifferential 100 dient. Das Planetengetriebedifferential 100 wird von der Eingangswelle 18 angetrieben, die über eine Keilverzahnung (Leisten 102 und Nuten 104) mit einem Planetenträger 106 drehfest verbunden ist. Der Planetenträger 106 trägt mehrere Wellenstummel 108, von denen eine in 2 dargestellt ist; jedes der Wellenstummel 108 trägt ein Planetenrad einer Gruppe von Planetenrädern 110, deren Zähne 112 mit den Zähnen 114 eines Sonnenrades 116 ständig in Eingriff stehen. Das Sonnenrad 116 ist mit der Antriebswelle 32 einstückig ausgebildet oder an dieser befestigt.
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Die Differentialanordnung 100 umfasst ferner eine zweite Gruppe länglicher Planetenräder 120, die auf einer entsprechenden Anzahl länglicher Wellenstummel 122 frei drehbar gelagert sind, welche wiederum an dem Planetenträger 106 befestigt sind. Gleitlager oder Wälzlager wie Nadellager 124 können zwischen der zweiten Gruppe von Planetenrädern 120 und den Wellenstummeln 122 verwendet werden. Die Planetenräder 120 der zweiten Gruppe haben Zähne 126, die mit den Zähnen 112 der Planetenräder 110 der ersten Gruppe ständig in Eingriff stehen. Ständig in Eingriff mit den Zähnen 126 der Planetenräder 120 der zweiten Gruppe sind ferner die Zähne 128 eines zweiten oder hinteren Sonnenrades 132, das mit der Ausgangswelle 22 einstückig ausgebildet oder an dieser befestigt ist.
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Die Eingangswelle 18 umfasst einen durchmesserverringerten Bereich 136, auf dem ein Wälzlager, insbesondere ein Rollenlager 138, angeordnet ist. die Ausgangswelle 22 umfasst eine Gegenbohrung 142 in Form einer Sackbohrung, welche das Rollenlager 138 aufnimmt. Falls erwünscht, können reibungsarme Scheiben 144 zwischen den verschiedenen Rädern 116, 132 und dem zentralen Abschnitt des Planetenträgers 106 vorgesehen werden.
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Die Bauteile des gerade beschriebenen Planetengetriebe-Differentials 100 sorgen für eine herkömmliche Differentialwirkung, durch die die Eingangswelle 18 die beiden Ausgangswellen 22 und 32 antreibt und hierbei für einen Ausgleich zwischen den Drehzahlen der beiden Ausgangswellen 22 und 32 sorgt.
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Die Differentialanordnung 16 umfasst ferner zwei exzentrische Zahnradsätze 150A und 150B, welche im wesentlichen identisch sind, jedoch der Ausgangswelle 22 bzw. der Ausgangswelle 32 zugeordnet sind. Insofern wird nur einer der beiden Zahnradsätze, und zwar der Zahnradsatz 150B, beschrieben, wobei es sich jedoch versteht, dass der Getriebesatz 150A den gleichen Aufbau hat.
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Ein Bestandteil des Planetenträgers 106 der Differentialanordnung 100 ist ein Ringzahnrad 152 mit inneren Zähnen 154, die mit äußeren Zähnen 156 eines exzentrischen Ringzahnrades 160 kämmen. Das exzentrische Ringzahnrad 160 ist innerhalb des Gehäuses 98 der Differentialanordnung 16 frei drehbar gelagert auf einer gegenüber der Achse der Wellen 18, 22 und 32 versetzten Achse durch Wellenlager, insbesondere ein Gleitlager 162. Statt des Gleitlagers 162 kann auch ein Wälzlager wie z.B. ein Rollenlager (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Das exzentrische Ringzahnrad 160 umfasst ferner innere Zähne 164, die mit äußeren Zähnen 166 eines Ritzels 170 ständig kämmen, welches koaxial zur Achse der Eingangswelle 18 und der Ausgangswelle 32 angeordnet ist. Das Ritzel 170 ist mit inneren Nuten 172 einer Keilverzahnung versehen.
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Das Planetengetriebe-Differential 100 umfasst ferner zwei symmetrisch angeordnete Reibscheibenkupplungen 180A und 180B. Da ihr Aufbau gleich ist, wird nur die hintere Reibscheibenkupplung 180A beschrieben. Der Übersichtlichkeit wegen erscheinen allerdings Bezugszeichen in beiden Reibscheibenkupplungen. Die Reibscheibenkupplung 180A hat ein glockenförmiges Gehäuse 182 mit einem hülsenförmigen Abschnitt 184 kleineren Durchmessers, der über eine Keilverzahlung (Leisten 186 und Nuten 172) mit dem Ritzel 170 drehfest verbunden ist. Das glockenförmige Gehäuse 182 ist über eine Keilverzahnung 188 mit einer ersten Gruppe Reibscheiben 190 größeren Durchmessers drehfest verbunden. Abwechselnd zu den Reibscheiben 190 ist eine zweite Gruppe Reibscheiben 192 kleineren Durchmessers angeordnet. An den Reibscheiben 190 und 192 ist ein papierförmiges oder anderes Reibmaterial befestigt. Die Reibscheiben 192 der zweiten Gruppe sind über eine Keilverzahnung 196 mit einer zylindrischen Nabe 200 drehfest verbunden. Die Nabe 200 wiederum ist über eine Keilverzahnung (Nuten 202 und Leisten 204) mit der Ausgangswelle 22 drehfest verbunden. Die Nabe 200 dreht sich daher zusammen mit der Ausgangswelle 22.
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Wie aus 2 in Verbindung mit 6 hervorgeht, umfasst die Reibscheibenkupplung 180A ferner einen hinteren Kugelrampenmechanismus 210A. Die vordere Reibscheibenkupplung 180B umfasst in der gleichen Weise einen vorderen Kugelrampenmechanismus 210B. Da die beiden Kugelrampenmechanismen 210A und B, abgesehen von ihrer Spiegelsymmetrie, den gleichen Aufbau haben, wird wiederum nur ein Kugelrampenmechanismus beschrieben, wenngleich der Übersichtlichkeit halber die Bezugszeichen auf beide Kugelrampenmechanismen verteilt sind. Der hintere Kugelrampenmechanismus 210A umfasst eine kreisförmige Andruckplatte 212 mit mehreren gewölbten (gekrümmten) Ausnehmungen 214, die eine entsprechende Anzahl von Kraftübertragungsgliedern in Form von Kugeln 216 aufnehmen. Die Andrückplatte 212 ist über eine Keilverzahnung (Nuten 218 und Leisten196) mit der Nabe 200 drehfest verbunden. Die Andrückplatte 212 dreht sich daher zusammen mit der Nabe 200.
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Angrenzend an der Andrückplatte 212 ist ein kreisförmiges Bauteil 222 eines kleineren Durchmessers angeordnet. Das Bauteil 222 umfasst eine entsprechende Anzahl gewölbter Ausnehmungen 224, welche ebenfalls die Kugeln 216 aufnehmen. Es versteht sich, dass die rampenförmig ausgebildeten Ausnehmungen 214 und 224 und die Kugeln 216 durch entsprechende mechanische Elemente ersetzt werden könnten, welche eine axiale Verstellung der Andrückplatte 212 und des Bauteils 222 in Abhängigkeit von einer Relativdrehung zwischen diesen bewirken. Beispielsweise können Kegelrollen in komplementär ausgebildeten konischen Wendeln angeordnet werden, oder es können gegenüberliegende Nocken mit komplementären mehrfach abgeschrägten Flächen verwendet werden.
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Das kreisförmige Bauteil 222 ist über eine Keilverzahnung 228 mit einer ersten Gruppe von Reibscheiben 232 einer Vorsteuer-Reibscheibenkupplung drehfest verbunden. Die Reibscheiben 232 der ersten Gruppe sind abwechselnd zu Reibscheiben 234 eines größeren Durchmessers einer zweiten Gruppe der Vorsteuer-Reibscheibenkupplung angeordnet. Die Reibscheiben 234 sind über eine Keilverzahnung 188 mit dem glockenförmigen Gehäuse 182 drehfest verbunden. Die Reibscheiben 234 der zweiten Gruppe der Vorsteuer-Reibscheibenkupplung drehen sich daher gemeinsam mit dem Gehäuse 182.
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Eine kreisförmige dickere Beilagscheibe 236 ist über eine Keilverzahnung (Leisten 238 und Nuten 188) mit dem Gehäuse 182 drehfest verbunden. Eine dünne Axialdruckscheibe 240 ist zur Reibungsverringerung zwischen der Beilagscheibe 236 und der Andruckplatte 212 angeordnet. Ein Axiallager 242 ist angrenzend an dem Bauteil 222 angeordnet und wird in seiner Lage auf der Nabe 200 von einem Schnappring 244 gehalten, der in einer entsprechenden Nut 246 der Nabe 200 sitzt. Eine axial bewegliche Betätigungsplatte 250 greift an dem Axiallager 252 und einer zweiten kreisförmigen Andruckplatte 254 an, die in axialer Richtung translationsförmig in Richtung auf die Reibscheibenkupplungen 180 von einer Betätigungsstange 258 bewegt werden kann, welche ihrerseits von einem drehrichtungsumkehrbaren elektrischen Aktuator 260 axial in entgegengesetzten Richtungen bewegt werden kann. Der Aktuator 260 steht unter der Steuerung des in 1A dargestellten Mikroprozessors 56.
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Die Funktionsweise der Differentialanordnung 16 wird nun unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Wie bereits erwähnt, arbeiten die Eingangswelle 18 und das Planetengetriebe-Differential 100 mit dem Planetenträger 106, den Planetenrädern 110 und 120, dem vorderen Sonnenrad 116 und dem hinteren Sonnenrad 132 wie auch die zugehörigen Ausgangswellen 32 und 22 als herkömmliches Planetengetriebe-Differential, welches im Zentrum des Fahrzeugs angeordnet ist und häufig als Mittendifferential bezeichnet wird.
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Hinsichtlich des Planetengetriebe-Differentials 100 sei darauf hingewiesen, dass die Durchmesser der Sonnenräder 116 und 132, wie dargestellt, nicht gleich sind. Das hintere Sonnenrad 132 ist größer als das vordere Sonnenrad 116, so dass die kämmenden länglichen Planetenräder 120 die Drehbewegung des vorderen Sonnenrades 116 nicht stören. Der Durchmesserunterschied hat ein unterschiedliches Verhältnis entsprechend der relativen Durchmesser zur Folge; es kommt jedoch einem gleichen Verhältnis nicht näher als einem Verhältnis von 48:52. Dieses Verhältnis wird, wenn sich die Differentialanordnung 100 in einem nicht vorgespannten Zustand befindet, als gleich betrachtet. Dieses Verhältnis kann jedoch durch Verstellen der relativen Durchmesser der Sonnenräder 116 und 132 gegebenenfalls erhöht werden.
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Der Planetenträger 106 treibt das entsprechende vordere und hintere exzentrische Ringzahnrad 160 an. Dieser wiederum treiben die Ritzel 170 und die zugehörigen Gehäuse 182 mit einer Drehzahl an, die geringfügig kleiner als die nicht durch das Differential geänderte Drehzahl der entsprechenden Ausgangswellen 18 und 22 ist. Wenn der elektrische Aktuator 260 die Betätigungsstange 256 entweder nach links oder rechts verschiebt, um die Reibscheibenkupplung 180A oder 180B einzurücken, werden die Kupplungsscheiben 190 und 192 von der zugehörigen Andruckplatte 212 gegeneinander gedrückt, so dass ein Drehmoment von der hinteren oder vorderen Ausgangswelle 22 bzw. 18 auf das Gehäuse 182 übertragen wird, was wiederum über die exzentrischen Zahnräder und das Planetengetriebe-Differential 100 sich an der anderen Ausgangswelle 18 bzw. 22 „wiederspiegelt“.
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Das Differential ist somit in der Lage, Drehmoment von einer langsamer drehenden Ausgangswelle zu einer schneller drehenden Ausgangswelle zu übertragen. Diese Konfiguration verringert ferner das Drehmoment, das durch die Kupplungsscheiben 190 und 192 übertragen wird, und verringert die Drehzahlunterschiede an den Reibflächen. Das verringerte Drehmoment und die verringerte Drehzahl tragen beide dazu bei, die in den Reibscheibenkupplungen erzeugte Wärme zu verringern und somit die Lebensdauer der Reibscheibenkupplungen und der Differentialanordnung 16 zu erhöhen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Reibscheibenkupplungen 180A und 180B Rutschkupplungen und nicht Sperrkupplungen sind und nicht in einem Sperrmodus arbeiten, welcher typischerweise eine um 20% höhere Drehzahl der einen Ausgangswelle gegenüber der anderen zur Folge hätte.
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Wenngleich statt des einzelnen elektrischen Aktuators 260 andere einzelne oder doppelt wirkende, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren oder Betätigungsvorrichtungen unterschiedlichster Bauart verwendet werden könnten, sei jedoch darauf hingewiesen, dass ein einzelner Aktuator ausreichend ist, da es niemals erforderlich ist, beide Reibscheibenkupplungen 180A und 180B gleichzeitig einzurücken.
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Es wird nun auf 1B Bezug genommen. Bei dem dort dargestellten Antriebsstrang 70 für ein Kraftfahrzeug mit vier Rädern wird die Differentialanordnung gemäß der Erfindung in einer Hinterachse verwendet. Der Antriebsstrang 70 umfasst einen Primärantrieb 12 in Form einer Brennkraftmaschine. Der Primärantrieb 12 kann in Längsrichtung oder Querrichtung angeordnet sein. Der Primärantrieb 12 hat einen Abtrieb, der mit einem Transaxle-Getriebe 74 verbunden ist und dieses unmittelbar antreibt. Ein erster Abtrieb des Transaxle-Getriebes 74 treibt eine hintere variable Differentialanordnung 80 über eine Antriebswelle 82 an. Die Differentialanordnung 80 überträgt Antriebsmoment auf zwei Ausgangsglieder in Form von Hinterachswellen 26A und 26B und ein entsprechendes Paar hinterer Fahrzeugräder 28.
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Das Transaxle-Getriebe 74 überträgt ferner Antriebsmoment auf zwei vordere Achswellen 36' und ein entsprechendes Paar vorderer Fahrzeugräder 38. Schließlich enthält die Antriebswelle 82 Universalgelenke 84, die statische und dynamische Fehlausrichtungen zwischen der Antriebswelle 82 und den zugehörigen Bauteilen ausgleichen.
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Jedem der hinteren Fahrzeugräder 28 ist ein Hinterradgeschwindigkeitssensor 48 zugeordnet. Die Sensoren 48 können unabhängige Sensoren oder dieselben Sensoren sein, welche beispielsweise für ein ABS-System oder ein anderes Steuer- oder Traktionssystem des Fahrzeuges verwendet werden. Die Signale der Sensoren 48 werden über Leitungen 52 einem Mikroprozessor 56 zugeführt. In der gleichen Weise sind den vorderen Fahrzeugrädern 38 Radgeschwindigkeits-Sensoren 58 zugeordnet, deren Signale dem Mikroprozessor 56 über Leitungen 62 zugeführt werden. Wiederum können die Sensoren 58 unabhängig oder Teil eines ABS-Systems oder anderen Traktions- oder Stabilitätssystems des Fahrzeugs sein.
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Ein manuell bedienbarer Schalter 64 oder eine Gruppe von Tastknöpfen können in Reichweite des Fahrers innerhalb der Fahrgastzelle (nicht gezeigt) angeordnet sein. Der Schalter 64 kann beispielsweise dazu dienen, die variable Differentialanordnung 16 zu- oder abzuschalten. Ferner kann ein Drosselstellungssensor 66 vorgesehen werden, um dem Mikroprozessor 56 ein Signal entsprechend der Stellung der Drosselklappe oder des Beschleunigerpedals zuzuleiten, und eine Lenkwinkelsensor 68 kann in gleicher Weise dem Mikroprozessor 56 ein Signal zuführen, das die Winkelstellung der vorderen oder hinteren Fahrzeugräder 38 darstellt.
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Das in den 1B und 7 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer variablen Differentialanordnung 80 umfasst ein kleineres Kegelrad 276, das ein größeres Kegelrad 278 antreibt; beide Kegelräder werden von einem zylindrischen Gehäuse 280 aufgenommen. Eine zylindrische Verlängerung 282 des größeren Kegelrades 278 ist im Gehäuse 280 mittels eines Gleit- oder Wälzlagers 284 gelagert. Außerdem ist die Verlängerung 282 des größeren Kegelrades 278 durch ein Kegelrollenlager 286 gelagert, welches seinerseits von der linken Hinterachswelle 26A getragen wird. Die zylindrische Verlängerung 282 des größeren Kegelrades 278 ist mit inneren Nuten 288 einer Keilverzahnung versehen.
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Wie aus den 7 und 8 hervorgeht, umfasst die Differentialanordnung 80 ebenfalls ein Planetengetriebe-Differential 290. Das Planetengetriebe-Differential 290 umfasst einen Planetenträger 292 mit einem durchmesserverringerten Abschnitt, der mit äußeren Leisten 294 versehen ist, welche zusammen mit den Nuten 288 des größeren Kegelrades 278 die Keilverzahnung bilden. Der durchmesserverringerte Abschnitt des Planetenträgers 292 ist durch ein Rollenlager 296 auf der linken hinteren Achswelle 26A frei drehbar gelagert. Mit dem Planetenträger 292 ist eine erste Gruppe Wellenstummel 302 drehfest verbunden, von denen einer in 7 dargestellt ist. Jeder der Wellenstummel 302 trägt ein Wälzlager in Form eines Rollenlagers 304, das seinerseits ein Planetenrad 306 frei drehbar lagert. Die Planetenräder 306 sind über eine Keilverzahnung (Leisten 308 und Nuten 312) mit einem auf der rechten Seite befindlichen Sonnenrad 314 drehfest verbunden. Das Sonnenrad 314 ist über eine Keilverzahnung (Nuten 316 und Leisten 318) mit einem Endabschnitt der rechten Hinterachswelle 26B drehfest verbunden.
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Die erste Gruppe Planetenräder 306 treibt eine zweite Gruppe Planetenräder 324 an, die eine erste Gruppe Zähne 326 kleineren Durchmessers und eine zweite Gruppe Zähne 328 größeren Durchmessers haben. Die Planetenräder 324 der zweiten Gruppe sind mittels Wälzlager in Form von Rollenlagern 332 drehbar gelagert, welche ihrerseits von Wellenstummeln 334 getragen werden, welche an dem Planetenträger 292 befestigt sind. Die Zähne 328 größeren Durchmessers der zweiten Gruppe Planetenräder 324 kämmen ständig mit den Zähnen 336 eines auf der linken Seite angeordneten zweiten Sonnenrades 338. Das Sonnenrad 338 ist über eine Keilverzahnung (Nuten 342 und Leisten 344) mit der linken Hinterachswelle 26A drehfest verbunden. Ein Rollenlager 346, das sich innerhalb einer Gegenbohrung 348 der linken Hinterachswelle 26A befindet, lagert und stabilisiert die Hinterachswellen 26A und 26B relativ zueinander. Eine ebene Scheibe 352, die zwischen dem ersten Sonnenrad 314 und dem zweiten Sonnenrad 338 angeordnet ist, verringert die Reibung zwischen ihnen und hält sie in ihren korrekten axialen Lagen. Das gerade beschriebene Planetengetriebe-Differential 290 arbeitet als herkömmliches Differential, das Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Hinterachswellen 26A und 26B ausgleicht, wenn beispielsweise das zugehörige Fahrzeug durch eine Kurve fährt.
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Wie aus 7 hervorgeht, umfasst die Differentialanordnung 80 ferner eine Differentialantriebsvorrichtung 360. Die Differentialantriebsvorrichtung 360 umfasst ein U-förmiges Gehäuse 362 mit längs verlaufenden äußeren Nuten 364, in die radial verlaufende Anschläge bzw. Stifte 366 greifen können, um das Gehäuse 362 innerhalb der Differentialanordnung 380 stationär zu halten. Die radialen Stifte 366 können durch geeignete Elemente wie z.B. einen Haltering 368 und einen Schnappring 372 gesichert und stabilisiert werden.
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Innerhalb des stationären Gehäuses 362 sind, in Winkelabständen von 120°, drei Wellenstummel 374 angeordnet, von denen einer in 7 dargestellt ist. Die Wellenstummel 374 sind an dem stationären Gehäuse 362 befestigt und sind somit ebenfalls stationär. Die drei Wellenstummel 374 tragen Rollenlager 376, welche ihrerseits drei Zahnräder 380 frei drehbar lagern. Die Zahnräder 380 haben zwei Gruppen Zähne 382 und 392 unterschiedlichen Durchmessers. Die erste Gruppe Zähne 382 größeren Durchmessers kämmt ständig mit Zähnen 384 eines ersten Ringzahnrades 386, das mit dem Planetenträger 292 des Planetengetriebe-Differentials 290 drehfest verbunden ist. Die zweite Gruppe Zähne 392 kleineren Durchmessers kämmt ständig mit Zähnen 394 eines zweiten zylindrischen Ringzahnrades 396. Das Ringszahnrad 396 ist mit inneren Nuten 398 einer Keilverzahnung versehen.
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Die Differentialanordnung 80 umfasst ferner einen Kugelrampenmechanismus 400. Der Kugelrampenmechanismus 400 weist ein glockenförmiges Gehäuse 402 mit einem Nabenbereich 404 kleineren Durchmessers auf, welcher von einem Gleit- oder Wälzlager 406 auf der rechten Achswelle 26B frei drehbar gelagert ist. Ein Axiallager 408 hält die axiale Lage des Gehäuses 402 relativ zu der rechten Achswelle 26B aufrecht, und die axiale Lage des Axiallagers 408 und einer angrenzenden ebenen Scheibe 412 wird durch einen Schnappring 414 aufrechterhalten, der in einer umlaufenden Nut 416 der rechten Achswelle 26B sitzt.
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Das Gehäuse 402 hat einen durchmesservergrößerten Abschnitt 422 mit äußeren Leisten 424, die mit den Nuten 398 des zweiten Ringzahnrades 396 die Keilverzahnung bilden. Das Gehäuse 402 dreht sich somit zusammen mit dem zweiten Ringzahnrad 396. Der durchmesservergrößerte Abschnitt 422 des Gehäuses 402 ist über eine Keilverzahnung 426 mit Reibscheiben 428 größeren Durchmessers drehfest verbunden. Reibscheiben 432 kleineren Durchmessers sind abwechselnd zu den Reibscheiben 428 größeren Durchmessers angeordnet. Die Reibscheiben 428 und 432 sind jeweils mit einem Reibbelag in Form eines geeigneten Kupplungspapiers oder anderen Belagmaterials versehen.
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Die Reibscheiben 432 sind über eine Keilverzahnung 434 mit einer Kupplungsnabe 436 drehfest verbunden. Die Kupplungsnabe 436 ihrerseits ist durch eine Keilverzahnung 438 mit der rechten Achswelle 26B drehfest verbunden. Eine kreisförmige Andrückplatte 442 ist ebenfalls über eine Keilverzahnung (Nuten 444 und Leisten 434) mit der Kupplungsnabe 436 drehfest verbunden. Die Andrückplatte 442 dreht sich daher zusammen mit der Kupplungsnabe 436 und der rechten Achswelle 26B. Wie in den 7 und 9 dargestellt ist, hat die Andrückplatte 442 mehrere beabstandete gewölbte, rampenförmige Ausnehmungen 446, die jeweils ein Kraftübertragungsglied in Form einer Kugel 448 aufnehmen. Vorzugsweise werden drei Ausnehmungen 446 in Winkelabständen von 120° verwendet. Ein kreisförmiges Bauteil 452 hat eine entsprechende Anzahl von in gleicher Weise beabstandeten Ausnehmungen 454, welche ebenfalls die Kugeln 448 aufnehmen. Die rampenförmigen Ausnehmungen 446 und 454 mit den Kugeln 448 können durch andere entsprechende mechanische Elemente ersetzt werden, welche eine axiale Verstellung der Andrückplatte 442 und des Bauteils 452 als Folge einer Relativdrehung zwischen ihnen bewirkt. Beispielsweise können Kegelrollen in komplementär ausgebildeten konischen Wendeln angeordnet sein, oder es können gegenüberliegende Nocken mit komplementär ausgebildeten mehrfach abgeschrägten Flächen verwendet werden.
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Das kreisförmige Bauteil 452 ist über eine Keilverzahnung 456 mit Reibscheiben 458 kleineren Durchmessers einer Vorsteuer-Reibscheibenkupplung drehfest verbunden. Abwechselnd zu den Reibscheiben 458 ist eine zweite Gruppe Reibscheiben 462 größeren Durchmessers angeordnet. Die Reibscheiben 462 größeren Durchmessers sind über eine Keilverzahnung 426 mit dem Gehäuse 402 drehfest verbunden. Beide Gruppen von Reibscheiben 458 und 462 sind mit einem Reibbelag in Form eines geeigneten Kupplungspapiers oder anderen Belagmaterials versehen. Die axiale Lage des kreisförmigen Bauteils 454 wird durch ein Axiallager 466 aufrechterhalten, welches an einer Schulter 468 in der rechten Achswelle 26B anliegt.
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Die Differentialanordnung 80 umfasst ferner eine Betätigungsvorrichtung mit einem Aktuator 470. Der Aktuator 470 weist einen drehrichtungsumkehrbaren elektrischen Motor 472 einer Leistungsstärke eines Bruchteils einer Pferdestärke auf, welcher ein Ritzel 474 in beiden Drehrichtungen antreibt. Das Ritzel 474 steht mit äußeren Zähnen 476 eines Ringzahnrades 478 in Eingriff. Das Ritzel 474 ist über eine Keilverzahnung 476 mit einem Ringzahnrad 478 drehfest verbunden. Das Ringzahnrad 478 ist über ein Schraubgewinde 482, 484 mit einem stationären Ringkörper 486 in Eingriff. Bei einer Drehung des Ritzels 474 in beiden Drehrichtungen wird das Ringzahnrad 478 gedreht und axial bewegt, und zwar mit erheblich verringerter Geschwindigkeit und vergrößertem Drehmoment. Das Ringzahnrad 478 greift an einer kreisförmigen Abstandsscheibe 492 an, welche ihrerseits an einem allgemein kreisförmigen, schräg verlaufenden Übertragungsglied 494 angreift, welches die Reibscheiben 458 und 462 der Vorsteuer-Reibscheibenkupplung in Anlage miteinander drückt.
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Die Differentialanordnung 80 umfasst ferner eine Schmiermittelpumpe 500, welche einen axialen Kanal 502 in der rechten Achswelle 26B mit Schmiermittel versorgt. Mehrere radiale Öffnungen 504 verteilen das Schmiermittel auf verschiedene Komponenten der Differentialanordnung 80. Eine Dichtung 506 verschließt das offene Ende des axialen Kanals 502. Ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager 508, lagert die rechte Hinterachswelle 26B innerhalb des Gehäuses 280, und eine Öldichtung 510 sorgt für eine Abdichtung zwischen ihnen.
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Die Funktionsweise der Differentialanordnung 80 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird nun unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Wie bereits erwähnt, arbeitet das Planetengetriebe-Differential 290 als herkömmliches Differential, das unterschiedliche Drehzahlen zwischen den Hinterachswellen 26A und 26B ausgleicht, während es Drehmoment von dem Kegelrad 278 größeren Durchmessers auf sie überträgt. Wegen der unterschiedlichen Durchmesser der Zahnräder 326 und 328 innerhalb des Differentials 290 kommt es zu einer ungleichmäßigen Drehmomentaufteilung, welche das Drehmoment auf beispielsweise die Hinterräder so überträgt bzw. „vorspannt“, dass die Hinterräder 60% des Antriebsmomentes und die Vorderräder 40% des Antriebsmomentes erhalten.
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Die Funktionsweise der Differentialanordnung 80 entspricht derjenigen der Differentialanordnung 16 insofern, als der Abtrieb der Differentialantriebsvorrichtung 360 und insbesondere das glockenförmige Gehäuse 442 der Reibscheibenkupplung 400 aufgrund der Drehzahlverringerung durch die Differentialantriebsvorrichtung 360 mit geringerer Drehzahl als der Planetenträger 292 dreht. Wenn somit die Reibscheibenkupplung 400 durch Erregung des elektrischen Motors 472 aktiviert wird, wird Drehmoment durch die Reibscheibenkupplung 400 von der rechten Achswelle 26B durch die Differentialantriebsvorrichtung 360 auf linke Achswelle 26A übertragen. Wenn die Vorspannung bzw. Aufteilung anfangs so ist, dass 60% des Antriebsmomentes auf die Achswelle 26B und 40% auf die Achswelle 26A übertragen wird, so kann es bei einer Aktivierung der Reibscheibenkupplung 400 zu einer Übertragung von 80% des Drehmomentes auf die linke Achswelle 26A und von 20% auf die rechte Achswelle 26B kommen.
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Gemäß der obigen Beschreibung ist das erste Ausführungsbeispiel der Differentialanordnung 16 als Mittendifferential und die Differentialanordnung 80 des zweiten Ausführungsbeispiels als Hinterachsdifferential ausgebildet. Da beide Differentialanordnungen 16 und 80 so ausgelegt werden können, dass sie gleiches Drehmoment abgeben oder anfangs eine „Vorspannung“ in eine Richtung bewirken, d.h. wesentlich mehr Drehmoment an die Hinterachswelle bei normalem Betrieb abgeben und dann aktiviert werden, um wesentlich mehr Drehmoment an die Vorderachswelle des Fahrzeugs abzugeben, können beide Differentialanordnungen 16 und 80 entweder als Mittendifferential oder als Hinterachsdifferential entsprechend den 1A bzw. 1B eingesetzt werden.
