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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verteilergetriebe mit
zwei Transferketten, um eine niedrige Übersetzung für einen
Hinterradantrieb, eine hohe Übersetzung
für einen
Vorderradantrieb, eine niedrige Übersetzung
für einen
Vierradantrieb und eine hohe Übersetzung
für einen
Vierradantrieb einzurichten.
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Fahrzeuge
mit Vierradantrieb (4WD) liefern eine Traktion, die für Fahrzeuge
mit Zweiradantrieb (2WD) oft unerreichbar ist, indem Kraft an die
beiden Achsen des Fahrzeugs geliefert wird. Die vom Vierradantrieb
gelieferte zusätzliche
Traktion wird begleitet von der zusätzlichen Komplexität des Antriebsstrangs,
der erforderlich ist, um die Kraft zu steuern und sie im Gegensatz
zu nur zwei Rädern
an alle vier Räder
abzugeben. Ein Vierradantrieb hat charakteristischerweise kein Zentraldifferenzial,
das einen festen Bruchteil eines an jede Achse gelieferten Drehmoments
beibehalten würde,
sondern behält vielmehr
ungeachtet des zwischen den beiden Achsen geteilten Drehmoments
an jeder Achse die gleiche Drehzahl bei. Die Abgabe von Kraft zwischen den
Vorderrädern
und den Hinterrädern
eines Fahrzeugs wird typischerweise bewerkstelligt durch einen Verteilergetriebemechanismus,
der gewöhnlich
entweder eine mechanisch oder elektronisch gesteuerte Kupplung enthält, um zwischen
einem Hinterradantrieb und Vierradantrieb umzuschalten.
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In
Systemen mit Allradantrieb (AWD) stehen die Vorder- und Hinterachsen
ständig
in Antriebseingriff mit dem Verteilergetriebe, aber das System enthält ein Zentraldifferenzial,
um ein festes Drehmomentverhältnis
zwischen der Vorder- und Hinterachse aufrechtzuerhalten.
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Zusätzlich zum
Steuern der Übertragung
von Drehmoment zwischen Vorder- und Hinterachsen eines Fahrzeugs
kann das Verteilergetriebe auch einen Planetengetriebesatz oder
einen Satz von Zahnrädern
einer Vorgelegewelle enthalten, der eine Übersetzung ins Langsame oder
ins Schnelle liefert. Statt ein neues Fünf- oder Sechsganggetriebe
herzustellen, kann ein bestehendes Vierganggetriebe mit einem Verteilergetriebe
mit mehreren Gängen
genutzt werden, um zusätzliche Übersetzungsverhältnisse
wie z. B. zum Herausziehen von Baumstümpfen (Übersetzung in extrem Langsame)
oder im höchsten
Gang eine Übersetzung
ins Schnelle zu liefern.
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Verteilergetriebe
für einen
Allradantrieb enthalten typischerweise einen Planetengetriebesatz, um
die Funktion eines Zentraldifferenzials bereitzustellen, die unabhängig von
der Reifendrehzahl oder dessen Schlupf eine konstante Drehmomentteilung zwischen
der Vorder- und Hinterachse aufrechterhält. Ein solches Verteilergetriebe
mit zwei Planetengetriebesätzen
ist beispielsweise aus der
DE
198 37 202 A1 bekannt. Das Fahrzeug ist typischerweise auch
mit identischen vordere und hintere Achsantriebsübersetzungen und identischen
Rollradien für vordere
und hintere Reifen ausgestattet, um die im Zentraldifferenzial umgeleitete
Kraft (drehmomentbezogene Verluste) zu minimieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verteilergetriebe für einen
Allradantrieb anzugeben, welches zur Erfüllung der Funktion eines Zentraldifferenzials
keinen Planetengetriebesatz benötigt.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verteilergetriebe gelöst, welches die Merkmale des
Anspruchs 1 oder des Anspruchs 8 aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein kostengünstiges Verteilergetriebe,
das zwei effektive Achsantriebsübersetzungen
liefert, indem zwei Transferketten mit verschiedenen Kettenübersetzungen
und drei Klauenkupplungen genutzt werden. Das Verteilergetriebe
ist durch das Fehlen eines Planetengetriebesatzes gekennzeichnet.
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Konkreter
schafft die Erfindung ein Verteilergetriebe für ein Fahrzeug mit Vorder-
und Hinterachsen. Das Verteilergetriebe enthält eine erste und zweite Eingangskupplung,
die mit einem Antriebselement verbunden sind. Erste und zweite Transferketten
mit verschiedenen Übersetzungen
der Transferketten können
zwischen dem Antriebselement und den Vorder- und Hinterachsen wirksam verbunden werden.
Eine Kupplung für
einen Vierradantrieb ist zwischen eine der Transferketten und eine
der Achsen geschaltet. Die erste und zweite Eingangskupplung und
die Kupplung für
einen Vierradantrieb können
selektiv eingerückt
werden, um eine hohe Übersetzung
für einen
Zweiradantrieb, eine niedrige Übersetzung
für einen
Zweiradantrieb, eine hohe Übersetzung
für einen
Vierradantrieb und eine niedrige Übersetzung für einen
Vierradantrieb einzurichten. Die vorderen und hinteren Achsantriebsübersetzungen verschieden,
und die erste Eingangskupplung verbindet selektiv das Antriebselement
mit der ersten Kette, um die Vorderachse anzutreiben. Die zweite
Eingangskupplung verbindet selektiv das Antriebselement mit der
Hinterachse. Die Kupplung für
einen Vierradantrieb ist mit der zweiten Transferkette und der Hinterachse
verbunden, um die Vorder- und Hinterachsen selektiv zu verbinden.
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In
einer Ausführungsform
können
die erste und zweite Transferkette mit der Vorderachse in Antriebseingriff
stehen.
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Die
erste Transferkette kann eine Kettenübersetzung aufweisen, die größer als
die Kettenübersetzung
der zweiten Kette ist, um eine vordere Achsantriebsübersetzung
einzurichten, die größer als
die hintere Achsantriebsübersetzung
ist. In jedem Fall muss das Produkt der beiden Kettenübersetzungen (in
Reihe) gleich dem Drehmomentverhältnis
der Hinterachse, geteilt durch das Drehmomentverhältnis der
Vorderachse, sein.
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In
einer anderen Ausführungsform
hat das Fahrzeug identische vordere und hintere Achsantriebsübersetzungen,
verbindet die erste Eingangskupplung selektiv das Antriebselement
mit der ersten und zweien Transferkette, um die Hinterachse anzutreiben,
verbindet die zweite Eingangskupplung selektiv das Antriebselement
mit der Hinterachse, um die Hinterachse direkt anzutreiben, und
die Kupplung für
einen Vierradantrieb verbindet selektiv die erste und zweite Transferkette
mit der Vorderachse. In dieser Ausführungsform muss die zweite
Kette eine Übersetzung
von 1:1 haben, und das Abtriebskettenrad steht in direktem Antriebseingriff
mit der Hinterachse.
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Die
erste und zweite Eingangskupplung und die Kupplung für einen
Vierradantrieb können
Klauenkupplungen sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben;
in dieser zeigt:
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1a ein
schematisches Stick-Diagramm eines Antriebsstrangs gemäß der Erfindung;
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1b ein
Hebeldiagramm entsprechend dem Stick-Diagramm von 1a;
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1c eine
Wahrheitstabelle entsprechend 1a und
b;
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2a ein
schematisches Stick-Diagramm eines Triebwerks, das ein Verteilergetriebe
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung enthält;
und
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2b ein
Hebeldiagramm entsprechend 2a.
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Bezugnehmend
auf 1a–c
sind ein Stick-Diagramm, Hebeldiagramm bzw. eine Wahrheitstabelle
dargestellt, die einen Antriebsstrang 10 für ein Fahrzeug
veranschaulichen, das ein Verteilergetriebe 12 zum Empfangen
eines Drehmoments von einem Antrieb 14, der ein Drehmoment
von einem Getriebe empfängt,
und Verteilen des Drehmoments zwischen den Vorder- und Hinterachsen 16, 18 des
Antriebsstrangs 10 enthält.
Die Vorder- und Hinterachsen haben vorzugsweise verschiedene Achsantriebsübersetzungen.
Die ”Achsantriebübersetzung” ist die
Beziehung zwischen der Antriebswelle (oder Kardanwelle) und ihrer
Radachse. Zum Beispiel bedeutet eine Achsantriebsübersetzung
von 4:1 oder 4,0, dass sich die Antriebswelle pro Achsumdrehung
viermal dreht. Je höher
die Achsantriebsübersetzung
ist, desto größer ist
die Kraft, die für
Aufgaben wie eine Steigung hochziehen oder ein Boot aus dem Wasser
ziehen auf die Antriebsräder
angewendet werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung kann zum
Beispiel die Vorderachse eine Übersetzung
von 3,15 aufweisen, und die Hinterachse kann eine Übersetzung
von 4,10 aufweisen. In den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen
können
die vorderen und hinteren Achsantriebsübersetzungen vertauscht werden,
indem die Transferkettenübersetzungen
vertauscht werden, wie im Folgenden hierin beschrieben wird.
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Das
Verteilergetriebe 12 enthält eine erste und zweite Eingangskupplung 20, 22,
die mit dem Antrieb 14 verbunden sind. Eine erste und zweite Transferkette 24, 26 mit
verschiedenen Kettenübersetzungen
können
zwischen dem Antrieb 14 und die Vorder- und Hinterachsen 16, 18 wirkend
verbunden werden, um verschiedene Eingangs/Ausgangsübersetzungen über das
Verteilergetriebe 12 einzurichten. In der dargestellten
Ausführungsform
hat die erste Transferkette 24 eine Kettenübersetzung
von 1:1, und die zweite Transferkette 26 hat eine Kettenübersetzung
von 1,3:1 (Kettenrad C dreht schneller als Kettenrad D). Die erste
Transferkette 24 ist mit der ersten Eingangskupplung 20 verbunden
und steht mit der Vorderachse 16 (über eine Kardanwelle) in direktem
Antriebseingriff. Die zweite Transferkette 26 ist (über eine
Kardanwelle) direkt mit der Vorderachse 16 und mit der
ersten Transferkette 24 verbunden.
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Eine
Kupplung 28 für
einen Vierradantrieb kann betätigtwerden,
um die zweite Transferkette 26 mit der Hinterachse 18 selektiv
zu verbinden.
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Die
erste und zweite Eingangskupplung
20,
22 und die
Kupplung
28 für
einen Vierradantrieb sind alle vorzugsweise Klauenkupplungen. Beispiele
von Klauenkupplungen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung
sind beispielsweise in dem
US-Patent
Nr. 4,349,091 dargestellt, das hierin in seiner Gesamtheit
durch Verweis miteinbezogen ist.
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Bezugnehmend
auf die Wahrheitstabelle von 1c wird
eine hohe Übersetzung
für einen
Vorderradantrieb erreicht, indem die erste Eingangskupplung 20 eingerückt wird.
In dieser Konfiguration fließt Kraft
vom Antrieb 14 über
die Kupplung 20 zur ersten Transferkette 24 und
zur Vorderachse 16.
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Die
niedrige Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb wird erreicht, indem die zweite Eingangskupplung 22 eingerückt wird,
während
die anderen Kupplungen 20, 28 ausgerückt sind.
In dieser Konfiguration fließt
Kraft vom Antrieb 14 über
die Kupplung 22 direkt zur Hinterachse 18.
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Die
hohe Übersetzung
für einen
Vierradantrieb wird erreicht, indem die Kupplungen 20 und 28 eingerückt werden.
In dieser Konfiguration fließt
Kraft vom Antrieb 14 über
die Kupplung 20 und die Transferkette 24 zur Vorderachse 16 und
zurück über die Transferkette 26 und
die Kupplung 28 für
einen Vierradantrieb zur Hinterachse 18.
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Die
niedrige Übersetzung
für einen
Vierradantrieb wird erreicht, indem die Kupplungen 22 und 28 eingerückt werden.
In dieser Konfiguration fließt Kraft
vom Antrieb 14 über
die zweite Eingangskupplung 22 direkt zur Hinterachse 18 und über die
Kupplung 28 für
einen Vierradantrieb und die Transferkette 26 zur Vorderachse 16.
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Die
Kettenübersetzung
der zweiten Kette 26 muss gleich dem Drehmomentverhältnis der
Hinterachse, geteilt durch das Drehmomentverhältnis der Vorderachse, sein,
um eine Blockierung (engl. tie-up) in den Rädern zu vermeiden. Die Kettenübersetzung für die erste
Kette 24 ist 1:1, und die zweite Kette 26 hat
eine Übersetzung
ins Langsame von 1,3:1 (Kettenrad C dreht schneller als Kettenrad
D). Die Kombination des Drehmomentverhältnisses der Vorderachse mal
die Übersetzung
der ersten Transferkette sollte numerisch niedriger (eher ins Schnelle)
als das Drehmomentverhältnis
der Hinterachse sein. Dies liefert einen optimalen Kraftstoffverbrauch
im Modus des Vorderradantriebs.
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Dementsprechend
sieht diese Ausführungsform
zwei effektive Achsantriebsübersetzungen
mit den beiden Transferketten 24, 26 mit verschiedenen Achsantriebsübersetzungen
und die drei Klauenkupplungen 20, 22, 28 ohne
einen Planetengetriebesatz vor. Das Verteilergetriebe kann ”fliegend” von einer
niedrigen Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb auf eine niedrige Übersetzung für einen
Vierradantrieb und einer hohen Übersetzung
für einen
Vorderradantrieb auf eine hohe Übersetzung
für einen Vierradantrieb
schalten, falls eine Synchronisiereinrichtung an der Klauenkupplung 28 für einen
Vierradantrieb verwendet wird. Es ist notwendig, komplett zu stoppen,
um von Niedrig nach Hoch zu schalten, außer der Schaltvorgang wird
bei einem Drehmoment Null vorgenommen, wobei die Motordrehzahl so
gesteuert wird, dass sie zu der synchronen Drehzahl des einrückenden
Zahnrades passt.
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Wie
oben bemerkt wurde, muss das Drehmomentverhältnis der zweiten Kette gleich
dem Drehmomentverhältnis
der Hinterachse, geteilt durch das Drehmomentverhältnis der
Vorderachse sein, um ein Blockieren in den Rädern zu vermeiden. In der in 1a dargestellten
Konfiguration dreht das erste Kettenradelement 30 1,3-mal
pro Umdrehung des zweiten Kettenradelements 32, was eine Übersetzung
ins Langsame von 1,30 ergibt. Dementsprechend ist die durch die
vordere Achsantriebsübersetzung
geteilte hintere Achsantriebsübersetzung
gleich der Zahnzahl des zweiten Kettenradelements 32, geteilt
durch die Zahnzahl des ersten Kettenradelements 30. Da
die hintere Achsantriebsübersetzung 4,10
ist und die vordere Achsantriebsübersetzung 3,15
ist, muss das Verhältnis
der zweiten Transferkette 26 eine Übersetzung ins Langsame von
1,30 sein, wie oben bemerkt wurde.
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Falls
die hintere Achsantriebsübersetzung 3,15
ist und die vordere Achsantriebsübersetzung 4,10
ist, muss dann in einer anderen Ausführungsform die Transferkette 26 eine Übersetzung
ins Schnelle mit 1,30 liefern (d. h. das zweite Kettenradelement 32 dreht
sich 1,3-mal pro Umdrehung des ersten Kettenradelements 30).
Diese alternative Ausführungsform
würde die
Funktionalität
der ersten und zweiten Eingangskupplung 20, 22 vertauschen.
Die erste Eingangskupplung 20 wäre eine Kupplung mit niedriger Übersetzung
für einen
Vorderradantrieb, die zweite Eingangskupplung 22 wäre eine
Kupplung mit hoher Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb, und die Kupplung 28 für einen Vierradantrieb könnte mit
jeder der anderen Kupplungen 20, 22 eingerückt werden,
um eine hohe oder niedrige Übersetzung
für einen
Vierradantrieb zu schaffen.
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Falls
die vordere Achsantriebsübersetzung größer als
hintere Achsantriebsübersetzung
ist, muss dann dementsprechend die zweite Kette 26 ein erstes
Kettenradelement mit einer größeren Zahnzahl
als ein zweites Kettenradelement aufweisen, das die Vorderachse
direkt antreibt (veranschaulicht durch das erste und zweite Kettenradelement 30', 32' in gestrichelten
Linien, dargestellt in 1a). Falls die hintere Achsantriebsübersetzung
größer als
die vordere Achsantriebsübersetzung
ist, muss dann alternativ dazu die zweite Kette ein erstes Kettenradelement
mit einer Zahnzahl aufweisen, die kleiner als die Zahnzahl des zweiten
Kettenradelements ist, welches die Vorderachse direkt antreibt.
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In
der alternativen Ausführungsform
ist somit das Drehmomentverhältnis
der Hinterachse mal die Übersetzung
der ersten Transferkette numerisch niedriger (eher Übersetzung
ins Schnelle) als das Drehmomentverhältnis der Vorderachse. Dies
wird eingerichtet, um den optimalen Kraftstoffverbrauch im Modus
des Hinterradantriebs zu erreichen, weil es keine Kettenverluste
gibt.
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Wendet
man sich nun 2a und 2b zu,
veranschaulichen ein schematisches Stick-Diagramm bzw. Hebeldiagramm
einen Antriebsstrang 110 mit einem Verteilergetriebe 112 gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung. Das Verteilergetriebe 112 empfängt Drehmoment
von einem Antrieb 114 und verteilt das Drehmoment zwischen der
Vorder- und Hinterachse 116, 118.
Diese Konfiguration enthält
eine erste und zweite Eingangskupplung 120, 122,
welche mit der ersten und zweiten Transferkette 124 bzw. 126 verbunden
sind. Eine Kupplung 128 für einen Vierradantrieb ist
ebenfalls vorgesehen, um die Vorder- und Hinterachsen 116, 118 zu
verbinden.
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In
dieser Konfiguration haben die Vorder- und Hinterachsen die gleiche
Achsantriebsübersetzung
wie z. B. 3,15:1. Die erste Transferkette 124 liefert eine Übersetzung
ins Langsame mit 1,3:1. Mit anderen Worten dreht das erste Kettenrad 130 1,3
Umdrehungen pro Umdrehung des zweiten Kettenrades 132.
Dementsprechend ist die Zahnzahl des zweiten Kettenrades 132,
geteilt durch die Zahnzahl des ersten Kettenrades 130,
gleich 1,3. Die zweite Transferkette 126 ist ein Direktantrieb
oder eine Einrichtung mit einer Kettenübersetzung von 1:1, so dass
die Kettenräder 134, 136 der
zweiten Kette 126 die gleiche Größe haben.
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Das
erste Kettenrad 130 der ersten Kette 124 ist direkt
mit der ersten Eingangskupplung 120 verbunden. Die Kettenräder 132 und 136 sind
direkt mit der Kupplung 128 für einen Vierradantrieb verbunden.
Das Kettenrad 134 steht über eine (nicht dargestellte)
Kardanwelle in einem direkten Antriebseingriff mit der Hinterachse 118.
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Eine
niedrige Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb wird erreicht, indem die erste Eingangskupplung 120 eingerückt wird.
In dieser Konfiguration wird ein Drehmoment vom Antrieb 114 über die Kupplung 120, über die
Transferketten 124 und 126 über eine Kardanwelle zur Hinterachse 118 übertragen.
Dementsprechend sind beide Ketten 124, 126 tätig.
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Um
eine hohe Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb zu schaffen, wird die Eingangskupplung 122 eingerückt, und
die anderen Kupplungen 120, 128 sind ausgerückt. In
dieser Konfiguration wird ein Drehmoment vom Antrieb 114 über die
Eingangskupplung 122 direkt auf die Hinterachse 118 übertragen.
In dieser Konfiguration sind die Ketten 124, 126 nicht
tätig.
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Um
eine niedrige Übersetzung
für einen
Vierradantrieb zu erreichen, werden die Kupplungen 120 und 128 eingerückt. In
dieser Konfiguration wird ein Drehmoment vom Antrieb 114 über die
Kupplung 120 und die Kette 124 zur Kupplung 128 und
zur Vorderachse 116 übertragen.
Drehmoment wird auch von der Transferkette 124 zur Transferkette 126 und
zur Hinterachse 118 übertragen.
Dementsprechend sind beide Ketten 124, 126 auf
der Hinterachse 118 tätig, und
an der Vorderachse ist nur die Kette 124 tätig.
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Um
einen Modus mit hoher Übersetzung
für einen
Vierradantrieb zu erreichen, werden die Kupplungen 122 und 128 eingerückt. Dementsprechend wird
die Hinterachse 118 durch ein Drehmoment vom Antrieb 114 über die
Kupplung 122 direkt angetrieben. Die Vorderachse 116 wird
durch die Transferkette 126 über die Kupplung 128 für einen
Vierradantrieb direkt angetrieben.
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In
einem Modus mit niedriger Übersetzung für einen
Hinterradantrieb sind dementsprechend beide Ketten an der Hinterachse
tätig.
In einem Modus mit hoher Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb ist keine Kette an einer Achse tätig. In
einem Modus mit niedriger Übersetzung
für einen
Vierradantrieb ist die Kette 124 an der Vorderachse tätig, und
beide Ketten sind an der Hinterachse tätig. Im Modus mit hoher Übersetzung
für einen
Vierradantrieb ist die Kette 126 an der Vorderachse wirksam,
und an der Hinterachse ist keine Kette tätig.
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Indem
Vorder- und Hinterachsen mit den gleichen Übersetzungen und eine Übersetzung
ins Langsame an der ersten Transferkette 124 vorgesehen
werden, wird im Modus mit hoher Übersetzung für einen
Hinterradantrieb ein optimaler Kraftstoffverbrauch erreicht, weil
keine Kette in einer hohen Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb tätig
ist.
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Als
eine Alternative zu der in 2a und 2b dargestellten
Konfiguration kann die Transferkette 124 als eine Kette
für eine Übersetzung
ins Schnelle umkonfiguriert werden, und die Kupplung 120 würde die
Kupplung für
eine hohe Übersetzung werden,
und die Kupplung 122 würde
die Kupplung für
eine niedrige Übersetzung
werden. Alle anderen Einstellungen wären die gleichen. In dieser
Konfiguration würde
eine niedrige Übersetzung
für einen
Hinterradantrieb erreicht werden, indem die Kupplung 122 eingerückt wird,
würde eine
hohe Übersetzung für einen
Hinterradantrieb erreicht werden, indem die Kupplung 120 eingerückt wird,
würde eine
niedrige Übersetzung
für einen
Vierradantrieb erreicht werden, indem die Kupplungen 122 und 128 eingerückt werden,
und eine hohe Übersetzung
für einen
Vierradantrieb würde
erreicht werden, indem die Kupplungen 120 und 128 eingerückt werden.
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Ein
Verteilergetriebe ist für
ein Fahrzeug mit Vorder- und Hinterachsen vorgesehen. Das Verteilergetriebe
umfasst eine erste und zweite Eingangskupplung, die mit einem Antriebselement
verbunden sind, und erste und zweite Transferketten mit verschiedenen
Kettenübersetzungen,
die zwischen dem Antriebselement und den Vorder- und Hinterachsen wirkend
verbindbar sind. Eine Kupplung für
einen Vierradantrieb ist zwischen eine der Transferketten und eine
der Achsen geschaltet. Die erste und zweite Eingangskupplung und
die Kupplung für
einen Vierradantrieb können
selektiv eingerückt
werden, um eine hohe und niedrige Übersetzung für einen
Zweiradantrieb und eine hohe und niedrige Übersetzung für einen
Vierradantrieb zu schaffen.