DE102005024455A1

DE102005024455A1 - Kronenrad und Differentialanordnung mit einem Kronenrad

Info

Publication number: DE102005024455A1
Application number: DE102005024455A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Krude; Ralf Dipl.-Ing. Leuschen; Michael Dipl.-Ing. Engelmann
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: CN101228366A; KR20080011707A; US20100075795A1; EP1883759A1; WO2006125495A1; DE102005024455B4; JP2008545927A; CN101228366B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kronenrad 2, das mit einem Stirnrad 20 in Verzahnungseingriff bringbar ist, sowie eine Differentialanordnung 25 in Form eines Kronenraddifferentials für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Das Kronenrad 2 umfaßt einen ringscheibenförmigen Verzahnungsabschnitt 6, der eine Kronenverzahnung 5 bildet, und eine Nabe 4, die über die Kronenverzahnung 5 axial übersteht. Zwischen der Kronenverzahnung 5 und der Nabe 4 sind Übergangsbereiche 12 gebildet, die an Kopflinien 8 der Kronenverzahnung 5 anschließen und in die Nabe 4 übergehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kronenrad, insbesondere für eine Differentialanordnung für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Differentialanordnung in Form eines Kronenraddifferentials.
Aus der EP 203 900 A2 ist ein Kronenraddifferential mit einem Differentialkorb und zwei hierin auf einer Drehachse angeordneten Seitenwellenrädern in Form von Kronenrädern und mehreren mit diesen in Verzahnungseingriff befindlichen Ausgleichsrädern in Form von Stirnrädern bekannt. Die Ausgleichsräder sind auf Zapfen eines sternförmigen Trägerelements, das mit dem Differentialkorb umläuft, drehbar gelagert. Die Kronenräder haben einen Verzahnungsabschnitt und eine gegenüber diesem axial zurückversetzte Nabe, in die eine Seitenwelle zur Drehmomentübertragung eingesteckt werden kann.
Die DE 103 54 998 A1 zeigt ein ähnliches Kronenraddifferential, bei dem die Seitenwellenräder als Kronenräder gestaltet sind und einen ringscheibenförmigen Verzahnungsabschnitt und eine hiermit einstückig ausgebildete Nabe umfassen. Die Nabe weist eine gegenüber dem Verzahnungsabschnitt größere axiale Erstreckung auf und ragt teilweise in eine zentrale Bohrung des Zapfensterns hinein. Der Übergang zwischen dem Fußlinien der Verzahnung und der Nabe ist gerundet.
Aus der PCT/EP2004/009607 ist ein Sperrdifferential in Form eines Kronenraddifferentials bekannt, bei dem die Seitenwellenräder als Kronenräder gestaltet sind. Die Kronenräder haben jeweils eine etwa zylinderförmige Nabe, an die – in Bezug auf die axiale Erstreckung der Nabe – ein ringscheibenförmiger Verzahnungsabschnitt etwa mittig anschließt. Zwischen der Verzahnung und der zylinderförmigen Außenfläche der Nabe ist ein ringförmiger Freistich vorgesehen.
Aus der EP 787 055 B1 ist ein Kronenrad für ein Kronenradgetriebe sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kronenrads bekannt. Das Kronenrad ist im wesentlichen ringscheibenförmig gestaltet und hat einen gegenüber der Ringscheibe axial vorstehende Verzahnung. Die Verzahnung wird mittels eines Wälzfräsverfahrens hergestellt, wobei der Wälzfräser in Bezug auf die Kronenradachse radial verfährt und axial zugestellt wird. Die EP 227 152 B1 zeigt ein ähnliches Kronenrad, das ebenfalls mittels Wälzfräsen hergestellt wird.
Die US 6 129 793 zeigt ein Verfahren zum Schmieden von Kronenrädern, wobei die Schmiedewerkzeuge mittels Funkenerosion (EDM) hergestellt sind. Die geschmiedeten Kronenräder sind ringscheibenförmig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kronenrad für eine Differentialanordnung vorzuschlagen, das eine leichte und kompakte Bauweise ermöglicht; weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leichte und kurzbauende Differentialanordnung vorzuschlagen.
Eine erste Lösung der Aufgabe besteht in einem erfindungsgemäßen Kronenrad, insbesondere für den Einsatz in einer Differentialanordnung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, das mit einem Stirnrad in Verzahnungseingriff bringbar ist und einen ringscheibenförmigen Verzahnungsabschnitt, der eine Kronenverzahnung bildet, sowie eine Nabe, die über die Kronenverzahnung axial übersteht, umfaßt, wobei zwischen der Kronenverzahnung und der Nabe Übergangsbereiche gebildet sind, die an Kopflinien der Kronenverzahnung anschließen und in die Nabe übergehen.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß durch die Übergangsbereiche zwischen der Kronenverzahnung und der Nabe eine Versteifung des Kronenrads bewirkt wird. Dies hat zur Folge, daß der Verzahnungsabschnitt ohne Einbuße der Festigkeit schmaler gestaltet werden kann. Das Kronenrad hat somit ein geringes Gewicht und eine kurze axiale Baulänge.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung schließen die Übergangsbereiche im Querschnitt an die Zähne der Kronenverzahnung an, wobei jeweils zwei zueinander benachbarte Übergangsbereiche in Richtung zur Nabe zusammenlaufen. So ergibt sich radial zwischen den Zähnen und der Nabe eine rippenartige Struktur, die eine Erhöhung der Steifigkeit des Kronenrads bewirkt. Die Übergangsbereiche verlaufen – im Längsschnitt betrachtet – vorzugsweise ausschließlich stetig, um Spannungen zu minimieren. In Konkretisierung sind die Übergangsbereiche – im Längsschnitt betrachtet – gerundet und schließen tangential an die Nabe an. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine besonders steife Struktur mit geringen Spannungen. Die Nabe ist im Anschluß an die Übergangsbereiche vorzugsweise hülsenförmig gestaltet. In zur Kronenverzahnung entgegengesetzter Richtung kann die Nabe ebenfalls axial über den Verzahnungsabschnitt überstehen. Dabei ist es für einen spannungsarmen Übergang günstig, wenn dieser überstehende Abschnitt eine konische Außenfläche aufweist. Es ist aber auch denkbar, daß dieser überstehende Abschnitt hülsenförmig gestaltet ist und einen gerundeten Übergang zur Anlagefläche aufweist.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist ein Ringbereich des Verzahnungsabschnitts, der axial zwischen einer radialen Anlagefläche und einer durch die Fußlinien der Zähne aufgespannten Ebene liegt, eine axiale Dicke L3 auf, die dem ein- bis zweifachen des Moduls m der Zähne entspricht (m ≤ L3 ≤ 2m). Insbesondere ist es günstig, wenn die axiale Dicke L3 des Ringbereichs etwa dem 1,0-fachen des Moduls m der Zähne entspricht (L3 = 1,0m). Hierdurch ergibt sich ein besonders kurzbauendes Kronenrad, das gleichzeitig geringe Spannungen im Bereich der Zahnfüße aufweist. Vorzugsweise haben die Zähne in ihrer Längserstreckung einen veränderlichen Querschnitt und eine gegenüber den Zahnfußlinien veränderliche Höhe. Diese entspricht vorzugsweise etwa dem 2,25-fachen des Moduls m, d. h. L2 – L3 = 2,25m. Dabei verbreitern sich die Zähne nach radial außen, damit ein gleichmäßiger Verzahnungseingriff mit einem Stirnrad erfolgen kann. Die Kronenverzahnung kann als Geradverzahnung oder als Schrägverzahnung ausgebildet sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Kronenrad umformend hergestellt, wobei sich insbesondere Schmieden oder Fließpressen als Fertigungsverfahren eig nen. Alternativ hierzu kann das Kronenrad auch urformend, insbesondere durch Sintern hergestellt werden.
Eine zweite Lösung der obengenannten Aufgabe besteht in einer Differentialanordnung in Form eines Kronenraddifferentials, insbesondere für den Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Differentialkorb, der um eine Drehachse A drehend antreibbar ist; zwei im Differentialkorb um die Drehachse A drehbar gelagerte Seitenwellenräder; sowie mehrere gemeinsam mit dem Differentialkorb um die Drehachse A umlaufende Ausgleichsräder, die mit den Seitenwellenrädern in Verzahnungseingriff sind; wobei die Seitenwellenräder als Kronenräder nach einer der oben beschriebenen Ausführungen gestaltet sind und die Ausgleichsräder als Stirnräder gestaltet sind.
Die erfindungsgemäße Differentialanordnung hat den Vorteil einer besonders kurzen axialen Baulänge, da die eingesetzten Kronenräder aufgrund der Übergangsbereiche zwischen der Kronenverzahnung und der Nabe eine hohe Steifigkeit haben und daher besonders schmal ausgeführt sein können. Die axial kompakte Bauweise des Kronenraddifferentials hat weiterhin eine Reduktion des Gewichts zur Folge.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Differentialkorb einstückig gestaltet und hat zwei einander gegenüberliegende Öffnungen zur Montage der Seitenwellenräder und der Ausgleichsräder. Dies hat den Vorteil einer geringen Teilezahl, wodurch Fertigungs- und Montagekosten reduziert sind. Die Ausgleichsräder sind vorzugsweise mit ihren innenliegenden Stirnflächen an den Naben der Seitenwellenräder in Richtung zur Drehachse abgestützt. In Konkretisierung sind die Ausgleichsräder auf einem Zapfen gelagert, der zwei Lagerabschnitte und einen dazwischenliegenden zentralen Abschnitt mit gegenüber den Lagerabschnitten verjüngtem Querschnitt aufweist. In den zentralen Abschnitt können in die Kronenräder eingesteckte Seitenwellen eintauchen, so daß sich eine nochmals reduzierte Baulänge ergibt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Kronenrad in perspektivischer Ansicht;
2 das Kronenrad aus 1 in Seitenansicht;
3 das Kronenrad aus 1 im Längsschnitt;
4 einen Differentialrädersatz mit zwei erfindungsgemäßen Kronenrädern in Seitenansicht;
5 eine Differentialanordnung mit montiertem Differentialrädersatz aus 4 in Seitenansicht;
6 die Differentialanordnung aus 5 im Längsschnitt;
Die 1 bis 3, welche im folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Kronenrad 2. Das Kronenrad 2 ist im wesentlichen ringscheibenförmig gestaltet und umfaßt einen Verzahnungsabschnitt 3 und eine radial innen liegende Nabe 4, die mit einem hülsenförmigen Ansatz axial über den Verzahnungsabschnitt 3 vorsteht. Die Nabe 4 hat eine Längsverzahnung 5, in die eine hier nicht dargestellte Antriebswelle zur Drehmomentübertragung drehfest eingesteckt werden kann. Das Kronenrad 2 ist durch ein Umformverfahren, beispielsweise mittels Schmieden oder Kaltfließpressen hergestellt.
Der Verzahnungsabschnitt 3 hat eine stirnseitige Kronenverzahnung 6 mit einer Vielzahl über den Umfang verteilten Zähnen 7. Die Zahnkopflinien 8 und die Zahnfußlinien 9 der Zähne verlaufen im wesentlichen radial in Bezug auf die Drehachse A des Kronenrads 2. Das heißt, das Kronenrad 2 hat eine Geradverzahnung, die mit einer entsprechenden Geradverzahnung eines hier nicht dargestellten Stirnrads kämmen kann. Es ist ersichtlich, daß die Zähne 7 der Kronenverzahnung 6 über ihre radiale Erstreckung einen veränderlichen Querschnitt und eine veränderliche Höhe haben. In Richtung nach radial außen verbreitern sich die Zähne 7, wobei die Zahnflanken 10 in Bezug auf eine Querschnittsebene abflachen. Radial zwischen den Zähnen 7 und der Nabe 4 sind Übergangsbereiche 12 ausgebildet, die nahtlos an die Zähne 7 anschließen und in die Nabe 4 übergehen. Dabei sind die Übergangsbereiche 12 als gerundete Rippen gestaltet, deren Außenflächen 14 einerseits an den Zahnkopflinien 8 der Zähne anschließen und andererseits tangential in die Nabe 4 übergehen. Zwei zueinander benachbarte Rippen 12 laufen in Richtung zur Nabe 4 zusammen, so daß eine zwischen den Rippen 12 gebildete Mulde 15 an der Nabe 4 ausläuft. Dabei schließen seitliche Flanken der Mulde 15 an die Zahnflanken 17 nahtlos an. Durch die nahtlosen, stetigen Übergange werden Spannungen minimiert.
In zur Kronenverzahnung 6 entgegengesetzter Richtung hat der Verzahnungsabschnitt 3 eine senkrecht auf der Drehachse A stehende Anlagefläche 16, über die sich das Kronenrad 2 im Einbauzustand gegen eine Stützfläche axial abstützt. Radial innen schließt sich eine Konusfläche 17 an, die eine Außenfläche der axial überstehenden Nabe 4 ist. Die Länge L1 der Nabe 4 errechnet sich aus dem zu übertragenden Drehmoment und dem Durchmesser der Verzahnung 5. Wie oben bereits gesagt wurde, steht die Nabe 4 in beide Richtungen axial gegenüber dem Verzahnungsabschnitt 3 vor. Das heißt, die Länge L1 der Nabe 4 ist größer als die axiale Erstreckung L2 zwischen der Anlagefläche 16 und einer durch die Maxima der Zahnkopflinien 8 aufgespannten Ebene. Zwischen der Anlagefläche 16 und einer durch die Fußlinien der Zähne aufgespannten Ebene ist ein Ringbereich 18 mit einer axialen Dicke L3 gebildet, die etwa der Zahnhöhe der Zähne 7 entspricht. Rechnerisch kann die Dicke L3 des Ringbereichs zwischen dem ein- bis zweifachen des Moduls m der Zähne 7 liegen, das heißt m ≤ L3 ≤ 2m. Eine axial besonders kurzbauendes Kronenrad 2 ergibt sich, wenn die axiale Dicke L3 dem einfachen Modul m der Zähne 7 entspricht, nämlich L3 = m.
Nachfolgend werden die 4 bis 6 gemeinsam beschrieben. In 4 ist zunächst ein Differentialrädersatz 19 als Einzelheit erkennbar, der zwei erfindungsgemäße Kronenräder 2, 2' sowie zwei mit diesen kämmende Ausgleichsräder 20, 20' umfaßt, die auf einem gemeinsamen Zapfen 22 drehbar gelagert sind. Dabei sind die Ausgleichsräder 20, 20' in Form von Stirnrädern mit Geradverzahnungen 23 gestaltet, die mit den Kronenverzahnungen 6 der Kronenräder 2, 2' in Eingriff sind. In den 5 und 6 ist der Differentialrädersatz 19 im Einbauzustand in einem Differentialkorb 24 gezeigt. Die so gebildete Differentialanordnung 25 ist in einem hier nicht dargestellten stehenden Gehäuse eines Differentialgetriebes zu lagern. Hierfür hat der Differentialkorb 24 zwei in entgegengesetzte Richtung weisende hülsenförmige Lageransätze 26, 27, auf die Wälzlager aufgezogen werden können. Differentialgetriebe der genannten Art kommen insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz und dienen zur Drehmomentverteilung von einer Eingangswelle auf zwei Ausgangswellen. Zur Drehmomenteinleitung in den Differentialkorb 24 ist an diesem ein Flansch 28 angeformt, an dem ein Tellerrad befestigt werden kann.
Das in den Differentialkorb 24 eingeleitete Drehmoment wird über die auf dem Zapfen 22 gelagerten und gemeinsam mit dem Differentialkorb 24 um die Drehachse A umlaufenden Ausgleichsräder 20, 20' auf die Kronenräder 2, 2' übertragen. Dabei werden die in axial entgegengesetzte Richtung wirkenden Spreizkräfte über die Anlageflächen 16 der Kronenräder 2, 2', die gegen Stützflächen 21 abgestützt sind, in den Differentialkorb 24 eingeleitet. Der Zapfen 22 ist in radialen Bohrungen 29 im Differentialkorb 24 eingesteckt und mittels eines Sicherungsrings 13 axial fixiert, wobei auch andere Sicherungsmittel denkbar sind. Der Zapfen 22 hat einen zentralen Abschnitt 30 mit gegenüber den Lagerabschnitten reduziertem Durchmesser D. So können in die Kronenräder 2 drehfest eingesteckte Seitenwellen in den zentralen Abschnitt 30 eintauchen, wodurch Bauraum eingespart wird. Bei Rotation der Differentialanordnung 25 werden die Ausgleichsräder 20, 20' aufgrund von Fliehkräften nach radial außen beaufschlagt und legen sich mit ihren kugeligen Kontaktflächen 31 gegen eine entsprechende hohlkugelige Gegenflächen 32 im Differentialkorb 24 an. Um bei geringen Drehzahlen zu verhindern, daß die Ausgleichsräder 20, 20' nach radial innen zur Drehachse A wandern, laufen die Ausgleichsräder 20, 20' mit ihren Stirnflächen 33 gegen die Naben 4 der Kronenräder 2 an. Hierdurch ergibt sich ein einfacher Aufbau mit wenigen Bauteilen. Der Differentialkorb 24 ist einstückig gestaltet ist und hat zwei einander gegenüberliegende Öffnungen 34 zur Montage der Kronenräder 2 und der Ausgleichsräder 20. Die erfindungsgemäße Differentialanordnung 25 hat den Vorteil einer besonders kurzen axialen Baulänge, da die eingesetzten Kronenräder 2 eine minimale Dicke aufweisen. Dies ist insbesondere bei Einsatz der Differentialanordnung 25 in einem frontgetriebenen Kraftfahrzeug von Vorteil, wo wenig Bauraum zur Verfügung steht.

2: Kronenrad
3: Verzahnungsabschnitt
4: Nabe
5: Längsverzahnung
6: Kronenverzahnung
7: Zahn
8: Kopflinie
9: Fußlinie
10: Zahnflanke
12: Übergangsbereich
13: Sicherungsring
14: Außenfläche
15: Mulde
16: Anlagefläche
17: Konusfläche
18: Ringbereich
19: Differentialrädersatz
20: Ausgleichsrad
21: Stützfläche
22: Zapfen
23: Geradverzahnung
24: Differentialkorb
25: Differentialanordnung
26: Lageransatz
27: Lageransatz
28: Flansch
29: Bohrung
30: zentraler Abschnitt
31: Kontaktfläche
32: Gegenfläche
33: Stirnfläche
34: Öffnung
A: Achse
B: Zapfenachse
D: Durchmesser
L: Länge
m: Modul

Claims

Kronenrad (2), das mit einem Stirnrad in Verzahnungseingriff bringbar ist, insbesondere für den Einsatz in einer Differentialanordnung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen ringscheibenförmigen Verzahnungsabschnitt (3), der eine Kronenverzahnung (6) bildet, und eine Nabe (4), die über die Kronenverzahnung (6) axial übersteht, wobei zwischen der Kronenverzahnung (6) und der Nabe (4) Übergangsbereiche (12) gebildet sind, die an Kopflinien (8) der Kronenverzahnung (6) anschließen und in die Nabe (4) übergehen.
Kronenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsbereiche (12) im Querschnitt an die Zähne (7) anschließen, wobei jeweils zwei benachbarte Übergangsbereiche (12) in Richtung zur Nabe (4) zusammenlaufen.
Kronenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsbereiche (12) – im Längsschnitt betrachtet – ausschließlich stetig verlaufen.
Kronenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsbereiche (12) – im Längsschnitt betrachtet – gerundet sind und tangential an die Nabe (4) anschließen.
Kronenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen einer stirnseitigen Anlagefläche (16) und Fußlinien (9) des Verzahnungsabschnitts (3) gebildeter Ringbereich (18) eine axiale Dicke (L3) aufweist, die dem ein- bis zweifachen des Moduls (m) der Zähne (7) entspricht (m ≤ L3 ≤ 2m).
Kronenrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Dicke (L3) des Ringbereichs (18) etwa dem einfachen Modul (m) der Zähne (7) entspricht (L3 = 1,0m).
Kronenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (7) in ihrer Längserstreckung eine gegenüber den Zahnfußlinien (9) veränderliche Höhe haben.
Kronenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (4) im Anschluß an die Übergangsbereiche (12) zu den Zähnen (7) hülsenförmig gestaltet ist.
Kronenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (4) in zu der Kronenverzahnung (6) entgegengesetzte Richtung axial über den Verzahnungsabschnitt (3) übersteht und eine konische Außenfläche (17) aufweist.
Kronenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es umformend, insbesondere durch Schmieden oder Fließpressen, hergestellt ist.
Kronenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es urformend, insbesondere als Sinterteil, hergestellt ist.
Differentialanordnung in Form eines Kronenraddifferentials, insbesondere für den Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Differentialkorb (24), der um eine Drehachse (A) drehend antreibbar ist; zwei im Differentialkorb (24) um die Drehachse (A) drehbar gelagerte Seitenwellenräder (2); sowie mehrere gemeinsam mit dem Differentialkorb (24) um die Drehachse (A) umlaufende Ausgleichsräder (20), die mit den Seitenwellenrädern (2) in Verzahnungseingriff sind; wobei die Seitenwellenräder (2) als Kronenräder nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gestaltet sind und die Ausgleichsräder (20) als Stirnräder gestaltet sind.
Differentialanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialkorb (24) einstückig gestaltet ist und zwei einander gegenüberliegende Öffnungen (34) zur Montage der Seitenwellenräder (2) und der Ausgleichsräder (20) aufweist.
Differentialanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsräder (20) mit ihren innenliegenden Stirnflächen (33) an den Naben (4) der Seitenwellenräder (2) in Bezug auf die Drehachse (A) radial abgestützt sind.
Differentialanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsräder (20) auf einem Zapfen (22) gelagert sind, der zwei Lagerabschnitte und einen dazwischenliegenden zentralen Abschnitt (30) mit gegenüber den Lagerabschnitten verjüngtem Querschnitt aufweist.