DE102006058835A1

DE102006058835A1 - Differentialgetriebe

Info

Publication number: DE102006058835A1
Application number: DE102006058835A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rahm
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2008071261A1; DE112007002964A5; US20100285917A1; CN101557959A

Abstract

Ein Getriebe besitzt einen drehbaren Differentialkorb und zwei Ausgangswellen. Zur Verteilung eines Drehmomentes zwischen den Ausgangswellen ist an dem Differentialkorb wenigstens ein Ausgleichsrad drehbar gelagert, das mit einem jeweiligen Antriebsard der Ausgangswellen antriebswirksam gekoppelt ist. Das Getriebe weist ferner wenigstens ein konkav gewölbtes Koppelrad auf, das zum einen mit zumindest einem der Antriebsräder und zum anderen mit wenigstens einer Hohlwelle antriebswirksam gekoppelt ist. Die Hohlwelle umgibt eine der Ausgangswellen. Die Hohlwelle ist relativ zu einem Teil des Getriebes abbremsbar oder antreibbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug, mit einem drehbaren Differentialkorb und zwei Ausgangswellen, wobei zur Verteilung eines Drehmomentes zwischen den Ausgangswellen wenigstens ein Ausgleichsrad an dem Differentialkorb drehbar gelagert ist, das mit einem jeweiligen Antriebsrad der Ausgangswellen antriebswirksam gekoppelt ist.
Für moderne Antriebsstränge (z.B. Allradantriebsstränge) sind so genannte "Active-Yaw" oder "Torque Vectoring" (TV)-Systeme bekannt. Mit einem TV-System wird die Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges aktiv gesteuert, wobei die Antriebsmomente ungleich auf die Räder verteilt werden können. Dadurch kann mehr Antriebsmoment beispielsweise zum kurvenäußeren Rad gelenkt werden, so dass bei normalen Fahrbedingungen ein übersteuerndes Verhalten eingestellt werden kann.
Um den grundsätzlich erwünschten Ausgleich von Drehzahlunterschieden in bestimmten Fahrsituationen unterdrücken zu können, sind auch Differentialgetriebe mit einer wahlweise aktivierbaren Differentialsperre bekannt.
Herkömmliche Differentialgetriebe umfassen ein Ausgleichsgetriebe oder Differential, das die Drehzahlunterschiede der Ausgangswellen ausgleicht. Ein reines Differential kann vorhandene Drehzahlunterschiede nicht aktiv beeinflussen. Insbesondere benötigt das Differentialgetriebe eine Vielzahl von zusätzlichen Komponenten, um ein erhöhtes Antriebsmoment auf ein bestimmtes Rad des Fahrzeugs zu übertragen oder einen Differentialsperrbetrieb zu ermöglichen.
Die DE 39 00 638 C2 offenbart ein Getriebe nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe vorzusehen, das bei einfachem und kompaktem Aufbau in einem TV-System und/oder einem Differentialsperrbetrieb verwendbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Insbesondere weist das Getriebe ferner wenigstens ein konkav gewölbtes Koppelrad auf, das zum einen mit zumindest einem der Antriebsräder der Ausgangswellen und zum anderen mit wenigstens einer Hohlwelle antriebswirksam gekoppelt ist, wobei die Hohlwelle eine der Ausgangswellen umgibt, und wobei die Hohlwelle relativ zu einem Teil des Getriebes abbremsbar und/oder antreibbar ist.
Das konkav gewölbte Koppelrad ermöglicht eine drehwirksame Kopplung eines der Antriebsräder oder beider Antriebsräder der Ausgangswellen mit der jeweiligen Hohlwelle, wobei der jeweiligen Hohlwelle eine Bremseinrichtung oder eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, mittels derer die Hohlwelle beispielsweise bezüglich eines Gehäuses des Getriebes oder bezüglich der zugeordneten Ausgangswelle oder des Differentialkorbs abgebremst oder beschleunigt werden kann. Hierdurch kann ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen den Ausgangswellen eingestellt werden. Durch die konkav gewölbte Form des Koppelrads lassen sich hierbei besonders günstige Übersetzungsverhältnisse realisieren.
Das konkav gewölbte Koppelrad in Verbindung mit dem Ausgleichsrad bildet somit eine kompakte Überlagerungseinheit, die leicht Platz innerhalb des Bauraums einer gegebenen Differentialeinheit findet. Zudem benötigt die Differentialeinheit nur wenige Teile, um einen TV-Betrieb oder einen Differentialsperrbetrieb vorzusehen. Somit ist die Differentialeinheit kleiner, leichter, einfacher und vor allem billiger als herkömmliche Differentialeinheiten, die einen TV-Betrieb oder einen Differentialsperrbetrieb ermöglichen. Weitere Vorteile sind geringe Drehmassen und günstiger Kraftfluss.
Für die genannte antriebswirksame Kopplung des Koppelrads mit den Antriebsrädern der Ausgangswellen ist es nicht unbedingt erforderlich, dass eine Koppelrad-Verzahnung direkt mit einer jeweiligen Verzahnung der Antriebsräder in Eingriff steht. Stattdessen ist es möglich, dass das Koppelrad mit dem wenigstens einen Ausgleichsrad oder mit einem Verbindungsrad drehfest verbunden ist, welches seinerseits mit den Antriebsrädern der Ausgangswellen kämmt, oder dass das Koppelrad mit einem Zwischenrad drehfest verbunden ist, welches wiederum über ein Ausgleichsrad mit den Antriebsrädern der Ausgangswellen gekoppelt ist. Zwischen dem Koppelrad und der wenigstens einen Hohlwelle ist vorzugsweise ein direkter Eingriff vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung und den Unteransprüchen beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Getriebe ferner ein zweites Ausgleichsrad, das mit den Antriebsrädern der Ausgangswellen antriebswirksam gekoppelt ist, und ein zweites konkav gewölbtes Koppelrad, das zum einen mit dem zweiten Ausgleichsrad und zum anderen mit der wenigstens einen Hohlwelle antriebswirksam gekoppelt ist. Damit wird das übertragende Drehmoment zwischen mehreren Koppelrädern sowie mehreren Ausgleichsrädern verteilt, wodurch die Räder, Verzahnungen und Lagerungen kleiner ausgebildet werden können und wodurch sich symmetrische, ausgeglichene Kräfte an der Hohlwelle bzw. den Hohlwellen einstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Koppelrad bzw. sind die Koppelräder an dem Differentialkorb drehbar gelagert. Somit fungiert das Ausgleichsrad als ein herkömmliches Differential-Ausgleichsrad, das beim Drehen der Differentialeinheit die Ausgangswellen antreibt. Auf diese Weise werden keine zusätzlichen Ausgleichsräder benötigt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Zähnezahl einer Verzahnung des Koppelrads bzw. der mehreren Koppelräder größer als die Zähnezahl einer zugeordneten Verzahnung der jeweiligen Hohlwelle. In ähnlicher Weise ist die Zähnezahl einer Verzahnung des Ausgleichsrads bzw. der mehreren Ausgleichsräder vorzugsweise kleiner als die Zähnezahl einer zugeordneten Verzahnung des jeweiligen Antriebsrads der Ausgangswellen. Dadurch werden vorteilhafte Übersetzungsverhältnisse erreicht, wobei eine Übersetzung der Überlagerungseinheit von weniger als 15% darstellbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Koppelrad über eine Zwischenwelle mit einem Zwischenrad drehfest verbunden, wobei das Zwischenrad mit zumindest einem Ausgleichsrad kämmt, das seinerseits mit den Antriebsrädern kämmt. Somit sind die Übersetzungsverhältnisse kleiner als beispielsweise 15% darstellbar, weil das Zwischenrad sehr klein sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die miteinander kämmenden Verzahnungen von Koppelrad und Hohlwelle und/oder die miteinander kämmenden Verzahnungen von Ausgleichsrädern, ggf. Zwischenrädern und Antriebsrädern nicht – wie üblich – als Kegelrad-Verzahnungen, sondern als Kronenrad-Paarungen ausgeführt. Dies erlaubt eine noch kompaktere Bauweise, erweiterte Übersetzungsbereiche und die Elimination von Axialkräften. Kronenrad-Paarungen zeichnen sich dadurch aus, dass ein Kronenrad mit einem Stirnrad kämmt. In einer derartigen Bauform sind beispielsweise die Hohlwellen-Verzahnung als Stirnverzahnung und das Koppelrad als Kronenrad ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich sind die Ausgleichsräder und/oder Zwischenräder als Stirnräder und die Antriebsräder als Kronenräder ausgeführt.
Ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst ein erfindungsgemäßes Getriebe. Das Getriebe kann zur Drehmomentverteilung entlang einer Längsachse des Antriebsstrangs ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein solches Getriebe zur Drehmomentverteilung entlang einer oder mehrere Querachsen des Antriebsstrangs ausgebildet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, der mit einem erfindungsgemäßen Getriebe ausgerüstet ist;
2a eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Getriebes mit einem TV-Betrieb;
2b eine Seitenschnittdarstellung entlang einer die Achse B enthaltenden Mittensymmetrieebene der Differentialeinheit des Getriebes gemäß 2a;
2c eine der Darstellung gemäß 2b entsprechende Seitenschnittdarstellung einer alternativen Ausgestaltung der Differentialeinheit;
3a eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Getriebes mit einem TV-Betrieb;
3b eine Schnittdarstellung der Ausführungsform gemäß 3a für einen Vorderachs-TV-Betrieb;
4 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Differentialeinheit eines Getriebes;
5 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Differentialeinheit eines Getriebes;
6 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Differentialeinheit eines Getriebes;
7 eine Seitenschnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Differentialeinheit eines Getriebes;
8 eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines Getriebes mit einem Differentialsperrbetrieb;
9 eine Schnittdarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der Ausführungsform gemäß 8;
10 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform eines Getriebes mit einem Differentialsperrbetrieb und einem TV-Betrieb;
11a eine Schnittdarstellung einer vereinfachten Ausführungsform des Getriebes nach 10, das in den TV-Betrieb geschaltet ist;
11b eine Schnittdarstellung des Getriebes nach 11a, das in den Differentialsperrbetrieb geschaltet ist; und
12 eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform eines Getriebes mit Elektromotoren bzw. -generatoren.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugantriebsstrangs 10 gezeigt, der einen Antrieb 12 umfasst, welcher eine Kraftübertragungsstrecke 16, einen Motor 18 und ein Schaltgetriebe 20 umfasst. Die Kraftübertragungsstrecke 16 umfasst eine Kardanwelle 28, die durch das Schaltgetriebe 20 angetrieben wird, und ein Paar Achswellen 30, das mit einem Paar Räder 32 verbunden ist, sowie ein Achsgetriebe 34, das wirksam ist, um ein Antriebsdrehmoment von der Kardanwelle 28 zu einer oder beiden Achswellen 30 zu übertragen. Obwohl hier beispielhaft ein Fahrzeugantriebsstrang mit Heckantrieb gezeigt ist, kann die Erfindung selbstverständlich auch bei einem Fahrzeugantriebsstrang mit einem Vorderradantrieb oder einem Allradantrieb verwendet werden.
Eine Steuereinheit 40 steuert den Betrieb des Achsgetriebes 34 auf Grundlage einer Vielzahl von Fahrzeugparametern, um einen so genannten "Torque Vectoring"-Betrieb (TV-Betrieb) und/oder einen Differentialsperrbetrieb zu ermöglichen. Die Steuereinheit 40 ist mit zumindest einem Sensor – vorzugsweise einer Vielzahl von Sensoren – elektronisch verbunden. Beispielhafte Sensoren umfassen einen Gierratensensor 42, Raddrehzahlsensoren 44 und/oder einen Lenkwinkelsensor (nicht gezeigt). Andere Sensoren umfassen Seiten- und Längsbeschleunigungssensoren (nicht gezeigt). Die Sensoren erfassen eine Vielzahl von Betriebszuständen, z.B. die Gierrate des Fahrzeuges und die Drehzahl jedes Rades 32. Die Steuereinheit 40 verarbeitet das Signal oder die Signale und erzeugt ein Achsgetriebesteuersignal, wobei zumindest ein Aktuator auf Grundlage des Achsgetriebesteuersignals angesteuert wird, um die Verteilung des Antriebsmoments auf die Räder 32 aktiv zu beeinflussen.
Obwohl das Achsgetriebe 34 gemäß 1 in eine Hinterachse des Fahrzeugantriebsstrangs 10 integriert ist, kann das Achsgetriebe nicht nur zur Drehmomentverteilung entlang einer Querachse, sondern auch zur Drehmomentverteilung entlang einer Längsachse ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Getriebe 34 oder ein zusätzliches Getriebe in das Schaltgetriebe 20 oder ein Allradverteilergetriebe integriert werden.
Unter Bezugnahme auf 2a und 2b werden nun die Komponenten des Achsgetriebes 34 gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben. Das Achsgetriebe 34 umfasst ein Getriebegehäuse 50, das eine Differentialeinheit 52 sowie Bremsen 54 mit entsprechenden Aktuatoren 56 aufweist. Eine Antriebswelle 60, die beispielsweise drehfest mit der Kardanwelle 28 (1) verbunden ist, ist in dem Getriebegehäuse 50 drehbar gelagert. Ein Antriebskegelrad 70 ist an einem Ende der Antriebswelle 60 ausgebildet, das mit einem Tellerrad 72 in Eingriff steht. Das Tellerrad ist drehfest mit der Differentialeinheit 52 verbunden, so dass eine Drehbewegung der Kardanwelle 28 eine Drehbewegung der Differentialeinheit 52 bewirkt. Ausgangswellen 64, die drehfest mit den Achswellen 30 (1) verbunden sind, sind in der Differentialeinheit 52 drehbar gelagert, welche ihrerseits in dem Getriebegehäuse 50 drehbar gelagert ist. Die Ausgangswellen 64 drehen sich um eine Achse A.
Die Differentialeinheit 52 umfasst einen Differentialkorb 74, als Kegelräder ausgebildete Ausgleichsräder 76 und Antriebsräder 78. Die Ausgleichsräder 76 werden von dem rotierenden Differentialkorb 74 zu einer Umlaufbewegung um die Achse A angetrieben und sind dabei in dem Differentialkorb 74 um eine Achse B drehbar gelagert, die bezüglich der Achse A in orthogonaler Richtung verläuft. Die Ausgleichsräder 76 kämmen mit den Antriebsrädern 78, die drehfest mit den jeweiligen Ausgangswellen 64 verbunden sind. Bei der Differentialeinheit 52 erfolgt der Antrieb über den Differentialkorb 74 und die einander gegenüberliegenden Ausgleichsräder 76 auf die Antriebsräder 78. Bei Geradeausfahrt im Normalbetrieb drehen die Ausgleichsräder 76 und Antriebsräder 78 sich nicht relativ zu einander. Die gesamte Differentialeinheit 52 läuft als Block um und überträgt das Drehmoment gleichmäßig auf die beiden Ausgangswellen 64. Erst bei Drehzahlunterschieden (z.B. bei Kurvenfahrt oder unsymmetrischen Schlupfverhältnissen) zwischen den beiden Ausgangswellen 64 drehen sich die beiden Ausgleichsräder 76 entgegengesetzt in dem Differentialkorb 74, um das Drehmoment grundsätzlich gleichmäßig auf beide Ausgangswellen 64 zu verteilen.
Die Differentialeinheit 52 umfasst ferner konkav gewölbte – oder auch glockenartig geformte – Koppelräder 80 und Hohlwellen 82. Jedes der Koppelräder 80 ist drehfest mit einem jeweiligen Ausgleichsrad 76 verbunden und dreht sich mit diesem um die Achse B. Somit sind auch die Koppelräder 80 von dem Differentialkorb 74 zu einer jeweiligen Umlaufbewegung um die Achse A antreibbar. Jede der Hohlwellen 82 umgibt eine jeweilige Ausgangswelle 64. Die Koppelräder 80 sind drehwirksam mit den Hohlwellen 82 verbunden, wobei jedes Koppelrad 80 das jeweilige Antriebsrad 78 hintergreift, d.h. bezogen auf die Achse A übergreift jedes Koppelrad 80 das jeweilige Antriebsrad 78 in axialer Richtung und ist zugleich radial nach innen geformt. Jedes der Koppelräder 80 umfasst eine Verzahnung 84, die mit entsprechenden Verzahnungen 86 der Hohlwellen 82 kämmt. Somit ist ein Übersetzungsverhältnis i₁ zwischen jedem der Koppelräder 80 und der jeweiligen Hohlwelle 82 gebildet. In ähnlicher Weise ist ein Übersetzungsverhältnis i₂ zwischen jedem der Ausgleichsräder 76 und den Antriebsrädern 78 gebildet.
Vorzugsweise ist die Zähnezahl der Verzahnung 84 des Koppelrads 80 größer als die Zähnezahl der zugeordneten Verzahnung 86 der Hohlwelle 82. Zudem ist vorzugsweise die Zähnezahl einer Verzahnung 95 des jeweiligen Antriebsrads 78 der Ausgangswellen 64 größer als die Zähnezahl einer zugeordneten Verzahnung 93 des Ausgleichsrads 76. Somit werden vorteilhafte Übersetzungsverhältnisse i₁, i₂ erreicht, um für die nachfolgend erläuterte Drehmomentübertragung eine Gesamtübersetzung von beispielsweise weniger als 15% zu erreichen.
Jede der Bremsen 54 umfasst einen ersten Lamellensatz 90 sowie einen zweiten Lamellensatz 92. Die Lamellen des ersten Lamellensatzes 90 sind drehfest mit der jeweiligen Hohlwelle 82 verbunden, und die Lamellen des zweiten Lamellensatzes 92 sind drehfest mit dem Getriebegehäuse 50 verbunden, wobei die Lamellen der Lamellensätze 90, 92 ineinander greifen. Die Lamellen der Lamellensätze 90, 92 sind zur Übertragung eines Moments so aneinander anpressbar, dass zwischen den Lamellen der Lamellensätze 90, 92 eine Bremskraft übertragen wird, um die Lamellen des ersten Lamellensatzes 90 sowie die jeweilige Hohlwelle 82 zu bremsen. Obwohl die in 2a (und auch in 3a) dargestellten Bremsen 54 als Lamellenkupplungen ausgebildet sind, können selbstverständlich jegliche Bremsanordnungen oder Antriebsanordnungen verwendet werden, insbesondere auch Elektromotoren zum Antreiben und/oder zum generatorischen Bremsen, vgl. 12. Als Bremsanordnungen eignen sich im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere nass oder trocken laufende Lamellenkupplungen, Scheibenbremsen und -kupplungen, magnetorheologische Kupplungen oder elektromagnetisch betätigte Kupplungen.
Zu der Ausführungsform gemäß 2a und 2b ist noch anzumerken, dass der Antrieb der Differentialeinheit 52 generell nicht zwingend über ein Antriebskegelrad erfolgen muss. Im Falle der Anwendung beispielsweise als Vorderachs-TV-Einheit kann der Antrieb auch über Stirnräder oder eine Kette erfolgen. Es ist auch eine Anwendung vorgesehen, bei der die Differentialeinheit 52 überhaupt nicht aktiv angetrieben wird. Insbesondere funktioniert die Differentialeinheit 52 als Momenten-Verschiebevorrichtung auch an einer nicht angetriebenen Achse. In diesem Fall erhält ein Rad des Fahrzeugs ein negatives Moment und das andere Rad ein entsprechendes positives Moment, ohne überlagertes Antriebsmoment.
Obwohl in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a und 2b zwei Koppelräder 80 mit entsprechenden Ausgleichsrädern 76 dargestellt sind, kann die Differentialeinheit 52 auch mehr oder weniger Koppelräder 80 umfassen. Beispielsweise kann die Differentialeinheit 52 nur ein einziges Koppelrad 80 mit entsprechendem Ausgleichsrad 76 umfassen. Alternativ dazu kann die Differentialeinheit 52 beispielsweise drei Koppelräder 80 mit entsprechenden Ausgleichsrädern 76 umfassen.
Wie in 2c gezeigt ist, kann die Differentialeinheit 52 ein oder mehrere zusätzliche Ausgleichsräder 76' umfassen, die im Differentialkorb 74 drehbar gelagert sind und die nicht mit den Koppelrädern 80 in Eingriff stehen. Derartige zusätzliche Ausgleichsräder 76' stehen lediglich mit den Antriebsrädern 78 in Eingriff und drehen sich um eine Achse C, die senkrecht zur Achse A und quer – d.h. senkrecht oder schräg – zur Achse B steht. Die in 2c vertikalen Ausgleichsräder 76 dienen somit vorwiegend für den TV-Betrieb (oder Differentialsperrbetrieb), während die in 2c horizontalen Ausgleichsräder 76' ausschließlich für den Achsantrieb dienen.
Bei der Ausführungsform der 3a ist im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 2a eine Nabe 96 vorgesehen, die drehfest mit der jeweiligen Hohlwelle 82 sowie den Lamellen des ersten Lamellensatzes 90 verbunden ist. Durch die Verwendung der Nabe 96 können die Enden der Ausgangswellen 64 weiter nach innen versetzt werden. Somit kann der Bauraum für das Achsgetriebe 34 in Querrichtung minimiert werden. Weiters können die Achswellen 30 entsprechend länger werden, wobei die bei Einfederung auftretenden Auslenkwinkel der Achswellen minimiert werden.
Bei der Ausführungsform nach 3b ist die drehwirksame Verbindung zwischen der Antriebswelle 60' und der Differentialeinheit 52 als eine Stirnradverbindung ausgebildet. Dabei greift ein Stirnrad 70' der Antriebswelle 60' in ein Stirnrad 72' ein, das drehfest mit der Differentialeinheit 52 verbunden ist. Diese Ausführungsform eignet sich für eine TV-Anwendung, bei der der Antrieb nicht über einen Winkeltrieb (z.B. Hinterachse), sondern über einen Stirntrieb erfolgt (z.B. Vorderachs-TV bzw. Vorderachs-Differentialsperre bei Quermotor-Anordnung). Dadurch erfolgt der Antrieb beispielsweise direkt am "final-drive" des Schaltgetriebes. Alternativ dazu ist eine Kette als Antriebselement möglich.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Achsgetriebes 34 gemäß 2, 3a bzw. 3b erläutert.
Durch das Bremsen einer der Hohlwellen 82 mittels der zugeordneten Bremse 54 – oder auch durch Antreiben der jeweiligen Hohlwelle 82 (z.B. mittels elektrischer Maschine, vgl. 12) – wird ein Drehmomentübertragungsverhältnis zwischen den Ausgangswellen 64 eingestellt. Wenn eine der Hohlwellen 82 gegen das Getriebegehäuse 50 gebremst wird, werden nämlich die Koppelräder 80, welche von dem rotierenden Differentialkorb 74 zu einer Umlaufbewegung um die Achse A angetrieben werden, zu einer Drehbewegung um die jeweilige Achse B angetrieben. Demzufolge werden auch die Ausgleichsräder 76 um die Achse B angetrieben, wobei die Ausgleichsräder 76 eine der Ausgangswellen 64 beschleunigen und die andere der Ausgangswellen 64 abbremsen. Beispielsweise wird die linke Ausgangswelle 64 in der Darstellung gemäß 2a, 3a oder 3b beschleunigt und die rechte Ausgangswelle 64 wird abgebremst, wenn die rechte Hohlwelle 82 bezüglich des Gehäuses 50 abgebremst wird.
Insbesondere ergibt sich im Falle, dass die Hohlwelle 82 vollständig gegen das Gehäuse 50 gebremst wird, eine Überlagerungsdrehzahl n_Ü auf Grundlage der folgenden Gleichung: nÜ = nACHSE·i1·i2 wobei n_ACHSE die Drehzahl des Differentialkorbs 74 um die Achse A ist. In dem Fall, dass die rechte Hohlwelle 82 vollständig gebremst wird, werden die jeweiligen Drehzahlen n_R, n_L der rechten und linken Ausgangswellen 64 auf Grundlage der folgenden Gleichungen berechnet: nR = nACHSE – nÜ nL = nACHSE + nÜ
In dem Fall, dass die linke Hohlwelle 64 vollständig gebremst wird, werden die jeweiligen Drehzahlen n_R, n_L der rechten und linken Ausgangswellen 64 auf Grundlage der folgenden Gleichungen berechnet: nR = nACHSE + nÜ nL = nACHSE – nÜ
Im Fall, dass die betreffende Bremse 54 nicht vollständig, sondern mit Schlupf betrieben wird, ergibt sich eine verringerte Überlagerungsdrehzahl n_Ü und damit Drehzahlen n_R, n_L, die näher an der Achsdrehzahl n_ACHSE liegen.
Die Verwendung der konkav gewölbten Koppelräder 80 ermöglicht eine kleine, leichte, einfache und vor allem billige Differentialeinheit 74 mit einem TV-Betrieb und/oder einem Differentialsperrbetrieb, der nachstehend noch näher erläutert wird. Insbesondere bildet das konkav gewölbte Koppelrad 80 in Verbindung mit dem Ausgleichsrad 76 eine kleinvolumige Überlagerungseinheit, die innerhalb des Bauraums der Differentialeinheit 52 leicht Platz findet. Zudem benötigt die Differentialeinheit 52 wesentlich weniger Teile, um einen TV-Betrieb vorzusehen. Somit ist die Differentialeinheit 52 kleiner, leichter, einfacher und vor allem billiger als herkömmliche Differentialeinheiten, die einen TV-Betrieb bereitstellen.
Unter Bezugnahme auf 4–6 werden nun verschiedene Ausführungsformen der Differentialeinheit 52 näher erläutert, wobei die weiteren Komponenten des betreffenden Getriebes so ausgebildet sein können wie vorstehend im Zusammenhang mit 2a und 3a für das Achsgetriebe 34 beschrieben oder wie nachfolgend noch im Zusammenhang mit 8 bis 12 erläutert wird.
Die Differentialeinheit 52a der 4 umfasst zwei Ausgleichsräder 76 und nur ein konkav gewölbtes Koppelrad 80, das mit einem der Ausgleichsräder 76 drehfest verbunden ist, wobei die Ausgleichsräder 76 und das Koppelrad 80 sich um die Achse B drehen.
Die Differentialeinheit 52b der 5 umfasst ein Ausgleichsrad 76, ein Verbindungsrad 100 und ein konkav gewölbtes Koppelrad 80. Das Ausgleichsrad 76 wird auch hier von dem rotierenden Differentialkorb 74 zu einer Umlaufbewegung um die Achse A angetrieben. Das Verbindungsrad 100 steht mit den Antriebsrädern 78 der Ausgangswellen 64 in Eingriff und ist drehfest mit dem Koppelrad 80 verbunden. Das Verbindungsrad 100 ist jedoch nicht an dem Differentialkorb 74 drehbar gelagert, d.h. das Verbindungsrad 100 wird nicht direkt von dem Differentialkorb 74 zu einer Umlaufbewegung um die Achse A angetrieben, sondern es sorgt lediglich für das Aufbringen eines Differenzmoments auf die Antriebsräder 78 mittels des Koppelrads 80. Das Verbindungsrad 100 und das Koppelrad 80 können auch einstückig ausgebildet sein, was grundsätzlich für alle hierin beschriebenen Varianten gilt.
Die Differentialeinheit 52c der 6 umfasst ein Ausgleichsrad 76, ein Koppelrad 80 sowie ein zusätzliches Ausgleichsrad 102. Das Ausgleichsrad 76 wird von dem Differentialkorb 74 zu einer Umlaufbewegung um die Achse A angetrieben, und es kämmt mit den Antriebsrädern 78. Ein Steg 104 erstreckt sich von dem Ausgleichsrad 76 entlang der Achse B und ist mit dem Ausgleichsrad 76 drehfest verbunden und auf der gegenüberliegenden Seite im Differentialkorb 74 drehbar gelagert. Das zusätzliche Ausgleichsrad 102 ist drehbar um den Steg 104 gelagert und steht ebenfalls mit den Antriebsrädern 78 in Eingriff.
Jede der Ausführungsformen gemäß 4–6 kann ein zusätzliches Ausgleichsrad oder Ausgleichsräder aufweisen, die mit den Antriebsrädern 78 in Eingriff stehen und sich um die Achse C drehen, die senkrecht zur Achse A und quer – d.h. senkrecht oder schräg – zur Achse B steht.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Differentialeinheit 52d. In dieser Ausführungsform ist das Koppelrad 80 über eine Zwischenwelle 101, die im Differentialkorb 74 drehbar gelagert ist, mit einem Zwischenrad 103 drehfest verbunden, das auf der gegenüberliegenden Seite des Differentialkorbs 74 an dessen Innenseite angeordnet ist. Dieses Zwischenrad 103 kämmt nicht direkt mit den Antriebsrädern 78, sondern mit zumindest einem Ausgleichsrad 76, das seinerseits mit den Antriebsrädern 78 kämmt. Ein drittes Ausgleichsrad 76' ist hier auf der Zwischenwelle 101 drehbar gelagert, kann aber auch entfallen. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass Übersetzungsverhältnisse kleiner als beispielsweise 15% darstellbar sind, weil das Zwischenrad 103 sehr klein sein kann.
Anhand der 8 wird eine weitere Ausführungform eines erfindungsgemäßen Achsgetriebes 34a näher erläutert, welches einen Differentialsperrbetrieb ermöglicht.
Das Achsgetriebe 34a umfasst nur eine einzige Hohlwelle 82 sowie eine Lamellenkupplung 110 mit entsprechendem Aktuator 112. Die Lamellen kupplung 110 ermöglicht wahlweise eine drehfeste Verbindung zwischen der Hohlwelle 82 und einer der Ausgangswellen 64, um einen Differentialsperrbetrieb zu bewirken. Insbesondere weist die Lamellenkupplung 110 eine Kupplungsnabe 114 auf, die drehfest mit der Hohlwelle 82 verbunden ist, und einen Kupplungskorb 116, der drehfest mit der betreffenden Ausgangswelle 64 verbunden ist. Die Lamellen eines ersten Lamellensatzes 118 sind drehfest mit der Kupplungsnabe 114 verbunden, und die Lamellen eines zweiten Lamellensatzes 120 sind drehfest mit dem Kupplungskorb 120 verbunden, wobei die Lamellen der Lamellensätze 118, 120 ineinander greifen. Die Lamellen der Lamellensätze 118, 120 sind zur Übertragung eines Moments so aneinander anpressbar, dass zwischen den Lamellen der Lamellensätze 118, 120 ein Drehmoment übertragen wird, um die Kupplungsnabe 114 und den Kupplungskorb 116 drehfest zu verbinden, bzw. um einer Relativdrehung von Kupplungsnabe 114 und Kupplungskorb 120 ein Bremsmoment entgegenzusetzen. Generell ist kein vollständiges Abbremsen erforderlich.
Bei der Verbindung der Hohlwelle 82 mit der Ausgangswelle 64 wird die Differentialeinheit 52' gesperrt; d.h. bei einem vollständigen Abbremsen läuft die gesamte Differentialeinheit 52' als Block um und überträgt das von der Antriebswelle 60 übertragene Antriebsmoment stets gleichmäßig auf die beiden Ausgangswellen 64. Die Übersetzungsverhältnisse i₁ und i₂ ermöglichen ein Kupplungsmoment oder Blindmoment, das geringer als das Sperrmoment ist. Das Sperrmoment ist das in der Differentialeinheit 52' der Relativbewegung zwischen den Ausgangswellen 64 entgegenwirkende Drehmoment. So ergibt sich hierdurch im Gegensatz zur üblichen Quersperre, bei der das Kupplungsmoment bis zum Doppelten des Sperrmoments betragen muss, ein Kupplungsmoment, das beispielsweise etwa den Faktor 0,3 des Sperrmoments beträgt. Somit wird zum Erzielen der Sperrwirkung also eine deutlich kleinere Lamellenkupplung 110 benötigt. Wahlweise kann auch hier eines der beiden Koppelräder 80 entfallen.
9 zeigt ein alternatives Beispiel der Ausführungsform nach 8. Insbesondere ist der Kupplungskorb 116' drehfest mit dem Differentialkorb 74 verbunden. Beim Anpressen der Lamellen 119, 120 werden die Hohlwelle 82 und der Differentialkorb 74 drehfest verbunden, bzw. einer Relativdrehung von Hohlwelle 82 und Differentialkorb 74 wird ein Bremsmoment entgegengesetzt. Das ergibt zur Erreichung von beispielsweise 1000 Nm Sperrmoment eine sehr geringe Anforderung an das Kupplungsmoment, beispielsweise nur 150 Nm. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel muss generell nicht vollständig gebremst werden.
Alternativ zu der Darstellung gemäß 9 können zwei Lamellenkupplungen 110 in symmetrischer Anordnung an beiden Seiten der Differentialeinheit 52' angeordnet sein. Bezüglich des vorgenannten Beispiels müssten diese Kupplungen 110 dann nur für ein Bremsmoment von beispielsweise jeweils 75 Nm ausgelegt sein.
Unter Bezugnahme auf 10 wird eine weitere Ausführungform eines erfindungsgemäßen Achsgetriebes 34c näher erläutert. Das Achsgetriebe 34c ist ähnlich wie das Achsgetriebe 34 nach 3a ausgebildet und umfasst zusätzlich eine Lamellenkupplung 110' für einen Differentialsperrbetrieb. Insbesondere ermöglicht die Lamellenkupplung 54 einen TV-Betrieb und die Lamellenkupplung 110' einen Differentialsperrbetrieb. Die Nabe 96 der Lamellenkupplung 54 bildet zugleich einen Kupplungskorb der Lamellenkupplung 110'. Die Lamellen eines ersten Lamellensatzes 118' der Lamellenkupplung 110' sind drehfest mit der Ausgangswelle 64' verbunden, und die Lamellen eines zweiten Lamellensatzes 120' sind drehfest mit der Nabe 96' verbunden, wobei die Lamellen der Lamellensätze 118', 120' ineinander greifen. Die Lamellen der Lamellensätze 118', 120' sind zur Übertragung eines Moments so aneinander anpressbar, dass zwischen den Lamellen der Lamellensätze 118', 120' ein Drehmoment übertragen wird, um die Hohlwelle 82 und die Ausgangswelle 64' gegeneinander abzubremsen oder drehfest zu verbinden. Wahlweise kann eine der beiden Lamellenkupplungen 110' für den Sperrbetrieb entfallen, d.h. es ist nur eine einzige Lamellenkupplung 110' zwingend erforderlich.
Anhand der 11a und 11b wird noch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Achsgetriebes 34d näher erläutert. Das Achsgetriebe 34d ist ähnlich wie das Achsgetriebe 34 nach 2 ausgebildet, umfasst jedoch eine alternative Kupplungsanordnung 130 mit entsprechendem Aktuator 131. Die Kupplungsanordnung 130 weist einen Kupplungskorb 132, eine schaltbare Kupplungsnabe 134 sowie erste und zweite Lamellensätze 136, 138 auf. Die Lamellen des ersten Lamellensatzes 136 sind drehfest mit der Kupplungsnabe 134 verbunden. Die Lamellen des zweiten Lamellensatzes 138 sind drehfest mit dem Kupplungskorb 132 verbunden.
Der Kupplungskorb 132 ist drehfest mit der Hohlwelle 82 verbunden. Die Kupplungsnabe 134 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung schaltbar. In der in 11a dargestellten ersten Stellung ist die Kupplungsnabe 134 über Verzahnungen 140 drehfest mit dem Getriebegehäuse 50 verbunden, um den TV-Betrieb zu ermöglichen. Insbesondere wird bei der Betätigung der Lamellenkupplung 130 die Hohlwelle 82 gegenüber dem Getriebegehäuse 50 abgebremst, um das Koppelrad 80 um die Achse B anzutreiben und damit den TV-Betrieb durchzuführen. In der in 11b dargestellten zweiten Stellung ist die Kupplungsnabe 134 über Verzahnungen 142 drehfest mit der Ausgangswelle 64'' verbunden, um den Differentialsperrbetrieb zu ermöglichen. Insbesondere wird bei der Betäti gung der Lamellenkupplung 130 die Hohlwelle 82 drehfest mit der Ausgangswelle 64'' verbunden, um den Differentialsperrbetrieb durchzuführen. Das Achsgetriebe 34d der 11a und 11b benötigt je Seite nur eine Lamellenkupplung 130 und einen Aktuator 131, um einen TV-Betrieb sowie einen Differentialsperrbetrieb bereitzustellen. Somit ist das Achsgetriebe 34c kleiner, leichter, einfacher und billiger.
In 12 ist eine weitere Ausführungsform eines Achsgetriebes 34e dargestellt. Das Achsgetriebe 34e nach 12 umfasst die gleichen Komponenten wie das Achsgetriebe 34 nach 2a, aber die Bremsen 54 entfallen. Stattdessen umfasst das Achsgetriebe 34e Elektromotoren 150, wobei jeder der Elektromotoren 150 einen Stator 152 und einen Rotor 154 aufweist. Der Stator 152 ist fest mit dem Gehäuse 50 verbunden, und der Rotor 154 ist drehfest mit der Nabe 96 bzw. der Hohlwelle 82 verbunden. Die Elektromotoren 150 können jeweils motorisch – also antreibend – oder generatorisch – also abbremsend – betrieben werden. Dadurch ist für einen TV-Betrieb die Einbringung positiver und negativer Überlagerungsmomente möglich. Für einen Sperrbetrieb können die beiden Elektromotoren 150 synchronisiert werden.
Abweichend von der Darstellung gemäß 12 können die Elektromotoren 150 auch mit Übersetzungsgetrieben (z.B. Planetengetrieben) versehen sein, die die jeweilige Motordrehzahl ins Langsame übersetzen. Dadurch können hochtourige Motoren 150 eingesetzt werden.

10: Fahrzeugantriebsstrang
12: Antrieb
16: Kraftübertragungsstrecke
18: Motor
20: Getriebe
28: Kardanwelle
30: Achswelle
32: Rad
34, 34a, 34b: Achsgetriebe
34c, 34d, 34e
40: Steuereinheit
42: Giergeschwindigkeitssensor
44: Raddrehzahlsensor
50,: Differentialgehäuse
52, 52' 52a,: Differentialeinheit
52b, 52c, 52d
54: Bremse
56: Aktuator
60, 60': Antriebswelle
64, 64', 64'': Ausgangswelle
70: Antriebskegelrad
70': Antriebsrad
72: Tellerrad
72': Stirnrad
74: Differentialkorb
76, 76': Ausgleichsrad
78: Antriebsrad
80: Koppelrad
82: Hohlwelle
84, 86: Verzahnung
90, 92: Lamellensatz
93, 95: Verzahnung
96, 96': Nabe
100: Verbindungsrad
101: Zwischenwelle
102: zusätzliches Ausgleichsrad
103: Zwischenrad
104: Steg
110, 110': Lamellenkupplung
112, 112': Aktuator
114: Kupplungsnabe
116: Kupplungskorb
118, 118', 119: Lamellensatz
120, 120': Lamellensatz
130: Lamellenkupplung
131: Aktuator
132: Kupplungskorb
134: Kupplungsnabe
136, 138: Lamellensatz
140, 142: Verzahnung
150: Elektromotor/-generator
152: Stator
154: Rotor

Claims

Getriebe (34) mit einem drehbaren Differentialkorb (74) und zwei Ausgangswellen (64), wobei zur Verteilung eines Drehmomentes zwischen den Ausgangswellen (64) an dem Differentialkorb (74) wenigstens ein Ausgleichsrad (76) drehbar gelagert ist, das mit einem jeweiligen Antriebsrad (78) der Ausgangswellen (64) antriebswirksam gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) ferner wenigstens ein konkav gewölbtes Koppelrad (80) aufweist, das zum einen mit zumindest einem der Antriebsräder (78) und zum anderen mit wenigstens einer Hohlwelle (82) antriebswirksam gekoppelt ist, wobei die Hohlwelle (82) eine der Ausgangswellen (64) umgibt, und wobei die Hohlwelle (82) relativ zu einem Teil (50, 64, 74) des Getriebes abbremsbar und/oder antreibbar ist.
Getriebe (34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsrad (76) und das Koppelrad (80) einteilig ausgebildet sind.
Getriebe (34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsrad (76) und das Koppelrad (80) zweiteilig ausgebildet sind, wobei das Ausgleichsrad (76) und das Koppelrad (80) drehfest miteinander verbunden sind.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) ferner ein zweites Ausgleichsrad (76), das mit den Antriebsrädern (78) der Ausgangswellen (64) antriebswirksam gekoppelt ist, und ein zweites konkav gewölbtes Koppelrad (80) umfasst, das zum einen mit dem zweiten Ausgleichsrad (76) und zum anderen mit der wenigstens einen Hohlwelle (82) antriebswirksam gekoppelt ist.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) ferner eine zweite Hohlwelle (82) umfasst, die die andere der Ausgangswellen (64) umgibt und die mit dem wenigstens einen Koppelrad (80) antriebswirksam gekoppelt ist, wobei eine der Hohlwellen (82) selektiv gebremst oder angetrieben wird, um das Drehmomentübertragungsverhältnis zwischen den Ausgangswellen (64) einzustellen.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) ferner eine Bremse, eine Kupplung (54) oder einen Elektromotor oder elektrischen Generator (150) zum Bremsen oder Antreiben der wenigstens einen Hohlwelle (82) umfasst.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelrad (80) von dem Differentialkorb (74) zu einer Umlaufbewegung um eine Rotationsachse (A) der Ausgangswellen (64) antreibbar ist.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelrad (80) um eine Achse drehbar gelagert ist, die bezüglich einer Rotationsachse (A) der Ausgangswellen (64) in einer Querrichtung verläuft.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelrad (80) über das Ausgleichsrad (76) oder ein Verbindungsrad (100) mit den Antriebsrädern (78) der Ausgangswellen (64) antriebswirksam verbunden ist.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelrad (80) die Antriebsräder (78) der Ausgangswellen (64) hintergreift.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) ferner ein Getriebegehäuse (50) umfasst, bezüglich dessen die zumindest eine Hohlwelle (82) abbremsbar oder antreibbar ist.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hohlwelle (82) relativ zu der zugeordneten Ausgangswelle (64) oder relativ zu dem Differentialkorb (74) abbremsbar oder antreibbar ist.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzahnung (84) des Koppelrads (80) mit einer Verzahnung (86) der wenigstens einen Hohlwelle (82) kämmt.
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähnezahl einer Verzahnung (84) des Koppelrads (80) größer ist als die Zähnezahl einer zugeordneten Verzahnung (86) der Hohlwelle (82).
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähnezahl einer Verzahnung (93) des Ausgleichsrads (76) kleiner ist als die Zähnezahl einer zugeordneten Verzahnung (95) des jeweiligen Antriebsrads (78) der Ausgangswellen (64).
Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelrad (80) über eine Zwischenwelle (101) mit einem Zwischenrad (103) drehfest verbunden ist, wobei das Zwischenrad (103) mit zumindest einem Ausgleichsrad (76) kämmt, das seinerseits mit den Antriebsrädern (78) kämmt.
Antriebsstrang (10) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Getriebe (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) zur Drehmomentverteilung entlang einer Längsachse des Antriebsstrangs (10) ausgebildet ist.
Antriebsstrang (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) zur Drehmomentverteilung entlang einer Querachse des Antriebsstrangs (10) ausgebildet ist.