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Die Erfindung bezieht sich auf ein Differentialgetriebe für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten, als Kronenrad ausgebildeten Achswellenrad und einem ebenfalls als Kronenrad ausgebildeten, koaxial zu dem ersten Achswellenrad angeordneten zweiten Achswellenrad sowie mit wenigstens einem als geradverzahntes Stirnrad ausgebildeten Ausgleichsrad, das mit den beiden Achswellenrädern kämmt, wobei die Achswellenräder jeweils mit einer Reibungsbremse gekoppelt sind, die durch axiale Spreizbewegung der Achswellenräder betätigbar ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Stirnrad, das zum Einsatz als Ausgleichsrad in einem solchen Differentialgetriebe geeignet ist.
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Ein Differentialgetriebe hat die Funktion, ein an einem Antriebselement, wie etwa einer Antriebswelle oder einem Antriebsritzel, anliegendes Antriebsmoment auf zwei Abtriebswellen zu verteilen und dabei einen Drehzahlausgleich zwischen den beiden Abtriebswellen zu ermöglichen. Ein Differentialgetriebe kann beispielsweise als Achsdifferential zur Verteilung des Antriebsmomentes auf die beiden Räder einer angetriebenen Fahrzeugachse oder als so genanntes Mittendifferential zur Verteilung des Antriebsmomentes auf zwei unterschiedliche, angetriebene Achsen eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
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Aus der
DE 10 2005 024 455 A1 ist ein offenes Kronenraddifferential bekannt. Beim Kronenraddifferential sind die Achswellenräder als koaxiale Kronenräder ausgebildet, auf deren jeweils dem anderen Achswellenrad zugewandter Fläche ein Verzahnungsring angeordnet ist. Die Kopplung der beiden Achswellenräder erfolgt über ein oder mehrere geradverzahnte Stirnräder, die jeweils als Ausgleichsrad mit den Verzahnungen der Zahnringe der Achswellenräder kämmen. Die Ausgestaltung der Achswellenräder als Kronenräder und des Ausgleichsrades als Stirnrad hat im Gegensatz zu den ebenfalls bekannten Kegelraddifferentialen den Vorteil, dass bei Betrieb keine von dem übertragenen Antriebsmoment abhängigen Axialkräfte auf das Ausgleichsrad wirken. Andererseits ergibt sich eine verstärkte Axialkraft auf die Achswellenräder.
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Diese vom übertragenen Antriebsmoment abhängige Spreizkraft kann zur Selbstsperrung des Differentials genutzt werden. Aus der
DE 38 41 234 C2 und der
DE 35 25 231 C2 sind beispielsweise selbstsperrende Kegelraddifferentiale bekannt. Bei einem offenen Differentialgetriebe wird das insgesamt übertragene Drehmoment durch dasjenige angetriebene Rad bzw. diejenige angetriebene Fahrzeugachse mit der geringsten Traktion begrenzt. Dadurch kann das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs aufgrund von Lastwechselreaktionen, die auf die Ausgleichsfunktion des Differentialgetriebes bei Traktionsänderungen zurückzuführen sind, beeinträchtigt werden. Um dem entgegenzuwirken, setzt man bei selbstsperrenden Differentialgetrieben selbsttätig wirksame Reibungsbremsen ein, die zwischen zwei Bauteilen des Differentialgetriebes, insbesondere einem Differentialkorb und wenigstens einem der Achswellenräder, angeordnet sind. In den zuvor zitierten Druckschriften werden selbstsperrende Kegelraddifferentiale offenbart, bei denen die Achswellenräder mit einer Lamellenbremse versehen sind, die mit entsprechenden Lamellenelementen am Differentialkorb bei axialer Spreizung der Achswellenräder bremsend wechselwirken.
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Wie erwähnt, ist die Spreizkraft auf die Achswellenräder beim Kronenraddifferential bauartbedingt deutlich größer als beim Kegelraddifferential. Beim Kronenraddifferential ist es daher erforderlich, einen Mechanismus zur genauen Einstellung der gewünschten Sperrwirkung zu realisieren. Dabei ist es wünschenswert, möglichst keine zusätzlichen Bauteile einsetzen zu müssen, die die Komplexität, Anfälligkeit und Kosten des Differentialgetriebes erhöhen würden.
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Die eingangs genannte, gattungsbildende Druckschrift offenbart ein Differenzial mit als Kronenräder ausgebildeten Seitenrädern mit unterschiedlichen Teilkreisdurchmessern und unterschiedlichen Zahnbreiten. Das sie koppelnde Ausgleichsrad hat eine „Kompromiss“-Zahnbreite, die es beiden Seitenrädern erlaubt, mit dem Ausgleichsrad zu kämmen und dabei sogar zur Vermeidung jedes Kippmomentes einander in ihrer Radialrichtung zu überlappen. Hieraus folgt zwingend, dass die beteiligten Räder im Hinblick auf Geräuschentwicklung und Wirkungsgrad nur suboptimal miteinander kämmen können. Dem muss durch ein gesondertes Balligschleifen oder geringes Anfasen des Ausgleichrades begegnet werden. Dieser zusätzliche Arbeitsgang ist zeit- und kostenaufwendig.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Differenzial derart weiterzubilden, dass ohne besagten, zusätzlichen Arbeitsgang ein verbesserter Wirkungsgrad und eine reduzierte Geräuschentwicklung erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Ausgleichsrad zwei stetig ineinander übergehende axiale Verzahnungsabschnitte, nämlich einen ersten axialen Verzahnungsabschnitt und einen zweiten axialen Verzahnungsabschnitt, sowie wenigstens zwei Zahneingriffsgruppen mit voneinander verschiedenen Zahneingriffsparametern aufweist, von denen eine Zahneingriffsgruppe die Schubflanken und/oder die Zugflanken in dem ersten axialen Verzahnungsabschnitt umfasst und eine andere Zahneingriffsgruppe die Schubflanken und/oder die Zugflanken in dem zweiten axialen Verzahnungsabschnitt umfasst und die Zahneingriffsgruppen unterschiedliche Zahnflankenverläufe aufweisen.
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Ein Stirnrad als wesentliches Bauteil hierfür ist in einer bevorzugten Ausführungsform Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 5.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es ist vorgesehen, die Achswellenräder jeweils mit einer Reibungsbremse zu koppeln, um eine Selbstsperrung des Differentials zu erreichen. Zur Abstimmung der Sperrwirkung wird eine besondere Ausgestaltung des Ausgleichsrades vorgeschlagen. Unter dem Begriff des Zahneingriffs werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Wechselwirkungszonen unterschiedlicher Funktionalität zwischen den miteinander kämmenden Zahnrädern verstanden. Es sind dies insbesondere die Zugflanken der Ausgleichsradzähne im Wechselwirkungsbereich mit dem ersten Achswellenrad, die Schubflanken der Ausgleichsradzähne im Wechselwirkungsbereich mit dem ersten Achswellenrad, die Zugflanken der Ausgleichsradzähne im Wechselwirkungsbereich mit dem zweiten Achswellenrad und die Schubflanken der Ausgleichsradzähne im Wechselwirkungsbereich mit dem zweiten Achswellenrad.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die Zahneingriffe unterschiedlich zu gestalten, sodass wenigstens zwei Zahneingriffsgruppen mit unterschiedlichen Zahneingriffsparametern definiert werden können.
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Weiter ist vorgesehen, dass eine Zahneingriffsgruppe die Schubflanken und/oder die Zugflanken in einem ersten axialen Verzahnungsabschnitt umfasst und eine andere Zahneingriffsgruppe die Schubflanken und/oder die Zugflanken in einem zweiten axialen Verzahnungsabschnitt umfasst und beide Zahneingriffsgruppen unterschiedliche Zahnflankenverläufe aufweisen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Ausgleichsrad zwei benachbarte, koaxial angeordnete, axiale Abschnitte aufweist, deren Zahneingriffe sich wenigstens teilweise voneinander unterscheiden. So können beispielsweise bei Wahl einer symmetrischen Zahnform unterschiedliche Schub- und Zugflankenverläufe in den verschiedenen axialen Abschnitten realisiert sein. Es ist auch möglich, in wenigstens einem axialen Abschnitt unsymmetrisch ausgestaltete Zähne zu verwenden, d.h. Zähne mit unterschiedlichen Flankenverläufen an Schub- und Zugflanke, wobei sich die Zähneform im zweiten axialen Bereich in der Gestaltung einer oder beider Zahnflanken von der Gestaltung im ersten axialen Abschnitt unterscheiden kann. In jedem Fall gehen die Verzahnungsabschnitte erfindungsgemäß stetig ineinander über.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Zahneingriffsgruppen vorgesehen, von denen eine erste die Schubflanken und eine zweite die Zugflanken der Zähne des Ausgleichsrades umfasst. Die Zugflanken und die Schubflanken weisen dabei unterschiedliche Zahnflankenverläufe auf. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass je nach spezieller Ausgestaltung der Flankenverläufe und der Relationen der Flankenverläufe von Zug- und Schubflanken zueinander eine sehr exakte Einstellung der bei Betrieb wirkenden axialen Spreizkräfte auf die Achswellenräder möglich wird. Insbesondere kann durch die Wahl der Flankenverläufe bzw. der Relationen der Flankenverläufe zueinander die Abhängigkeit der axialen Spreizkraft von dem übertragenen Antriebsmoment gestaltet werden.
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Es ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste axiale Abschnitt mit einem Verzahnungsring des ersten Achswellenrades kämmt und der zweite axiale Abschnitt mit einem Verzahnungsring des zweiten Achswellenrades kämmt, wobei die Durchmesser der Verzahnungsringe der Achswellenräder verschieden sind. Durch diese zweiabschnittige Ausgestaltung des Ausgleichsrades müssen hinsichtlich der Zahneingriffsgestaltung keine Kompromisse vorgenommen werden und die Gestaltung jedes Zahneingriffs kann auf seine ganz speziellen Anforderungen hin optimiert werden. Dies ist insbesondere beim bevorzugten Einsatz des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes als Mittendifferential günstig, wo in der Regel die Momentenverteilung auf die beiden angetriebenen Achsen ungleichmäßig zu erfolgen hat.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
- 1: eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines selbstsperrenden Kronenraddifferentials.
- 2: eine um 90° versetzte Seitenansicht des Kronenraddifferentials von 1.
- 3: eine Draufsicht auf das Ausgleichsrad des Differentials von 1.
- 4: eine perspektivische Darstellung des Ausgleichsrades von 3
- 5: eine teilweise ausgebrochene Detaildarstellung des Differentials von 1.
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1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines selbstsperrenden Kronenraddifferentials 10. Die wesentlichen Bestandteile des Differentials 10 sind zwei Achswellenräder 12a, 12b, die koaxial in Gegenüberstellung angeordnet sind. Jedem der Achswellenräder 12a, 12b ist eine Lamellenbremse 14a, 14b zugeordnet. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Achswellenräder 12a, 12b fest mit einem Innenlamellenträger verbunden, der eine Mehrzahl von Innenlamellen trägt. Diese wechselwirken mit Außenlamellen, die auf einem Außenlamellenträger angeordnet sind, der seinerseits an einem nicht dargestellten Differentialkorb festgelegt ist. Durch axiale Spreizbewegung der Achswellenräder 12a, 12b werden die Lamellenbremsen 14a, 14b betätigt. Die Achswellenräder 12a, 12b sind jeweils als Kronenräder ausgebildet und tragen auf ihren einander zugewandten Flächen jeweils einen Verzahnungsring 16a, 16b. Bei der dargestellten Ausführungsform haben die Verzahnungsringe 16a und 16b unterschiedliche Durchmesser.
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Zwischen den Achswellenrädern 12a, 12b ist ein Ausgleichsrad 18 angeordnet, welches als zylindrisches Stirnrad ausgebildet ist und mit den Verzahnungsringen 16a, 16b der Achswellenräder 12a, 12b kämmt.
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2 zeigt eine um 90° versetzte Seitenansicht des Differentialgetriebes von 1. Die Darstellung entspricht einer Draufsicht auf das Ausgleichsrad 18. Mit den Bezugszeichen 20 sind Richtungspfeile gekennzeichnet, die eine axiale Spreizkraft anzeigen, die bei Betrieb des Differentials auf die Achswellenräder 12a, 12b wirkt. Die wirkende Kraft ist dabei abhängig von dem übertragenen Moment. Wir oben erläutert, wirkt die axiale Spreizkraft auf die Lamellenbremsen 14a, 14b, sodass eine momentenabhängige Sperrwirkung des Differentials realisiert ist.
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3 zeigt eine Ausführungsform des Ausgleichsrades 18. Das als Stirnrad ausgebildete Ausgleichsrad 18 trägt an seinem Umfang eine Mehrzahl von Zähnen 22. Jeder Zahn 22 weist zwei seitliche Flanken 24, 26 auf, die je nach Drehrichtung als Schub- bzw. als Zugflanke wirken. Die Flanken, 24, 26 sind die wesentlichen Bereiche der Wechselwirkung des Ausgleichsrades 18 mit den Verzahnungsringen 16a, 16b der Achswellenräder 12, 12b. Diese Wechselwirkungszonen werden hier als Zahneingriffe bezeichnet. Das in 2 dargestellte Ausgleichsrad 12 weist zwei Gruppen von Zahneingriffen auf, nämlich die Zugflanken 26 und die Schubflanken 24. Deren Flankenverläufe sind unterschiedlich ausgestalten. Wie in 3 deutlich erkennbar sind die Schubflanken 24 stärker gekrümmt, während die Zugflanken 26 einen steileren Verlauf zeigen. Die konkrete Ausgestaltung der Flankenverläufe, die den Verlauf der Axialkräfte 20 und damit die Sperrwirkung des Differentials beeinflussen, sind vom Fachmann stets in Anschauung der speziellen Anforderungen der konkreten Anwendung zu wählen.
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4 ist eine perspektivische Darstellung einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Ausgleichsrades 18. Bei dieser Ausführungsform sind alle vier Zahneingriffe unterschiedlich ausgestaltet. Hierzu weist das Ausgleichsrad 18 zwei axiale Abschnitte 28 und 28' auf, wobei die Abschnitte 28, 28' unterschiedliche Formen und Anzahlen ihrer Zähne 22 bzw. 22' aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind sowohl die Zähne 22 im axialen Abschnitt 28 als auch die Zähne 22' im axialen Abschnitt 28' asymmetrisch ausgestaltet, d.h. ihre Zugflanken 26 bzw. 26' zeigen einen anderen Verlauf als die jeweils zugeordneten Schubflanken 24 bzw. 24'. Zusätzlich unterscheiden sich bei der dargestellten Ausführungsform auch die Verläufe der Zugflanken 26 des Axialabschnitts 28 von den Zugflanken 26' des Axialabschnitts 28' sowie die Schubflanken 24 des Axialabschnitts 28 von den Schubflanken 24' des Axialabschnitts 28'.
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Die beiden Axialabschnitte 28 und 28' sind durch einen Bundsteg 30 voneinander getrennt. Dieser Bundsteg stellt eine unstetige Trennung der Bereiche 28, 28' dar. Bei einer nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform können die Zähne 22, 22' der Abschnitte 28, 28' auch stetig ineinander übergehen. Der Vorteil des Bundsteges 30 ist zum einen die größere Freiheit bei der Gestaltung der Zähne 22 und 22'. Ein weiterer Vorteil des Bundsteges 30 wird nachfolgend anhand von 5 erläutert.
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5 zeigt eine teilweise ausgebrochene Detaildarstellung des Differentialgetriebes von 1. Vergrößert dargestellt sind die Zahneingriffe, d.h. die Wechselwirkungsbereiche zwischen dem Ausgleichsrad 18 und Achswellenrädern 12a, 12b. Deutlich erkennbar ist, dass die Zähne 22' des in 5 unteren Axialabschnitts 28' mit den Zähnen des Verzahnungsrings 16b des in 5 linken Achswellenrades 12b kämmen. Die Zähne 22 des in 5 oberen Axialabschnitts 28 kämmen hingegen mit den Zähnen des Verzahnungsrings 16a des in 5 rechten Achswellenrades 12a, der einen größeren Durchmesser aufweist als der Verzahnungsring 16b des linken Achswellenrades 12b. Der Bundsteg 30 wirkt dabei als Positioniermittel für das Ausgleichsrad. Ein Versatz nach - aus Sicht der Achswellenräder 12a, 12b - radial innen wird verhindert, indem der Bundsteg am radial äußeren Rand des Verzahnungsrings 16b des linken Achswellenrades 12b einen entsprechenden Anschlag findet. Analog wird ein Versatz des Ausgleichsrades 18 nach - aus Sicht der Achswellenräder 12a, 12b - radial außen verhindert, indem der Bundsteg 30 am radial inneren Rand des Verzahnungsrings 16a des rechten Achswellenrades 12a einen Anschlag findet. Bei der dargestellten Ausführungsform sind diese Anschläge dauernd aktiv. Bei anderen Ausführungsformen kann zwischen den Verzahnungsringen 16a und 16b ein - aus Sicht der Achswellenräder 12a, 12b - radialer Abstand bestehen, innerhalb dessen das Ausgleichsrad 18 einen - aus seiner Sicht - axialen Spielraum hat.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Insbesondere die spezielle Ausgestaltung der Zahnflanken 24, 24', 26, 26' muss in Anschauung der speziellen Erfordernisse der konkreten Anwendung gewählt werden. Diese hängt insbesondere ab von den zu erwartenden Relativdrehzahlen der Achswellenräder 16a, 16b, den zu erwartenden, übertragenen Momenten und der gewünschten Sperrwirkung des Differentials 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Differentialgetriebe
- 12a
- Achsellenrad
- 12b
- Achswellenrad
- 14a
- Lamellenbremse
- 14b
- Lamellenbremse
- 16a
- Verzahnungsring von 12a
- 16b
- Verzahnungsring von 12b
- 18
- Ausgleichsrad
- 20
- Spreizkraft
- 22
- Zahn
- 22'
- Zahn
- 24
- Schubflanke von 22
- 24'
- Schubflanke von 22'
- 26
- Zugflanke von 22
- 26'
- Zugflanke von 22'
- 28
- erster Axialbereich von 18
- 28'
- zweiter Axialbereich von 18
- 30
- Bundsteg
