DE102007043437B3

DE102007043437B3 - Sperrdifferential mit Stirnverzahnung

Info

Publication number: DE102007043437B3
Application number: DE102007043437A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Engelmann; Ralf Dr.-Ing. Pfeifer
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: CN101387336A; US20090069139A1; JP2009068705A; US8128526B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sperrdifferential, insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Das Sperrdifferential 2 umfasst ein Trägerelement 3, das um eine Drehachse A drehend antreibbar ist; mehrere Planetenräder 4, die mit dem Trägerelement 3 um die Drehachse A umlaufen; ein um die Drehachse A drehbar gelagertes Hohlrad 5, das mit zumindest einer Teilzahl der Planetenräder 4 in Verzahnungseingriff ist; ein um die Drehachse A drehbar gelagertes Sonnenrad 6, das mit zumindest einer Teilzahl der Planetenräder 4 in Verzahnungseingriff ist; ein Adapterrad 7, das mit einem der Räder Hohlrad 5 oder Sonnenrad 6 über eine Zahnkupplung 12 zur Übertragung eines Drehmoments in Eingriff ist; wobei die Zahnkupplung 12 eine erste Stirnverzahnung 14 an einer Stirnseite des Adapterrads 7 und eine zweite Stirnverzahnung 13 an einer Stirnseite des mit dem Adapterrad in Eingriff befindlichen Rads umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sperrdifferential, insbesondere ein drehmomentfühlendes Planetenraddifferential, zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Aus der DE 197 50 834 C1 ist ein drehmomentfühlendes Sperrdifferential bekannt, das ein Trägerelement, zwei Seitenwellen sowie zwei Gruppen von Ausgleichsrädern umfaßt. Die Ausgleichsräder sind in zur Drehachse parallelen zylindrischen Taschen im Trägerelement drehbar gelagert. Die Seitenräder und die Ausgleichsräder weisen Schrägverzahnungen auf, wodurch bei Relativdrehung der beiden Seitenräder zueinander Reibungskräfte entstehen. Auf diese Weise wird zwischen den beiden Achswellenrädern ein drehmomentabhängiges Sperrmoment erzeugt, das zur Angleichung der Drehzahlen führt. Derartige Sperrdifferentiale werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Powr-Trak"-Differentiale angeboten und vertrieben.
Aus der US 2006/0160652 A1 ist ein ähnliches Sperrdifferential in Form eines Stirnraddifferentials bekannt. Hier ist zwischen den beiden Seitenrädern eine Kupplung mit einer Rampenanordnung vorgesehen.
Aus der EP 1 491 796 A2 ist ein weiteres drehmomentfühlendes Sperrdifferential mit einem Trägerelement bekannt. Es sind mehrere Planetenräder vorgesehen, die in dem Trägerelement drehbar gehalten sind und gemeinsam mit diesem umlaufen. Die Planetenräder sind mit einem Hohlrad einerseits und einem Sonnenrad andererseits in Verzahnungseingriff. Das Hohlrad ist über eine Schraubverzahnung mit einem Kupplungsrad drehfest verbunden, so daß bei Relativdrehung der Räder zueinander Axialkräfte erzeugt werden. Die Axialkräfte werden über Reibscheiben gegenüber dem Trägerelement abgestützt, wodurch eine Sperrwirkung erzielt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sperrdifferential, insbesondere ein drehmomentfühlendes Stirnraddifferential zum Einsatz im Antriebsstrange eines Kraftfahrzeugs, vorzuschlagen, das große Sperrmomente erzeugen kann und dabei einfach und kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sperrdifferential, insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, gelöst, umfassend ein Trägerelement, das um eine Drehachse drehend antreibbar ist; mehrere Planetenräder, die mit dem Trägerelement um die Drehachse umlaufen; ein um die Drehachse drehbar gelagertes Hohlrad, das mit zumindest einer Teilzahl der Planetenräder in Verzahnungseingriff ist; ein um die Drehachse drehbar gelagertes Sonnenrad, das mit zumindest einer Teilzahl der Planetenräder in Verzahnungseingriff ist; ein Adapterrad, das mit einem der Räder Hohlrad oder Sonnenrad über eine Zahnkupplung zur Übertragung eines Drehmoments in Eingriff ist; wobei die Zahnkupplung eine Stirnverzahnung an einer Stirnseite des Adapterrads und eine weitere Stirnverzahnung an einer Stirnseite des mit dem Adapterrad in Eingriff befindlichen Rads, nämlich dem Hohlrad oder dem Sonnenrad, umfaßt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sperrdifferentials liegt in der Ausgestaltung der Zahnkupplung mit Stirnverzahnungen, da diese bei auftretender Drehzahldifferenz zwischen den Ausgangsrädern besonders hohe axiale Spreizkräfte erzeugen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß die Zähne der ersten und der zweiten Stirnverzahnung Zahnflanken haben, die winklig zur Drehachse verlaufen. Eine auftretendes Antriebsmoment erzeugt axial wirksame Spreizkräfte, die das Adapterrad von dem gegenüberliegenden Rad axial weg beaufschlagen. Dies hat wiederum eine hohe Sperrwirkung zur Folge, was zu einer ungleichen Momentenverteilung und der Angleichung der Drehzahlen zwischen den Ausgangsrädern führt.
Die Stirnverzahnungen des Adapterrads und des gegenüberliegenden Zahnrads können grundsätzlich beliebig gestaltet sein. Nach einer ersten Möglichkeit ist die Zahnkupplung nach Art einer Kronenverzahnung gestaltet, wobei die beiden Stirn verzahnungen in Form von Kronenrädern gestaltet sind. Die Kronenräder sind gegengleich gestaltet und haben einen variablen Eingriffswinkel, das heißt der Eingriffswinkel ändert sich über der Zahnlänge. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, daß die Zahnkupplung in Form einer Hirth-Verzahnung gestaltet ist, wobei die Zähne der Hirth-Verzahnung einen konstanten Eingriffswinkel über der Zahnlänge aufweisen. Nach einer weiteren Möglichkeit kann die Zahnkupplung auch in Form einer Konusverzahnung gestaltet sein, wobei die beiden Stirnverzahnungen konisch sind. Es ist auch denkbar, daß die Zähne der Stirnverzahnungen bogenförmig gestaltet sind.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Adapterrad in eine erste axiale Richtung, in welche die Spreizkräfte wirken, zumindest mittelbar gegenüber dem Trägerelement axial abgestützt. Zumindest mittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang, daß zwischen dem Adapterrad und dem Trägerelement weitere reibungsverstärkende Bauteile eingesetzt werden können, insbesondere eine oder mehrere zwischengeschaltete Reibscheiben. Vorzugsweise ist die zumindest eine Reibscheibe zwischen einer rückwärtigen radialen Stirnfläche des Adapterrads und einer gegenüberliegenden radialen Stützfläche des Trägerelements angeordnet. Das Trägerelement, das auch als Planetenträger oder Stegelement bezeichnet werden kann, umfaßt ein topfförmiges Gehäuseteil sowie ein hiermit fest verbundenes Deckelteil. Die axiale Abstützung des Adapterrads erfolgt dabei stets gegenüber einem der genannten Bauteile.
In eine zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung ist das Adapterrad ebenfalls zumindest mittelbar gegenüber dem Trägerelement axial abgestützt. Dabei erfolgt die axiale Abstützung über das Gegenrad, mit dem das Adapterrad in Eingriff ist, das heißt über das Hohlrad bzw. das Sonnenrad. Das Gegenrad ist wiederum gegenüber dem Trägerelement axial abgestützt, wobei es zur Erzeugung eines hohen Sperrmoments günstig ist, wenn zumindest eine Reibscheibe zwischen einer Stützfläche des Trägerelements und einer Stirnfläche des Gegenrads angeordnet ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiter vorgesehen, daß das nicht mit dem Adapterrad in Eingriff befindliche zweite Ausgangsrad, nämlich das Sonnenrad oder das Hohlrad, in beide axiale Richtungen axial abgestützt ist. Vorzugsweise ist das zweite Ausgangsrad in die erste Richtung gegenüber dem Adapterrad axial abgestützt, das wiederum gegen das Trägerelement axial abgestützt ist. Dabei ist es für eine hohe Sperrwirkung günstig, wenn zumindest eine Reibscheibe zwischen einer radialen Anlauffläche des Adapterrads und einer Stirnfläche des zweiten Ausgangsrads einsitzt. In der entgegengesetzten Richtung ist das zweite Ausgangsrad, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Reibscheibe, direkt gegen das Trägerelement axial abgestützt.
Nach einer ersten Ausführungsform ist die Zahnkupplung zwischen dem Hohlrad und dem Adapterrad wirksam, wobei das Adapterrad und das Sonnenrad insbesondere als Abtrieb dienen und jeweils eine Wellenverzahnung zur Drehmomentübertragung auf eine zugehörige Abtriebswelle aufweisen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Hohlrad in Form eines insbesondere zylindrischen Hülsenteils gestaltet, wobei die Stirnverzahnung an der Stirnseite des Hülsenteils gebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer einfachen Fertigung, nämlich sowohl der Innenverzahnung, mit der die Planetenräder kämmen, als auch der Stirnverzahnung zur drehfesten Kopplung mit dem Adapterrad. Nach einer alternativen Ausgestaltung kann das Hohlrad auch napfförmig gestaltet sein, wobei es ein Hülsenteil und ein sich daran anschließendes Bodenteil aufweist. Bei dieser Ausgestaltung ist die Stirnverzahnung des Hohlrads vorzugsweise an einer Stirnseite des Bodenteils vorgesehen. Dabei können das Hülsenteil und das Bodenteil einteilig hergestellt sein, oder zunächst separat hergestellt und anschließend miteinander fest verbunden werden, insbesondere mittels Schweißens. Letztere Ausgestaltung ist insofern günstig als die Innenverzahnung des Hülsenteils einfach gefertigt werden kann.
Nach einer zweiten Ausführungsform ist die Zahnkupplung zwischen dem Sonnenrad und dem Adapterrad wirksam, wobei das Adapterrad und das Hohlrad insbesondere als Abtrieb dienen und jeweils eine Wellenverzahnung zur Drehmomentübertragung auf eine zugehörige Abtriebswelle aufweisen.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Sperrdifferential als Doppelplanetendifferential gestaltet, wobei die Planetenräder eine erste Gruppe von Planetenrädern umfassen, die mit dem Hohlrad in Verzahnungseingriff sind, sowie eine zweite Gruppe von Planetenrädern, die mit dem Sonnenrad in Verzahnungseingriff sind; jeweils ein Planetenrad der ersten Gruppe kämmt dabei mit einem zugehörigen Planetenrad der zweiten Gruppe von Planetenrädern. Diese Ausführungsform bietet insbesondere die Möglichkeit des Einsatzes in einer Vorderachse mit quer eingebautem Motor. Dabei bildet vorzugsweise das eine der Räder, nämlich Hohlrad oder Sonnenrad, das Eingangsrad des Sperrdifferentials; das Trägerelement und das jeweils andere der Räder, nämlich Sonnenrad oder Hohlrad, sind dann die Ausgangsräder des Sperrdifferentials.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die Sperrcharakteristik des erfindungsgemäßen Sperrdifferentials durch die Ausgestaltung der Zähne der Zahnkupplung verändern und auf die konkreten Anforderungen anpassen läßt. So können die Zähne der ersten und der zweiten Stirnverzahnung – im Zylinderschnitt betrachtet – symmetrisch gestaltet sein, was zu einem gleichen Sperrverhalten in beiden Drehmomentübertragungsrichtungen führt. Ist eine unterschiedliches Sperrverhalten für die beiden Drehmomentübertragungsrichtungen gewünscht, können die Zähne der Stirnverzahnungen asymmetrisch gestaltet werden. Weiter ist es möglich, den Sperrgrad über den axialen Verstellweg zu variieren, indem die Zähne der ersten und die zweiten Stirnverzahnung mit einem variablen Profilwinkel über der Zahnhöhe ausgestaltet werden. Wenn die Zähne demgegenüber einen konstanten Profilwinkel über der Zahnhöhe aufweisen, ist das Sperrverhalten über den axialen Verstellweg konstant. Eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung der Sperrcharakteristik des erfindungsgemäßen Sperrdifferentials besteht darin, daß die Zähne der ersten und zweiten Stirnverzahnung einen variablen Profilwinkel über der Zahnbreite aufweisen, wie es bei einer Kronenverzahnung der Fall ist. Bei der Verwendung einer Kronenverzahnung ist es möglich, durch die Gestaltung der Zahnform eine degressive Kennlinie zu erhalten, die aus der Aufweitung der beiden verzahnten Teile zueinander und der damit verbundenen Tragbildlage resultiert.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung, die für alle vorgenannten Ausführungsformen gilt, sind Federmittel vorgesehen, die das Adapterrad in axiale Richtung beaufschlagen. Die Federmittel können an beliebiger Stelle im Kraftfluß zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Stützflächen des Trägerelements angeordnet sein. Beispielsweise können die Federmittel zwischen den Stirnverzahnungen liegen, oder zwischen dem Adapterrad und der zugehörigen Stützfläche, gegen die das Adapterrad axial abgestützt ist. Mit den Federmitteln, die beispielsweise in Form von Tellerfedern ausgebildet sein können, wird eine axiale Vorspannung erzeugt, so daß ein nochmals erhöhtes Sperrmoment bei Relativdrehung der beiden Ausgangsräder zueinander erreicht wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Sperrdifferential in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt;
2 das Sperrdifferential aus 1 in Explosionsdarstellung,

a) perspektivisch teilweise freigeschnitten;
b) im Längsschnitt;

3 schematisch eine Hohlrad-Adapterrad-Anordnung für ein erfindungsgemäßes Sperrdifferential in einer zweiten Ausführungsform;
4 schematisch eine Hohlrad-Adapterrad-Anordnung eines erfindungsgemäßen Sperrdifferentials in einer dritten Ausführungsform;
5 schematisch eine Hohlrad-Adapterrad-Anordnung eines erfindungsgemäßen Sperrdifferentials in einer vierten Ausführungsform;
6 schematisch eine Hohlrad-Adapterrad-Anordnung eines erfindungsgemäßen Sperrdifferentials in einer fünften Ausführungsform;
7 ein erfindungsgemäßes Sperrdifferential in einer sechsten Ausführungsform schematisch im Längsschnitt;
8 ein erfindungsgemäßes Sperrdifferential in einer siebten Ausführungsform im schematischen Querschnitt;

a) im Längsschnitt
b) im Querschnitt

9 schematisch das Zahnprofil der Zahnkupplung eines der erfindungsgemäßen Sperrdifferentiale nach einer der Ausführungsformenen aus 1 bis 8 in einer ersten Ausführungsform;
10 schematisch das Zahnprofil der Zahnkupplung eines der erfindungsgemäßen Sperrdifferentiale nach einer der Ausführungsformen aus 1 bis 8 in einer zweiten Ausführungsform;
11 schematisch das Zahnprofil der Zahnkupplung eines der erfindungsgemäßen Sperrdifferentiale nach einer der Ausführungsformen aus 1 bis 8 in einer dritten Ausführungsform; und
12 die Zahnkupplung eines der erfindungsgemäßen Sperrdifferentiale nach einer der Ausführungsformen aus 1 bis 8 in einer vierten Ausführungsform in dreidimensionaler Darstellung, teilweise geschnitten.
Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Es ist ein Sperrdifferential 2 erkennbar, daß ein Trägerelement 3 umfaßt, das um eine Drehachse A drehend antreibbar ist, sowie ein in dem Trägerelement 3 aufgenommener Planetenrädersatz. Der Planetenrädersatz umfaßt mehrere über den Umfang verteilte Planetenräder 4, die jeweils gegenüber dem Trägerelement 3 drehend gehalten sind und gemeinsam mit diesem um die Drehachse A umlaufen, ferner ein Hohlrad 5 und Sonnenrad 6, die beide im Trägerelement 3 aufgenommen sind. Die Planetenräder 4 kämmen mit ihrer Verzahnung, die vorzugsweise die Form einer Helixverzahnung gestaltet ist, mit einer entsprechenden Innenverzahnung des Hohlrads 5 einerseits und mit einer entsprechenden Außenverzahnung des Sonnenrads 6 andererseits. Das Hohlrad 5 ist in dem Trägerelement 3 koaxial zur Drehachse A frei drehbar gelagert und ist über eine Zahnkupplung 12 mit einem Adapterrad 7 in Verzahnungseingriff, um ein Drehmoment zu übertragen.
Das Trägerelement 3 ist zweiteilig aufgebaut und umfaßt ein Deckelteil 8, das über eine Flanschverbindung 11 mit einem Mantelteil 9 des Trägerelements 3 fest verbunden ist. Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, hat das Deckelteil 8 mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Stege 22 die durch Lücken unterbrochen sind. In jeder Lücke zwischen zwei umfangsverteilten Stegen 22 ist ein Planetenrad 4 aufgenommen, das somit gemeinsam mit dem Trägerelement 3 um die Drehachse A umläuft. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Sperrdifferentials 2 als Mittendifferential zwischen zwei angetriebenen Achsen eines Kraftfahrzeugs dient das Trägerelement 3 bzw. die Planetenräder 4 als Eingang und das Sonnenrad 6 sowie das Adapterrad 7 dienen als Ausgangsteile. Es wird somit ein in das Trägerelement 3 eingeleitetes Drehmoment auf das Sonnenrad 6 einerseits und das Adapterrad 7 andererseits übertragen. Zur Einleitung des Drehmoments hat das Trägerelement 3 einen Hülsenansatz 23 mit einer Wellenverzahnung 10, in die eine Antriebswelle drehfest eingesteckt werden kann. Entsprechend hat das Sonnenrad 6 eine Bohrung mit einer Innenverzahnung 16, in die eine nicht dargestellte Abtriebswelle drehfest eingesteckt werden kann. Weiter hat das Adapterrad 7 eine Nabe 24 mit einer weiteren Wellenverzahnung 15 zur Drehmomentübertragung auf eine zweite Abtriebswelle (nicht dargestellt).
Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sperrdifferentials 2 beschrieben. Sofern an den beiden nicht dargestellten Abtriebswellen des Kraftfahrzeugs die gleiche Drehzahl anliegt, drehen auch das Sonnenrad 6 sowie das Adapterrad 7 und das damit drehfest verbundene Hohlrad 5 im Block gemeinsam um die Drehachse A. Wenn es dem gegenüber zu einer Differenzdrehzahl zwischen den beiden Abtriebsrädern, nämlich dem Sonnenrad 6 und dem Adapterrad 7, kommt, entstehen in der Zahnkupplung 12 Axialkräfte, welche das Adapterrad 7 einerseits und das Hohlrad 5 andererseits in axial entgegengesetzte Richtungen beaufschlagen. Dabei wird das Adapterrad 7 in Richtung eines Bodens 25 des mit abweichender Drehzahl um die Drehachse A drehenden Trägerelements 3 beaufschlagt. Zwischen einer radialen Stirnfläche 26 des Adapterrings 7 und einer entsprechenden radialen Stützfläche 27 des Trägerelements 2 sitzt eine Reibscheibe 17 ein, die bewirkt, daß die mit unterschiedlicher Drehzahl um die Drehachse A drehenden Bautei le 7, 3 gegeneinander abgebremst werden. Es ist weiter ersichtlich, daß das Hohlrad 5 gegenüber dem Deckelteil 8 des Trägerelements 3 unter Zwischenschaltung einer weiteren Reibscheibe 18 axial abgestützt ist. Diese bewirkt ebenfalls bei auftretender Drehzahldifferenz einen Reibeffekt und damit eine Angleichung der Drehzahlen und damit eine Sperrung des Differentials 2.
Die über den Umfang verteilten Planetenräder 4 haben jeweils eine Stirnfläche 28, 38, wobei zwischen der Stirnfläche 28 und der axial gegenüberliegenden Anlagefläche 29 des Adapterrads 7 eine weitere Reibscheibe 21 vorgesehen ist. An ihren dem Adapterrad 7 entgegengesetzt gerichteten Enden sind die Planetenräder 4 mit ihren Stirnflächen 38 unmittelbar gegenüber dem Deckelteil 8 des Trägerelements 3 axial abgestützt. Das Sonnenrad 6 ist über weitere Reibscheiben 19, 20 in axialer Richtung abgestützt.
Das erfindungsgemäße Sperrdifferential 2 hat durch die Ausgestaltung der Zahnkupplung 12 mit Stirnverzahnungen einen besonders hohen Sperreffekt, da bei auftretender Drehzahldifferenz zwischen den Abtriebsrädern 6, 7 große axiale Sperrkräfte erzeugt werden. Die Räder 4, 5, 6 des Differentialrädersatzes werden aufgrund der Spreizkräfte über die Reibscheiben 17, 18, 19, 20, 21 zumindest mittelbar gegen das Trägerelement 3 beaufschlagt, so daß es zu einer Angleichung der Drehzahlen und damit einem Sperreffekt kommt. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfaßt die Zahnkupplung 12 eine erste Stirnverzahnung 13 an einer Stirnseite des Adapterrads 7 sowie eine zweite Stirnverzahnung 14 an einer Stirnseite des Hohlrads 5.
3 zeigt schematisch eine Anordnung bestehend aus einem Hohlrad 5₂ und einem Adapterrad 7₂ für ein Sperrdifferential gemäß den 1 und 2. Die dargestellte Anordnung ist in einem hier nicht dargestellten Trägerelement einzusetzen, wobei das Hohlrad 5₂ und das Adapterrad 7₂ zumindest mittelbar gegenüber dem Trägerelement axial abgestützt werden. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 versehen und abgewandelte Bauteile sind mit entsprechend tiefergestellten Indizes versehen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Hohlrad 5₂ napfförmig gestaltet und umfaßt ein Mantelteil 32 und ein hieran anschließendes Bodenteil 33. Dabei ist an der Innenfläche des Mantelteils 32 die In nenverzahnung 31 ersichtlich, mit der die hier nicht gezeigten Planetenräder in Verzahnungseingriff gebracht werden. Weiter ist die Stirnradverzahnung 13 erkennbar, die an der Stirnseite des Bodenteils 33 angeordnet ist. Axial gegenüberliegend zum Bodenteil 33 befindet sich das Adapterrad 7₂ das eine Nabe 24 und einen daran anschließenden Radialabschnitt 34 aufweist. Dabei ist die zweite Stirnverzahnung 14, in welche die erste Strinverzahnung 13 zur Drehmomentübertragung eingreift, in dem Radialabschnitt 34 gebildet.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Hohlrad-Adapterrad-Anordnung schematisch, wie sie ebenfalls in einem Sperrdifferential gemäß den 1 bzw. 2 eingesetzt werden kann. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern und abgewandelte Bauteile mit entsprechend um Index 3 tiefergestellten Bezugsziffern versehen. Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß das Hohlrad 5₃ hülsenförmig gestalten ist, wobei die erste Stirnverzahnung 13 an einer Stirnseite des Hülsenteils 32 gebildet ist. Entsprechend ist auch die zweite Stirnverzahnung 14 des Adapterrads 7₃ auf einem größeren Radius. Der Vorteil der vorliegenden Ausführungsform besteht in der einfachen und kostengünstigen Herstellung des Hohlrads 5₃ , bei dem die Innenverzahnung 31 durch ein Fertigungsverfahren mit axialer Vorschubbewegung einfach hergestellt werden kann.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform einer Hohlrad-Adapterrad-Anordnung entspricht weitestgehend derjenigen aus 3, auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Der einzige Unterschied besteht darin, daß das Hohlrad 5₄ zunächst separat aus zwei Teilen, nämlich dem Mantelteil 32₄ und dem Bodenteil 33₄ hergestellt wird, die nachträglich miteinander verbunden werden, beispielsweise mittels Schweißen. Die umlaufende Schweißnaht ist mit 39 gekennzeichnet. Das Adapterrad 7 ist hier der Einfachheit halber nicht dargestellt.
6 zeigt eine Hohlrad-Adapterrad-Anordnung, in einer weiteren Ausführungsform, wie sie in einem Sperrdifferential gemäß den 1 bzw. 2 zum Einsatz kommen kann. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet, auf deren Beschreibung hinsichtlich der Gemeinsamkeiten insoweit Bezug genommen wird. Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkupplung 12₅ eine erste konische Stirnverzahnung 13₅ im Bodenteil 33 des Hohlrads 5₅ sowie eine gegengleiche konische Stirnverzahnung 14₅ am Adapterrad 7₅ umfaßt. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine axial sehr kurzbauende Anordnung.
7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Sperrdifferential 2₆ in einer weiteren Ausführungsform im Längsschnitt. Das hier gezeigte Sperrdifferential 2₆ entspricht hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Funktionsweise weitestgehend den aus den 1 bzw. 2, so daß hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen und abgewandelte Bauteile mit um die Ziffer 6 tiefergestellten Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 ist vorliegend das Adapterrad 7₆ über die Zahnkupplung 12₆ mit dem Sonnenrad 6₆ in Eingriff. Das Hohlrad 5₆ ist napfförmig gestaltet und umfaßt einen Zylinderabschnitt 35 und einen radialen Bodenabschnitt 36 mit einer inneren Wellenverzahnung 37, die zur Übertragung eines Drehmoments auf eine eingesteckte Welle dient. Das Sonnenrad 6₆ ist auf einer außenzylindrischen Fläche des Adapterrads 7₆ drehbar gelagert. Die Planetenräder 4 sind in umfangsverteilten Taschen des Deckelteils 8₆ aufgenommen und drehen gemeinsam mit diesem um die Längsachse A. Das Mantelteil des Trägerelements 3 ist in der vorliegenden Zeichnungsfigur nicht dargestellt.
Die 8a) und b) zeigen ein erfindungsgemäßes Sperrdifferential 2₇ in einer weiteren Ausführungsform. Das vorliegende Sperrdifferential entspricht hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Funktionsweise weitestgehend dem aus 7, auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche Teile mit gleichen und abgewandelte Bauteile mit um die Ziffer 7 tiefergestellten Indizes versehen. Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß es sich um ein sogenanntes Doppelplanetendifferential handelt. Dabei sind, wie insbesondere aus 8b) hervorgeht, zwei Gruppen von Planetenrädern 4', 4'' vorgesehen, wobei die ersten Planetenräder 4' mit dem Hohlrad 5₇ in Verzahnungseingriff sind und die zweiten Planetenräder 4'' mit dem Sonnenrad 6₇ kämmen. Jeweils ein Planetenrad 4' der ersten Gruppe von Planetenrädern kämmt mit einem Planetenrad 4'' der zweiten Gruppe von Planetenrädern. Durch die Doppelplanetenanordnung wird er reicht, daß das Hohlrad 5₇ und das Sonnenrad 6₇ in die gleiche Drehrichtung drehen. Im übrigen entspricht das vorliegende Sperrdifferential der obigen Ausführungsform. Insbesondere ist zwischen dem Sonnenrad 6₇ und dem Adapterrad 7₇ die Zahnkupplung 12 vorgesehen, welche bei auftretender Drehzahldifferenz zwischen den beiden Abtriebsrädern eine hohe Sperrwirkung erzeugt. Das vorliegende Sperrdifferential 2₇ hat den Vorteil, daß das Hohlrad 5₇ oder das Sonnenrad 6₇ auch als Antriebsräder verwendet werden können, womit sich das Differential insbesondere zum Einsatz in einer Vorderachse eines Kraftfahrzeugs mit quereingebautem Motor eignen würde.
Im Folgenden werden verschiedene Verzahnungspaarungen der Zahnkupplung 12 beschrieben. Die in den 9 bis 12 schematisch gezeigten Zahnprofile können grundsätzlich in jedem der vorstehend beschriebenen Sperrdifferentiale gemäß den 1 bis 8 zum Einsatz kommen.
Es ist ersichtlich, daß das in 9 gezeigte Zahnprofil der Zahnkupplung 12' in Form einer Hirth-Verzahnung gestaltet ist, wobei die Zahnflanken der ersten und zweiten Stirnverzahnungen 13', 14' symmetrisch gestaltet sind. Durch diese Ausgestaltung sind die erzeugten Sperrmomente zwischen positiven und negativem Drehmoment, d. h. zwischen Zug- oder Schubbetrieb, gleich.
Das in 10 gezeigte Zahnprofil der Zahnkupplung 12'' ist demgegenüber unsymmetrisch gestaltet. Hiermit wird erreicht, daß im Zugbetrieb eine andere Sperrcharakteristik des Sperrdifferentials 2 erreicht wird, als im Schubbetrieb. Durch die konkrete Geometrie der Zahnflanken kann die Sperrcharakteristik des Sperrdifferentials 2 variiert werden. Eine Verzahnung mit flacheren Zahnflanken bewirkt eine langsamere Angleichung der Drehzahlen zwischen den zwei Ausgangsrädern, während eine Verzahnung mit steileren Zahnflanken eine schnelle Sperrwirkung hervorruft.
Bei der in 11 gezeigten Ausführungsform haben die Zähne der ersten und zweiten Stirnverzahnung 13''', 14''' eine variable Steigung über der Zahnhöhe. Hierfür sind die Zähne bzw. Zahnlücken konkav bzw. konvex gestaltet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ergibt sich damit, daß die axiale Spreizkraft mit der axialen Verschiebung der beiden Kupplungsteile voneinander weg zunimmt.
12 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Zahnkupplung 12'''' in Form einer Kronenverzahnung gestaltet ist. Dabei haben die Zähne der ersten und zweiten Stirnverzahnungen 13'''', 14'''' einen variablen Profilwinkel über der Zahnbreite. Es ist ersichtlich, daß die Zahnbreite von radial innen nach radial außen zunimmt. Bei dieser Ausführungsform mit Kronenverzahnung kann durch die Gestaltung der Zahnform eine degressive Kennlinie erzielt werden. Wenn kein Drehmoment anliegt, sind die beiden Stirnverzahnungen zusammengeschoben. Bei Drehmomentübertragung wird das Drehmoment nur in einem radialen Teilabschnitt übertragen, wobei die Verzahnungseingriffslinie bei zunehmender axialer Spreizung der Stirnverzahnungen nach radial außen wandert. Auf diese Weise ergibt sich ein degressiver Anstieg der Axialkraft, was zu einem entsprechend degressiven Anstieg des Sperrmoments führt.
Allen vorstehend genannten Ausführungsformen ist gemein, daß die Zähne der ersten und zweiten Stirnverzahnungen 13, 14 winklig zur Drehachse A verlaufende Zahnflanken aufweisen. Dies können sowohl die Drehachse A schneidende radiale Geradverzahnungen als auch die Drehachse A mit Abstand kreuzende Schrägverzahnungen sein. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich bei auftretender Drehzahldifferenz zwischen den beiden Ausgangsrädern besonders hohe axiale Spreizkräfte und damit eine hohe Sperrwirkung des Sperrdifferentials.

1
2: Sperrdifferential
3: Trägerelement
4: Planetenrad
5: Hohlrad
6: Sonnenrad
7: Adapterrad
8: Deckelteil
9: Mantelteil
10: Wellenverzahnung
11: Flanschverbindung
12: Zahnkupplung
13: erste Stirnverzahnung
14: zweite Stirnverzahnung
15: Wellenverzahnung
16: Wellenverzahnung
17: Reibscheibe
18: Reibscheibe
19: Reibscheibe
20: Reibscheibe
21: Reibscheibe
22: Steg
23: Hülsenansatz
24: Nabe
25: Boden
26: Anlagefläche
27: Stützfläche
28: Stirnfläche
29: Anlagefläche
30: Stützfläche
31: Innenverzahnung
32: Hülsenteil
33: Bodenteil
34: Radialer Abschnitt
35: Zylinderabschnitt
36: Bodenabschnitt
37: Innenverzahnung
38: Stirnfläche
39: Schweißnaht
A: Drehachse

Claims

Sperrdifferential, insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Trägerelement (3), das um eine Drehachse (A) drehend antreibbar ist; mehrere Planetenräder (4), die mit dem Trägerelement (3) um die Drehachse (A) umlaufen; ein um die Drehachse (A) drehbar gelagertes Hohlrad (5), das mit zumindest einer Teilzahl der Planetenräder (4) in Verzahnungseingriff ist; ein um die Drehachse (A) drehbar gelagertes Sonnenrad (6), das mit zumindest einer Teilzahl der Planetenräder (4) in Verzahnungseingriff ist; ein Adapterrad (7), das mit einem der Räder Hohlrad (5) oder Sonnenrad (6) über eine Zahnkupplung (12) zur Übertragung eines Drehmoments in Eingriff ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkupplung (12) eine erste Stirnverzahnung (14) an einer Stirnseite des Adapterrads (7) und eine zweite Stirnverzahnung (13) an einer Stirnseite des mit dem Adapterrad (7) in Eingriff befindlichen Rads (5, 6) umfaßt.
Sperrdifferential nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkupplung (12) nach Art einer Kronenverzahnung gestaltet ist.
Sperrdifferential nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkupplung (12) in Form einer Hirth-Verzahnung gestaltet ist.
Sperrdifferential nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Stirnverzahnung (13, 14) konisch sind.
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Adapterrad (7) in eine erste axiale Richtung zumindest mittelbar gegenüber dem Trägerelement (3) axial abgestützt ist, insbesondere über eine zwischengeschaltete Reibscheibe (17).
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Adapterrad (7) in eine zweite axiale Richtung zumindest mittelbar gegenüber dem Trägerelement (3) axial abgestützt ist, insbesondere über eine zwischengeschaltete Reibscheibe (18).
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Adapterrad (7) zumindest mittelbar gegenüber einer Stirnfläche des Sonnenrads (6) axial abgestützt ist, wobei das Sonnenrad (6) gegenüber dem Trägerelement (3) zumindest mittelbar axial abgestützt ist.
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkupplung (12) zwischen dem Hohlrad (5) und dem Adapterrad (7) vorgesehen ist, wobei das Adapterrad (7) und das Sonnenrad (6) jeweils eine Wellenverzahnung (15, 16) zur Drehmomentübertragung, insbesondere zum Abtrieb, aufweisen.
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (5) napfförmig gestaltet ist und ein Mantelteil (32) und ein hieran anschließendes Bodenteil (33) aufweist, wobei die zweite Stirnverzahnung (13) an der Stirnseite des Bodenteils (33) vorgesehen ist.
Sperrdifferential nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelteil (32) und das Bodenteil (33) einteilig hergestellt sind.
Sperrdifferential nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelteil (32) und das Bodenteil (33) zunächst separat hergestellt und anschließend miteinander fest verbunden sind, insbesondere mittels Schweißen.
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrad (5) ein Hülsenteil (32) aufweist, wobei die zweite Stirnverzahnung (13) an der Stirnseite des Hülsenteils (32) gebildet ist.
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkupplung (12) zwischen dem Sonnenrad (6) und dem Adapterrad (7) vorgesehen ist, wobei das Adapterrad (7) und das Hohlrad (5) jeweils eine Wellenverzahnung (15, 37) zur Drehmomentübertragung, insbesondere zum Abtrieb, aufweisen.
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es als Doppelplanetendifferential gestaltet ist, wobei die Planetenräder (4) eine erste Gruppe (4') von Planetenrädern umfassen, die mit dem Hohlrad (5) in Verzahnungseingriff sind, sowie eine zweite Gruppe (4'') von Planetenrädern, die mit dem Sonnenrad (6) in Verzahnungseingriff sind, wobei jeweils ein Planetenrad (4') der ersten Gruppe mit einem zugehörigen Planetenrad (4'') der zweiten Gruppe in Verzahnungseingriff ist.
Sperrdifferential nach den Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der ersten und der zweiten Stirnverzahnung (14, 13) – im Zylinderschnitt betrachtet – symmetrisch gestaltet sind. (9, 11)
Sperrdifferential nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der ersten und der zweiten Stirnverzahnung (14, 13) – im Zylinderschnitt betrachtet – asymmetrisch gestaltet sind. (10)
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der ersten und der zweiten Stirnverzahnung (14, 13) einen konstanten Profilwinkel über der Zahnhöhe aufweisen. (9, 10)
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der ersten und der zweiten Stirnverzahnung (14, 13) einen variablen Profilwinkel über der Zahnhöhe aufweisen. (11)
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Federmittel vorgesehen sind, die das Adapterrad (7) in axiale Richtung beaufschlagen.
Sperrdifferential nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der ersten und der zweiten Stirnverzahnung (14, 13) einen variablen Profilwinkel über der Zahnbreite aufweisen. (12)