DE102008037562B4

DE102008037562B4 - Längs- oder Querausgleichseinheit für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102008037562B4
Application number: DE102008037562A
Authority: DE
Inventors: Michael Höck; Hans-Peter Nett; Jan Potulski
Original assignee: Getrag Driveline Systems GmbH
Current assignee: GKN Automotive Ltd
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2028-11-19
Also published as: DE102008037562A1

Abstract

Längs- oder Querausgleicheinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend – einen Antriebskörper (2), über den Antriebsleistung in die Ausgleichseinheit (1) eingeleitet wird, – eine erste Abtriebswelle (3) und eine zweite Abtriebswelle (4), die bestimmungsgemäß zur Weiterleitung der Antriebsleistung zu Leistungsabnehmern vorgesehen sind, – eine Kupplungsanordnung (5), über die die Antriebsleistung differentiallos auf die erste und die zweite Abtriebswelle (3, 4) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichseinheit (1) außerdem ein Ausgleichsgetriebe (10) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Längs- oder Querausgleicheinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Antriebskörper, über den Antriebsleistung in die Ausgleichseinheit eingeleitet wird, eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle, die bestimmungsgemäß zur Weiterleitung der Antriebsleistung zu Leistungsabnehmern vorgesehen sind, und eine Kupplungsanordnung, über die die Antriebsleistung differentiallos steuerbar auf die erste und die zweite Abtriebswelle übertragbar ist.
Derartige Ausgleichseinheiten werden auch allgemein als „differentiallose” Achsantriebe bezeichnet. Beispiele für solche Ausgleichseinheiten in der Patentliteratur finden sich unter anderem in den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2007 030 091 A1 und DE 38 20 064 A1 , der deutschen Patentschrift DE 10 2004 046 009 B4 sowie in der französischen Patentschrift FR 2 808 575 . Auch in der Fachpresse finden sich zunehmend Berichte über solche differentiallosen Ausgleichseinheiten, zum Beispiel in der „auto, motor und sport”, Heft 23 vom 23.10.2008. Die dort beschriebenen Ausgleichseinheiten werden vorzugsweise als Querausgleich zwischen den Antriebsrädern verwendet, die bei Kurvenfahrt aufgrund der unterschiedlichen Weglänger der Fahrspuren mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben werden. Bei Fahrzeugen mit mehr als einer angetriebenen Achse können derartige Ausgleichseinheiten auch als Längsausgleichseinheiten, zum Beispiel zwischen einer ständig angetriebenen Primärachse und einer wahlweise zuschaltbaren Sekundärachse (so genannte „Hang-On” Achse), eingesetzt werden. Die Verwendung bei Fahrzeugen mit permanentem Allradantrieb ist ebenfalls möglich.
Der besondere Vorteil dieser Ausgleichssysteme gegenüber einem klassischen, formschlüssig arbeitenden Ausgleichs- oder Verteilergetriebe besteht vor allem darin, dass durch die Verwendung von reibschlüssigen, individuell regelbaren Kupplungen dem einzelnen Leistungsabnehmer gezielt Drehmomente zugewiesen beziehungsweise an den beiden Leistungsabnehmern gezielt Drehmomentdifferenzen realisiert werden können. Hierdurch lässt sich das durch den Antrieb über die Räder verursachte Giermoment des Fahrzeugs steuer- und regelbar beeinflussen, was wiederum eine gezielte Beeinflussung des Fahrverhaltens, insbesondere der Fahrzeugquerdynamik, ermöglicht. Entsprechende Systeme werden sowohl mit dem Ziel der Erhöhung des Fahrspaßes als auch zugunsten der Fahrsicherheit eingesetzt. Mit einem herkömmlichen, formschlüssig arbeitenden Differential, dass im ungesperrten Zustand als Antriebsmomentenwaage agiert, lässt sich eine solche Beeinflussung des Fahrverhaltens hingegen nicht realisieren.
Ein weiterer Vorteil differentialloser Ausgleichseinheiten liegt darin, dass bei divergierenden Reibwerten an den Antriebsrädern an jedem Antriebsrad das dort zur Verfügung stehende Kraftschlusspotential voll ausgenutzt werden kann. Bei einer differentiallosen Ausgleichseinheit besteht gegenüber einem herkömmlichen Differential nicht das Problem, dass das übertragbare Antriebsmoment durch das am Leistungsabnehmer mit dem niedrigsten Kraftschlusspotential übertragbare Antriebsmoment begrenzt ist. Eine ähnliche Situation entsteht bei einer Kurvenfahrt, bei der das kurvenäußere Antriebsrad durch die dynamische Schwerpunktsverlagerung belastet und das kurveninnere Antriebsrad entlastet wird. Auch hier ist das Kraftschlusspotential beider Leistungsabnehmer deutlich unterschiedlich und die maximal nutzbare Vortriebskraft durch das Kraftschlusspotential am kurveninneren, entlasteten Rad begrenzt.
Die vorstehend beschriebenen Vorteile einer differentiallosen Ausgleichseinheit bieten sich beispielsweise für folgende, nicht abschließend aufgeführte Anwendungsfälle an: Bei reinen Fronttrieblern kann durch eine Erhöhung des Antriebsmoments am kurvenäußeren Rad die weitgehende Beseitigung des als „Schieben über die Vorderachse” empfundenen Untersteuerns erreicht werden. Das Fahrzeug wird durch das hervorgerufene Giermoment in die Kurve hineingezogen und damit einlenkwilliger. Bei über die Hinterachse angetriebenen Fahrzeugen lässt sich durch gezielte Beaufschlagung der Antriebsräder mit unterschiedlichen Drehmomenten eine erhöhte Agilität durch das Einstellen eines das Einlenkverhalten unterstützenden Giermoments erzielen. Bei Allradfahrzeugen lässt sich jedes Antriebsrad, oder aber zumindest jede Antriebsachse, einzeln ansteuern, so dass sich das Gesamtkraftschlusspotential für den Vortrieb maximal ausschöpfen lässt.
Die bisher bekannten differentiallosen Antriebsstrangkonzepte bringen trotz der vorstehend beschriebenen Vorteile allerdings auch Nachteile mit sich.
Im Fall des Ausfalls einer oder beider Kupplungen der differentiallosen Kupplungsanordnung muss sichergestellt sein, dass hieraus keine für die Verkehrsteilnehmer problematischen oder gar gefährlichen Fahrsituationen entstehen können. Fällt die Regelbarkeit nur einer Kupplung aus, dann ist diese entweder ständig geöffnet oder ständig geschlossen. Die Leistungsverteilung auf die Abtriebswellen ist nicht mehr aufeinander abgestimmt. Fallen beide Kupplungen gleichzeitig aus, so lässt sich entweder gar keine Antriebsleistung mehr übertragen (beide Kupplungen sind offen, das Fahrzeug bleibt liegen) oder die Ausgleichseinheit agiert nach Art eines vollständig geschlossenen Sperrdifferentials mit dem Sperrwert 1 (beide Kupplungen geschlossen). In jedem Fall ergibt sich aber eine unerwünschtes, gegebenenfalls ein problematisches Betriebsverhalten des Fahrzeugs.
In dem Fall, dass beide Kupplungen offen sind, besteht außerdem das Problem, dass keine drehfeste Verbindung zwischen den Leistungsabnehmern und dem Getriebe besteht, so dass ein Parken mit eingelegtem Gang das Wegrollen des Fahrzeugs nicht verhindern könnte.
Selbst wenn die Ausgleichseinheit problemlos arbeitet, gibt es Fälle, bei denen der differentiallose Antrieb Probleme bereitet. Wenn ein Antriebsrad einer Achse von einem Notrad gebildet ist, dessen Abrolldurchmesser sich wie üblich von dem des sonst verwendeten Antriebsrades unterscheidet, können wegen der dann unterschiedlichen effektiven Durchmesser beider Antriebsräder nicht gewollte Giermomente kritische Fahrsituationen entstehen lassen. Auch der Systemausfall wegen einer Überlastung der Kupplungen kann in einem solchen Fall, in dem mit einer der Kupplungen während der gesamten Fahrtdauer ein ausreichender Schlupf zu gewährleisten wäre, nicht ausgeschlossen werden.
Im Übrigen hängt die Funktionsfähigkeit eines solchen Systems auch von den hierfür verwendeten Aktuierungs- und Regelsystemen ab. So würde beispielsweise der Ausfall eines Hydrauliksystems zur Ansteuerung der Kupplungen einen vollständigen Ausfall der Ausgleichseinheit mit sich bringen. Gleiches würde für den Ausfall der Steuerungselektronik gelten.
Bei herkömmlichen, rein mechanisch arbeitenden Differentialen sind solche Probleme hingegen nicht zu erwarten. Sie gelten als äußerst robust und ausfallsicher.
Es wäre daher wünschenswert, eine Ausgleichseinheit für den Quer- und/oder Längsausgleich im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu haben, die die Vorteile einer differentiallosen Ausgleichseinheit mit den vorteilhaften Eigenschaften eines altbewährten Ausgleichsgetriebes zu verbinden vermag, um so die vorstehend genannten Nachteile und Probleme beim Einsatz einer differentiallosen Antriebseinheit zu minimieren.
Diese Aufgabe wird der Erfindung nach dadurch gelöst, dass die Ausgleichseinheit außerdem ein Ausgleichsgetriebe umfasst.
Unter dem Begriff „Ausgleichsgetriebe” ist insbesondere ein herkömmliches Differentialgetriebe mit einem Differentialausgleichsradsatz zu verstehen, bei dem die Antriebsleistung über einen Differentialkorb und über Ausgleichszahnräder formschlüssig auf die Abtriebswellen übertragen wird. Das Ausgleichsgetriebe soll insbesondere in der Lage sein, bei einem Ausfall der differentiallos arbeitenden Kupplungsanordnung unterschiedliche Drehzahlen und/oder unterschiedliche Drehmomente der ersten Abtriebswelle und der zweiten Abtriebswelle zu ermöglichen. Es treibt also im Bedarfsfall insbesondere dieselben Leistungsabnehmer über dieselben Abtriebswellen an, wie die differentiallos wirkende Kupplungsanordnung.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass entgegen der gängigen Annahme im Stand der Technik eine differentiallose Ausgleichseinheit nicht lediglich als Alternative zu einem herkömmlichen Differentialgetriebe angesehen werden kann, sondern dass sich beide Systeme derart miteinander verbinden lassen, dass die Vorteile beider Systeme bei gleichzeitiger Eliminierung der jeweiligen Nachteile in einer einzigen Ausgleichseinheit kombinierbar sind. Bisher war man bei der Entwicklung der differentiallosen Ausgleichseinheiten stets davon ausgegangen, dass die differentiallose Ausgleichseinheit das herkömmliche Ausgleichsgetriebe vollständig ersetzen müsse.
Die Vorteile, die sich erzielen lassen, können wie folgt zusammengefasst werden, ohne dass die Aufzählung dabei abschließend ist:
Durch die Möglichkeit der Verwendung der Ausgleichseinheit als differentialloser Achsantrieb kann durch Ausnutzung des vollständigen Kraftschlusspotentials ein Traktionsgewinn auf an beiden Antriebsrädern unterschiedlichen Reibwerten erreicht werden. Auch die Eigenschaften eines Sperrdifferentials können realisiert werden. Zur Einflussnahme auf das Fahrverhalten kann das herrschende Antriebsgiermoment beeinflusst werden, und zwar sowohl zum gezielten Aufbau eines Giermoments als auch zum gezielten Dämpfen einer Gierreaktion.
Die Möglichkeit, die Ausgleichseinheit als herkömmliches offenes Differential einzusetzen, kann im Fehlerfall, bei einem drohenden Ausfall (zum Beispiel die Überschreitung von Kupplungstemperaturschwellwerten) oder bei Verwendung eines Notrades als Rückfalllösung dienen.
Die Kupplungsanordnung weist bevorzugt eine erste Kupplung und eine zweiten Kupplung auf, wobei über die erste Kupplung der Anteil der vom Antriebskörper auf die erste Abtriebswelle weitergeleiteten Antriebsleistung beeinflussbar ist, und wobei über die zweite Kupplung der Anteil der auf die zweite Abtriebswelle weitergeleiteten Antriebsleistung beeinflussbar ist. Über eine solche Kupplungsanordnung lässt sich die Antriebsleistung durch gezieltes Ansteuern der beiden Kupplungen für jedes Antriebsrad individuell dosieren.
Um die gewünschte Ergänzung der differentiallosen Ausgleichseinheit mit einem herkömmlichen Ausgleichsgetriebe zu erreichen, ist weiter vorgesehen, dass die erste Abtriebswelle und die zweite Abtriebswelle über ein schaltbares Sperrglied miteinander koppelbar sind. Durch das Sperrglied lässt sich die differentiallose Ausgleichseinheit bei geöffneter erster und zweiter Kupplung überbrücken. Die erste und zweite Kupplung sind dabei zum Ausgleichsgetriebe derart angeordnet, dass bei gelösten ersten und zweiten Kupplungen und geschlossenem Sperrglied die Ausgleichseinheit durch das neben der Kupplungsanordnung vorgesehene Ausgleichsgetriebe die Funktion eines offenen Differentials zu erfüllen vermag.
Bei dem Sperrglied handelt es sich bevorzugt um eine formschlüssige Kupplung, insbesondere um eine Klauenkupplung, die eine formschlüssige Verzahnung der Abtriebswellen mittels des Sperrglieds gewährleistet. Auch wenn grundsätzlich auch andere Kupplungsarten, insbesondere auch reibschlüssige Kupplungen, in Frage kommen, bietet sich eine formschlüssige Kupplung wegen des geringeren Bauraumbedarfs und des hohen übertragbaren Drehmoments in besonderer Weise an. Die Betätigung erfolgt bevorzugt hydraulisch, kann aber auch pneumatisch, mechanisch oder elektromagnetisch erfolgen.
Das Sperrglied kann vorteilhaft im Bereich der Stirnseite der Abtriebswellen angeordnet sein. Es lässt sich so Platz sparend in das Gehäuse der Ausgleichseinheit integrieren. Das Sperrglied ist dabei bevorzugt von einer Sperrhülse oder einem Sperrdorn oder einem Sperrring gebildet.
Trotz des eigentlich hierdurch bedingten Wegfalls einer Parksperre durch einen eingelegten Gang ist bevorzugt vorzusehen, dass nach einem Abschalten des Fahrzeugs die Kupplungen der differentiallosen Komponente der Ausgleichseinheit geöffnet sind. Dies hat außerdem auch den Grund, dass keine Vorkehrungen getroffen werden müssen, mittels derer die Kupplungen auch bei ausgeschaltetem Fahrzeug und somit ohne die direkte Energieversorgung des Aktuierungs- und Regelsystems über den Fahrzeugantrieb geschlossen gehalten werden können. Um dennoch eine Parksperre zu gewährleisten, sollten zumindest bei eingelegtem Gang und abgestelltem Fahrzeug die beiden Abtriebswellen der Achse stets über das Ausgleichsgetriebe und das Sperrglied miteinander verkoppelt sein, so dass ein Wegrollen des Fahrzeugs verhindert werden kann. Zu diesem Zweck ist ein Rückstellmittel vorgesehen, mittels dem das Sperrglied selbsttätig in eine die erste und zweite Abtriebswelle koppelnde Stellung überführt wird, wenn eine für die Entkopplung der Abtriebswellen über das Sperrglied erforderliche Steuergröße einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
Andererseits sollte im Betrieb stets gewährleistet sein, dass die primäre Verteilung der Antriebsleistung entweder nur über die differentiallose Kupplungsanordnung oder nur über das Ausgleichsgetriebe erfolgt, da sich beide Systeme andernfalls gegenseitig behindern könnten. Um dies zu gewährleisten ist vorgesehen, dass das Aktuierungssystem der ersten und/oder der zweiten Kupplung und das Aktuierungssystem des Sperrglieds derart miteinander gekoppelt sind, dass einer Betätigung einer Kupplung eine Betätigung des Sperrgliedes vorausgeht. Dies kann bei einem pneumatisch oder hydraulisch betätigten System insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Kupplungen erst bei einem Druckwert zu schließen beginnen, bei dem das Sperrglied bereits in eine die Entkopplung der Abtriebswellen gewährleistende Stellung überführt ist.
Um dies zu erreichen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass Kupplungsglieder einer Kupplung in einem vorgegebenen Bereich begrenzt frei verschieblich sind und eine Verschiebung der Kupplungsglieder in diesem Bereich zu einer Verschiebung des Sperrgliedes führt, die eine Entkopplung der Abtriebswellen bewirkt. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass für die Betätigung der Kupplung und die Betätigung des Sperrgliedes keine gesonderten Aktuierungseinrichtungen vorzusehen sind. Kupplungsglieder können dabei von verschiedensten Bauteilen der Kupplung gebildet sein, insbesondere aber vom Lamellenpaket einer Lammellenkupplung.
Um die Ausgleichseinheit möglichst kompakt zu halten, sind die Kupplungen der Kupplungsanordnung als Lamellenkupplungen ausgebildet. Die Außenlamellen sind dabei bevorzugt drehfest mit dem Antriebskörper verbunden, die Innenlammellen sind dem entsprechend bevorzugt drehfest mit den Abtriebswellen verbunden. Grundsätzlich bietet es sich wegen der in der Regel innen liegenden Abtriebswellen an, die antriebsseitigen Kupplungsglieder außen und die abtriebsseitigen Kupplungsglieder innen anzuordnen.
Der Antriebskörper vereint bevorzugt den Differentialkorb des Ausgleichsgetriebes mit dem Außenlamellenträger der Kupplungsanordnung in einem Bauteil. Auch dies trägt zu einer kompakten Baueinheit mit wenig Bauraumbedarf bei. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass der Außenlamellenträger und der Differentialkorb zwei getrennte Bauteile sind. Dies vereinfacht die Integration einer Kupplungsanordnung in eine bereits bestehende Getriebeinfrastruktur und ermöglicht so die Erweiterung bereits bestehender, herkömmlicher Systeme.
Die Erfindung verwirklicht demnach eine Ausgleichseinheit für den Längs- oder Querausgleich im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, bei der die Vorteile einer differentiallos arbeitenden, kupplungsgesteuerten Ausgleichseinheit mit den Vorteilen eines herkömmlichen Differentialgetriebes durch eine Integration beider Systeme in eine Ausgleichseinheit verwirklicht werden. Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung lassen sich der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen entnehmen.
In den Zeichnungen zeigen
1 einen Antriebsstrang am Beispiel eines Fronttrieblers mit einer herkömmlichen Ausgleichseinheit nach dem Stand der Technik,
2 einen Antriebsstrang am Beispiel eines Fronttrieblers mit einer differentiallosen Ausgleichseinheit nach dem Stand der Technik,
3 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebsstrang am Beispiel eines Fronttrieblers,
4 einen Antriebsstrang gemäß 3 in einer detaillierteren Ansicht,
5 die Kupplungsanordnung aus 4 im Detail mit einem als Sperrhülse ausgebildeten Sperrglied,
6 eine alternative Ausgestaltung einer differentiallosen Kupplungsanordnung mit einem als Sperrdorn ausgebildeten Sperrglied, und
7 eine weitere alternative Ausgestaltung einer differentiallosen Kupplungsanordnung mit einem als Sperrring ausgebildeten Sperrglied.
Die 1 bis 3 zeigen drei verschiedene Antriebsstrangvarianten exemplarisch am Beispiel eines Fronttrieblers mit quer eingebautem Frontmotor, einem Schaltgetriebe und einer Ausgleichseinheit 1, die die über einen Antriebskörper 2 in die Ausgleichseinheit 1 eingebrachte Antriebsleistung auf eine erste Abtriebswelle 3 und eine zweite Abtriebswelle 4 verteilt.
Ein Antriebsstrang nach 1 weist eine herkömmliche Ausgleichseinheit nach Art eines Kegelraddifferentials auf. Ein solcher Antriebsstrang ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
2 zeigt ebenfalls eine Antriebsstrangvariante, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, sich jedoch weitestgehend noch in der Erprobung befindet und über das Prototypenstadium noch nicht hinaus ist. Die Antriebsleistung wird über den Antriebskörper 2, der als Außenlammellenträger teil einer Kupplungsanordnung 5 der Ausgleichseinheit 1 ist, in die Ausgleichseinheit 1 eingebracht. Durch gezieltes Betätigen einer reibschlüssig arbeitenden ersten Seitenwellenkupplung 6 und/oder einer reibschlüssig arbeitenden zweiten Seitenwellenkupplung 7 lässt sich die Antriebsleistung auf die beiden Abtriebs- bzw. Seitenwellen 3 und 4 weiterleiten. Die Kupplungen 6 und 7 können dabei individuell angesteuert werden, so dass sich die auf die jeweilige Antriebswelle übertragene Antriebsleistung ebenfalls individuell regeln lässt. Dies ermöglicht, dass sich die Antriebsleistung, mit der die Leistungsabnehmer, also zum Beispiel die Antriebsräder, beaufschlagt werden, individuell für jeden Leistungsabnehmer einregeln lässt.
Ein weiterer Vorteil der in 2 gezeigten differentiallosen Ausgleichseinheit ist, dass durch die Verwendung der Kupplungen 6 und 7 die noch in 1 gezeigte Anfahrkupplung 8, die die Antriebseinheit mit dem Getriebe koppelt, entfallen kann. Die beim Anfahren oder Anhalten notwendige Drehzahlangleichung von Getriebeausgangswelle und Antriebsrad kann über die Seitenwellenkupplungen 6 und 7 geleistet werden. Dieser Gedanke lässt sich selbstverständlich auch uneingeschränkt auf die Erfindung übertragen.
In 3 sind nun beide Konzepte derart miteinander kombiniert, dass sich deren jeweilige Vorteile in einem Antriebsstrang realisieren lassen. Wie auch bei 1 und 2 wird die Antriebsleistung über einen Antriebskörper 2 in die Ausgleichseinheit 1 eingebracht und von dieser auf eine erste Abtriebswelle 3 und eine zweite Abtriebswelle 4 übertragen. Die Abtriebswellen 3 und 4 sind in 3 von den dort gezeigten Seitenwellen gebildet.
Der Antriebskörper 2 ist in 3 mehrteilig ausgeführt und umfasst die Abtriebsseite eines Final-Drive Radsatzes, einen Differentialkorb 9, eine Hohlwelle 11 sowie einen Außenlamellenträger der Kupplungsanordnung 5. Die Antriebsleistung wird über den Differentialkorb 9 des Ausgleichsgetriebes 10, dass in 3 rein beispielhaft als Kegelraddifferential ausgebildet ist, und die hiermit drehfest verbundene Hohlwelle 11 auf den Außenlamellenträger der Kupplungsanordnung weitergeleitet. Über diesen lässt sich die Antriebsleistung durch Ansteuerung der beiden Seitenwellenkupplungen 6 und 7 in die beiden Abtriebswellen 3 und 4 einleiten, die als Innenlamellenträger drehfest mit den abtriebsseitigen Kupplungslamellen verbunden sind. Selbstverständlich lässt sich als Differentialgetriebe auch eine andere Bauform als das in 3 dargestellte Kegelraddifferential einsetzen.
Um die beiden bisher nicht in Kombination verwendeten Ausgleichseinheiten miteinander zusammenwirken zu lassen, ist ein schaltbares Sperrglied 12 vorgesehen, das die beiden Abtriebs- bzw. Seitenwellen 3 und 4 drehfest miteinander zu verbinden vermag, ohne dass hierzu die Kupplungen 6 und 7 geschlossen werden müssten.
Nachfolgend wird kurz die Funktion der Ausgleichseinheit beschrieben. Bei Fahrzeugstillstand ist das Sperrglied 12 bevorzugt geschlossen. Die beiden Seitenwellen 3 und 4 sind hierdurch drehfest miteinander gekoppelt. Die beiden Seitenwellenkupplungen 6 und 7 sind voll geöffnet, so dass kein Moment über die Kupplungen 6 und 7 übertragen wird.
Bei eingelegtem Gang ist ein Wegrollen des Fahrzeugs wie bei Verwendung einer herkömmlichen Ausgleichseinheit gemäß 1 bis zum Überschreiten des Motorlosbrechmoments verhindert. Die Ausgleichseinheit 1 kann so eine Parksperrenfunktion erfüllen, auch wenn die differentiallose Kupplungsanordnung der Ausgleichseinheit vollständig geöffnet ist.
Wird das Fahrzeug gestartet, wird das Sperrglied 12 automatisch geöffnet, so dass beide Seitenwellen 3 und 4 – von deren Kopplung über die Fahrbahn abgesehen – unabhängig voneinander mit jeweils unterschiedlicher Drehzahl rotieren können. Wird nun die Antriebsleistung in den Antriebskörper 2 eingeleitet, lässt sich die Antriebsleistung über die erste Seitenwellenkupplung 6 auf die Seitenwelle 3 und/oder über die zweite Seitenwellenkupplung 7 auf die zweite Seiten- bzw. Abtriebswelle 4 übertragen, die mit der Zwischenwelle 13, dem Ausgleichsgetriebe 10 mit Differentialausgleichsradsatz und der diesem nachgelagerten Welle mehrgliedrig ausgeführt ist. Durch die Wirkung des Ausgleichsradsatzes des Differentials eilt dabei die Zwischenwelle 13 und somit die auf dieser Welle angeordneten Innenlamellen der zweiten Seitenwellenkupplung 7 den mit Antriebskörperdrehzahl rotierenden Außenlamellen der Seitenwellenkupplung 7 vor. Die Zwischenwelle 13 wird also durch Betätigung der Kupplung 7 abgebremst. Das Funktionsprinzip in Bezug auf die Kupplung 7 ähnelt dabei dem eines stufenlos regelbaren Sperrdifferentials. Dieses „Bremsmoment” wird über den Ausgleichsradsatz des Differentialgetriebes als Antriebsmoment in die linke Seitenwelle 4 geleitet.
Durch die Variation der Kupplungskräfte lassen sich also gezielt Differenzmomente an den beiden Abtriebswellen einstellen, die die gewünschten Vorteile einer differentiallosen Ausgleichseinheit gewährleisten.
Für den Fall, dass eine oder beide Seitenwellenkupplungen ausfallen sollten oder die Kupplungsanordnung aus sonstigen Gründen nicht betriebssicher arbeitet, lässt sich durch das gegeneinander Versperren der beiden Abtriebs- bzw. Seitenwellen durch das Sperrglied 12, genauer der ersten Seitenwelle 3 mit der Zwischenwelle 13, mit der Ausgleichseinheit die Funktionalität eines offenen Differentials realisieren. Der normale Fahrbetrieb ist damit gewährleistet. Die miteinander über das Sperrglied verriegelten Seitenwellen laufen mit den Innenlamellen beider Kupplungen 6 und 7 bei jeweils gleicher Drehzahl als Block um. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Sperrglied 12 die Zwischenwelle 13 und die erste Seitenwelle 3 im Fehlerfall automatisch gegeneinander verriegelt.
Vorteilhaft an der in 3 gezeigten Ausgestaltung der Ausgleichseinheit 1 mit einem in mehrere Teilglieder unterteilten Antriebskörper 2 (Differentialkorb, Hohlwelle, Außenlamellenträger) ist, dass die differentiallose Kupplungsanordnung 5 in besonders einfacher Weise als Anbaulösung in eine bestehende Getriebeinfrastruktur integriert werden kann. Oft weisen Getriebeinfrastrukturen ohnehin bereits weitere Anschluss- und Verbindungspunkte auf, über die beispielsweise bei einem Fronttriebler ein Winkelgetriebe für einen optionalen Allradantrieb anfügbar ist. Diese Anschluss- und Verbindungspunkte lassen sich auch für die Integration einer Kupplungsanordnung 5 nutzen, so dass auch bestehende Antriebsstrangkonzepte mit verhältnismäßig geringem Aufwand erweiterbar sind, wenn die Kupplungsanordnung 5 wahlweise als separates Anbauteil zur Verfügung steht.
In 4 ist der Antriebsstrang aus 3 in einer detaillierteren Ansicht dargestellt, einschließlich des vorgelagerten Schaltgetriebes, jedoch ohne Antrieb. Vom Schaltgetriebe wird die Antriebsleistung über einen Final-Drive-Radsatz auf den Antriebskörper 2 der Ausgleichseinheit 1 geleitet, im Beispiel von 4 auf den Differentialkorb 9 des Ausgleichsgetriebes 10. Die Antriebsleitung wird über diesen Differentialkorb 9 auf die hiermit über eine formschlüssige Verzahnung drehfest verbundene Hohlwelle 11 übertragen, die ebenfalls als Teil des Antriebskörpers 2 zu verstehen ist. Die Hohlwelle 11 bildet im Bereich der Kupplungsanordnung 5 dann einen Außenlammellenträger des die erste Kupplung 6 und zweite Kupplung 7 bildenden Lammellenpakets. Die beiden Abtriebswellen 3 und 4 sind im Bereich ihrer sich gegenüberliegenden Stirnseiten über ein Sperrglied 12 drehfest miteinander gekoppelt.
Die Funktionsweise des Sperrglieds und seine Wirkung auf die Ausgleichseinheit wird anhand des in 4 angedeuteten Ausschnitts A, der in den 5 bis 7 vergrößert dargestellt ist, erläutert. 5 bis 7 zeigen dabei beispielhaft drei Möglichkeiten zur Ausbildung, Aktuierung und Steuerung des Sperrglieds 12.
Die Kupplungsanordnung aus 5 entspricht derjenigen, die in 4 dargestellt ist. Das Sperrglied 12 ist von einer Sperrhülse gebildet, die die Abtriebswelle 3 und die Zwischenwelle 13, die zusammen mit dem Ausgleichsgetriebe 10 einen Teil der Abtriebswelle 4 bildet, über eine Verzahnung drehfest miteinander verbindet.
Zum Entkoppeln der Wellen wird die Sperrhülse 12 gegen ein Rückstellmittel 13, das beispielhaft durch eine Rückstellfeder dargestellt ist, verschoben. Hierzu wird ein Druckkolben 15 mit Druck beaufschlagt. Ein Ausgleichslager 16' gleicht die Drehzahldifferenz aus, die zwischen dem im Gehäuse der Ausgleichseinheit angeordneten Druckkolben 15 und den weiteren zur Weiterleitung der Betätigungskraft vorgesehenen Bauteilen bestehet. Letztere umfassen im Beispiel von 5 die Druckbolzen 18 und ein Druckstück 19, die beide mit Antriebskörperdrehzahl rotieren und die Betätigungskraft auf die Sperrhülse 12 weiterleiten. Ein weiteres Ausgleichslager 16'' gleicht wiederum die Drehzahlunterschiede zwischen diesen Bauteilen und der Sperrhülse 12 aus. Die Ausgleichslager 16' und 16'' können Gleit- und/oder Wälzlager sein. Zur Entkopplung wird also die Sperrhülse 12 in axialer Richtung mindestens solange gegen die Rückstellfeder 17 verschoben, bis deren Innenverzahnung mit der auf der ersten Abtriebswelle 3 vorgesehenen Außenverzahnung außer Eingriff gerät. Hierdurch wird die Kopplung der Antriebswellen 3 und 4 aufgehoben und die Drehmomentverteilung kann über die Kupplungen 6 und 7 der Kupplungsanordnung 5 erfolgen.
Fällt der auf den Druckkolben 15 wirkende Druck unter einen Schwellenwert, so sorgt die Rückstellfeder 17 dafür, dass die Sperrhülse 12 selbsttätig wieder über die erste Abtriebswelle 3 geschoben wird, so dass die beiden Abtriebswellen wieder miteinander gekoppelt sind. Um den Koppelvorgang und das damit verbundene Ineinanderführen der Verzahnungen zu gewährleisten, sind wie bei einer Getriebesynchronisierung die Verzahnungen der Sperrhülse 12 und die der Abtriebswellen bevorzugt stirnseitig angespitzt. Außerdem kann eine Sensorik die Differenzdrehzahl der Seitenwellen erfassen und die Rückführung des Sperrgliedes in eine die Abtriebswellen koppelnde Sperrstellung davon abhängig machen, dass keine Differenzdrehzahl vorliegt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Drehzahlsynchronisation vorgesehen werden, mittels der die Drehzahlen der Abtriebswellen zur Rückführung des Sperrgliedes in die Sperrstellung angeglichen werden. Diese Synchronisation können auch die beiden Kupplungen 3 und 4 durch ein kontrolliertes Schließen übernehmen, wobei dann darauf zu achten wäre, dass hieraus keine problematischen Fahrsituationen entstehen.
Die Ansteuerung des Sperrglieds 12 und die der Kupplungen 6 und 7 ist bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass einer Aktuierung der Kupplungen 6 und 7 stets eine Entkopplung der Abtriebswellen 3 und 4 vorausgeht. So können beispielsweise die Druckvolumina bzw. Fluidkreise zur Beaufschlagung der Druckkolben 14 (Betätigung der Kupplungen 6 bzw. 7) und des Druckkolbens 15 (Betätigung des Sperrgliedes 12) miteinander verbunden werden und/oder derart aufeinander abgestimmt sein, dass bei Erreichen eines ersten Druckniveaus, zum Beispiel 0 bis 3 bar, zunächst das Sperrglied 12 zur Entkopplung der Abtriebswellen ausrückt. Die Kupplungen bzw. deren Aktuierung wären dann so auszulegen, dass deren Betätigung erst ab einem Druckniveau zu einer Leistungsübertragung führt, das oberhalb des zum Ausrücken des Sperrglieds erforderlichen Druckniveaus liegt, beispielsweise 3 bis 45 bar. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, dass beide Druckkolben 14 und 15 von getrennten Fluidkreisen bzw. Aktuierungssystemen bedient und separat angesteuert werden.
6 zeigt eine zur Sperrhülse in 5 alternative Ausgestaltung eines Sperrglieds. Ein mit einer Außenverzahnung versehener Sperrdorn verbindet die erste Abtriebswelle 3 und die zweite Abtriebswelle 4 bzw. die Zwischenwelle 13 im Bereich der Stirnenden formschlüssig miteinander. Über einen Druckbolzen 18, der in der ersten Abtriebswelle 3 geführt ist, kann durch Druckbeaufschlagung eines Druckvolumens 20' der Sperrdorn 12 in die erste Abtriebswelle 3 hineingezogen werden und so mit der zweiten Abtriebswelle 4 bzw. der Zwischenwelle 13 außer Eingriff gebracht werden. Ein Rückstellmittel 17 gewährleistet, dass bei ausreichendem Abfall des Druckniveaus der Sperrdorn zur Wiederherstellung der formschlüssigen Verbindung selbsttätig wieder in die zweite Abtriebswelle 4 bzw. in die Zwischenwelle 13 hinein geschoben wird.
Vorteil einer Ausgestaltung gemäß 6 ist unter anderem, dass die in 5 noch erforderlichen Ausgleichslager weitestgehend entfallen können, da die zum Aus- und Einrücken des Sperrglieds 12 erforderlichen Bauteile gegenüber der angrenzenden Abtriebswelle 3, zu der eine Abdichtung der Druckvolumina 20 erforderlich ist, keine Differenzdrehzahl aufweisen. Lediglich an den Dichtungen, die das ringförmige Druckvolumen 20' gegenüber dem Gehäuse abdichten, liegt eine Differenzdrehzahl vor, was aber lediglich den Einsatz geeigneter Dichtringe 20 erfordert.
Eine weitere Alternative bei der Ausgestaltung eines Sperrglieds zeigt 7. Das Sperrglied ist hier von einem Sperrring 12 gebildet, der die beiden Abtriebswellen über die hiermit drehfest verbundenen Innenlamellenträger der jeweiligen Lamellenpakete koppelt. Der Sperrring 12 weist einen U-förmigen Querschnitt mit einer innen liegenden Nut auf, wobei in der Nut ein Rückstellmittel in der Form eines Federrings 17 vorgesehen ist. Der Federring 17 stützt sich über einen ringförmigen, an einem Innenlamellenträger vorgesehenen Stützring 22 ab.
Der Sperrring 12 wird nicht wie bei der in 5 gezeigten Sperrhülse oder wie bei dem in 6 gezeigten Sperrdorn über eine eigens hierfür vorgesehene Betätigungsvorrichtung verschoben, sondern der Sperrring 12 wird über das mit der Abtriebswelle 3 verbundene Lamellenpaket der ersten Kupplung 6 verschoben. Der Weg, den das Lamellenpaket der ersten Kupplung 6 frei verschoben werden kann, ohne dass dabei die Kupplunglamellen nennenswertes Moment übertragen, muss also ausreichen, um den Sperrring außer Eingriff zu bringen. Dies wird in 7 dadurch gewährleistet, dass das Widerlager 23, gegen das sich die vom Druckkolben ausgehende Betätigungskraft zur Erzeugung eines Kupplungsmoments abstützt, ausreichend weit vom frei verschieblichen Lamellenpaket beabstandet ist. Gleichzeitig kann der Sperrring 12 in Richtung des Lamellenpakets der zweiten Abtriebswelle 4 bzw. der Zwischenwelle 13 frei verschoben werden, so dass dieser durch sein Verschieben nicht auf das Lamellenpaket der Kupplung 7 einwirkt.
Bei der Auslegung der Kupplungen, des Sperrrings 12 und des Federrings 17 ist im Zusammenhang mit dem für deren Betätigung erforderlichen Betriebsdruck darauf zu achten, dass vor einer wirksamen Betätigung der Kupplungen der Sperrring 17 bereits durch eine Verschiebung des Lamellenpakets der ersten Kupplung 6 außer Eingriff ist. Gleichzeitig sollte die Rückstellkraft des Federrings 17 derart bemessen sein, dass diese ausreicht, das Lamellenpaket der Kupplung 6 samt Druckkolben 14 im drucklosen Zustand wieder vom Widerlager 23 weg zu verschieben und gleichzeitig das Arbeitsfluid hinter dem Druckkolben 14 zu verdrängen.
Die sonstigen zu 5 beschriebenen Maßnahmen lassen sich selbstverständlich auf Ausgestaltungen nach 6 oder 7 entsprechend übertragen.
Die Erfindung wurde vorstehend als Querausgleichseinheit bei einem frontgetriebenen Fahrzeug beschrieben, ist aber selbstverständlich auch bei anderen Antriebsstrangkonzepten einsetzbar. Der Erfindungsgedanke lässt sich außerdem ebenso als Längsausgleichseinheit realisieren. Es sind auch mehrere erfindungsgemäße Ausgleichseinheiten im Antriebsstrang eines Fahrzeugs denkbar. Beispielsweise könnte ein Fahrzeug mit Allradantrieb drei solcher Ausgleichseinheiten aufweisen, von denen eines die Querausgleichsfunktion an der Vorderachse, eines die Querausgleichsfunktion an der Hinterachse und eines die Längsausgleichsfunktion zwischen den beiden Achsen übernimmt. In diesem Fall läge ein Antriebsleistungsverteilsystem vor, über das – sofern die Antriebsleistung über die Kupplungsanordnungen differentiallos verteilt werden würde – jedem Antriebsrad die Antriebsleistung individuell zugewiesen werden könnte.
Bezugszeichenliste

1: Ausgleichseinheit
2: Antriebskörper
3: erste Abtriebswelle
4: zweite Abtriebswelle
5: Kupplungsanordnung
6: erste Kupplung
7: zweite Kupplung
8: Anfahrkupplung
9: Differentialkorb
10: Ausgleichsgetriebe
11: Hohlwelle
12: Sperrglied
13: Zwischenwelle
14: Druckkolben
15: Druckkolben
16: Augleichslager
17: Rückstellmittel
18: Druckbolzen
19: Druckstück
20: Druckvolumen
21: Dichtring
22: Stützring
23: Widerlager

Claims

Längs- oder Querausgleicheinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend – einen Antriebskörper (2), über den Antriebsleistung in die Ausgleichseinheit (1) eingeleitet wird, – eine erste Abtriebswelle (3) und eine zweite Abtriebswelle (4), die bestimmungsgemäß zur Weiterleitung der Antriebsleistung zu Leistungsabnehmern vorgesehen sind, – eine Kupplungsanordnung (5), über die die Antriebsleistung differentiallos auf die erste und die zweite Abtriebswelle (3, 4) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichseinheit (1) außerdem ein Ausgleichsgetriebe (10) umfasst.
Ausgleichseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsanordnung (5) eine erste Kupplung (6) und eine zweite Kupplung (7) aufweist, wobei über die erste Kupplung (6) der Anteil der vom Antriebskörper (2) auf die erste Abtriebswelle (3) weitergeleiteten Antriebsleistung beeinflussbar ist, und wobei über die zweite Kupplung (7) der Anteil der auf die zweite Abtriebswelle (4) weitergeleiteten Antriebsleistung beeinflussbar ist.
Ausgleichseinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abtriebswelle (3) und die zweite Abtriebswelle (4) über ein Sperrglied (12) miteinander koppelbar sind.
Ausgleichseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrglied (12) an den sich unmittelbar gegenüberliegenden Stirnseiten der Abtriebswellen (3, 4) angeordnet ist.
Ausgleichseinheit nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrglied (12) eine Sperrhülse oder einen Sperrdorn oder einen Sperrring umfasst.
Ausgleichseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückstellmittel (17) vorgesehen, mittels dem das Sperrglied (12) selbsttätig in eine die erste und zweite Abtriebswelle (3, 4) koppelnde Stellung überführt wird, wenn eine für die Entkopplung der Abtriebswellen (3, 4) erforderliche Steuergröße einen Schwellenwert unterschreitet.
Ausgleichseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuierungssystem der ersten und/oder der zweiten Kupplung (6, 7) und das Aktuierungssystem des Sperrglieds (12) derart zusammenwirken, dass einer Betätigung einer Kupplung (6, 7) eine Betätigung des Sperrgliedes (12) vorausgeht.
Ausgleichseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kupplungsglieder einer Kupplung (6, 7) begrenzt frei verschieblich sind und eine Verschiebung der Kupplungsglieder die Entkopplung der Abtriebswellen (3, 4) bewirkt.
Ausgleichseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeiehnet, dass der Antriebskörper (2) den Differentialkorb (9) des Ausgleichsgetriebes (10) und einen Lammellenträger der Kupplungsanordnung (5) in einem Bauteil vereint.
Ausgleichseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lamellenträger der Kupplungsanordnung (5) und der Differentialkorb (9) des Ausgleichsgetriebes (10) zwei getrennte Bauteile sind.