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Die
Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung zum Zuschalten einer
Antriebsachse in einem mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeug. Generell
werden Antriebssysteme unterschieden, bei denen mehrere Antriebsachsen
des Kraftfahrzeugs permanent angetrieben werden, und solche, bei
denen eine erste Antriebsachse permanent angetrieben wird und eine
zweite Antriebsachse bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Derartige
Antriebssysteme mit bedarfsweise zuschaltbarer Antriebsachse werden auch
als „Hang-on” oder „On-demand”-Systeme
bezeichnet.
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Aus
der
EP 0 466 863 B1 ist
eine Vorrichtung zum Zuschalten eines Antriebsstrangs in einem Kraftfahrzeug
mit einem Verteilergetriebe für mehrere Antriebsstränge
bekannt. Einer der Antriebsstränge ist ständig
mit einer Antriebseinheit verbunden und ein weiterer Antriebsstrang
ist zuschaltbar mit der Antriebseinheit verbindbar. Zum Zuschalten
des Antriebsstrangs ist eine elektronisch betätigbare Reibungskupplung
vorgesehen, die in einem Verteilergetriebe oder in einem Differentialgetriebe
angeordnet sein kann.
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Aus
der
DE 38 15 225 A1 ist
ein sperrbares Differentialgetriebe bekannt. Zum Sperren des Differentials
ist eine Reibungskupplung vorgesehen, die von einer Kugelrampenanordnung
betätigbar ist. Die Kugelrampenanordnung wird von einem
Elektromotor angetrieben.
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Aus
der
DE 101 60 026
A1 ist ein Betätigungsmechanismus zur Axialverstellung
für ein Verteilergetriebe eines mehrachsgetriebenen Kraftfahrzeugs
bekannt. Der Betätigungsmechanismus umfaßt eine
mittlere Scheibe, die gegenüber zwei außenliegen den
Scheiben relativ verdrehbar ist. Hiermit ist die Möglichkeit
gegeben, mit einheitlichen Drehantriebsmitteln zwei unterschiedliche
Stellfunktionen darzustellen, nämlich das Betätigen
einer Sperrkupplung für das Differentialgetriebe einerseits
und das Umschalten eines Zweistufengetriebes von der ersten in die
zweite Stufe, andererseits.
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Aus
der
DE 10 2008 037 885.2-21 ist
eine Antriebsanordnung mit einer Zuschaltkupplung und einer Differentialeinheit
für ein mehrachsgetriebenes Kraftfahrzeug bekannt. Die
Zuschaltkupplung ist in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet,
die koaxial zur Drehachse des Differentialträgers der Differentialeinheit
angeordnet ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung
vorzuschlagen, die ein Zuschalten eines sekundären Antriebsstranges
sowie das Sperren eines Differentials ermöglicht, wobei
die Antriebsanordnung einen kompakten Aufbau und ein geringes Gewicht
aufweisen soll und einfach in ein Antriebskonzept integrierbar sein
soll.
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Die
Lösung besteht in einer Antriebsanordnung für
ein mehrachsgetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend eine Differentialeinheit
mit einer Drehachse A, einem Eingangsteil und zwei mit dem Eingangsteil
antriebsverbundenen Ausgangsteilen, wobei die beiden Ausgangsteile
untereinander eine ausgleichende Wirkung haben; eine extern steuerbare Zuschaltkupplung
zum antriebsmäßigen Verbinden der Differentialeinheit
mit einer Antriebsquelle; eine extern steuerbare Sperrkupplung zum
Sperren der Ausgleichsbewegung zwischen beiden Ausgangsteilen der
Differentialeinheit; wobei die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung
koaxial zur Drehachse A angeordnet sind. Die Antriebsanordnung umfaßt
zumindest einen Aktuator zum Betätigen der Zuschaltkupplung
und der Sperrkupplung, wobei vorzugsweise genau ein einziger Aktuator
vorgesehen ist, der sowohl zum Betätigen der Zuschaltkupplung
als auch zum Betätigen der Sperrkupplung dient.
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Die
erfindungsgemäße Antriebsanordnung hat den Vorteil,
daß sie zwei Funktionalitäten beinhaltet, nämlich
das Zuschalten eines sekundären Antriebsstrangs als auch
das Sperren der Ausgleichsbewegung der Differentialeinheit, und
dabei kompakt aufgebaut ist. Dadurch, daß die Zuschaltkupplung und
die Sperrkupplung koaxial zueinander bzw. zur Differentialeinheit
angeordnet sind, können beide Kupplungen mittels eines
einzigen Aktuators betätigt werden. Insofern kommt die
erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit verhältnismäßig
wenigen Bauteilen aus, was sich günstig auf das Bauvolumen
und die Herstellungskosten auswirkt. Es ist jedoch prinzipiell auch
denkbar, daß für die Zuschaltkupplung einer erster
Aktuator vorgesehen ist und für die Sperrkupplung ein separater
zweiter Aktuator. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Antriebsanordnung besteht darin, daß der Winkeltrieb, mit
dem Drehmoment von der Längsantriebswelle in die Differentialanordnung
eingeleitet wird, bei geöffneter Zuschaltkupplung stillsteht.
Auf diese Weise lassen sich Lagerumlaufverluste der Lager des Tellerrads
und des Antriebsritzels reduzieren, die üblicherweise mit
hohen Kräften verspannt sind. Außerdem werden Planschverluste
vermieden, welche durch Drehung des Tellerrads um die Drehachse
entstehen, was sich wiederum günstig auf den Kraftstoffverbrauch
des Kraftfahrzeugs auswirkt.
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Nach
einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die
Sperrkupplung in Form einer formschlüssigen Kupplung gestaltet
ist. Mit formschlüssiger Kupplung sind solche Kupplungen
gemeint, bei denen die Drehmomentübertragung durch formschlüssiges
Ineinandergreifen zwischen einem ersten Kupplungsteil und einem
zweiten Kupplungsteil erfolgt. Als Beispiele für formschlüssige
Kupplungen seien hier Klauenkupplungen oder Zahnkupplungen genannt.
Durch Schließen der Sperrkupplung wird erreicht, daß die
beiden Seitenwellenräder und das Trägerelement
der Differentialeinheit gemeinsam im Block um die Drehachse rotieren,
d. h. es findet keine Ausgleichsbewegung zwischen den Seitenwellenrädern
mehr statt. Diese Ausführungsform mit formschlüssiger
Kupplung stellt eine besonders kompakte Lösung zur Realisierung
einer Differentialsperre dar, wobei die Aktuierungsmechanik für
die Zuschaltkupplung gleichzeitig für die Betätigung
der Sperrkupplung verwendet wird.
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Vorzugsweise
umfaßt die Sperrkupplung ein erstes Kupplungsteil, das
mit einem Trägerelement der Differentialeinheit drehfest
verbunden ist, sowie ein zweites Kupplungsteil, das mit einer Seitenwelle der
Differentialeinheit drehfest verbunden ist, wobei zumindest ein
Betätigungshebel vorgesehen ist, um das erste Kupplungsteil
mit dem zweiten Kupplungsteil zur Übertragung eines Drehmoments
in Eingriff zu brin gen. Der zumindest eine Betätigungshebel
ist vorzugsweise um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert, wobei
er mit seinem ersten Ende dem Aktuator in Wirkverbindung ist und
mit seinem zweiten Ende mit einem der Kupplungsteile der Sperrkupplung
in Wirkverbindung ist. Auf diese Weise fungiert der Betätigungshebel
als Wippe, wobei durch axiales Bewegen eines Bauteils des Aktuators
ein axiales Beaufschlagen der Sperrkupplung bewirkt wird. Eine besonders
günstige Kraftübertragung wird erreicht, wenn
ein erster Hebelarm zwischen dem Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels
an dem Aktuator und dem Schwenklager kleiner ist als ein zweiter
Hebelarm zwischen dem Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels
an dem Kupplungsteil und dem Schwenklager. Ein kleinerer axialer
Stellweg des bewegliches Bauteis des Aktuators wird durch diese Ausgestaltung
in einen größeren axialen Stellweg an der Sperrkupplung übersetzt.
Dabei ist es besonders günstig, wenn das Übersetzungsverhältnis
etwa 3:1 beträgt.
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Der
Aktuator der ersten Ausführungsform umfaßt vorzugsweise
eine Kugelrampenanordnung, die eine axial abgestützte Stützscheibe
und eine hierzu axial bewegbare Stellscheibe aufweist, wobei durch
relative Verdrehung der beiden Scheiben zueinander die Stellscheibe
axial verschiebbar ist. Relative Verdrehung zueinander bedeutet
in diesem Zusammenhang, daß entweder die Stützscheibe
oder die Stellscheibe relativ zueinander verdreht werden können,
während die jeweils andere drehfest gehalten ist, oder
daß beide Scheiben relativ zueinander verdreht werden.
Es ist insbesondere vorgesehen, daß die beiden Scheiben
jeweils Kugelrillen mit variabler Tiefe über dem Umfang
aufweisen, in denen Kugeln aufgenommen sind, wobei die beiden Scheiben über
die Kugeln gegeneinander axial abgestützt sind. Die Kugelrillen
der beiden Scheiben sind derart gestaltet, daß durch relative
Verdrehung in eine erste Drehrichtung die Zuschaltkupplung betätigt
wird und, daß durch relative Verdrehung der beiden Scheiben in
der entgegengesetzten zweiten Drehrichtung zusätzlich auch
die Sperrkupplung betätigt wird.
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Vorzugsweise
hat die Stellscheibe radial innen ein Formeingriffselement, das
mit einem Mitnehmerelement am ersten Ende des Betätigungshebels in
Eingriff ist, wobei durch Axialverschiebung der Stellscheibe der
Betätigungshebel um die Schwenkachse verschwenkt und die
Kupplungsteile der Sperrkupplung miteinander in Eingriff gebracht
werden. Es ist insbesondere vorgesehen, daß das erste Kupplungsteil
der Sperrkupplung gegenüber dem Trägerelement
der Differentialeinheit axial verschiebbar ist und, daß das
zweite Kupplungsteil der Sperrkupplung gegenüber der Seitenwelle
axial abgestützt ist. Beispielsweise kann das erste Kupplungsteil
in Form einer Schaltmuffe gestaltet sein, die mittels einer Wellenverzahnung
auf einen Hülsenansatz des Trägerelements drehfest
und axial verschiebbar gehalten ist. Das zweite Kupplungsteil kann
in Form eines Wellenkranzes gestaltet sein, der mittels einer Wellenverzahnung
mit der Seitenwelle drehfest verbunden ist. Die Schaltmuffe und
der Wellenkranz können zur Drehmomentübertragung
an ihren einander zugewandten Stirnseiten jeweils eine Stirnverzahnung
haben, die formschlüssig ineinandergreifen können.
Für einen kompakten Aufbau ist es vorteilhaft, wenn die
Sperrkupplung radial innerhalb des Aktuators angeordnet ist. Um
sicherzustellen, daß die beiden Kupplungsteile sicher formschlüssig
ineinandergreifen, kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein,
daß der zumindest eine Betätigungshebel in sich
elastisch federnd gestaltet ist. Die Anzahl der Betätigungshebel
ist generell beliebig und hängt von der zu übertragenden
Kraft ab. Für eine gleichmäßige Kraftverteilung über
den Umfang ist eine Anzahl von drei Betätigungshebeln günstig.
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In
Konkretisierung weisen die die Kugelrillen zumindest einer der Scheiben
in der ersten Drehrichtung – ausgehend von einer Endposition,
in der die beiden Scheiben aneinander angenähert sind – einen
ersten Abschnitt mit einer ersten Steigung und einen zweiten Abschnitt
mit einer zweiten Steigung auf, wobei die Steigung des ersten Abschnitts
größer ist als die Steigung des zweiten Abschnitts.
Bei Betätigung der entsprechenden Scheibe erfolgt der Aktuatorhub
umgehend erst auf dem steilen ersten Abschnitt, um das Kupplungsspiel
schnell zu schließen, und dann auf dem flacheren zweiten
Abschnitt, womit eine genaue Dosierung des zu übertragenden
Drehmoments vorgenommen werden kann. Bei Betätigung in
dieser ersten Drehrichtung wird der Betätigungshebel nicht
mitgenommen, so daß die Sperrkupplung unbetätigt
bleibt.
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In
der zweiten Drehrichtung weisen die Kugelrillen der besagten Scheibe – ausgehend
von der Endposition – einen ersten Abschnitt mit einer
ersten Steigung, einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Steigung
und einen dritten Abschnitt mit einer dritten Steigung auf, wobei
die Steigung des ersten und des zweiten Abschnitts jeweils größer
ist als die Steigung des dritten Abschnitts. Durch diese Ausgestaltung wird
erreicht, daß die Stellscheibe den Betätigungshebel
mitnimmt und axial verschiebt, so daß die Sperrkupplung
beaufschlagt wird. Dabei wird zunächst der erste Abschnitt überfahren,
welcher kurz und steil ausgebildet ist, um das Hintergreifen des Betätigungshebels
sicherzustellen. Dann folgt der zweite Abschnitt, welcher ähnlich
steil ausgebildet ist, wie der erste, sowie der dritte Abschnitt,
welcher flacher ausgebildet ist als der erste und zweite Abschnitt.
Diese Ausgestaltung bewirkt in vorteilhafter Weise, daß die
formschlüssige Sperrkupplung sicher bewerkstelligt wird,
bevor die Zuschaltkupplung ihren Anlaufpunkt erreicht hat. Es versteht
sich, daß zwischen den genannten unterschiedlichen Abschnitten auch Übergangsabschnitte
vorgesehen sein können.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die
Zuschaltkupplung in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet ist.
Dies hat den Vorteil, daß die Sperrwirkung durch entsprechende
Ansteuerung des Aktuators bedarfsweise variabel eingestellt werden
kann. Dabei kann mittels der Reiblamellenkupplung jede beliebige
Zwischenstellung zwischen einer Offenstellung, bei der kein Drehmoment zwischen
dem Kupplungseingangsteil und dem Kupplungsausgangsteil übertragen
wird, und einer Schließstellung, bei der die Kupplungsteile
vollständig geschlossen sind und gemeinsam um die Drehachse
umlaufen, realisiert werden. Ein kompakter Aufbau der zweiten Ausführungsform
wird insbesondere dadurch erreicht, daß die Zuschaltkupplung
und die Sperrkupplung koaxial ineinander angeordnet sind. Dabei
ist die Zuschaltkupplung vorzugsweise zwischen dem Eingangsteil
der Antriebsanordnung und einem Trägerelement der Differentialeinheit
wirksam angeordnet ist, und die Sperrkupplung ist vorzugsweise zwischen
dem Trägerelement und einem Seitenwellenrad der Differentialeinheit
wirksam angeordnet.
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Der
Aktuator umfaßt bei der zweiten Ausführungsform
vorzugsweise eine Kugelrampenanordnung, die eine axial abgestützte
Stützscheibe, eine axial bewegbare erste Stellscheibe zum
Beaufschlagen der Zuschaltkupplung sowie eine axial bewegbare zweite
Stellscheibe zum Beaufschlagen der Sperrkupplung aufweist. Dabei
sind die beiden Stellscheiben von der Stützscheibe in dieselbe
axiale Richtung beaufschlag bar. Es ist insbesondere vorgesehen, daß die
zweite Scheibe zum Betätigen der Sperrkupplung koaxial
innerhalb der ersten Scheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung
angeordnet ist. Die Stützscheibe hat an ihrer den Stellscheiben
zugewandten Stirnseite über den Umfang verteilte erste Kugelrillen,
welche den Kugelrillen der ersten Stellscheibe gegenüberliegen,
sowie koaxial innerhalb der ersten Kugelrillen über den
Umfang verteilte zweite Kugelrillen, welche den Kugelrillen der
zweiten Stellscheibe gegenüberliegen. Dabei sind in den ersten
Kugelrillen der Stützscheibe und den gegenüberliegenden
Kugelrillen der ersten Stellscheibe erste Kugeln gehalten, über
welche die erste Stellscheibe an der Stützscheibe axial
abgestützt ist. Entsprechend sind in den inneren zweiten
Kugelrillen der Stützscheibe und den gegenüberliegenden
Kugelrillen der zweiten Stellscheibe zweite Kugeln gehalten, über
welche die zweite Stellscheibe an der Stützscheibe axial
abgestützt ist.
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Zumindest
die Kugelrillen der Stützscheibe sind vorzugsweise derart
gestaltet, daß – ausgehend vom unbetätigten
Zustand, in dem die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung geöffnet
sind – in einem ersten Betätigungsumfang zunächst
die Zuschaltkupplung beaufschlagt wird und in einem zweiten Betätigungsumfang
zusätzlich zu der Zuschaltkupplung auch die Sperrkupplung
beaufschlagt wird. In Konkretisierung ist vorgesehen, daß die
Kugelrillen derart gestaltet sind, daß – ausgehend
von einer Endposition, in der die Scheiben aneinander angenähert sind – durch
Verdrehen der Stützscheibe zunächst nur die erste
Stellscheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung axial beaufschlagt
wird. Dabei kann das zu übertragende Drehmoment durch Regelung des
Verstellwinkels nach Bedarf eingestellt werden. Ist die Sperrenfunktion
gewünscht, so wird die Stützscheibe weitergedreht,
so daß zusätzlich zur ersten Stellscheibe auch
die zweite Stellscheibe zum Betätigen der Sperrkupplung
axial beaufschlagt wird. Dabei ist die Zuschaltkupplung voll geschlossen.
Durch Komprimierung der Sperrkupplung wird das Trägerelement
der Differentialeinheit, auch Differentialträger oder Differentialkorb
genannt, mit einem Seitenwellenrad reibschlüssig verbunden.
Auf diese Weise wird die Ausgleichswirkung der Seitenwellenräder unterbunden,
d. h. die Differentialeinheit wird gesperrt.
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Nach
einer bevorzugten Konkretisierung haben die ersten Kugelrillen der
Stützscheibe jeweils einen ersten Steigungsabschnitt, innerhalb
dessen die Betätigung der Zu schaltkupplung bewerkstelligt
wird. An diesen Steigungsabschnitt schließt sich jeweils ein
zweiter Abschnitt ohne Steigung an, in den die Kugeln laufen, wenn
die Sperrkupplung betätigt wird. Vorzugsweise sind die
Kugelrillen der ersten Stellscheibe gegengleich zu den ersten Kugelrillen
der Stützscheibe gestaltet, das heißt sie haben
auch einen Steigungsabschnitt und einen Abschnitt ohne Steigung.
Die zweiten Kugelrillen der Stützscheibe haben jeweils
einen ersten Abschnitt ohne Steigung, der insbesondere im Umfangsbereich
der Steigungsabschnitte der ersten Kugelrillen liegt. An diesen schließen
sich Steigungsabschnitte an, mittels derer die Betätigung
der Sperrkupplung bewerkstelligt wird. Die Kugelrillen der zweiten
Stellscheibe sind vorzugsweise gegengleich zu den zweiten Kugelrillen
der Stützscheibe gestaltet.
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Nach
einer dritten Ausführungsform, bei der die Zuschaltkupplung
vorzugsweise auch in Form einer Reiblamellenkupplung ausgebildet
ist, ist der Aktuator axial zwischen der Zuschaltkupplung und der Sperrkupplung
angeordnet. Diese Ausführungsform ähnelt der zweiten
Ausführungsform insofern, als der Aktuator vorzugsweise
auch eine Kugelrampenanordnung umfaßt. Es ergeben sich
dieselben Vorteile eines kompakten Aufbaus bei variabler Einstellung der
Sperrwirkung des Differentials mittels der Reiblamellenkupplung.
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Die
Kugelrampenanordnung der dritten Ausführungsform umfaßt
vorzugsweise eine axial abgestützte Stützscheibe,
eine in eine erste Richtung axial bewegbare erste Stellscheibe für
die Zuschaltkupplung und eine in eine entgegengesetzte zweite Richtung
axial bewegbare zweite Stellscheibe für die Sperrkupplung.
Dabei ist die Stützscheibe axial zwischen der ersten und
zweiten Stellscheibe angeordnet. Es ist auch hier vorgesehen, daß die
Stützscheibe und die beiden Stellscheiben jeweils Kugelrillen mit
variabler Tiefe über dem Umfang aufweisen, in denen Kugeln
aufgenommen sind, wobei die beiden Stellscheiben über die
Kugeln gegenüber der Stützscheibe axial abgestützt
sind. Die Kugelrillen sind derart gestaltet, daß – ausgehend
von einer Endposition, in der die Scheiben aneinander angenähert
sind – durch Verdrehen der Stützscheibe zunächst
nur die erste Stellscheibe zum Betätigen der Zuschaltkupplung
axial beaufschlagt wird, und daß durch weiteres Verdrehen
der Stützscheibe zusätzlich zur ersten Stellscheibe
auch die zweite Stellscheibe zum Betätigen der Sperrkupplung
axial beaufschlagt wird. Hierfür haben die ersten Kugel rillen
der Stützscheibe, die der ersten Stellscheibe gegenüberliegen,
einen ersten Abschnitt mit einer Steigung ungleich Null und einen
zweiten Abschnitt mit konstanter Rillentiefe. Die Kugelrillen der
ersten Stellscheibe sind entsprechend gegengleich ausgebildet. Weiter
haben die zweiten Kugelrillen der Stützscheibe, die der zweiten
Stellscheibe gegenüberliegen, einen ersten Abschnitt ohne
Steigung und einen zweiten Abschnitt mit Steigung.
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Gemäß einer
vierten Ausführungsform, welche der dritten Ausführungsform
in weiten Teilen entspricht, ist vorgesehen, daß die Kugelrillen
derart gestaltet sind, daß durch Verdrehen der Stützscheibe
in eine erste Drehrichtung die erste Stellscheibe zum Betätigen
der Zuschaltkupplung axial beaufschlagt wird und, daß durch
Verdrehen der Stützscheibe in eine entgegengesetzte zweite
Drehrichtung sowohl die erste Stellscheibe zum Betätigen
der Zuschaltkupplung als auch die zweite Stellscheibe zum Betätigen
der Sperrkupplung axial beaufschlagt werden. Hierfür weisen
die Kugelrillen der ersten Stellscheibe vorzugsweise einen zentralen
Abschnitt mit einer größten Rillentiefe und hieran
in beide Umfangsrichtungen angrenzend einen ersten Steigungsabschnitt und
einen zweiten Steigungsabschnitt auf. Die der zweiten Stellscheibe
gegenüberliegenden zweiten Kugelrillen der Stützscheibe
haben jeweils einen ersten Abschnitt mit einer größten
Rillentiefe ohne Steigung, einen zentralen zweiten Abschnitt mit
einer Steigung und einen dritten Abschnitt mit einer geringen Rillentiefe
ohne Steigung.
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Für
alle der vorstehend genannten Ausführungsformen gilt, daß die
Zuschaltkupplung vorzugsweise in Form einer Reiblamellenkupplung
gestaltet ist, wobei ein Außenlamellenträger der
Zuschaltkupplung drehfest mit einem Eingangsteil der Antriebsanordnung
verbunden ist und wobei ein Innenlamellenträger der Zuschaltkupplung
drehfest mit einem Trägerelement der Differentialeinheit
verbunden ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren
erläutert. Es zeigt
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1 Eine
erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer ersten
Ausführungsform im Längsschnitt;
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2 Die
Stellscheibe aus 1;
- a) in
Axialansicht;
- b) das Rillenprofil einer Kugelrille über den Umfang;
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3 Eine
erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer zweiten
Ausführungsform im Längsschnitt;
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4 Die
Stützscheibe aus 3;
- a) in Axialansicht;
- b) das Rillenprofil einer ersten und zweiten Kugelrille über
den Umfang;
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5 Eine
erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer dritten
Ausführungsform;
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6 Die
Stützscheibe aus 5
- a) in Axialansicht auf die erste Stirnseite;
- b) das Rillenprofil einer ersten Kugelrille über den Umfang;
- c) schematisch im Längsschnitt;
- d) in Axialansicht auf die zweite Stirnseite;
- e) das Rillenprofil einer zweiten Kugelrille über den
Umfang;
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7 Eine
erfindungsgemäße Antriebsanordnung in einer vierten
Ausführungsform;
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8 Die
Stützscheibe aus 7
- a) in Axialansicht auf die erste Stirnseite,
- b) das Rillenprofil einer ersten Kugelrille über den Umfang;
- c) im Längsschnitt schematisch;
- d) in Axialansicht auf die zweite Stirnseite;
- e) das Rillenprofil einer zweiten Kugelrille über den
Umfang.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 2 in
einer ersten Ausführungsform. Die Antriebsanordnung 2 umfaßt
eine Differentialeinheit 3, eine Zuschaltkupplung 4,
welche die im Drehmomentfluß dahinter liegende Antriebsachse
bei Bedarf Zuschalten kann, eine Sperrkupplung 5 zum Bedarfsweisen
Sperren der Ausgleichsbewegung der Differentialeinheit 3 sowie
einen Aktuator 6, welcher sowohl die Zuschaltkupplung 4 als
auch die Sperrkupplung 5 betätigen kann.
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Die
Antriebsanordnung umfaßt ein Tellerrad 7, über
das mittels eines hier nicht dargestellten Ritzels Drehmoment in
die Antriebsanordnung 2 eingeleitet werden kann. Das Tellerrad 7 ist
fest an einem Flansch einer Hohlwelle 8 verbunden und über
Lagermittel 9, 9' um eine Drehachse A in dem Gehäuse 10 der
Antriebsanordnung 2 dregbar gelagert. Die Hohlwelle 8 hat
an ihrem der Differentialeinheit 3 zugewandten Ende eine
Längsverzahnung 11, in die eine entsprechend gegengleiche
Längsverzahnung eines ersten Kupplungsteils 12 der
Zuschaltkupplung 4 zur Drehmomentübertragung eingreift.
Das erste Kupplungsteil 12 ist in Form eines Kupplungskorbes gestaltet,
der koaxial zur Drehachse A angeordnet ist und innerhalb dessen
die Differentialeinheit 3 angeordnet ist. Es ist ersichtlich,
daß die Zuschaltkupplung 4 in Form einer Reiblamellenkupplung
gestaltet ist. Diese umfaßt einen Außenlamellenträger,
mit dem Außenlamellen axial beweglich und drehfest verbunden
sind, sowie einen Innenlamellenträger, mit dem Innenlamellen
drehfest und axial beweglich verbunden sind. Die Außenlamellen
und Innenlamellen sind axial abwechselnd angeordnet und bilden gemeinsam
das Lamellenpaket 14 der Zuschaltkupplung 4. Der
Innenlamellenträger bildet das zweite Kupplungsteil 13 der
Zuschaltkupplung 4, welches auch als Kupplungsausgangsteil
bezeichnet werden kann.
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Das
zweite Kupplungsteil 13 ist fest mit einem Eingangsteil 15 der
Differentialeinheit 3 verbunden und vorzugsweise einteilig
mit diesem gestaltet. Das Eingangsteil 15 ist in Form eines
Differentialträgers 15 gestaltet, der um die Drehachse
A drehend antreibbar ist und auch als Differentialkorb bezeichnet
werden kann. In dem Differentialträger 15 sind Differentialräder 16 auf
Zapfen 17 drehbar gelagert und rotieren gemeinsam mit dem
Differentialträger 15 um die Drehachse A. Die
Differentialräder 16, 16' kämen
mit Seitenwellenrädern 18, 18', welche
koaxial zur Drehachse A angeordnet sind und über Anlaufscheiben
axial gegenüber dem Differentialträger 15 abge stützt
sind. Die Seitenwellenräder 18, 18' haben jeweils
eine Bohrung mit einer Längsverzahnung, in die eine zugehörige
Seitenwelle 19, von den vorliegend nur die rechte Seitewelle
dargestellt ist, zur Drehmomentübertragung eingesteckt
sind. Der Differentialträger 15 umfaßt
ein erstes Korbteil 22, daß mittels Lagermitteln 23 gegenüber
der Hohlwelle 8 um die Drehachse A drehbar gelagert ist
sowie ein hiermit fest verbundenes zweites Korbteil 24,
das an dem gegenüberliegenden Ende einen Hülsenansatz 25 aufweist.
Mittels des Hülsenansatzes 25 ist der Differentialträger 15 auf
der Seitenwelle 19 drehbar gelagert.
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Der
Aktuator 6, welcher unter anderem zum Betätigen
der Zuschaltkupplung 4 dient, umfaßt eine Stützscheibe 26,
welche gegenüber dem Gehäuse 10 der Antriebsanordnung 2 axial
abgestützt ist, sowie eine Stellscheibe 28, welche
der Stützscheibe 26 gegenüberliegt. In
den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der
Stützscheibe 26 bzw. Stellscheibe 28 sind
jeweils über dem Umfang verteilte Kugelrillen 29, 30 angeordnet
die eine variable Tiefe über dem Umfang aufweisen und in
denen jeweils eine Kugel aufgenommen ist. Die Kugeln sind in Taschen
eines axial zwischen den beiden Scheiben angeordneten Käfigs 32 aufgenommen
und werden so in ihrer Umfangsposition gehalten. Zur Betätigung
der Kugelrampenanordnung dient ein Elektromotor, welcher die Stellscheibe 28 gegenüber
der Stützscheibe 26 verdrehen kann.
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Bei
Betätigung des Elektromotors (nicht dargestellt) wandern
die in den Kugelrillen 29, 30 gehaltenen Kugeln
in Bereiche geringerer Tiefe, was dazu führt, daß die
Stellscheibe 28 axial in Richtung Zuschaltkupplung 4 wandert.
Die Stellscheibe 28 ist über ein Axiallager 33 gegenüber
einer Druckplatte 34 axial abgestützt. Durch Verdrehen
der Stellscheibe 28 wandert diese in Richtung Zuschaltkupplung 4 wobei
die Druckplatte 34 das Lamellenpaket 14 axial beaufschlagt.
Auf diese Weise wird Drehmoment vom ersten Kupplungsteil 12 auf
den Differentialträger 15 übertragen.
In vollständig geöffnetem Zustand der Zuschaltkupplung 4 findet überhaupt
keine Drehmomentübertragung statt, so daß das
erste Kupplungsteil 12 samt Hohlwelle 8 und Tellerrad 7 stillsteht,
während im vollständig geschlossenem Zustand der
Zuschaltkupplung 4 Drehmoment vom Tellerrad 7 auf
die Seitenwellen 19, 19' übertragen wird. Zwischen
der Druckplatte 34 und dem zweiten Kupplungsteil 24 ist
eine Rück stellfeder 35 angeordnet, welche in unbetätigten
Zustand des Aktuators 6 die Druckplatte 34 in
Richtung Stützscheibe 26 axial beaufschlagt.
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Neben
der Betätigung der Zuschaltkupplung 4 hat der
Aktuator 6 eine weitere Funktion, nämlich das
Betätigen der Sperrkupplung 5. Die Sperrkupplung 5 ist
in der vorliegenden Ausführungsform in Form einer formschlüssigen
Kupplung gestaltet, d. h. die Drehmomentübertragung erfolgt
durch formschlüssiges Ineinandergreifen der beiden Kupplungsteile 42, 44.
Es ist ersichtlich, daß die Stellscheibe 28 an
ihrem radial innenliegenden Ende Formeingriffsmittel 36 aufweist,
welche mit mehreren über den Umfang verteilten Betätigungshebeln 37 zusammenwirken.
Die Betätigungshebel 37 sind jeweils um individuelle
Schwenkachsen S schwenkbar gelagert. Das radial außenliegende
erste Ende 39 der Betätigungshebel 37 ist
in Form einer Gabel gestaltet, welche die Formeingriffsmittel 36 umgreift.
Das radial innenliegende zweite Ende 40 der Betätigungshebel 37 greift
jeweils in eine radiale Ausnehmung 41 des ersten Kupplungsteils 42 ein.
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Durch
diese Konstruktion erfolgt bei axialer Bewegung der Stellscheibe 28 ein
Verschwenken der Betätigungshebel 37, wobei das
erste Kupplungsteil 42 in Richtung zum zweiten Kupplungsteil 44 bewegt wird.
Es ist erkennbar, daß ein erster Hebelarm H1 zwischen dem
Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels 37 an
dem Aktuator 6 und dem Schwenklager S kleiner ist als ein
zweiter Hebelarm H2 zwischen dem Kraftangriffspunkt des Betätigungshebels 37 an
dem ersten Kupplungsteil 42 und dem Schwenklager S. Ein
kleinerer axialer Stellweg der Stellscheibe 28 des Aktuators 6 wird
durch diese Ausgestaltung in einen größeren axialen
Stellweg an der Sperrkupplung 5 übersetzt. Das
erste Kupplungsteil 42 ist in Form einer Schaltmuffe gestaltet,
welche mittels einer Längsverzahnung 43 drehfest
auf dem Hülsenansatz 25 des Differentialträgers
angeordnet und gegenüber diesem axial verschiebbar gehalten
ist. An seiner dem zweiten Kupplungsteil 44 zugewandten
Seite hat das erste Kupplungsteil 42 eine Stirnverzahnung 45,
welche in einer entsprechend gegengleich gestaltete Stirnverzahnung 47 des
zweiten Kupplungsteils 44 eingreifen kann. Das zweite Kupplungsteil 44 ist
in Form eines Wellenkranzes gestaltet, der mit der Seitenwelle 19 über
eine Längsverzahnung 46 drehfest verbunden. Die
Lagerung des zweiten Kupplungsteils 44 bzw. der Seitenwelle 19 erfolgt über
ein Wälzlager 48.
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Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 die Funktionsweise
des Aktuators 6 erläutert, der vorzugsweise in
Form einer Kugelrampenanordnung gestaltet ist.
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Vorliegend
ist die Stellscheibe 28 gezeigt, wobei die Stützscheibe 26 hinsichtlich
des Profils der Kugelrillen vorzugsweise gegengleich gestaltet ist. Die
Kugelrampenanordnung bzw. die Konturen der Kugelrillen der Stellscheibe 28 bzw.
der Stützscheibe 26 sind so gestaltet, daß – ausgehend
von einer Endposition, in der die beiden Scheiben 26, 28 aneinander
angenähert sind – durch relative Verdrehung in eine
erste Drehrichtung R1 nur die Zuschaltkupplung 4 betätigt
wird und, daß durch relative Verdrehung der beiden Scheiben 26, 28 in
der entgegengesetzten zweiten Drehrichtung R2 zusätzlich
zur Zuschalkupplung 4 auch die Sperrkupplung 5 betätigt
wird. Hierfür weist das Profil der Kugelrillen 30 ausgehend von
einem zentralen Abschnitt 50 mit größter
Rillentiefe bei Drehung in der ersten Drehrichtung R1 zunächst
einen ersten Abschnitt 51 mit größerer
Steigung sowie einen sich hieran in Umfangsrichtung anschließender
zweiten Abschnitt 52 mit kleinerer Steigung auf. Dabei
ist vorgesehen, daß der Umfangswinkel a des ersten Steigungsabschnitts 51 kleiner
ist als der Umfangswinkel b des zweiten Steigungsabschnitts 52.
Durch das so definierte Profil erfolgt bei Drehung der Stellscheibe 28 in
Richtung R1 zunächst eine verhältnismäßig
schnelle axiale Bewegung der Stellscheibe 28 in Richtung
Lamellenpaket 14, wenn die Kugeln entlang des ersten Steigungsabschnitts 51 wandern.
Demgegenüber kann im zweiten Steigungsabschnitt 52 dann
aufgrund der geringeren Steigung eine feinfühlige Steuerung
des Sperrgrades der Zuschaltkupplung 4 erfolgen.
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Bei
Drehung in der entgegengesetzt gerichteten zweiten Drehrichtung
R2 ist das Profil der Kugelrillen so gestaltet, daß, ausgehend
von der tiefsten Stelle im zentralen Abschnitt 50, zunächst
ein kleiner verhältnismäßig steiler erster
Rillenabschnitt 53 mit einer Umfangserstreckung c sowie
ein sich daran in Umfangsrichtung anschließender zweiter
Rillenabschnitt 54 mit größerer Umfangserstreckung
und einer konstanten Rillentiefe anschließt. Beim Überfahren
dieser ersten und zweiten Rillenabschnitte 53, 54 wird
zunächst das hintergreifen des Betätigungshebels 37 sichergestellt.
Auf den zweiten Rillenabschnitt 54 folgt ein dritter Rillenabschnitt 55 mit
einer Umfangserstreckung e und ein vierter Rillenabschnitt 56,
wobei der vierte Rillenabschnitt 56 sich über
eine größere Umfangslänge f erstreckt
und eine geringere Steigung aufweist als der dritte Rillenabschnitt 55. Durch
den dritten Rillenabschnitt 55 wird ein Schließen
der Sperrkupplung 5 bewerkstelligt, während im Umfangsbereich
des vierten Rillenabschnitts 56 die Zuschaltkupplung 4 betätigt
wird. Mit dem vorliegenden Profil der Kugelrillen 30 in
der zweiten Drehrichtung R2 wird erreicht, daß die formschlüssige
Sperrkupplung 5 sicher geschlossen wird, bevor die Zuschaltkupplung 4 ihren
Anlaufpunkt erreicht hat.
-
Die 3 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 102 in
einer zweiten Ausführungsform. Diese entspricht in weiten
Teilen der Ausführungsform gemäß 1,
so daß hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung
Bezug genommen werden kann. Gleiche bzw. einander entsprechende
Bauteile sind mit um die Ziffer 100 hochgesetzten Bezugszeichen
versehen. Die Besonderheit der vorliegenden Antriebsanordnung 102 besteht darin,
daß sowohl die Zuschaltkupplung 104 als auch die
Sperrkupplung 105 in Form von Reiblamellenkupplungen gestaltet
sind. Das Drehmoment wird mittels eines nicht dargestellten Kegelrads
in das Tellerrad 107 eingeleitet, das fest mit dem ersten
Kupplungsteil 112 verbunden ist, beispielsweise mittels Schweißen.
Das erste Kupplungsteil 112 ist vorliegend in Form eines
Kupplungskorbes gestaltet, mit dem die Außenlamellen des
Lamellenpakets 114 drehfest und axial verschieblich befestigt
sind. Das zweite Kupplungsteil 113, welches koaxial innerhalb des
ersten Kupplungsteils 112 liegt, ist in Form eines Innenlamellenträgers
gestaltet, mit dem die Innenlamellen des Lamellenpakets 114 drehfest
und axial verschieblich verbunden sind. Es ist ersichtlich, daß bei
der vorliegenden Ausführungsform die Differentialeinheit 103 mit
axialer Überdeckung, das heißt innerhalb des Tellerrads 107 angeordnet
ist. Hierdurch wird eine axial kompakte Anordnung bereitgestellt.
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Das
Lamellenpaket 114 der Zuschaltkupplung 104 ist
mittels Federmitteln 160, die vorzugsweise in Form von
Tellerfedern gestaltet sind, gegenüber dem Kupplungskorb
axial abgestützt. Der Kupplungskorb 112 umfaßt
neben dem Außenlamellenträger noch ein mit diesem
verbundenes Deckelteil 161, daß fest mit dem Außenlamellenträger
verbunden ist, beispielsweise mittels Schweißen. Das Deckelteil 161 hat einen
Flanschabschnitt mit mehreren über dem Umfang verteilten
ersten Durchbrüchen 162, durch welche erste Betätigungsstempel 163 hindurchgeführt
sind, und radial innerhalb der äußeren Durchbrüche 162 liegende über
den Umfang verteilte zweite Durchbrüche 165, durch
die zweite Betätigungsstempel 166 hindurchgeführt
sind. Die ersten Betätigungsstempel 163 dienen
zur Kraftübertragung von der ersten Stellscheibe auf das
Lamellenpaket der Zuschaltkupplung 104, während
die zweiten Betätigungsstempel 166 zur Kraftübertragung
von der zweiten Stellscheibe auf das Lamellenpaket der Sperrkupplung 105 dient.
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Das
zweite Kupplungsteil 113 der Zuschaltkupplung 104 ist
fest mit dem Differentialträger 115 verbunden
und vorzugsweise als hülsenförmiger Ansatz mit
diesem gestaltet. Zur Lagerung des ersten Kupplungsteils 112 gegenüber
dem Differentialträger 115 sind zwei Lagermittel 123, 123' in
Form von Radiallagern vorgesehen. Die Sperrkupplung 105 ist
koaxial innerhalb der Zuschaltkupplung 104 angeordnet und
zwar derart, daß sie sich zumindest teilweise axial überdecken.
Dabei bildet das zweite Kupplungsteil 113 der Zuschaltkupplung 104 gleichzeitig
das erste Kupplungsteil 122 der Sperrkupplung 105.
Insbesondere sind an einer Innenfläche des hülsenförmigen Ansatzes
Formeingriffsmittel vorgesehen, in welche die Außenlamellen
der Sperrkupplung 105 drehfest und axial verschieblich
gehalten sind. Die axial abwechselnd zu den Außenlamellen
angeordneten Innenlamellen sind drehfest und axial verschieblich
mit einem Hülsenansatz 164 verbunden, der wiederum mit
einem Seitenwellenrad 118 der Differentialeinheit 103 fest
verbunden ist.
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Der
Aktuator 106 ist in Form einer Kugelrampenanordnung gestaltet.
Im Unterschied zur obigen Ausführungsform umfaßt
die Kugelrampenanordnung jedoch eine Stützscheibe 126 und
zwei Stellscheiben 128, 128', welche der Stützscheibe 126 gegenüberliegend
koaxial zur Drehachse A angeordnet sind. Die erste Stellscheibe 128,
die zum Betätigen der Zuschaltkupplung 104 dient,
liegt koaxial außerhalb der zweiten Stellscheibe 128',
welche zum Betätigen der Sperrkupplung 105 dient.
Beide Stellscheiben 128, 128' sind ringförmig
gestaltet und jeweils über ein Axiallager 133, 133' gegen
den zugehörigen Betätigungsstempel 163, 166 axial
abgestützt. Die Stützscheibe 126 weist äußere
erste Kugelrillen 129 auf, die den Kugelrillen 130 der
ersten Stellscheibe 128 gegenüberliegen, sowie
radial innenliegende zweite Kugelrillen 129', welche den
Kugelrillen 130' der zweiten Stellscheibe 128' axial
gegenüberliegen. Die der ersten Stellscheibe 128 zugeordneten
ersten Kugeln 169 und die der zweiten Stellscheibe 128' zugeordneten
zweiten Kugeln 169' sind in einem gemeinsamen Kugelkäfig 132 gehalten.
Die Stützscheibe 126 ist ringförmig gestaltet
und hat an ihrer Rückseite einen hülsenförmigen
Ansatz 170, in dem der Außenring eines Wälzlagers 171 aufgenommen
ist, mittels dem die Stützscheibe 126 gegenüber
dem Deckelteil 161 drehbar gelagert ist. Das Wälzlager 171 ist über
einen Sicherungsring 172 gegenüber dem Deckelteil 161 axial
abgestützt.
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Zwischen
dem ersten Betätigungsstempel 163 und dem Deckelteil 161 sind
erste Federmittel 173 wirksam eingesetzt, welche den Betätigungsstempel 163 bei
unbetätigtem Zustand des Aktuators 106 wieder
zurückstellen, d. h. in Richtung von der Zuschaltkupplung 104 weg
axial beaufschlagen. Ebenso sind zwischen den zweiten Betätigungsstempeln 166 und
dem Deckelteil 161 zweite Federmittel 173' wirksam
angeordnet, welche die zweiten Betätigungsstempel 166 in
Richtung zur Kugelrampenanordnung 106 axial beaufschlagen.
Die ersten und zweiten Federmittel 173, 173' sind
vorliegend in Form von Tellerfedern gestaltet; sie können
jedoch auch als Schraubenfedern oder dergleichen gestaltet sein.
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Die
Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin,
daß der Sperrwert der Sperrkupplung 105 im Gegensatz
zur ersten Ausführungsform variabel über die Motorposition
des Aktuators 106 einstellbar ist. Wie bei den übrigen
Ausführungsformen, ist für die Betätigung
des Aktuators 106 ein Antriebsmotor vorgesehen, welcher
die Axialkraft zur Komprimierung des Lamellenpaketes 114 der
Zuschaltkupplung 104 als auch des Lamellenpaketes 168 der
Sperrkupplung 105 bewirkt. Zur Betätigung sind über
den Umfang verteilt mehrere erste Kugelrillen 129 sowie
hierzu konzentrisch angeordnete zweite Kugelrillen 129' mit
unterschiedlichen Steigungen und Winkelpositionen vorgesehen. Die
erste Stellscheibe 128 zur Betätigung der Zuschaltkupplung 104 korrespondiert
mit den ersten Kugelrillen 129 und die zweite Stellscheibe 128' zum
Betätigen der Sperrkupplung 105 korrespondiert
mit den zweiten Kugelrillen 129' der Stützscheibe 126.
-
Im
folgenden wird die Funktionsweise der Kugelrampenanordnung 106 im
Detail erläutert. 4 zeigt
eine Axialansicht auf die Stützscheibe 126 der
Kugelrampenanordnung 106. Es sind die radial außen
liegenden ersten Kugelrillen 129 und die radial innen liegenden
zweiten Kugelrillen 129' erkennbar. In 4b sind
die Profile der ersten Kugelrillen 129 gestrichelt und
die der zweiten Kugelrillen 129' mit durchgezogener Linie über
den Umfang dargestellt. Die Kugelrillen 129, 129' der
Stützscheibe bzw. die Kugelrillen 130, 130' der
beiden Stellscheiben 128, 128' sind so gestaltet,
daß, ausgehend vom betätigten Zustand, in dem
die Zuschaltkupplung 104 und die Sperrkupplung 105 geöffnet
sind, in einem ersten Betätigungsbereich zunächst
nur die Zuschaltkupplung 104 beaufschlagt wird und in einem daran
anschließenden zweiten Betätigungsbereich zusätzlich
zu der Zuschaltkupplung 104 auch die Sperrkupplung 105 beaufschlagt
wird.
-
Hierfür
haben die ersten Kugelrillen 129 der Stützscheibe 126 bzw.
die Kugelrillen 130 der ersten Stellscheibe 128 einen
ersten Rillenabschnitt 151 mit einer Umfangserstreckung
a und mit einer Steigung ungleich Null, an den sich ein zweiter
Rillenabschnitt 152 mit größerer Umfangserstreckung
b + c und konstanter Rillentiefe anschließt. Die zweiten
Kugelrillen 129' der Stützscheibe 126 bzw.
die Kugelrillen 130' der zweiten Stellscheibe 128' haben
einen ersten Rillenabschnitt 151' mit einer Umfangserstreckung
a + b mit konstanter Rillentiefe und einen hieran anschließenden
zweiten Rillenabschnitt 152' mit kürzerer Umfangserstreckung
c mit Steigung ungleich Null. Dabei ist die Steigung des zweiten
Rillenabschnitts 152' der zweiten Kugelrillen 129' kleiner
als die Steigung des ersten Rillenabschnitts 151 der ersten
Kugelrillen 129. Der ebene Rillenabschnitt 151' der zweiten
Kugelrillen 129' und der ebene Rillenabschnitt 152 der
ersten Kugelrillen 129 haben einen gewissen Überdeckungsbereich
b. Hiermit wird ein neutraler Verstellbereich zur Verfügung
gestellt, um Toleranzeinflüsse zu vermeiden.
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Wird
die Stützscheibe 126 in Pfeilrichtung, das heißt
gegen den Uhrzeigersinn gedreht, führt die Steigung der
ersten Rillenabschnitte 151 der Kugelrillen 129 zunächst
zur Komprimierung der Zuschaltkupplung 104. Das wirksame
Kupplungsmoment kann dabei durch Regelung der Motorposition bedarfsweise
variiert werden. Ist die Sperrenfunktion abgefragt, so muß der
Aktuator 106 weitergedreht werden, damit der später
auflaufende zweite Wellenabschnitt 152' der Stützscheibe 126 über
die zweite Stellscheibe 128' auf die Sperrkupplung 105 wirken kann.
Dabei ist die Zuschaltkupplung 104 voll zugefahren. Durch
die Komprimierung der Sperrkupplung 105 wird der Differentialkorb 115 reibschlüssig
mit dem Seitenwellenrad 118' verbunden, so daß die Ausgleichsbewegung
zwischen den beiden Seitenwellenrädern 118, 118' reduziert
wird. Die Komprimierung des Lamellenpakets 168 der Sperrkupplung 105 ist
variabel einstellbar, so daß auch das zu übertragende
Drehmoment zwischen einer geöffneten Position und einer
vollständig geschlossenen Position variabel einstellbar
ist.
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Damit
das Antriebsmoment des Antriebsmotors nicht erschöpft wird
und das maximale Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 104 ein
zu definierendes Maximum nicht überschreitet, sind die
Kugeln der ersten Kugelrillen 129, bevor die Sperrkupplung 105 angefahren
wird, in die zweiten Rillenabschnitte 152 gelaufen, wo
der Steigungswinkel 0° beträgt. Das maximale Kupplungsmoment
der Zuschaltkupplung 104 wird durch die Steifigkeit der
Federmittel 160 definiert.
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Für
bestimmte fahrdynamische Anforderungen ist auch eine Ausführungsform
denkbar, bei der in einer ersten Drehrichtung des Antriebsmotors
bzw. der Stützscheibe 126 zunächst die
Sperrkupplung 105 gegen eine Tellerfederanordnung läuft
und damit einen definierten konstanten Sperrwert für die
Differentialeinheit 103 einstellt. Durch Weiterdrehen der Stützscheibe 126 würde
dann die Zuschaltkupplung 104 geschlossen werden können,
wobei ein variables Kupplungsmoment nach Bedarf einstellbar wäre. Die
Kugelrillen wären ferner so gestaltet, daß bei Drehung
der Stützscheibe 126 in entgegengesetzter zweiter
Drehrichtung lediglich die erste Stellscheibe 128 zum Betätigen
der Zuschaltkupplung 104 beaufschlagt werden würde.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 202 in
einer weiteren Ausführungsform, die in weiten Teilen derjenigen
aus 1 entspricht. Insofern wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten
auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Dabei sind gleiche bzw.
einander entsprechende Bauteile mit um die Ziffer 200 erhöhten
Bezugszeichen versehen. Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform
besteht darin, daß die Sperrkupplung 205 in Form
einer Reiblamellenkupplung gestaltet ist, wobei die beiden Reiblamellenkupplungen
etwa denselben Reibradius aufweisen. Durch diese Ausgestaltung lassen
sich aufgrund des verhältnismäßig großen
Reibradius der Sperrkupplung 205 auch große Sperrmomente
realisieren. Der Aktuator 206, welcher vorliegend ebenfalls
in Form einer Kugelrampenanordnung gestaltet ist, ist axial zwischen
der Zuschaltkupplung 204 und der Sperrkupplung 205 angeordnet.
Die Kugelrampenanordnung 206 umfaßt eine Stützscheibe 226,
die drehend antreibbar ist und über ein Stützlager 275 an
dem Gehäuse 210 axial abgestützt ist.
Ferner umfaßt die Kugelrampenanordnung 206 eine
erste Stellscheibe 228, welche zum Betätigen der
Zuschaltkupplung 204 dient, und eine zweite Stellscheibe 228',
welche auf der entgegengesetzten Seite angeordnet ist und zum Betätigen
der Sperrkupplung 205 dient. In den einander zugewandten
Stirnflächen der Stützscheibe 226 und 228 sind jeweils
erste Kugelbahnen 229 bzw. 230 angeordnet, in
denen hier nicht dargestellte Kugeln gehalten sind.
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Durch
Drehung der Stützscheibe 226 laufen die Kugeln
in den Kugelrillen in Bereichen geringerer Tiefe, so daß die
erste Stellscheibe 228 axial in Richtung der Zuschaltkupplung 204 beaufschlagt
wird und über ein Axiallager 233 und eine Druckplatte 234 das
Lamellenpaket 214 komprimiert. Es ist ersichtlich, daß die
erste Stellscheibe 228 mittels Verdrehsicherungsmitteln 276 drehfest
gegenüber dem Gehäuse 210 gehalten ist.
In analoger Weise wird auch die Sperrkupplung 205 betätigt.
Und zwar wandert bei Drehung der Stützscheibe 226 die
zweite Stellscheibe 228' in Richtung der Sperrkupplung 205,
wobei die Kraft von der zweiten Stellscheibe 228' über ein
Axiallager 233' und eine Druckplatte 234' auf
das Lamellenpaket 268 übertragen wird. Die zweite
Stellscheibe 228' ist ebenfalls verdrehgesichert, was vorliegend
jedoch nicht dargestellt ist. Zur Rückstellung der ersten
Druckplatte 234 bzw. der zweiten Druckplatte 234' sind
jeweils Federmittel 273, 273' in Form von Tellerfedern
vorgesehen. Die Sperrkupplung 205 umfaßt ein erstes
Kupplungsteil 242, das drehfest mit dem Differentialträger 215 verbunden
ist, sowie ein zweites Kupplungsteil 244, das drehfest
mit der Seitenwelle 219 verbunden ist. Das erste Kupplungsteil 242 umfaßt
einen Innenlamellenträger, mit dem Innenlamellen drehfest
und axial verschieblich verbunden sind. Das zweite Kupplungsteil 244 umfaßt
einen Außenlamellenträger, mit dem Außenlamellen
drehfest und axial verschieblich verbunden sind.
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Das
zweite Kupplungsteil 244 ist über ein Axiallager 277 gegenüber
dem Gehäuse 210 axial abgestützt. Das
erste Kupplungsteil 212 der Zuschaltkupplung 204 ist
ebenfalls über ein Axiallager 278 gegenüber
dem Gehäuse 210 abgestützt. Durch diese
Ausgestaltung können sich je nach Kugelbahnanordnung die
Axialkräfte zwischen der Zuschaltkupplung 204 und
dem Stützlager 275 teilweise kompensieren. Sobald
nämlich die Sperrkupplung 205 zugeschaltet wird,
tritt eine Reaktionskraft an der Stützscheibe 226 auf,
um deren Betrag die Axialkraft am Stützlager 275 reduziert
wird. Durch die Komprimierung der Sperrkupplung 205 wird
der Außenlamellenträger reibschlüssig
mit dem Innenlamellenträger verbunden, was zu einer Reduzierung
der Ausgleichswirkung zwischen den Seitenwellenrädern 218, 218' der
Differentialeinheit 203 führt.
-
Wie
auch schon bei der Ausführungsform gemäß 3 kommt
vorliegend eine einzige Stützscheibe 226 zum Einsatz,
die auch als Eingangsscheibe bezeichnet werden kann. Die Stützscheibe 226 umfaßt,
wie oben bereits gesagt, an ihrer ersten Stirnseite erste Kugelbahnen 229 und
ihrer entgegengesetzt gerichteten zweiten Stirnseite zweite Kugelbahnen 229'.
Die Kugelrillen 229, 229' der Stützscheibe 226 und
die der beiden Stellscheiben 228, 228' sind so
gestaltet, daß – ausgehend von einer Endposition,
in der die Scheiben einander angenähert sind – durch
Verdrehen der Stützscheibe 226 zunächst
nur die erste Stellscheibe 228 zum Betätigen der
Zuschaltkupplung 204 axial beaufschlagt wird, und daß durch
weiteres Verdrehen der Stützscheibe 226 zusätzlich
zur ersten Stellscheibe 228 auch die zweite Stellscheibe 228' zum
Betätigen der Sperrkupplung 205 axial beaufschlagt
wird. Hierfür ist das Profil der Kugelrillen ähnlich
gestaltet wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und
wird nachstehend anhand von 6 erläutert.
-
Wird
die Stützscheibe 226 in die eingezeichnete Richtung
R1 gedreht, wandern die Kugeln entlang dem ersten Rillenabschnitt 251 über
die Umfangserstreckung a in Bereiche geringerer Rillentiefe, so
daß die Stellscheibe 228 von der Stützscheibe 226 weg
bewegt wird. Dies führt zum Beaufschlagen des Lamellenpaketes 214 der
Zuschaltkupplung 204 und damit zum antriebsmäßigen
Verbinden des Antriebsanordnung an die Längsantriebswelle.
Dabei bewegen sich die Kugeln in der zweiten Kugelrille 229' entlang
des ebenen Rillenabschnitts 251' über den Winkelbereich
a, das heißt die Sperrkupplung 205 bleibt unbetätigt.
Das wirksame Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 204 kann
durch Regelung des Motormoments des Antriebsmotors des Aktuators
bedarfsgerecht variiert werden, und zwar zwischen einer Position,
in der die Zuschaltkupplung 204 vollständig geöffnet
ist und einer solchen, in der die Zuschaltkupplung 204 vollständig
geschlossen ist.
-
Ist
die Sperrenfunktion abgefragt, so wird die Stützscheibe 226 über
den Winkelbereich b hinaus weiter in Richtung R1 gedreht, so daß die
Kugeln in den zweiten Kugelrillen 229 entlang dem Rillenabschnitt 252' in
Bereiche geringerer Tiefe laufen. Auf diese Weise wird die zweite
Stellscheibe 228' in Richtung des Lamellenpaketes 268 der
Sperrkupplung 205 bewegt, so daß diese geschlossen
wird. Dabei rollen die Kugeln der ersten Kugelrillen 229 entlang der
ersten Rillenabschnitte 252 über den Verdrehwinkel
c, das heißt die Zuschaltkupplung 204 bleibt gesperrt.
Auch hier kann durch entsprechende Regelung des Verdrehwinkels der
Stützscheibe 226 innerhalb des Winkelabschnitts
c das Sperrmoment der Sperrkupplung 205 bedarfsgerecht
eingestellt werden. Dabei ist die Zuschaltkupplung 204 stets
voll geschlossen.
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 302 in
einer weiteren Ausführungsform, die weitestgehend derjenigen
aus 5 entspricht. Insofern wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten
auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Dabei sind gleiche bzw.
einander entsprechende Bauteile mit um nochmals der Ziffer 100 erhöhten
Bezugszeichen versehen.
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Die
Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin,
daß die Kugelrillen der Stützscheibe 326 und
der beiden Stellscheiben 328, 328' so gestaltet
sind, daß – ausgehend von einer Endposition, in
der die Scheiben aneinander angenähert sind – durch
Verdrehen der Stützscheibe 326 in eine erste Drehrichtung
R1 nur die erste Stellscheibe 328 zum Betätigen
der Zuschaltkupplung 304 axial beaufschlagt wird, und daß durch
Verdrehen der Stützscheibe 326 in einer entgegengesetzt
gerichteten zweiten Drehrichtung R2 zusätzlich zur ersten Stellscheibe 328 auch
die zweite Stellscheibe 328' zum Betätigen der
Sperrkupplung 305 axial beaufschlagt wird.
-
Ein
bevorzugtes Profil der Kugelrillen 329, 329' für
diese Ausführungsform wird nachstehend anhand der Zeichnungsfigur 8 erläutert.
-
Es
ist hier die Stützscheibe 326 gezeigt, wobei in 8a die der Zuschaltkupplung 304 zugewandte
erste Stirnseite erkennbar ist und in 8d die
der Sperrkupplung 305 zuwandte zweite Stirnseite erkennbar
ist. Ausgehend von einem zentralen Abschnitt 350, bei dem
sich die Kugeln in den Bereichen größter Rillentiefe
befinden (Punkt P), laufen die Kugeln bei Drehung der Stützscheibe 326 in
einer ersten Drehrichtung R1 entlang dem ersten Rillenabschnitt 351 zwischen
der Stützscheibe 326 und der ersten Stellscheibe 328 in
Bereiche geringerer Tiefe. Dabei wandern die Kugeln, welche zwischen
der Stützscheibe 326 und der zweiten Stellscheibe 328' gehalten
sind, ausgehend vom Punkt P' entlang dem ersten Rillenabschnitt 351',
welcher eine gleichbleibende Tiefe hat. Auf diese Weise wird allein
die Zuschaltkupplung 304 betätigt, wobei das zu übertragende
Drehmoment variabel einstellbar ist, während die Sperrkupplung 305 vollständig
geöffnet bleibt, das heißt die Differentialeinheit 303 als
offenes Differential arbeitet.
-
Durch
Drehung der Stützscheibe 326 in einer der ersten
Richtung R1 entgegengesetzten zweiten Richtung R2 wandern die Kugeln,
die zwischen der Stützscheibe 326 und der ersten
Stellscheibe 328 gehalten sind, zunächst entlang
dem ebenen zentralen Abschnitt 350 über einen
Winkelbereich b. Entsprechend wandern die Kugeln, die zwischen der
Stützscheibe 326 und der zweiten Stellscheibe 328' gehalten
sind, in den Kugelrillen 329' entlang dem Rillenabschnitt 350' innerhalb
des Winkelbereiches b in Bereiche geringerer Tiefe, so daß die
Sperrkupplung 305 zunächst nur leicht angefahren
wird. Dabei hebt sich die Stützscheibe 326 vom
Kugellager 375 ab. Innerhalb dieses Winkelbereichs b befinden
sich die Kugeln zur Betätigung der Zuschaltkupplung 304 innerhalb
des ebenen Abschnitts 350, so daß die Zuschaltkupplung 304 unbetätigt
bleibt.
-
Bei
weiterem Drehen der Stützscheibe 326 in der Richtung
R2 wandern die Kugeln in den ersten Kugelrillen 329 entlang
der zweiten Rillenabschnitte 352 innerhalb des Winkelbereichs
c in Bereiche geringerer Tiefe, so daß auf diese Weise
die Zuschaltkupplung 304 zusätzlich zur Sperrkupplung 305 betätigt
wird. Parallel hierzu laufen die Kugeln für die Sperrkupplung 305 entlang
der dritten Rillenabschnitte 352', welche eine konstante
Tiefe haben und sich über einen Winkelbereich c2 erstrecken.
Das heißt bei Betätigung der Kugelrampenanordnung derart,
daß die Kugeln in den Kugelrillen 329, 329' innerhalb
der Winkelbereiche c bzw. c2 laufen, ist die Zuschaltkupplung 304 zwischen
einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung variabel steuerbar
ist, so daß entsprechend nach Bedarf Drehmoment auf die
hintere Achse übertragen werden kann.
-
Mit
der vorliegenden Ausführungsform wird eine Antriebsanordnung
bereitgestellt, welche zunächst ein Schließen
der Sperrkupplung 305 gegen die Kraft der Federmittel ermöglicht.
Durch weiteres Drehen der Stützscheibe 326 wird über
die lediglich der Zuschaltkupplung 304 zugeordneten Kugelabschnitte 352 mit
Steigung die Komprimierung der Zuschaltkupplung 304 eingeleitet.
Dabei verhält sich das Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 304 proportional
zum Kupplungsmoment der Sperrkupplung 305. Auf diese Weise
wird das Stützlager 375 entlastet, da die Aktuierungskräfte
proportional auf beide Kupplungen 304, 305 wirken.
-
Sämtliche
der vorstehend genannten Ausführungsformen bieten den Vorteil,
daß die Antriebsanordnung sowohl eine Funktion zum Sperren
der Differentialeinheit, als auch eine Zuschaltfunktion zum Zuschalten
der Antriebsachse an einen Hauptantriebsstrang ermöglicht,
wobei lediglich ein einziger Aktuator erforderlich ist. Durch entsprechend
geeignete Wahl der Steigungen und Winkelpositionen der Scheiben
der Kugelrampenanordnungen können entsprechend unterschiedliche
Schaltreihenfolgen realisiert werden. Durch die Anordnung der Kugelrampenanordnungen
an und koaxial zum Differentialkorb können eine Winkeltriebabschaltung
zur Steigerung der Energieeffizienz und eine Sperrenfunktion in kompakter
und kostengünstiger Form kombiniert werden.
-
- 2
- Antriebsanordnung
- 3
- Differentialeinheit
- 4
- Zuschaltkupplung
- 5
- Sperrkupplung
- 6
- Aktuator
- 7
- Tellerrad
- 8
- Hohlwelle
- 9
- Lagermittel
- 10
- Gehäuse
- 11
- Längsverzahnung
- 12
- erstes
Kupplungsteil
- 13
- zweites
Kupplungsteil
- 14
- Lamellenpaket
- 15
- Differentialträger/Differentialkorb
- 16
- Differentialräder
- 17
- Zapfen
- 18
- Seitenwellenräder
- 19
- Seitenwelle
- 22
- erstes
Kupplungsteil
- 23
- Lagermittel
- 24
- zweites
Kupplungsteil
- 25
- Hülsenansatz
- 26
- Stützscheibe
- 27
- Schulter
- 28
- Stellscheibe
- 29
- Kugelrille
- 30
- Kugelrille
- 32
- Käfig
- 33
- Axiallager
- 34
- Druckplatte
- 35
- Stellfeder
- 36
- Formeingriffsmittel
- 37
- Betätigungshebel
- 38
- Schwenkachse
- 39
- erstes
Ende
- 40
- zweites
Ende
- 41
- Ausnehmung
- 42
- erstes
Kupplungsteil
- 43
- Längsverzahnung
- 44
- zweites
Kupplungsteil
- 45
- Stirnverzahnung
- 46
- Längsverzahnung
- 47
- Stirnverzahnung
- 48
- Lagermittel
- 49
- Lagermittel
- 50
- zentraler
Abschnitt
- 51
- erster
Abschnitt
- 52
- zweiter
Abschnitt
- 53
- erster
Abschnitt
- 54
- zweiter
Abschnitt
- 55
- dritter
Abschnitt
- 56
- vierter
Abschnitt
- 160
- Federmittel
- 161
- Deckelteil
- 162
- erster
Durchbruch
- 163
- Betätigungsstempel
- 164
- Hülsenansatz
- 165
- zweiter
Durchbruch
- 166
- zweiter
Betätigungsstempel
- 167
- Druckplatte
- 168
- Lamellenpaket
- 169
- Kugel
- 170
- hülsenförmiger
Ansatz
- 171
- Wälzlager
- 172
- Sicherungsring
- 173
- Federmittel
- 275
- Stützlager
- 276
- Verdrehsicherungsmittel
- 277
- Axiallager
- 278
- Axiallager
- 279
- Kugel
- a–e
- Winkelerstreckung
- A
- Drehachse
- S
- Schwenkachse
- H
- Hebelarm
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0466863
B1 [0002]
- - DE 3815225 A1 [0003]
- - DE 10160026 A1 [0004]
- - DE 102008037885 [0005]