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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 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 einem Eingangsteil, das um eine Drehachse A drehend antreibbar
ist, 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 Antriebswelle; eine
extern steuerbare Sperrkupplung zum Sperren der Ausgleichsbewegung
zwischen beiden Ausgangsteilen der Differentialeinheit; eine erste
hydraulische Betätigungseinheit zum Betätigen
der Zuschaltkupplung; und eine zweite hydraulische Betätigungseinheit
zum Betätigen der Sperrkupplung; wobei die erste hydraulische
Betätigungseinheit, die Zuschaltkupplung, die zweite hydraulische
Betätigungseinheit und die Sperrkupplung koaxial zur Drehachse
A angeordnet sind.
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Die
erfindungsgemäße Antriebsanordnung hat den Vorteil,
daß sie zwei Funktionalitäten ermöglicht,
nämlich das Zuschalten eines sekundären Antriebsstrangs
als auch das Sperren der Ausgleichsbewegung der Differentialeinheit,
und dabei kompakt aufgebaut ist. Die Betätigung der ersten
hydraulischen Betätigungseinheit und der zweiten hydraulischen
Betätigungseinheit kann mittels einer einzigen Pumpe bewerkstelligt
werden, wobei in einer einfachsten Ausführung die Höhe
des hydraulischen Drucks und damit der Sperrgrad der Kupplungen durch
die Pumpenleistung eingestellt wird. Dadurch, daß die Zuschaltkupplung
und die Sperrkupplung sowie die entsprechenden hydraulischen Betätigungseinheiten
koaxial zueinander bzw. zur Drehachse der Differentialeinheit angeordnet
sind, wird ein modularer Aufbau erreicht, der eine einfache Integration
in bestehende Bauraumkonzepte ermöglicht. Ein weiterer
Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung
besteht darin, daß der Winkeltrieb, mit dem Drehmoment
von der Längsantriebswelle in die Antriebsanordnung eingeleitet
wird, bei geöffneter Zuschaltkupplung stillsteht. Auf diese
Weise lassen sich Planschverluste, welche durch Drehung des Tellerrads
um die Drehachse entstehen, sowie Reibungsverluste in den Lagern
des Tellerrads und des Antriebsritzels, insbesondere aufgrund der
Vorspannung, reduzieren. Dies wirkt sich wiederum günstig auf
den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs aus.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung ist genau eine hydraulische Pumpe
vorgesehen, welche sowohl mit der ersten hydraulischen Betätigungseinheit
als auch mit der zweiten hydraulischen Betätigungseinheit
zur Druckerzeugung hydraulisch verbunden ist. Auf diese Weise wird
die Teilezahl der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung
gering gehalten, was sich günstig auf das Bauvolumen und
damit das Gewicht auswirkt. Die Pumpe kann prinzipiell beliebig
gestaltet sein, beispielsweise in Form einer Gerotorpumpe oder Flügelzellenpumpe.
Vorzugsweise wird die Pumpe mittels eines Elektromotors angetrieben,
der wiederum von einer elektronischen Regeleinheit zur Regelung
der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs angesteuert wird. Die Höhe
des hydraulischen Drucks ist dabei durch die Drehzahl des Elektromotors
variabel einstellbar, das heißt das auf die Antriebsachse
zu übertragende Drehmoment wird von der elektronischen
Regeleinheit in Abhängigkeit vom Fahrzustand ermittelt,
und der Elektromotor entsprechend angesteuert, um die Zuschaltkupplung
bzw. die Sperrkupplung bedarfsgerecht zu betätigen. Durch
entsprechende Leistungsabgabe des Elektromotors kann die Zuschaltkupplung
und gegebenenfalls die Sperrkupplung zwischen einer Offenstellung, in
der kein Drehmoment vom Kupplungseingangsteil auf das Kupplungsausgangsteil übertragen
wird, und einer Schließstellung, in der die Kupplung vollständig geschlossen
ist und das Eingangsteil gemeinsam mit dem Ausgangsteil rotiert,
gesteuert werden. Für eine hohe Stellgenauigkeit ist es
vorteilhaft, wenn ein Drucksensor im Hydrauliksystem vorgesehen
ist, der entsprechende Daten and die elektronische Regeleinheit
weitergibt.
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Nach
einer ersten Ausführungsform ist in der Hydraulikanordnung
ein Schaltventil vorgesehen, das zum Zuschalten der Sperrkupplung über
die entsprechende hydraulische Betätigungseinheit dient. Das
Sperrventil ist in einem Verbindungskanal zwischen der Pumpe und
der hydraulischen Betätigungseinheit angeordnet, und ist
zwischen einer Offenstellung, in der hydraulischer Druck auf die
zweite hydraulische Betätigungseinheit übertragen
wird, und einer Schließstellung, in der die hydraulische Druckzufuhr
unterbrochen ist, schaltbar. In der Schließstellung wird
lediglich hydraulischer Druck auf die erste hydraulische Betätigungseinheit
zum Betätigen der Zuschaltkupplung übertragen,
während die zweite hydraulische Betätigungseinheit nicht
beaufschlagt wird und die Schaltkupplung geöffnet ist.
Die Differentialeinheit funktioniert in dieser Schaltstellung als
offenes Differential, das heißt es wird keine Sperrung
zwischen den Ausgangsteilen erzeugt. Demgegenüber wird
in der Offenstellung des Schaltventils hydraulischer Druck sowohl
auf die erste Betätigungseinheit für die Zuschaltkupplung
als auch auf die zweite Betätigungseinheit für
die Sperrkupplung übertragen, so daß Drehmoment
von der primären Antriebsachse auf die sekundäre
Antriebsachse übertragen wird und die Differentialeinheit
gesperrt wird.
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Der
ersten hydraulischen Betätigungseinheit und der zweiten
hydraulischen Betätigungseinheit werden bei dieser Ausführungsform
derselbe hydraulische Druck zugeführt. Dabei stehen das
erzeugbare Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung und das erzeugbare
Kupplungsmoment der Sperrkupplung in einem festen Verhältnis
zueinander. Dieses Verhältnis wird im wesentlichen durch
das Verhältnis der Kolbenflächen der beiden hydraulischen
Betätigungseinheiten zueinander sowie die Geometrie und Anzahl
der Kupplungslamellen der beiden Kupplungen beeinflußt.
Durch entsprechendes Ansteuern der Pumpe wird das zu übertragende
Drehmoment der Zuschaltkupplung in Abhängigkeit von dem
Fahrzustand des Kraftfahrzeugs bedarfsgerecht geregelt. Ist zusätzlich
eine Sperrfunktion der Differentialeinheit gewünscht, wird
das Schaltventil entsprechend in die Offenstellung überführt.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform ist zum Zuschalten der Sperrkupplung
mittels der entsprechenden hydraulischen Betätigungseinheit
ein Proportionalventil vorgesehen. Das Proportionalventil, das vorzugsweise
in einem Verbindungskanal zwischen der Pumpe und der zweiten hydraulischen
Betätigungseinheit angeordnet ist, ist zwischen einer Offenstellung,
in der hydraulischer Druck auf die zweite hydraulische Betätigungseinheit übertragen wird,
und einer Schließstellung, in der die hydraulische Druckzufuhr
unterbrochen ist, variabel einstellbar.
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Durch
diese Ausgestaltung kann sowohl das von der Zuschaltkupplung übertragene
Drehmoment variabel eingestellt werden, und zwar durch entsprechendes
Ansteuern der Pumpe, als auch das von der Sperrkupplung zu übertragende
Drehmoment, und zwar durch entsprechendes Ansteuern des Proportionalventils.
Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Drehmomentverteilung
auf die zuschaltbare Antriebsachse bzw. die einzelnen Räder
der Antriebsachse, so daß die Fahrstabilität und
Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs auch bei sich ändernden
Betriebssituationen stets gewährleistet ist. Ist die Sperrenfunktion
erforderlich, so wird das Proportionalventil entsprechend verstellt,
so daß die Sperrkupplung von der zweiten hydraulischen
Betätigungseinheit entsprechend beaufschlagt wird. 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 dritten Ausführungsform umfaßt die Hydraulikanordnung
ein erstes Proportionalventil, mit dem die erste hydraulische Betätigungseinheit
für die Zuschaltkupplung variabel steuerbar ist, sowie ein
zweites Proportionalventil, mit dem die zweite hydraulische Betätigungseinheit
für die Sperrkupplung variabel steuerbar ist. Variabel
steuerbar heißt in diesem Zusammenhang, daß das
jeweilige Proportionalventil jede Zwischenstellung zwischen einer
Offenstellung und einer Schließstellung einnehmen kann,
so daß auch das jeweils zu übertragende Drehmoment
genau nach Bedarf eingestellt werden kann.
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Durch
diese Ausgestaltung können sowohl das von der Zuschaltkupplung übertragene
Drehmoment als auch das von der Sperrkupplung zu übertragende
Drehmoment durch entsprechendes Ansteuern des jeweils zugehörigen
Proportionalventils eingestellt werden. Eine Steuerung durch Variieren
der Pumpenleistung ist hier nicht erforderlich. Zuschaltkupplung
und Sperrkupplung lassen sich vollständig unabhängig
voneinander schalten, was ein höchstes Maß an
Flexibilität für die Regelung der Fahrdynamik des
Kraftfahrzeugs ermöglicht. Insbesondere ist mit dieser
Ausführungsform auch eine Steuerung dergestalt möglich,
daß bei offener Zuschaltkupplung die Sperrkupplung geschlossen
wird. Auf diese Weise wird die sekundäre Antriebsachse
gesperrt, was eine fahrstabilisierende Wirkung bei Geradeausfahrt
des Kraftfahrzeugs hat.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung, die für alle der obengenannten
Ausführungsformen gilt, ist ein weiteres Schaltventil in
einem Verbindungskanal zwischen der Pumpe und einem Drucksensor
angeordnet, das zwischen einer Offenstellung, in der hydraulischer
Druck auf die erste Betätigungseinheit übertragen
wird, und einer Schließstellung, in der die hydraulische
Druckzufuhr unterbrochen ist, schaltbar ist. Dieses Schaltventil
ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Reduktion des Energieverbrauchs
der Pumpe, insbesondere bei längerer Aktuierungsdauer.
In der Schießstellung wird die hydraulische Leitung geschlossen,
so daß der hydraulische Druck im Leitungssytem auch ohne
laufende Pumpe aufrechterhalten wird. Die Pumpe kann abgeschaltet
werden, was sich günstig auf den Energieverbrauch auswirkt. In
der Offenstellung des Schaltventils wird die Pumpe wieder mit dem
Hydrauliksystem verbunden und erzeugt einen hydraulischen Druck
zum Beaufschlagen der ersten bzw. der zweiten hydraulischen Betätigungseinheit.
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Die
Zuschaltkupplung ist vorzugsweise zwischen der Antriebswelle und
dem Eingangsteil der Differentialeinheit wirksam angeordnet und
die Sperrkupplung ist vorzugsweise zwischen dem Eingangsteil und
einem der Ausgangsteile der Differentialeinheit wirksam angeordnet.
Für einen kompakten Aufbau ist es günstig, wenn
die Sperrkupplung und die Zuschaltkupplung in Bezug auf eine Mittelebene
der Differentialeinheit, welche durch die Radialachsen der Differentialräder
aufgespannt wird, auf einer gemeinsamen Seite angeordnet sind. Weiter
ist es hinsichtlich des sogenannten Packaging und für eine gute
Krafteinleitung von Vorteil, wenn die erste hydraulische Betätigungseinheit
und die zweite hydraulische Betätigungseinheit axial zwischen
der Sperrkupplung und der Zuschaltkupplung angeordnet sind. Die
Anschlüsse für die erste bzw. zweite hydraulische Betätigungseinheit
sind damit nah beieinander, so daß sich kurze Leitungswege
ergeben.
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Die
Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung werden nach dem zu übertragenden
Drehmoment ausgelegt, wobei ein kompakter Bauraum erreicht wird,
wenn die Sperrkupplung und die Zuschaltkupplung etwa denselben wirksamen
Reibradius aufweisen. Es ist vorgesehen, daß die Zuschaltkupplung
von der ersten hydraulischen Betätigungseinheit über
eine erste Druckplatte beaufschlagbar ist und, daß die
Sperrkupplung von der zweiten hydraulischen Betätigungseinheit über
eine zweite Druckplatte beaufschlagbar ist, wobei die erste und
zweite Druckplatte bei Betätigung voneinander weg beaufschlagt
werden. Die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung sind vorzugsweise
in einem Gehäuse aufgenommen, das aus mehreren Gehäuseteilen
zusammengesetzt sein kann, und gegenüber diesem axial abgestützt.
Hierdurch wird eine gute Abstützung der Axialkräfte
und Einleitung in das Gehäuse bei Betätigung der
Zuschaltkupplung bzw. der Sperrkupplung erreicht.
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Vorzugsweise
sind die erste hydraulische Betätigungseinheit und die
zweite hydraulische Betätigungseinheit jeweils in Form
einer Kolben-Zylinder-Einheit gestaltet. Ein besonders günstiger
Aufbau im Sinne eines Gleichteilekonzepts wird dadurch erreicht,
daß die Kolben-Zylinder-Einheiten gleich gestaltet sind.
Die Kolben sind vorzugsweise als Ringkolben gestaltet und koaxial
zur Drehachse A angeordnet.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Zuschaltkupplung in Form
einer Reiblamellenkupplung gestaltet, wobei ein erster Lamellenträger der
Zuschaltkupplung zumindest mittelbar mit der Antriebswelle drehfest
verbunden ist und wobei ein zweiter Lamellenträger der
Zuschaltkupplung zumindest mittelbar mit dem Eingangsteil der Differentialeinheit
drehfest verbunden ist. Die Ausgestaltung der Zuschaltkupplung als
Reiblamellenkupplung hat den Vorteil, daß das zu übertragende
Drehmoment durch entsprechendes Ansteuern der ersten hydraulischen
Betätigungseinheit 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.
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Vorzugsweise
ist auch die Sperrkupplung in Form einer Reiblamellenkupplung gestaltet
ist, wobei ein erster Lamellenträger der Sperrkupplung
zumindest mittelbar mit dem Differentialträger der Differentialeinheit
drehfest verbunden ist und wobei ein zweiter Lamellenträger
der Sperrkupplung zumindest mittelbar mit einem Seitenwellenrad
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 mit Hydraulikanordnung
in einer ersten Ausführungsform im Längshalbschnitt;
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2 eine
erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit Hydraulikanordnung
in einer zweiten Ausführungsform im Längshalbschnitt;
und
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3 eine
erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit Hydraulikanordnung
in einer dritten Ausführungsform im Längshalbschnitt.
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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 hegende Antriebsachse
bei Bedarf Zuschalten kann, eine Sperrkupplung 5 zum Bedarfsweisen
Sperren der Ausgleichsbewegung der Differentialeinheit 3 sowie
eine erste Betätigungseinheit 6 zum Betätigen
der Zuschaltkupplung 4 und eine zweite Betätigungseinheit 21 zum
Betätigen der Sperrkupplung 5.
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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 mit einem Flansch einer Antriebswelle 8, die als Hohlwelle
gestaltet ist, und über Lagermittel 9, 9' um
eine Drehachse A in dem Gehäuse 10 der Antriebsanordnung 2 drehbar
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 Differentialträger 15 der
Differentialeinheit 3 verbunden und vorzugsweise einteilig
mit diesem gestaltet. In dem Differentialträger 15,
welcher auch als Differentialkorb bezeichnet werden kann, sind Differentialräder 16 auf
Zapfen 17 drehbar gelagert und rotieren gemeinsam mit dem
Differentialträger 15 um die Drehachse A. Die
Differentialräder 16 kämmen mit Seitenwellenrädern 18, 18',
welche koaxial zur Drehachse A angeordnet sind und über
Anlaufscheiben axial gegenüber dem Differentialträger 15 abgestützt
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 auf der Seitenwelle 19 drehbar
gelagert ist, und einen Hülsenansatz 25 aufweist.
Mittels des Hülsenansatzes 25 ist der Differentialträger 15 mit
dem Eingangsteil der Sperrkupplung 5 drehfest verbunden.
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Die
erste hydraulische Betätigungseinheit 6 ist in
Form einer Kolben-Zylinder-Einheit gestaltet und umfaßt
einen Ringkolben 26, der in einem ringförmigen
Zylinder 27 axial beweglich einsitzt. Der Ringkolben 26 und
der ringförmige Zylinder 27 sind koaxial zur Drehachse
A bzw. koaxial zur Zuschaltkupplung 4 angeordnet. Der Ringkolben 26 ist
gegenüber der äußeren Wandung und der
inneren Wandung des Zylinders mittels Ringdichtungen 28, 29 abgedichtet.
Der Ringkolben 26 begrenzt eine vorzugsweise ringförmige
Hydraulikkammer 30, das heißt bei Erzeugen eines
hydraulischen Drucks in der Hydraulikkammer 30 wird der
Ringkolben 26 axial in Richtung Zuschaltkupplung 4 beaufschlagt.
Dies führt zum Komprimieren des Lamellenpaketes 14 der
Zuschaltkupplung 4 und damit zum antriebsmäßigen Verbinden
der se kundäre Antriebsachse an die Längsantriebswelle.
Die Hydraulikkammer 30 ist über einen Kanal mit
einem Anschluß 31 verbunden, der zum Verbinden
mit einer Leitung 53 der Hydraulikanordnung 50 dient.
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Der
Ringkolben 26 hat an seiner der Hydraulikkammer 30 entgegengesetzt
gerichteten Stirnseite eine Ausnehmung, in der ein Axiallager 33 angeordnet
ist. Der Ringkolben 26 ist über das Axiallager 33 gegenüber
einer Druckplatte 34 axial abgestützt. Durch axiales
Verschieben des Ringkolbens 26 wird entsprechend auch die
Druckplatte 34 axial verschoben, welche 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
in vollständig geschlossenem Zustand der Zuschaltkupplung 4 Drehmoment
vom Tellerrad 7 auf die Seitenwellen 19, 19' übertragen
wird. Zur Abstützung der Axialkräfte, die beim
Betätigen der Zuschaltkupplung 4 entstehen ist
ein Axiallager 37 vorgesehen, das axial zwischen einer
Anlauffläche des Gehäuses 10 und einer
Stützfläche des ersten Kupplungsteils 12 angeordnet
ist. Zwischen der Druckplatte 34 und dem zweiten Kupplungsteil 24 ist
eine Rückstellfeder 35 angeordnet, welche in unbetätigten Zustand
der Betätigungseinheit 6 die Druckplatte 34 wieder
zurückstellt, das heißt in Richtung Hydraulikkammer 30 axial
beaufschlagt. Die Rückstellfeder 35 ist vorliegend
in Form einer Tellerfeder gestaltet; wobei auch andere Formen denkbar
sind, beispielsweise Schraubenfedern.
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Die
Sperrkupplung 5 umfaßt ein erstes Kupplungsteil 42,
das über eine Längsverzahnung 43 mit dem
Differentialträger 15 drehfest verbunden ist,
sowie ein zweites Kupplungsteil 44, das über eine Längsverzahnung 46 mit
der Seitenwelle 19 drehfest verbunden ist. Es ist ersichtlich,
daß die Sperrkupplung 5 in Form einer Reiblamellenkupplung
gestaltet ist, wobei das erste Kupplungsteil 42 einen Innenlamellenträger
umfaßt, mit dem Innenlamellen drehfest und axial verschieblich
verbunden sind, und das zweite Kupplungsteil 44 einen Außenlamellenträger, mit
dem Außenlamellen drehfest und axial verschieblich verbunden
sind. Die Außenlamellen und Innenlamellen sind axial abwechselnd
angeordnet und bilden zusammen das Lamellenpaket 45.
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Das
erste Kupplungsteil 42 hat insbesondere zwei Hülsenabschnitte
und einen diese verbindenden Flanschabschnitt. Das zweite Kupplungsteil 44, das
im Längsschnitt etwa C-förmig gestaltet ist, ist über
ein Axiallager 47 gegenüber dem Gehäuse 10 axial
abgestützt.
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Die
zweite hydraulische Betätigungseinheit 21 ist,
wie die erste Betätigungseinheit 6, in Form einer
Kolben-Zylinder-Einheit gestaltet und umfaßt einen Ringkolben 26',
der in einem ringförmigen Zylinder 27' axial beweglich
einsitzt. Ringkolben 26' und Zylinder 27' sind
koaxial zur Drehachse A bzw. koaxial zur Sperrkupplung 5 angeordnet.
Der Ringkolben 26' ist gegenüber der äußeren
Wandung und der inneren Wandung des Zylinders 27' mittels
Ringdichtungen 28', 29' abgedichtet. Der Ringkolben 26' begrenzt
eine Hydraulikkammer 30', das heißt bei Erzeugen
eines hydraulischen Drucks in der Hydraulikkammer 30' wird
der Ringkolben 26' axial in Richtung Sperrkuppung 5 beaufschlagt.
Die Hydraulikkammer 30' ist über einen Kanal mit
einem Anschluß 31' verbunden, der zum Verbinden
mit einem Kanal 57 einer Hydraulikanordnung dient.
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Der
Ringkolben 26' hat an seiner der Hydraulikkammer 30' entgegengesetzt
gerichteten Stirnseite eine Ausnehmung, in der ein Axiallager 33' angeordnet
ist, über welches der Ringkolben 26' gegenüber einer
Druckplatte 34' axial abgestützt ist. Durch axiales
Verschieben des Ringkolbens 26' wird die Druckplatte 34' axial
verschoben, welche das Lamellenpaket 36 axial beaufschlagt.
Auf diese Weise wird Drehmoment vom Differentialträger 15 auf
die Seitenwelle 19 übertragen. In vollständig
geöffnetem Zustand der Sperrkupplung 5 können
die Seitenwellenräder 18, 18' frei gegeneinander
drehen; die Differentialeinheit funktioniert als sogenanntes offenes
Differential. Im geschlossenem Zustand der Sperrkupplung 5 wird die
Drehbewegung der Seitenwelle 19 an die des Differentialträgers 15 angepaßt,
so daß die Ausgleichsbewegung zwischen den Seitenwellenrädern 18, 18' bzw.
den damit verbundenen Seitenwellen 19 reduziert wird. Zwischen
der Druckplatte 34' und dem zweiten Kupplungsteil 42 ist
eine Rückstellfeder 35' angeordnet, welche in
unbetätigten Zustand der Betätigungseinheit 21 die
Druckplatte 34' wieder zurückstellt, so daß die
Sperrkupplung 5 wieder gelüftet wird. Die Rückstellfeder 35' ist
vorliegend in Form einer Tellerfeder gestaltet; wobei auch andere
Formen denkbar sind, beispielsweise Schraubenfedern.
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Die
erste und zweite hydraulische Betätigungseinheit 6, 21 sind
im Gehäuse 10 axial zwischen den beiden Kupplungen 4, 5 angeordnet.
Ein ringförmiges Gehäuseteil 38 bildet
einen Trennsteg zwischen den beiden Hydraulikkammern 30, 30'.
Aufgrund der Anordnung der beiden hydraulischen Betätigungseinheiten 6, 21 unmittelbar
benachbart zueinander ergeben sich in vorteilhafter Weise kurze
Leitungswege für die Hydraulikanordnung.
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Im
folgenden wird die Hydraulikanordnung 50 der Antriebsanordnung 2 näher
erläutert. Die Hydraulikanordnung 50 umfaßt
eine Pumpe 51, die Hydraulikflüssigkeit aus einem
Reservoir 52 fördern und so einen hydraulischen
Druck zum Betätigen der ersten und zweiten Betätigungseinheit 6, 21 erzeugen kann.
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In
der die Pumpe 51 mit der ersten Betätigungseinheit 6 bzw.
der zweiten Betätigungseinheit 21 verbindenden
Leitung 53 ist ein Drucksensor 54 vorgesehen,
welcher den Druck in der Leitung erfaßt und als Eingangsgröße
ein Signal an die elektronische Regeleinheit, welche die Fahrdynamik
des Kraftfahrzeugs regelt, weitergibt. Die Pumpe 51 wird vorzugsweise
mittels eines Elektromotors 55 angetrieben, der wiederum
von der elektronischen Regeleinheit angesteuert wird. Durch die
Leistungsabgabe des Elektromotors 55 wird der von der Pumpe 51 erzeugte
hydraulische Druck eingestellt, so daß das auf die zuschaltbare
sekundäre Antriebsachse übertragbare Drehmoment
in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Kraftfahrzeugs bedarfsweise
eingestellt werden kann.
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Die
Hydraulikanordnung 50 umfaßt ferner ein Schaltventil 56,
daß zum Zuschalten der Sperrkupplung 5 mittels
der entsprechenden hydraulischen Betätigungseinheit 21 dient.
Das Schaltventil 56, welches in einem Verbindungskanal 57 angeordnet
ist, kann in einer Offenstellung, in der hydraulischer Druck auf
die zweite hydraulische Betätigungseinheit 21 übertragen
wird, und einer Schließstelleung, in der die hydraulische
Druckzufuhr unterbrochen ist, geschaltet werden. In der Schließstellung wird
lediglich hydraulischer Druck von der Pumpe 51 auf die
erste hydraulische Betätigungseinheit 6 übertragen,
während die zweite hydraulische Betätigungseinheit 21 nicht
beaufschlagt wird. In dieser Schaltstellung ist die Schaltkupplung 5 geöffnet,
so daß die Differentialeinheit 3 als offenes Differential fungiert,
wobei keine Sperrung zwischen den Seitenwellenrädern 18, 18' erzeugt
wird. In der Offenstellung des Schaltventils 56 wird hydraulischer
Druck sowohl auf die erste Betätigungseinheit 6 als
auch auf die zweite Betätigungseinheit 21 übertragen,
so daß Drehmoment von der primären Antriebsachse auf
die sekundäre Antriebsachse übertragen wird und
zusätzlich die Differentialeinheit 3 gesperrt
wird.
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Optional
kann die Hydraulikanordnung 50 ein zweites Schaltventil 58 aufweisen,
daß beispielsweise in der Leitung 53 anzuordnen
wäre und in der vorliegenden Darstellung gestrichelt gezeigt
ist. Das Schaltventil 58 ist zwischen einer Offenstellung,
in der hydraulischer Druck auf die erste Betätigungseinheit 6 bzw.
die zweite Betätigungseinheit 21 übertragen
wird, und einer Schließstellung, in der die hydraulische
Druckzufuhr unterbrochen ist, schaltbar. In der Schließstellung
wird die hydraulische Leitung 53 geschlossen, so daß der
hydraulische Druck im Leitungssystem auch ohne aktivierte Pumpe 51 aufrechterhalten
wird. Der Elektromotor 55 und damit die Pumpe 51 können
abgeschaltet werden, was sich günstig auf den Energieverbrauch
auswirkt. Dies bietet sich insbesondere bei längerer Aktuierungsdauer der
Zuschaltkupplung 4 bzw. der Sperrkupplung 5 an. In
der Offenstellung des Schaltventils 58 wird die Pumpe 51 wieder
mit dem Hydrauliksystem verbunden und erzeugt einen hydraulischen
Druck zum Beaufschlagen der ersten bzw. der zweiten hydraulischen
Betätigungseinheit 6, 21.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform werden die erste hydraulische
Betätigungseinheit 6 und die zweite hydraulische
Betätigungseinheit 21 mit dem selben hydraulischen
Druck von der Pumpe 51 beaufschlagt. Dabei stehen das erzeugbare
Kupplungsmoment der Zuschaltkupplung 4 und das erzeugbare
Kupplungsmoment der Sperrkupplung 5 in einem festen Verhältnis
zueinander. Durch entsprechendes Ansteuern der Pumpe 51 wird
das zu übertragende Drehmoment der Zuschaltkupplung 5 in
Abhängigkeit von dem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs bedarfsgerecht
geregelt. Wann zusätzlich eine Sperrfunktion der Differentialeinheit 3 gewünscht
ist, wird das Schaltventil 56 entsprechend in die Offenstellung überführt.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 2 in
einer zweiten Ausführungsform, die weitestgehend derjenigen
aus 1 entspricht. Insofern wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten
auf die obige Beschreibung Bezug genommen, wobei gleiche bzw. einander
entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Die
Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform besteht darin,
daß zum Aktuieren der Sperrkupplung 5 mittels
der hydraulischen Betätigungseinheit 21 ein Proportionalventil 59 vorgesehen ist.
Das Proportionalventil 59, das in dem Verbindungskanal 57 zwischen
der Pumpe und dem Anschluß 31 angeordnet ist,
ist zwischen einer Offenstellung, in der hydraulischer Druck auf
die zweite hydraulische Betätigungseinheit 21 übertragen
wird, und einer Schließstellung, in der die hydraulische Druckzufuhr
unterbrochen ist, variabel einstellbar. Zwischen dem Proportionalventil 59 und
dem Reservoir 52 ist eine Rücklaufleitung 60 vorgesehen,
welche gestrichelt dargestellt ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht, das neben dem von der Zuschaltkupplung 4 übertragene
Drehmoment, das durch entsprechendes Ansteuern der Pumpe 51 variabel
einstellbar ist, auch das von der Sperrkupplung 5 übertragbare
Drehmoment variabel einstellbar ist, und zwar durch entsprechendes
Ansteuern des Proportionalventils 59. Dies ermöglicht eine
bedarfsgerechte Drehmomentverteilung auf die zuschaltbare Antriebsachse
und ein Reduzieren der Ausgleichsbewegung der Seitenwellen, so daß die Fahrdynamik
des Kraftfahrzeugs genau geregelt werden kann. Insgesamt ergibt
sich, wie schon bei der ersten Ausführungsform, der Vorteil,
daß mit nur einer einzigen Pumpe sowohl die Zuschaltkupplung 4 als
auch die Sperrkupplung 5 betätigt werden können.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 2 in
einer dritten Ausführungsform, die weitestgehend derjenigen
aus 2 entspricht. Insofern wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten
auf die obige Beschreibung Bezug genommen, wobei gleiche bzw. einander
entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Die
vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Hydraulikanordnung 50 ein erstes Proportionalventil 39 zum
Steuern des auf die erste hydraulischen Betätigungseinheit 6 übertragenen
hydraulischen Drucks aufweist, sowie ein zweites Proportionalventil 59 zum
Steuern des auf die zweite hydraulische Betätigungseinheit 21 übertragenen
hydraulischen Drucks. Das erste Proportionalventil 39 ist
hierfür in dem Verbindungskanal 53 zwischen der
Pumpe 51 und der ersten hydraulischen Betätigungseinheit 6 angeordnet
und ist von der elektronischen Fahrdynamikregeleinheit individuell
ansteuerbar. Zwischen dem ersten Proportionalventil 39 und
dem Reservoir 52 ist eine Rücklaufleitung 40 vorgesehen,
welche gestrichelt dargestellt ist. Das zweite Proportionalventil 59 ist
in einem Verbindungskanal 57 zwischen der Pumpe 51 und
der zweiten Betätigungseinheit 21 angeordnet und
wird ebenfalls von der elektronischen Fahrdynamikregeleinheit individuell
angesteuert.
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Mit
der vorliegenden Ausführungsform lassen sich die Zuschaltkupplung
und die Sperrkupplung vollständig unabhängig voneinander
betätigen, was ein höchstes Maß an Flexibilität
für die Regelung der Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Insbesondere ist mit dieser Ausführungsform auch eine Steuerung
möglich, bei der die Zuschaltkupplung geöffnet
und die Sperrkupplung geschlossen wird. Auf diese Weise wird die
sekundäre Antriebsachse gesperrt, was eine fahrstabilisierende
Wirkung bei Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs hat.
-
Alle
der beiden vorstehend genannten erfindungsgemäßen
Ausführungsformen bieten den Vorteil eines besonders kompakten
Aufbaus. Durch die Anordnung der ersten und zweiten Betätigungseinheit 6, 21 unmittelbar
axial nebeneinander können auch die Leitungen der Hydraulikanordnung 50 besonders
kurz gehalten werden. Dies wirkt sich wiederum günstig
auf das Ansprechverhalten, d. h. die Stellgenauigkeit und die Stellgeschwindigkeit
der Antriebsanordnung 2 aus. Des weiteren bewirkt die kurze
Leitungslänge auch einen geringen Einfluß des Hydrauliksystems 50 auf
Temperaturschwankungen, was sich ebenfalls günstig auf
die Stellgenauigkeit auswirkt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil
besteht darin, daß die Antriebsanordnung 2 sowohl
des Sperren der Differentialeinheit 3 als auch das Zuschalten der
sekundären Antriebsachse an einen Hauptantriebsstrang ermöglicht,
wobei lediglich eine einzige Pumpe 51 erforderlich ist.
Durch die Anordnung der Zuschaltkupplung 4 und der Sperrkupplung 5 samt zugehöriger
Betätigungseinheit an und koaxial zur Differentialeinheit 3 können
die Winkeltriebabschaltung zur Steigerung der Energieeffizienz und
die Sperrenfunktion in kompakter und kostengünstiger Form
kombiniert werden.
-
- 2
- Antriebsanordnung
- 3
- Differentialeinheit
- 4
- Zuschaltkupplung
- 5
- Sperrkupplung
- 6
- erste
Betätigungseinheit
- 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
- 21
- zweite
Betätigungseinheit
- 22
- erstes
Korbteil
- 23
- Lagermittel
- 24
- zweites
Korbteil
- 25
- Hülsenansatz
- 26,
26'
- Ringkolben
- 27,
27'
- Zylinder
- 28,
28'
- Ringdichtung
- 29,
29'
- Ringdichtung
- 30,
30'
- Hydraulikkammer
- 31,
31'
- Anschluß
- 32
- Käfig
- 33
- Axiallager
- 34
- Druckplatte
- 35
- Rückstellfeder
- 37
- Axiallager
- 38
- Gehäuseteil
- 39
- Proportionalventil
- 40
- Rücklauf
- 42
- erstes
Kupplungsteil
- 43
- Längsverzahnung
- 44
- zweites
Kupplungsteil
- 45
- Lamellenpaket
- 46
- Längsverzahnung
- 47
- Axiallager
- 50
- Hydraulikanordnung
- 51
- Pumpe
- 52
- Reservoir
- 53
- Leitung
- 54
- Drucksensor
- 55
- Elektromotor
- 56
- Schaltventil
- 57
- Verbindungskanal
- 58
- Schaltventil
- 59
- Proportionalventil
- 60
- Rücklauf
- A
- Drehachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0466863
B1 [0002]
- - DE 102008037885 [0003]