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Die Erfindung betrifft eine Differentialanordnung, insbesondere für den Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Differentialanordnungen der genannten Art dienen dazu, Drehmoment von einem Antriebsmotor auf die zwei Seitenwellen einer Antriebsachse aufzuteilen. Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebsanordnung mit einem Elektroantrieb und einer solchen Differentialanordnung, die von dem Elektroantrieb antreibbar ist.
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Aus der
US 6 027 422 ist eine schaltbare Synchronisiereinrichtung für ein vierradgetriebenes Kraftfahrzeug bekannt. Die Synchronisiereinrichtung kann zwischen einem Schaltzustand für einen Zweiradantrieb und einem Schaltzustand für einen Vierradantrieb geschaltet werden. Hierfür ist eine Differentialanordnung mit einer schaltbaren Klauenkupplung vorgesehen, welche in geschlossenem Zustand Drehmoment auf das Differential überträgt und in geöffnetem Zustand einen Drehmomentfluß unterbricht.
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Aus der
DE 101 51 713 A1 ist ein Differentialsystem für ein Hybridfahrzeug bekannt. Das Hybridfahrzeug umfaßt ein Vorderradantriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und ein Hinterradantriebssystem mit einem Elektromotor. Der Elektromotor treibt über ein Untersetzungsgetriebe ein Achsdifferential an, welches das Drehmoment auf die linke und rechte Seitenwelle überträgt. Es ist ein Steuersystem mit einem Sensor vorgesehen zum Erfassen des Antriebszustands und zum Erzeugen eines Motorsignals für den Elektromotor. Bei normalem Antrieb treibt der Verbrennungsmotor die Vorderräder an. Falls erforderlich, zum Beispiel beim Starten, Beschleunigen oder Durchdrehen der Vorderräder, werden über den Elektromotor zusätzlich die Hinterräder angetrieben.
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Elektromotoren haben einen begrenzten Drehzahlbereich und werden daher meist als Zusatzantrieb in einem Kraftfahrzeug verwendet, das neben dem Elektromotor einen Verbrennungsmotor als Hauptantrieb aufweist. Dabei wird der Elektromotor in erster Linie bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet, beispielsweise im Stadtverkehr, wo es zu häufigem Anfahren und Abbremsen kommt. Hier ist eine gute Traktion sowie ein gutes Anfahrverhalten aufgrund eines verhältnismäßig hohen zur Verfügung stehenden Drehmoments des Elektromotors gegeben. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten, beispielsweise bei Überlandfahrten, wird der Elektromotor abgeschaltet, damit das Schleppmoment des Elektromotors keinen negativen Effekt auf die Effizienz des Kraftfahrzeugs bzw. den Kraftstoffverbrauch hat. Zum Abschalten des Elektromotors wird eine steuerbare Kupplung verwendet, die im Antriebsstrang zwischen dem Elektromotor und dem Differentialgetriebe angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Differentialanordnung, insbesondere für eine elektromotorisch antreibbare Antriebsachse im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, vorzuschlagen, die eine zuverlässige Erkennung des Schaltzustands der Kupplung ermöglicht und die einfach und platzsparend aufgebaut ist.
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Die Lösung besteht in einer Differentialanordnung, insbesondere für eine elektromotorisch antreibbare Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Antriebsrad; ein Differentialgetriebe mit einem Eingangsteil und zwei Ausgangsteilen, wobei die Ausgangsteile mit dem Eingangsteil antriebsverbunden sind und untereinander eine ausgleichende Wirkung haben; eine Schaltkupplung, die zwischen dem Antriebsrad und dem Differentialgetriebe wirksam angeordnet ist, wobei in geschlossenem Zustand der Schaltkupplung Drehmoment von dem Antriebsrad auf das Differentialgetriebe übertragen wird und in geöffnetem Zustand der Schaltkupplung eine Drehmomentübertragung unterbrochen ist; einen steuerbaren Aktuator zum Betätigen der Schaltkupplung und einen Sensor zur Ermittlung von zumindest drei Schaltstellungen der Schaltkupplung.
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Mit zumindest drei Schaltstellungen ist in diesem Zusammenhang gemeint, daß der Sensor neben einer ersten Schaltstellung, in der die Schaltkupplung vollständig geöffnet ist, und einer zweiten Schaltstellung, in der die Schaltkupplung vollständig geschlossen ist, zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr Zwischenstellungen erkennen kann, die zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung liegen. Je mehr Zwischenstellungen der Sensor erfassen kann, um so genauer ist die Positionserkennung der Schaltkupplung. Dabei soll die Ermittlung der Schaltstellungen der Schaltkupplung gemäß der Erfindung auch die Ermittlung von Schaltstellungen eines anderen Bauteils mit beinhalten, dessen Position repräsentativ für die Schaltstellung der Schaltkupplung ist. Mit Eingangsteil des Differentialgetriebes ist beispielsweise ein Differentialträger gemeint, der auch als Differentialkorb bezeichnet wird. Ausgangsteile des Differentialgetriebes können bei Verwendung eines Kegelraddifferentials oder Kronenraddifferentials Seitenwellenräder sein, oder bei Verwendung eines Planetenraddifferentials auch ein Hohlrad oder Sonnenrad.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Differentialanordnung besteht darin, daß der Sensor in der Lage ist, zumindest eine Zwischenposition zu erfassen, welche dann als Eingangsgröße zur Ansteuerung des Elektromotors verwendet werden kann. Es wird somit eine höhere Genauigkeit der Ansteuerung und eine geringere Fehleranfälligkeit des Systems erreicht. Besonders günstig ist es, wenn der Sensor in inkrementalen Schritten, insbesondere stufenlos, die Position der Schaltkupplung bzw. eines die Position der Schaltkupplung repräsentierenden Bauteils ermitteln kann. Somit wird erreicht, daß der Sensor zumindest über einen Teilbereich der Schaltbewegung der Schaltkupplung zwischen der Offenstellung und der Schließstellung die Position bzw. Schaltstellung der Schaltkupplung genau erfassen kann. Auf diese Weise wird eine besonders genaue Erkennung der Position ermöglicht, so daß die Ansteuerung des Elektromotors auf Basis des Sensorsignals als Eingangssignal schneller und genauer erfolgen kann. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Schaltkupplung und der Aktuator koaxial zur Drehachse des Differentialgetriebes angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein kompakter Aufbau der gesamten Baueinheit.
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Die Schaltkupplung ist vorzugsweise in Form einer formschlüssigen Kupplung gestaltet, insbesondere in Form einer Zahnkupplung oder einer Klauenkupplung. Es versteht sich, daß auch andere Kupplungsformen denkbar sind, die eine Drehmomentübertragung herstellen bzw. unterbrechen können, beispielsweise eine Reibungskupplung.
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Die Schaltkupplung umfaßt nach einer bevorzugten Ausgestaltung ein erstes Kupplungsteil, das mit einem Differentialträger des Differentialgetriebes fest verbunden ist, sowie ein ein zweites Kupplungsteil, das relativ zu einem Differentialgehäuse drehfest und axial beweglich gehalten ist. Besonders günstig für eine einfache Fertigung und Montage ist es, wenn der Differentialträger und das zweite Kupplungsteil einteilig hergestellt sind. Dabei kann das zweite Kupplungsteil an einer Stirnseite des Differentialträgers in Form einer Verzahnung oder dergleichen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das zweite Kupplungsteil zumindest teilweise innerhalb des Differentialgehäuses angeordnet und der Aktuator ist vorzugsweise außerhalb des Differentialgehäuses, insbesondere axial benachbart zum zweiten Kupplungsteil, angeordnet. Damit die innerhalb des Differentialgehäuses liegende Schaltkupplung von dem außerhalb angeordneten Aktuator betätigt werden kann, hat das Differentialgehäuse vorzugsweise axiale Durchbrüche, durch die das erste Kupplungsteil mit axialen Vorsprüngen hindurchgreift. Weiter hat das Differentialgehäuse nach einer günstigen Ausgestaltung einen Hülsenansatz, auf dem der Aktuator angeordnet ist. Dabei kann die axiale Abstützung des Aktuators über ein Wälzlager zum Lagern des drehenden Differentialgehäuses in einem ortsfesten Gehäuse erfolgen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Aktuator um einen elektromagnetischen Aktuator, der einen Elektromagneten und einen Kolben aufweist. Der Kolben ist dabei vorzugsweise so gestaltet, daß er bei Bestromen des Elektromagneten in Richtung zur Schaltkupplung axial beaufschlagt wird und in stromlosen Zustand sich von der Schaltkupplung weg bewegt. Vorzugsweise umfaßt der Kolben ein Ankerelement, das insbesondere aus einem ferromagnetischen Material besteht, sowie einen mit dem Ankerelement fest verbundene Hülse, die insbesondere aus einem paramagnetischen Material besteht. Ein elektromagnetischer Aktuator bietet gewisse Vorteile hinsichtlich des Bauraums, da er nah am Differentialgetriebe angeordnet werden kann und keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind. Es versteht sich jedoch, daß anstelle eines elektromagnetischen Aktuators auch ein elektromotorischer, ein hydraulischer oder ein pneumatischer Aktuator eingesetzt werden können.
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Zwischen dem Kolben und dem zweiten Kupplungsteil ist nach einer bevorzugten Weiterbildung eine Gleitbuchse vorgesehen, die insbesondere paramagnetisch ist. Die Gleitbuchse erfüllt zwei Funktionen; erstens wird der Abstand zwischen dem Elektromagneten und der Schaltkupplung erhöht, wodurch die magnetische Leckage reduziert und die Aktuierungkraft erhöht wird. Zweitens wird der Reibwert zwischen den drehenden Teilen und dem nicht-drehenden Kolben verringert. Hierdurch wird wiederum ein Mitdrehen des Kolbens bzw. des Ankerelements verhindert. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Gleitbuchse zumindest mittelbar am zweiten Kupplungsteil axial abgestützt ist, wobei die Flächenpaarung zwischen der Gleitbuchse und dem zweiten Kupplungsteils oder einem damit verbundenen Bauteil, bzw. die Flächenpaarung zwischen der Gleitbuchse und dem Kolben oder einem hiermit verbundenen Bauteil, einen niedrigen Reibungskoeffizienten hat. Unter einem niedrigen Reibungskoeffizienten wird insbesondere ein Reibungskoeffizient verstanden, der kleiner ist als der einer Stahl/Stahl Flächenpaarung.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Geberelement vorgesehen, das mit dem Sensor zusammenwirkt und so gestaltet ist, daß es bei Betätigung des Aktuators axial bewegt wird. Nach einer ersten Möglichkeit ist das Geberelement zumindest mittelbar mit dem zweiten Kupplungsteil fest verbunden, wobei das Geberelement bei Betätigung des Aktuators gemeinsam mit dem zweiten Kupplungsteil axial bewegt wird. Dabei ist das Geberelement vorzugsweise in Form einer Ringscheibe gestaltet, die mit dem zweiten Kupplungsteil fest verbunden ist und gemeinsam mit diesem um die Drehachse rotiert. Die Ringscheibe steht insbesondere in radiale Richtung nach außen von dem zweiten Kupplungsteil ab. Zur Befestigung mit dem zweiten Kupplungsteil weist die Ringscheibe vorzugsweise mehrere Rastelemente auf, die in entsprechende Ausnehmungen des zweiten Kupplungsteils formschlüssig eingreifen. Anstelle der formschlüssigen Verbindung kommen jedoch auch andere Befestigungen in Frage, wie eine kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Verschrauben, oder eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise Schweißen. Nach einer zweiten Möglichkeit ist das Geberelement zumindest mittelbar mit dem Kolben verbunden, wobei sich des Geberelement insbesondere nach radial außen von dem Kolben erstreckt. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß das Geberelement nicht mitrotiert, sondern lediglich die axialen Bewegungen des Kolbens mitmacht, so daß Leistungsverluste besonders gering gehalten werden. Zur Verbindung des Geberelements mit dem Kolben kommen beispielsweise die oben genannten Möglichkeiten in Frage.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Rückstellfeder vorgesehen, die zumindest mittelbar zwischen dem zweiten Kupplungsteil und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Rückstellfeder das zweite Kupplungsteil im Öffnungssinn beaufschlagt. Zumindest mittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Rückstellfeder direkt am Differentialgehäuse bzw. dem zweiten Kupplungsteil abgestützt ist oder indirekt über ein weiters Bauteil, beispielsweise die Ringscheibe. Die Rückstellfeder sitzt vorzugsweise zwischen dem Gehäuse und der Ringscheibe mit Vorspannung ein und ist insbesondere in Form einer Tellerfeder gestaltet, wobei andere Federn, wie belspielsweise eine oder mehrere Schraubenfeder ebenso verwendbar sind.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung ermittelt der Sensor ein den Weg des Geberelements repräsentierendes Signal, d. h. der Sensor ist als Wegsensor gestaltet. Insbesondere handelt es sich um einen berührungslosen Sensor, vorzugsweise ein Magnetfeldsensor, der auch als Hallsensor bezeichnet werden kann, oder ein induktiver Sensor. Die Verwendung eines berührungslosen Sensors hat den Vorteil geringer Leistungsverluste und eines geringen Verschleißes. Außerdem läßt sich der Sensor von außen in das ortsfestes Gehäuse, in dem die Differentialanordnung zu lagern ist, montieren. Dabei wird der Sensor vorzugsweise durch eine Zentrierbohrung sowie ein Gewinde parallel aber versetzt zur Zentrierbohrung positioniert und kann somit einfach ausgetauscht werden. Die Dichtung erfolgt mittels eines O-Rings, der zwischen dem Sensor und dem ortsfesten Gehäuse wirksam eingesetzt wird. Der Hallsensor bzw. der induktive Sensor erfaßt den Abstand zur Ringscheibe und gibt ein entsprechendes Sensorsignal an eine elektronische Regeleinheit weiter.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Sensor benachbart zum Elektromagneten angeordnet, insbesondere axial im Bereich des Elektromagneten und radial benachbart zum Elektromagneten. Axial im Bereich des Elektromagneten bedeutet, daß der Sensor in Seitenansicht zumindest teilweise mit axialer Überdeckung zum Elektromagneten angeordnet ist. Es ist insbesondere vorgesehen, daß der Sensor eine Haupterstreckungsrichtung hat, wobei der Sensor nach einer ersten Möglichkeit so angeordnet ist, daß die Haupterstreckungsrichtung parallel zur Drehachse des Differentialgetriebes verläuft. In diesem Fall ermittelt der Sensor den Abstand zum Geberelement. Nach einer zweiten Möglichkeit kann der Sensor auch in radialer Richtung in Bezug auf die Drehachse des Differentialgetriebes angeordnet sein. In diesem Fall ermittelt der Sensor die axiale Überdeckung mit dem entsprechenden Geberelement. Bei Verwendung eines Hallsensors ist das Geberelement aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Wird ein induktiver Sensor verwendet, ist das Geberelement aus einem paramagnetischen Material hergestellt.
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Insbesondere, wenn der Sensor in Form eines Hallsensors gestaltet und benachbart zum Elektromagneten angeordnet ist, ist es günstig, wenn der Aktuierungsstrom für den Elektromagneten bei der Positionserfassung berücksichtigt wird. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine elektronische Regeleinheit vorgesehen, die den Elektromotor ansteuert, wobei ein Sensorsignal vom Sensor an die elektronische Regeleinheit weitergegeben wird. Für eine besonders genaue Ermittlung der Position der Schaltkupplung wird bei der Auswertung des Sensorsignals ein den Spulenstrom des Elektromagneten repräsentierendes Stromsignal berücksichtigt. Dabei ist die Kennlinie des Sensors insbesondere linear abhängig vom Aktuierungsstrom.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Steuern des Aktuators in einer erfindungsgemäßen Differentialanordnung, wobei der Aktuator in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Schaltkupplung angesteuert wird, insbesondere bei Schaltstellungen, die zwischen einer vollständig geöffneten Position und einer vollständig geschlossenen Position liegen. Beispielsweise kann die zum Schließen der Schaltkupplung erforderliche Schließkraft des Aktuators bereits herabgesetzt werden, bevor die Schaltkupplung in ihrer Schließstellung, in der die Kupplungsteile vollständig ineinandergreifen, ist. Auf diese Weise läßt sich der Energiebedarf des Aktuators, z. B. der Strombedarf bei Verwendung eines elektromagnetischen Aktuators, an die Schaltposition der Schaltkupplung auch in den Zwischenbereichen zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position anpassen.
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Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht weiter in einer Antriebsanordnung zum Antreiben einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor und einer Differentialanordnung, die von dem Elektromotor antreibbar ist, wobei die Differentialanordnung nach einer der obengenannten Ausgestaltungen ausgeführt ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung werden die obengenannten Vorteile einer genauen und zuverlässigen Erfassung der Position der Schaltkupplung, insbesondere des zweiten Kupplungsteils bzw. des Kolbens erreicht. Dies ermöglicht wiederum eine genaue und schnelle Ansteuerung des Elektromotors und damit eine zuverlässige und schnelle Steuerung des Antriebsmoments auf die zugehörige Antriebsachse des Kraftfahrzeugs. Somit kann schnell auf entsprechende Fahrzustände durch entsprechendes Ansteuern des Elektromotors reagiert werden, beispielsweise bei Anliegen eines ABS-Eingriffs oder eines ESP-Eingriffs.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Steuern des Elektromotors der genannten Antriebsanordnung, wobei der Elektromotor in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Schaltkupplung angesteuert wird, insbesondere auch bei Schaltstellungen, die zwischen einer vollständig geöffneten Position und einer vollständig geschlossenen Position liegen. Beispielsweise kann der Elektromotor zum Antreiben der Antriebsachse bereits angeschaltet werden, bevor die Schaltkupplung in ihre endgültige Schließstellung erreicht hat, in der die Kupplungsteile vollständig ineinandergreifen. Auf diese Weise ergibt sich eine zuverlässige Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von der genauen Schaltposition der Schaltkupplung gerade auch in den Zwischenbereichen zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position.
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Vorzugsweise wird der Elektromotor in Abhängigkeit von der Stromstärke zur Ansteuerung des Elektromagneten, vorzugsweise auch in Abhängigkelt von einer Umgebungstemperatur angesteuert. Hiefür können nach einer ersten Möglichkeit in der Steuereinheit eine Lernfunktion programmiert werden, die das Sensorsignal im ein- und ausgerückten Zustand in Abhängigkeit von der Stromstärke bzw. der Umgebungstemperatur erfaßt. Auf Basis dieser Lernfunktion kann bei bestimmten anliegenden Sensorsignalen genauer beurteilt werden, ob die Schaltkupplung ein- oder ausgerückt ist. Nach einer zweiten Möglichkeit für die Ansteuerung des Elektromotors kann das Sensorsignal in Abhängigkeit der Stromstärke bzw. der Umgebungstemperatur in Form von Kennlinien erfaßt werden und in die Steuereinheit programmiert werden, was auch als „Mapping” bezeichnet wird. Dies ermöglicht eine genauere Detektierung der Aktuatorposition bzw. der Kupplungsposition in Abhängigkeit von Stromstärke, Temperatur und Hysterese.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Differentialanordnung mit Schaltkupplung in einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt in geöffneter Schaltposition der Schaltkupplung;
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2 die Differentialanordnung gemäß 1 in geschlossener Schaltstellung der Schaltkupplung;
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3 die Differentialanordnung aus 1 in Explosionsdarstellung in perspektivischer Ansicht;
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4 ein Detail der Differentialanordnung gemäß 1 im Längsschnitt;
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5 eine erfindungsgemäße Differentialanordnung in einer zweiten Ausführungsform im Längsschnitt;
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6 eine erfindungsgemäße Differentialanordnung in einer dritten Ausführungsform im Längsschnitt;
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7 eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Differentialanordnung nach 1 schematisch und
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8 ein Kennlinienfeld, das den Zusammenhang zwischen Sensorsignalen und Entfernung zwischen Geberelement und Sensor, in Abhängigkeit von der Stromstärke zur Ansteuerung des Elektromagneten darstellt.
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Die 1 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäße Differentialanordnung 2 in einer ersten Ausführungsform und werden im Folgenden zunächst gemeinsam beschrieben. Es ist eine Differentialanordnung 2 gezeigt, die ein Differentialgetriebe 3, eine Schaltkupplung 4 sowie einen Aktuator 5 zum Betätigen der Schaltkupplung 4 aufweist. Zum Einleiten eines Drehmoments von einem hier nicht dargestellten Antriebsmotor ist ein Antriebsrad 6 vorgesehen, das fest mit einem Differentialgehäuse 7 verbunden ist, insbesondere mittels Schweißen. Dabei versteht es sich, daß die Verbindung zwischen dem Antriebsrad 6 und dem Differentialgehäuse 7 auch auf andere Weise geschehen kann, beispielsweise durch Schraubverbindungen oder andere übliche Verbindungsmittel. Das Differentialgehäuse 7 ist zweiteilig aufgebaut und umfaßt ein erstes topfförmiges Gehäuseteil 8 und ein zweites topfförmiges Gehäuseteil 9, die im Bereich ihrer öffnungsseitigen Enden jeweils einen Flanschabschnitt 10, 12 aufweisen, mit dem sie mit dem Antriebsrad 6 verbunden sind. In dem ersten Gehäuseteil 8 ist das Differentialgetriebe 3 angeordnet, das um eine Drehachse A drehend antreibbar ist.
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Das Differentialgetriebe 3 umfaßt einen Differentialträger 13, der eine im wesentlichen zylindrische Außenfläche 14 aufweist, mit der der Differentialträger 13 gegenüber einem entsprechenden innenzylindrischen Flächenabschnitt 15 des ersten Gehäuseteils 8 um die Drehachse A drehbar gleitgelagert ist. In dem Differentialträger 13 sind zwei Bohrungen 16 vorgesehen, in die ein Zapfen 17 eingesteckt und mittels eines Sicherungsstifts 18 fixiert ist. Auf dem Zapfen 17 sind zwei Differentialräder 19 um eine Zapfenachse B drehbar gelagert. Die beiden Differentialräder 19 sind mit einem ersten und einem zweiten Seitenwellenrad 20, 22 in Verzahnungseingriff, die koaxial zur Drehachse A angeordnet sind. Die beiden Seitenwellenräder 20, 22 haben jeweils eine Längsverzahnung 23, in die eine entsprechende Gegenverzahnung einer Seitenwelle (nicht dargestellt) zur Drehmomentübertragung eingesteckt werden kann. Das erste Seitenwellenrad 20 ist gegenüber dem ersten Gehäuseteil 8 axial abgestützt, wobei vorzugsweise zwischen dem ersten Seitenwellenrad 20 und der Stützfläche des ersten Gehäuseteils 8 eine Gleitscheibe angeordnet ist. Entsprechend ist zwischen dem zweiten Seitenwellenrad 22 und dem zweiten Gehäuseteil 9 ebenfalls eine Gleitscheibe zur Abstützung der axialen Kräfte angeordnet.
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Die Schaltkupplung 4 ist vorliegend in Form einer formschlüssigen Kupplung, insbesondere einer Zahnkupplung, gestaltet. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Formen von Kupplungen verwendet werden können, beispielsweise auch eine Reibungskupplung. Die formschlüssige Schaltkupplung 4 umfaßt ein erstes Kupplungsteil 25, das mit dem Differentialträger 13 fest verbunden ist, sowie ein zweites Kupplungsteil 26, das gegenüber dem ersten Kupplungsteil 25 axial beweglich ist. Das zweite Kupplungsteil 26 kann zur Übertragung eines Drehmoments in das erste Kupplungsteil 25 eingerückt werden, wobei eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kupplungsteilen 25, 26 entsteht. Durch erneutes Ausrücken des zweiten Kupplungsteils 26 kann die Drehmomentübertragung wieder unterbrochen werden. Das erste Kupplungsteil 25 hat als Formschlußmittel einen Zahnring, der an einer Stirnseite des Differentialträgers 13 einteilig angeformt ist. Entsprechend hat das zweite Kupplungsteil 26 einen gegengleichen Zahnring, der innerhalb des Differentialgehäuses 7 angeordnet ist. Weiter hat das zweite Kupplungsteil 26 mehrere über den Umfang verteilte axiale Ansätze 27, die durch entsprechende Durchgangsöffnungen 28 des Differentialgehäuses 7 hindurchtreten. Durch entsprechendes Ansteuern des Aktuators 5 kann das zweite Kupplungsteil 26 relativ zum ersten Kupplungsteil 25 axial bewegt werden, wobei eine Drehmomentübertragung vom Antriebsrad 6 auf das Differentialgetriebe 3 in eingerücktem Zustand gewährleistet ist, während die Drehmomentübertragung in ausgerücktem Zustand unterbrochen ist.
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Der Aktuator 5 umfaßt einen Elektromagneten 29 sowie einen Kolben 30. Dabei ist der Aktuator 5 so gestaltet, daß bei Bestromen des Elektromagneten 29 der Kolben 30 in Richtung zur Schaltkupplung 4 beaufschlagt wird. Hierfür hat der Elektromagnet 29 ein ringförmiges Gehäuse 32, das an einem radial inneren und der Schaltkupplung 4 zugewandten Ende eine Öffnung 33 aufweist. Innerhalb dieses Gehäuseabschnitts ist der Kolben 30 axial bewegbar angeordnet. Das Gehäuse 32 ist mittels eines Trägerelements 31 auf einem Hülsenansatz des zweiten Gehäuseteils 9 angeordnet. Der Kolben 30 umfaßt ein Ankerelement 34 aus einem ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise einem Eisenwerkstoff, sowie eine Hülse 35 aus einem paramagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus Edelstahl, Kupfer oder Aluminium. Das Ankerelement 34 ist hülsenförmig gestaltet und auf die Hülse 35 aufgepreßt.
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Dadurch, daß das Ankerelement 34 aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist, wird es bei Betätigen des Elektromagneten 29 in Richtung der Schaltkupplung 4 bewegt, wobei der Spalt 33 überbrückt wird. In der Endposition kommt das Ankerelement 34 gegen eine Schulter 36 des Magnetgehäuses 32 zur Anlage, wobei ein Reibkontakt entsteht. Die Hülse 35 ist paramagnetisch, damit eine ungewünschte Magnetflußleckage auf andere Bauteile verhindert wird.
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Die Hülse 35 ist axial länger als das Ankerelement 34 und hat eine Stirnseite, die mit einer Gleitbuchse bzw. einem Gleitring 37 in Anlage ist. Der Gleitring 37 ist wiederum mittelbar gegenüber dem zweiten Kupplungsteil 26 axial abgestützt, und zwar über ein Geberelement 38. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Geberelement 38 in Form einer Ringscheibe gestaltet. Diese hat radial innen mehrere über den Umfangs verteilte und sich in axialer Richtung erstreckende federnde Rastelemente 39, die mit ihren Enden in eine oder mehrere entsprechende Hinterschneidungen 40 des zweiten Kupplungsteils formschlüssig eingreifen. Die Ringscheibe hat an ihrem radial außen liegenden Ende einen zylindrischen Mantelabschnitt 42. Zwischen dem Differentialgehäuse 7, bzw. dem zweiten Gehäuseteil 9, und dem Geberelement 38 ist eine Rückstellfeder 43 angeordnet. Die Rückstellfeder 43 ist vorliegend in Form einer Tellerfeder gestaltet, wobei es sich versteht, daß auch andere Formen von Federn, beispielsweise Schraubenfedern, eingesetzt werden können.
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Es ist ferner ein Sensor 44 erkennbar, der axial im Bereich des Aktuators 5 angeordnet ist und mit dem Geberelement 38 zusammenwirkt. Der Sensor 44 ist vorliegend in Form eines Hallsensors gestaltet, der den Abstand zum Geberelement 38 berührungslos erfassen kann. Es kann aber auch ein anderer berührungsloser Sensor eingesetzt werden, beispielsweise ein induktiver Sensor. Der Sensor 44 ist in einem in 4 teilweise dargestellten ortsfesten Gehäuse 41 aufgenommen, wobei er so angeordnet ist, daß eine Haupterstreckungsrichtung des Sensors 44 parallel zur Drehachse A des Differentialgetriebes 3 verläuft. In der geöffneten Stellung der Schaltkupplung 4, d. h. in der Stellung, in der das Geberelement 38 an den Sensor 44 axial angenähert ist, ist zwischen dem Geberelement 38 und dem Sensor 44 ein geringer Spalt vorgesehen. Diese Stellung, bei der Schaltkupplung 4 geöffnet ist, ist in 1 gezeigt. Im 2 ist demgegenüber ein Schaltzustand gezeigt, bei dem die Schaltkupplung 4 zur Drehmomentübertragung vom Antriebsrad 6 auf den Differentialträger 13 in eingerücktem Zustand ist. Es ist erkennbar, daß das Geberelement 38 gegenüber dem Sensor 44 zusammen mit dem zweiten Kupplungsteil 26 in Richtung zum ersten Kupplungsteil 25 bzw. zum Differentialgetriebe 3 bewegt ist.
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In den 1, 2 und 3 sind ferner Anschlußkabel 45 sowie eine Kabeldurchführung 46 zum Durchführen der Kabel 45 durch das ortsfeste Gehäuse 41 erkennbar. In 4 ist das ortsfeste Gehäuse 41 als Detail teilweise gezeigt, in dem der Sensor 44 einsitzt. Hierfür hat das Gehäuse 41 einen Durchbruch, in den der Sensor in zur Drehachse A achsparalleler Ausrichtung eingeschoben werden kann. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuse 41 und dem Sensor 44 erfolgt mittels eines hier nicht dargestellten Dichtrings.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Differentialanordnung 2 in einer zweiten Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4, so daß hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche bzw. abgewandelte Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen, wie in den 1 bis 4. Im Folgenden wird auf die Unterschiede eingegangen.
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Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform liegt darin, daß das Geberelement 38 fest mit dem Kolben 30 verbunden ist, und zwar insbesondere mit der Hülse 35 des Kolbens 30. Das Geberelement 38 ist an einem axialen Ende der Hülse 35 befestigt, wobei jede Form der Befestigung in Frage kommen kann, beispielsweise eine formschlüssige, kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung. Das Geberelement 38 steht nach radial außen von der Hülse 35 ab und endet in einem Bereich des Sensors 44. Wie schon bei der Ausführungsform gemäß den 1 bis 4 ist das Geberelement aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Der Vorteil der vor liegenden Ausführungsform ist, daß das Geberelement 38 an dem Kolben 30 befestigt ist und damit keine rotatorische Bewegung ausführt, sondern lediglich translatorische Bewegungen. Auf diese Weise braucht das Geberelement 38 sich in Umfangsrichtung nur etwa in dem Teilbereich des Sensors 44 zu erstrecken, so daß es insgesamt leichter ist. Des weiteren sind Leistungsverluste mit der vorliegenden Ausführungsform sehr gering gehalten.
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6 zeigt eine erfindungsgemäße Differentialanordnung 2 in einer dritten Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4, so daß hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche bzw. abgewandelte Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen, wie in den 1 bis 4. Im Folgenden wird auf die Unterschiede eingegangen.
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Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform liegt darin, daß der Sensor 44 in Bezug auf die Drehachse A des Differentialgetriebes 3 mit seiner Haupterstreckungsrichtung radial ausgerichtet ist. Dies kann bei bestimmten Bauraumverhältnissen von Vorteil sein. Der Sensor erzeugt bei der vorliegenden Ausführungsform ein Sensorsignal, des abhängig von der axialen Überdeckung des Mantelabschnitts des Geberelements 38 mit dem Sensor 44 ist. Der Sensor 44 ist, wie bei der obigen Ausführungsform, in dem ortsfesten Gehäuse 41 aufgenommen.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 47 mit einer erfindungsgemäßen Differentialanordnung 2 gemäß den 1 bis 4 in schematischer Darstellung. Die Antriebsanordnung 47 umfaßt einen Elektromotor 48, der über eine Getriebestufe 49 die Differentialanordnung 2, bzw. das Antriebsrad 6 der Differentialanordnung 2, antreibt. Von dem Differentialgetriebe 3 wird das bei geschlossener Schaltkupplung 4 eingeleitete Drehmoment auf die beiden Seitenwellenräder 20, 22 übertragen. In die Längsverzahnungen 23 der Seitenwellenräder 20, 22 sind entsprechende Seitenwellen 50, 52 zur Drehmomentübertragung drehfest eingesteckt. An den Enden der Seitenwellen 50, 52 befinden sich Gleichlaufdrehgelenke 53, 54, welche wiederum über Gelenkwellen 55, 56 und Gelenke 57, 58 mit Rädern 59, 60 des Kraftfahrzeugs zur Übertragung eines Drehmoments verbunden sind. Es ist erkennbar, daß die Differentialanordnung 2 mittels Lagern 61, 62 gegenüber dem stehenden Gehäuse 41 um die Drehachse A drehbar gelagert ist.
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8 zeigt eine Diagramm, in dem der Zusammenhang zwischen den Sensorsignalen über der Entfernung des Geberelements zum Sensor, in Abhängigkeit von verschiedenen Stromstärken zur Ansteuerung des Elektromagneten 29 dargestellt sind. Auf der Y-Achse ist das Sensorsignal in Prozent der Pulsweitenmodulation (PWM) angegeben. Auf der X-Achse ist die Entfernung des Geberelements 38 zum Sensor in Millimetern angegeben. Die Durchgezogenen Linien 63, 64 geben die Stromstärke an, mit der der Elektromagnet bestromt wird. Dabei repräsentiert die untere flachere Linie 63 den Verlauf für eine Stromstärke von 2,3 A, wohingegen die obere Linie 64 den Verlauf bei einer Stromstärke von 3,0 A wiedergibt. Die gestrichelten Linien markieren obere und untere Toleranzgrenzen für die ersten und die zweite durchgezogene Linie 63, 64.
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Die drei grau hinterlegten Bereichfelder 65, 66, 67 repräsentieren verschiedene Schaltzustände der Schaltkupplung 4. Dabei gibt das untere Bereichfeld 65, das durch einen Abstand des Geberelements 38 vom Sensor 44 von etwa zwischen 0,45 mm und 0,65 mm bzw. durch ein Sensorsignal von etwa 10 PWM bis 21 PWM gekennzeichnet ist, den Kennfeldbereich an, bei dem die Schaltkupplung 4 sicher abgeschaltet ist, d. h. bei dem das zweite Kupplungsteil 26 gegenüber dem ersten Kupplungsteil 25 deutlich ausgerückt ist. Das mittlere Bereichfeld 66, das durch einen Abstand zwischen dem Geberelement 38 und dem Sensor 44 von etwa 1,43 mm bis 2,05 mm bzw. durch eine Sensorsignal von 29 PWM bis 59 PWM definiert ist, stellt eine Zwischenposition dar, bei der die Schaltkupplung 4 teilweise geschlossen ist, d. h. die Zähne des zweiten Kupplungsteils 26 bereits teilweise in die Zähne des ersten Kupplungsteils 25 eingreifen. Das dritte Bereichfeld 67, das durch eine Entfernung des Geberelements 38 zum Sensor 44 von etwa 3,1 mm bis 3,7 mm definiert ist bzw. durch ein Sensorsignal von etwa 69 PWM bis 90 PWM, zeigt den Kennfeldbereich, bei dem die Schaltkupplung 4 sicher eingerückt ist, d. h. bei dem das erste Kupplungsteil 25 und das zweite Kupplungsteil 26 vollständig ineinander eingreifen. In dieser Position ist das Ankerelement 34 mit dem Kragen 36 in Anlagekontakt, wobei die zwischen den beiden Elementen bei Anlagekontakt vorhandenen Reibungskräfte ein Mitdrehen des Ankerelements 34 bzw. des Kolbens 30 verhindert. Auf diese Weise wird wiederum der Verschleiß gering gehalten. In dieser vollständig eingerückten Position kann die Stromstärke des Elektromagneten 29 auf einen niedrigeren Haltestrom herabgesetzt werden, was sich günstig auf den Energieverbrauch auswirkt.
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Das obere Ende des mittleren Bereichs 66 markiert eine erste Grenzlinie 68 für das Eingreifen der Schaltkupplung 4. Oberhalb dieser ersten Grenzlinie 68 ist die Schaltkupplung 4 soweit eingerückt, daß sie ein Drehmoment übertragen kann. Das heißt, der Elektromotor 48 kann ein Drehmoment schon in die Differentialanordnung 2 einleiten, bevor die Schaltkupplung 4 vollständig geschlossen ist. Durch diese Ausgestaltung ist somit eine genauere und verbesserte Ansteuerung des Elektromotors 48 möglich. Eine zweite Grenzlinie 69 markiert das untere Ende des mittleren Bereichs 66 für das Eingreifen der Schaltkupplung 4. Das heißt unterhalb dieser zweiten Grenzlinie 69 ist die Schaltkupplung 4 soweit ausgerückt, daß sie kein Drehmoment mehr übertragen kann. Der zwischen der oberen ersten Grenzlinie 68 und der unteren zweiten Grenzlinie 69 gebildete mittlere Bereich 66 geben die Schaltstellung an, bei der die Zähne des ersten und zweiten Kupplungsteils 25, 26 aufeinander treffen. In diesem Bereich sind die Verzahnungen noch nicht in Eingriff. Liegt der Abstand zwischen dem Geberelement 38 und dem Sensor 44 in diesem mittleren Bereich 66, der durch die Grenzlinien 68, 69 definiert wird, darf vom Elektromotor noch kein Drehmoment in die Differentialanordnung eingeleitet werden, da eine sichere Drehmomentübertragung zwischen den beiden Kupplungsteilen 25, 26 noch nicht gewährleistet ist. Oberhalb der ersten Grenzlinie 68 (59% PWM) sind die Zähne in Eingriff und der Elektromotor 48 kann ein Drehmoment in die Differentialanordnung 2 einleiten.
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Es ist in der 8 erkennbar, daß die Entfernung des Geberelements 38 zum Sensor 44 bei gleichem Sensorsignal abhängig von der Stromstärke ist, mit welcher der Elektromagnet 29 bestromt wird. Wird beispielsweise der Elektromagnet 29 mit 3,0 A bestromt und vom Sensor 44 ein Signal von 50 PWM erzeugt, so läßt sich hieraus ein Abstand zwischen dem Geberelement 38 und dem Sensor 44 von 2,0 mm ableiten. Wird das gleiche Sensorsignal von 50 PWM bei einer Stromstärke von 2,3 A ermittelt, so bedeutet dies, daß der Abstand zwischen dem Geberelement 38 und dem Sensor 44 größer ist und etwa 2,1 mm beträgt. Insofern ist es für eine möglichst genaue Ermittlung des Abstands zwischen Geberelement 38 und Sensor 44 günstig, wenn bei der Kalkulation die Stromstärke zur Ansteuerung des Elektromagneten 29 mit berücksichtigt wird. Hiermit läßt sich folglich eine besonders zuverlässige Aussage über die Schließposition der Schaltkupplung 4 gewinnen.
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Die Ermittlung des Abstands zwischen Geberelement 38 und Sensor 44 erfolgt in einer zentralen Regeleinheit (nicht dargestellt). Als Eingangsgrößen dienen zumindest das Sensorsignal des Sensors 44 sowie ein Stromstärkensignal des Elektromagneten 29. Hieraus wird dann der Abstand zwischen Sensor 44 und Geberelement 38 berechnet, wobei dieses Maß Rückschlüsse auf die Eingriffstiefe des zweiten Kupplungsteils 26 in das erste Kupplungsteil 25 zuläßt.
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Insgesamt hat die erfindungsgemäße Antriebsanordnung 47 bzw. die erfindungsgemäße Differentialanordnung 2 den Vorteil, das ein genaues Erfassen der Position der Schaltkupplung 4 ermöglicht wird. Somit wird zuverlässig eine Informtion über den Eingriffszustand der Schaltkupplung 4 generiert, d. h. bei Verwendung einer formschlüssigen Kupplung darüber, ob die Zahnüberdeckung groß genug ist, um ein Drehmoment auf das Differentialgetriebe 3 bzw. die Antriebsachse zu übertragen. Außerdem können durch die genaue Ermittlung der Schaltstellung Fehler frühzeitig erkannt und Fehlfunktionen vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Differentialanordnung
- 3
- Differentialgetriebe
- 4
- Schaltkupplung
- 5
- Aktuator
- 6
- Antriebsrad
- 7
- Differentialgehäuse
- 8
- erstes Gehäuseteil
- 9
- zweites Gehäuseteil
- 10
- Flanschabschnitt
- 12
- Flanschabschnitt
- 13
- Differentialträger
- 14
- Außenfläche
- 15
- Flächenabschnitt
- 16
- Bohrung
- 17
- Zapfen
- 18
- Sicherungsstift
- 19
- Differentialräder
- 20
- Seitenwellenrad
- 22
- Seitenwellenrad
- 23
- Längsverzahnung
- 25
- erstes Kupplungsteil
- 26
- zweites Kupplungsteil
- 27
- Ansatz
- 28
- Durchbrüche
- 29
- Elektromagnet
- 30
- Kolben
- 31
- Trägerelement
- 32
- Magnetgehäuse
- 33
- Spalt
- 34
- Ankerelement
- 35
- Hülse
- 36
- Schulter
- 37
- Gleitring
- 38
- Geberelement
- 39
- Rastelement
- 40
- Hinterschneidung
- 41
- ortsfestes Gehäuse
- 42
- Mantelabschnitt
- 43
- Rückstellfeder
- 44
- Sensor
- 45
- Kabel
- 46
- Kabeldurchführung
- 47
- Antriebsanordnung
- 48
- Elektromotor
- 49
- Getriebe
- 50
- Welle
- 52
- Welle
- 53
- Gelenk
- 54
- Gelenk
- 55, 56
- Gelenkwelle
- 57, 58
- Gelenk
- 59, 60
- Rad
- 61, 62
- Lager
- 63, 64
- Linie
- 65, 66, 67
- Bereich
- 68, 69
- Grenzlinie
- A
- Drehachse
- B
- Zapfenachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6027422 [0002]
- DE 10151713 A1 [0003]
