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Die Erfindung betrifft ein Differential für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein derartiges Leichtbaudifferential, bei welchem ein Gehäuseteil aus einem Rohrabschnitt aus Stahl gefertigt wird, ist in
EP 0683333 B1 beschrieben. Vorzugsweise umfasst dabei das Ausgleichsgehäuse einen Käfig, der durch umformen eines zylindrischen Rohrabschnitts eine kugelige Form annimmt. Das eigentliche Ausgleichsgehäuse besteht aus zwei den Käfig umhüllenden Gehäusehälften, mit welchen das Antriebsrad des Differentials drehfest verbunden ist und an welchen der Achsbolzen für die Ausgleichsräder gelagert ist. Der genannte Käfig dient insoweit lediglich der Aufnahme der von den Achswellenkegelrädern in Richtung der Antriebswellen ausgeübten Kräfte.
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Dem gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein festigkeitsoptimiertes Differential der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem das Ausgleichsgehäuse besonders einfach ausgebildet ist, aus wenigen Bauteilen besteht, aber dennoch eine erhebliche Einsparung an Gewicht und Bauraum bei niedrigen Herstellungskosten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausgestaltung des eingangs genannten Differentials gemäß dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Differential zeichnet sich aus durch ein extrem einfach gestaltetes Ausgleichsgehäuse, welches vorteilhaft aus einem Rohrabschnitt gefertigt, z. B. als Abschnitt von einem Stahlrohr oder einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist, und in welchem zwei diametrale Achswellenbohrungen zur Durchführung der Achsantriebswellen und zwei diametrale Bolzenbohrungen zur Aufnahme des Mitnehmerbolzens vorgesehen sind. Erstere sind um die Drehachse des Ausgleichsgehäuses zentriert, die Achsen letzterer liegen in einer zur Drehachse senkrechten Mittelebene zwischen den Achswellenbohrungen entsprechend einem üblichen Differentialaufbau. Es versteht sich von selbst, dass das Antriebszahnrad drehfest mit der Außenseite des Ausgleichsgehäuses verbunden ist, derart, dass das Motorantriebsdrehmoment über das Antriebszahnrad auf das Ausgleichsgehäuse und von diesem über den Mitnehmerbolzen und die Ausgleichskegelräder gleichmäßig auf die Achswellenkegelräder übertragen wird. Da die Ausgleichskegelräder um den Mitnehmerbolzen frei drehbar gelagert sind, können sie die Funktion des Differentials erfüllen, indem sie mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren und dabei eine gleichmäßige Momentenübertragung über die Achswellenkegelräder auf die Achsantriebswellen gewährleisten.
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Durch die erfindungsgemäßen Rücknahmen an beiden Enden des rohrförmigen Ausgleichsgehäuses wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe einer Gewichts- und Materialeinsparung gelöst, indem die Rücknahmen den Achswellenbohrungen und den Bolzenbohrungen angenäherte Ausschnitte des Ausgleichsgehäuses beschreiben. Diese die Rücknahmen bildenden Ausschnitte entsprechen somit den Endkanten des rohrförmigen Ausgleichsgehäuses. Wenn vorteilhaft die Rücknahmen des Ausgleichsgehäuses bezüglich der Rohrachse symmetrisch verlaufen, besteht die Möglichkeit, mehrere Ausgleichsgehäuse praktisch ohne Rohrverschnitt von einem standardmäßig erhältlichen Rohr abzutrennen, womit eine erhebliche Materialeinsparung erzielbar ist.
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Zur Gewährleistung der mechanischen Steifigkeit des Ausgleichsgehäuses ist es zweckmäßig – falls die Geometrie der den Achswellenbohrungen und den Bolzenbohrungen zugeordneten Lagerflächen dadurch nicht beeinträchtigt wird –, dass die Ausschnitte jeweils mit etwa gleichem Abstand von diesen Bohrungen verlaufen, unabhängig davon, ob diese Bohrungen gleiche oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Durch eine derartige Optimierung des Verlaufs der Ausschnitte an den Enden des rohrförmigen Ausgleichsgehäuses kann sowohl den wirtschaftlichen als auch den technischen Voraussetzungen für die Herstellung eines Ausgleichsgehäuses, welches der erfindungsgemäßen Aufgabe gerecht wird, voll entsprochen werden.
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Stahlrohre aus vergüteten oder unvergüteten Stählen stellen wegen ihrer hohen Grundfestigkeit das ideale Halbzeug für die Herstellung des erfindungsgemäßen Differentialgehäuses dar. Bei niedrigen Kosten für das Halbzeug ergeben sich zudem Einsparungen durch geringe Bauteilquerschnitte. Die dabei erzielte Gewichtseinsparung wird noch weiter verbessert durch eine Optimierung des Verlaufs der Rücknahmen wie vorstehend erläutert.
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Zudem besteht die Möglichkeit bei Wahl einfacher Bauteile aus Stahlrohr das Differentialgehäuse zur zusätzlichen Gewichtseinsparung in Sandwichbauweise, z. B. mit einem Zwischenrohr aus Faserverbundwerkstoff herzustellen.
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Bei Verwendung von Stahlrohren als Halbzeug und einer geeigneten Trenntechnologie wie dem Drahterodieren ist die Herstellung eines erfindungsgemäßen Ausgleichsgehäuses mit minimalem Aufwand verbunden. Ergänzend zum Zuschnitt des rohrförmigen Halbzeugs sind Führungseinsätze aus Stahl oder in Kombination mit einem geeigneten Faserverbundwerkstoff aus Kunststoff vorteilhaft, welche in den Achswellenbohrungen befestigt sind, und Führungsflächen zur Abstützung der Achswellenkegelräder aufweisen sowie der Lagerung des Differentials dienen; gleiches gilt für derartige Führungseinsätze, welche in den Bolzenbohrungen befestigt sind und welche Führungsflächen zur Abstützung der Ausgleichskegelräder aufweisen sowie der Lagerung des Mitnehmerbolzens dienen. Diese Führungseinsätze werden mit dem rohrförmigen Ausgleichsgehäuse z. B. durch Laserschweißen verbunden.
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Anstelle von Führungseinsätzen besteht die Möglichkeit, die Ränder der Bolzenbohrungen einerseits und der Achswellenbohrungen andererseits derart auszubilden, dass sie Führungsansätze zur Abstützung der Ausgleichskegelräder bzw. der Achswellenkegelräder bilden. Gesonderte Führungseinsätze erübrigen sich dadurch.
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Bei der Ausbildung der Führungsansätze ist zu beachten, ob Ausgleichs- bzw. Achswellenkegelräder verwendet werden, welche konzeptabhängig entweder als Schaft- oder als Kugelräder ausgebildet sind, d. h. ob deren rückwärtigen Anschlag- bzw. Führungsflächen eben oder sphärisch gestaltet sind. Auch sog. Schulterräder mit zylindrischen Anschlag- bzw. Führungsflächen kommen infrage.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgleichsgehäuse beidseitig im Bereich der Bolzenbohrungen jeweils eine über dessen gesamte Länge durchgehende, z. B. durch Umformen erzeugte Abflachung seiner Außenseite aufweist.
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Durch eine derartige umformtechnisch erzeugte Abflachung wird nicht nur die Anbindung des Antriebszahnrads längs ebener Kontaktflächen für die Schweißverbindung vereinfacht. Dadurch, dass die Abflachung durch Umformen entsteht, ergibt sich eine zusätzliche Kaltverfestigung des Materials, wodurch die Gehäusesteifigkeit verbessert wird.
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Ein zusätzlich aussteifender Effekt kann noch dadurch erzielt werden, dass das Ausgleichsgehäuse mit einer Mehrzahl von der Aussteifung dienenden Sicken versehen ist, welche in ihrer Zahl, Formgebung und Ausrichtung beliebig sein können, bevorzugt aber eine nach innen vorspringende Vertiefung ausbilden.
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Darüber hinaus kann das Ausgleichsgehäuse mit einer Mehrzahl von Durchbrechungen oder Ausnehmungen zur weiteren Gewichtsersparnis versehen sein.
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Die Verbindung zwischen dem Antriebszahnrad und dem rohrförmigen Ausgleichsgehäuse kann noch dadurch verbessert werden, dass das Antriebszahnrad außen längs Mantellinien des Ausgleichsgehäuses verlaufende Kontaktflächen aufweist. Diese Kontaktflächen sind zweckmäßig entsprechend der Oberflächengestaltung des Ausgleichsgehäuses ausgebildet, z. B. als ebene Flächen bei Ausgleichsgehäusen mit Abflachung oder als im Querschnitt sphärische Flächen entsprechend der Krümmung bei einem zylindrischen Ausgleichsgehäuse.
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Anstelle eines im Querschnitt zylindrischen Ausgleichsgehäuses kommen auch profilierte rohrförmige Ausgleichsgehäuse in Frage, beispielsweise mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt und abgerundeten Kanten.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Mitnehmerbolzen hohl oder massiv ausgebildet oder mit Ausnehmungen versehen sein. Hohle Stahlbolzen können durch Ausspritzen mit Faserverbundwerkstoff oder Kunststoff mit Füllmaterial steifigkeitsoptimiert werden. Nach seinem Einschieben in die entsprechenden Bolzenbohrungen bzw. Führungseinsätze, in denen vorher die Ausgleichskegelräder eingesetzt wurden, kann der Mitnehmerbolzen in axialer Richtung z. B. durch Stifte gesichert oder durch das Antriebszahnrad axial fixiert, ggf. zusätzlich durch Schweißen befestigt werden.
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Zur Lagerung des Differentialgehäuses kann es zweckmäßig sein, auf diesem zusätzliche Führungsaufsätze in Verlängerung der Achswellenbohrungen z. B. durch Schweißen zu befestigen. Derartige Führungsaufsätze können jedoch entfallen, wenn die in die Achswellenbohrungen eingesetzten Führungseinsätze bzw. am Gehäuse angeformte Führungsansätze weit genug über das Ausgleichsgehäuse nach außen kragen.
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Falls erforderlich, können am Ausgleichsgehäuse von außen zusätzliche Versteifungsstege angebracht werden, welche quer zu den Endbereichen des Ausgleichsgehäuses verlaufen.
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Als Antriebszahnrad kommen bevorzugt Zahnräder in verschiedenen Varianten in Frage, z. B. solche mit gerader oder schräger Anbindung der Verzahnung an die Radscheibe. Es können auch verschiedene Verzahnungsgeometrien wie Schräg- oder Hypoidverzahnungen eingesetzt werden.
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Zur weiteren Gewichtsersparnis ist das Antriebszahnrad wenn möglich im Durchmesser kleiner dimensioniert als es das Ausgleichsgehäuse in Höhe der Bolzenbohrungen erfordern würde. In diesem Fall wird es außermittig am Ausgleichsgehäuse angebracht.
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Wird für das Getriebe und das Differential das gleiche Öl verwendet, hat das Antriebszahnrad keine Dichtfunktion. In diesem Fall wird es vorteilhaft zur Gewichtsminimierung mit möglichst vielen, großen, axial durchgängigen Durchbrechungen versehen sein. Hat es hingegen eine Dichtfunktion, so besitzt es keine Durchbrechungen und muss dicht mit dem Ausgleichsgehäuse verbunden sein, sodass mit seiner Hilfe eine Abdichtung der oberhalb des Rades befindlichen Volumina von den unterhalb des Rades befindlichen Volumina möglich ist.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt
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1 einen Querschnitt durch ein Differential mit Antriebszahnrad ohne Dichtfunktion
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2 eine frontale Ansicht eines zylindrisches Ausgleichsgehäuses,
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3 das Ausgleichsgehäuse gemäß 2 in der Seitenansicht,
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4 eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Ausgleichsgehäuses mit Sicken,
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5 eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Ausgleichsgehäuses mit Durchbrechungen,
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6 eine frontale Ansicht eines im wesentlichen zylindrischen Ausgleichsgehäuses mit seitlichen Abflachungen,
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7 das Ausgleichsgehäuse gemäß 6 in der Seitenansicht,
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8 eine perspektivische Ansicht eines Ausgleichsgehäuses mit etwa quadratischem Querschnitt,
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9 ein Antriebszahnrad als Stirnrad mit gerader Anbindung der Radscheibe,
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10 einen axialen Querschnitt durch das Stirnrad gemäß 9,
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11 ein Antriebszahnrad als Stirnrad mit schräger Anbindung der Radscheibe,
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12 einen axialen Querschnitt durch das Stirnrad gemäß 11,
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13 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Differentials mit Dichtfunktion des Antriebszahnrads,
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14 eine teilweise geschnittene Frontalansicht eines Differentials mit Versteifungsmatrizen und
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15 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Differentials nach 14.
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1 zeigt ein Differential für ein Kraftfahrzeug in einem Querschnitt durch die Achsen des Differentials, nämlich die Achse 15 der Antriebswellen und die Achse 16 des Mitnehmerbolzens 11. Das Differential gemäß dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispielumfasst ein zylinderförmiges Ausgleichsgehäuse 5 aus veredeltem oder unveredeltem Stahlwerkstoff, in welchem die Getriebebauteile montiert sind und an dessen Außenseite ein Antriebszahnrad 1 durch Schweißen befestigt ist. Von den beiden Schweißnähten auf gegenüberliegenden Seiten des Ausgleichsgehäuses 5 sind lediglich die Schweißnähte 13 an der Unterseite der Radscheibe 17 des als Stirnrad ausgebildeten Antriebszahnrads 1 eingezeichnet; die gegenüberliegenden Schweißnähte auf der Oberseite der Radscheibe 17 sind in der gewählten Querschnittsdarstellung nicht sichtbar, aber verlaufen entsprechend entlang Mantellinien des Ausgleichsgehäuses 5. Der aus dem Ausgleichsgehäuse 5 austretende Kragenteil 19 der Führungseinsätze 2 für die Bolzenbohrungen ist im Bereich des Antriebszahnrads 1 ausgeschnitten, so dass dessen Radscheibe 17 mit seinen Kontaktflächen 28 (siehe 10) bis an den Mitnehmerbolzen 11 heranreicht.
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Das Ausgleichsgehäuse 5 besitzt Bohrungen für den Mitnehmerbolzen 11 und für die (nicht dargestellten) Achswellen. In diese Bohrungen sind jeweils stählerne Führungseinsätze eingefügt und mit der Außenseite des Ausgleichsgehäuses 5 verschweißt. Die Führungseinsätze 6 für die Achswellenbohrungen sind jeweils mittels einer umlaufenden Schweißnaht 7 befestigt; die Führungseinsätze 2 für die Bolzenbohrungen sind mittels umlaufender Schweißnähte 3 befestigt. An ihren Innenseiten bilden die Führungseinsätze 2, 6 Führungsflächen zur Abstützung der zugeordneten Kegelräder, nämlich der Ausgleichskegelräder 4 bzw. der Achswellenkegelräder 8. Die Ausgleichskegelräder 4 drehen frei auf dem Mitnehmerbolzen 11 und stehen in Eingriffsverbindung mit den Achswellenkegelrädern 8. Die Drehung des Ausgleichsgehäuses 5 wird über die Führungseinsätze 2, den Mitnehmerbolzen 11 und die Ausgleichskegelräder 4 auf die Achswellenkegelräder 8 übertragen.
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Der Mitnehmerbolzen 11 aus Stahl ist zur Gewichtseinsparung hohl ausgebildet; er besitzt als Kern eine Versteifungsmatrix 52 aus mit Füllstoff versteiftem Kunststoff.
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Ein Ausgleichsgehäuse 5, wie in 1 dargestellt, ist jeweils verkleinert in verschiedenen Varianten gemäß den 2–8 als Halbzeug wiedergegeben.
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Die Ausführungsform gemäß den 2 und 3 zeigt ein zylindrisches Ausgleichsgehäuse 5 mit diametral gegenüberliegenden Achswellenbohrungen 9 und Bolzenbohrungen 10. Die Enden der Zylinderform sind jeweils mit einer deren maximale Längserstreckung verkürzenden Rücknahme 18 versehen, deren Ausschnitte gemäß dem gezeichneten Beispiel jeweils mit gleichem Abstand a einerseits zu den Achswellenbohrungen 9, andererseits zu den Bolzenbohrungen 10 verlaufen. Dadurch wird eine Mindeststeifigkeit des Ausgleichsgehäuses gewährleistet unter Berücksichtigung der jeweiligen Bohrungsdurchmesser, wobei gemäß dem gezeigten Beispiel die Bolzenbohrungen 10 einen deutlich geringeren Durchmesser aufweisen verglichen mit den Achswellenbohrungen 9. Die Rücknahme 18 ermöglicht somit eine deutliche Material- und damit auch Gewichtseinsparung bei ausreichender Festigkeit des Ausgleichsgehäuses 5. Die Rücknahme 18 verläuft symmetrisch zur Längsachse 33 des Ausgleichsgehäuses 5, so dass auf einem Vorratsrohr aufeinanderfolgende Gehäuseabschnitte identisch sind, wobei lediglich darauf zu achten ist, dass dann Achswellenbohrungen und Bolzenbohrungen abwechselnd um 90° versetzt anzubringen sind.
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4 zeigt in perspektivischer Darstellung ein zylindrisches Ausgleichsgehäuse 5, welches abweichend von 2 zusätzlich acht nach innen vorspringende Sicken 20 aufweist, die der zusätzlichen Aussteifung des Ausgleichsgehäuses 5 dienen.
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5 zeigt eine andere Ausführungsform eines zylindrischen Ausgleichsgehäuses 5, welches abweichend von 2 vier Durchbrechnungen 22 besitzt, die der Gewichtsreduzierung dienen.
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6 zeigt wiederum ein im wesentlichen zylindrisches Ausgleichsgehäuse 5, welches abweichend von 2 seitliche Abflachungen 24 besitzt, deren Ausdehnung in der Seitenansicht gemäß 7 erkennbar ist. Die Abflachung wird vorteilhaft durch spanlose Umformung der Zylinderform bei gleichzeitiger Kaltverfestigung erzeugt, so dass die Abflachungen 24 der zusätzlichen Versteifung des Ausgleichsgehäuses 5 dienen.
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8 zeigt ein rohrförmiges Ausgleichsgehäuse 5 mit einem Profilquerschnitt von etwa quadratischer Form mit abgerundeten Ecken. Diese Querschnittsform ist besonders geeignet zum Anformen von nach außen gewölbten Führungsansätzen 26, 27, welche der Abstützung der Kegelräder 8 bzw. 4 dienen. An diesem Beispiel sind die Führungsansätze 26 zur Abstützung von Achswellenkegelrädern 8 des Schaftradtyps geeignet ausgebildet. Entsprechendes gilt für die Führungsansätze 27 zur Abstützung von Ausgleichskegelrädern 4 des Kugelradtyps.
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Die 9 und 10 zeigen in der Ansicht und im Querschnitt ein Antriebszahnrad 1 in Form eines Stirnrads mit gerader Anbindung 12 seiner Radscheibe 17. Am Innenumfang der Radscheibe 17 befindet sich an gegenüberliegenden Seiten jeweils eine sphärische Kontaktfläche 28 zwecks vollflächiger Anlage an der Außenseite eines zylindrischen Ausgleichsgehäuses 5.
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Die 11 und 12 zeigen ein Antriebszahnrad 1 ebenfalls in Form eines Stirnrads, hier jedoch mit schräger Anbindung 14 an die Radscheibe 17. Die Kontaktflächen 31 sind hier eben ausgebildet, wie es für die Befestigung an einem Ausgleichsgehäuse des Typs mit Abflachung 24 gemäß 6 zweckmäßig ist. Vier in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze 30 dienen der Gewichtsreduzierung des Stirnrads.
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Die 13 zeigt eine Variante zum Differential gemäß 1, nämlich mit einem Antriebszahnrad 1, welches mit der unteren Seite des Ausgleichsgehäuses (5) dicht verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Trennung der Ölvolumina auf beiden Seiten des Antriebszahnrads 1 verwirklicht, sodass unterschiedliche Öle, einerseits für das Getriebe, andererseits für das Differential verwendbar sind. Die Dichtfunktion wird durch eine Schweißnaht 34 auf der Oberseite des Antriebszahnrads 1 längs der Mantellinien des Ausgleichsgehäuses 5 sowie durch eine Schweißnaht 13 innerhalb einer Mittelbohrung 29 auf der Unterseite des Antriebszahnrads 1 erzielt. Auf Ihrer Innenbohrung besitzen die Achswellenräder 8 die für die Momentenübertragung auf die (nicht gezeigte) Antriebswelle übliche Innensteckverzahnung. Im Übrigen sind zu 1 gleiche Bauteile bzw. Elemente der Zeichnung mit denselben Bezugsziffern wie in 1 versehen.
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Die 14 und 15 zeigen am Beispiel eines Differentials mit Versteifungsmatrizen 21, 38, 46, 49 eine weitere Variante zum Differential gemäß 1, wobei im Gegensatz zu 1 hier kein Stirnrad sondern ein grob schematisch dargestelltes Tellerrad als Antriebszahnrad verwendet wird. 14 zeigt die partiell geschnittene Frontalansicht und 15 die partiell geschnittene Seitenansicht des gleichen Differentials. Das Ausgleichgehäuse 5 wird in die Innengeometrie des mit mehreren Ausnehmungen 45, 47, 48 versehenen Antriebszahnrads 1 eingesetzt und mit ihm mit entsprechenden Schweißnähten 37, 40, 42 verbunden. Weiterhin werden rohrförmig ausgebildete Führungseinsätze 6 mit dem Ausgleichsgehäuse 5 mit mehreren Schweißnähten 32, 35, 39, 43 und mit dem Antriebszahnrad 1 über eine weitere Schweißnaht 41 verbunden. Die Versteifungsmatrizen 21, 38, 46, 49 werden z. B. durch Kunststoffspritzguss erzeugt; durch sie wird einerseits die Steifigkeit des Gesamtsystems erhöht, andererseits wird durch die Verwendung eines Materials mit einer deutlich geringeren Dichte als Stahl das Systemgesamtgewicht spürbar gegenüber einer Stahlvollvariante reduziert. Zur Optimierung der Steifigkeit sind das Ausgleichsgehäuse 5 und die Führungseinsätze 6 mit hier nur teilweise dargestellten Durchbrechungen versehen, die durch Versteifungsmatrizen ausgefüllt werden. In der dargestellten Variante werden darüber hinaus die Lagerflächen für die Achswellenkegelräder partiell durch zwei Versteifungsmatrizen 21, 46 sowie die Axialanschläge 50, 51 für die Radiallagerung des Differentialsystems durch zwei weitere Versteifungsmatrizen 21, 49 bereitgestellt. Der Mitnehmerbolzen wird durch Stifte 36 axial gesichert. Das Ausgleichsgehäuse 5 ist nicht symmetrisch zur Mitnehmerachse 16 ausgebildet. Seine Außengeometrie ist den Schnittdarstellungen in den 14 und 15 zu entnehmen und verläuft entsprechend einer gestrichelten Linie 44 in 15. Zu 1 gleiche Bauteile sind mit den selben Bezugsziffern versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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