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Die Erfindung bezieht sich auf ein Differenzial, mit mindestens einem Antriebsrad, mit mindestens zwei Achsrädern, mit mindestens zwei Ausgleichsrädern, und mit mindestens einem Verbindungselement.
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Ein Differenzial ist ein spezielles Planetengetriebe, welches z. B. beim Fahren eines Fahrzeugs in einer Kurve einen Ausgleich für den von den beiden Rädern einer Achse zurückgelegten unterschiedlich langen Weg schafft, indem die Räder sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen. Ein Verbindungselement erfährt hierfür von einem Antriebsrad ein Antriebsdrehmoment und wird dadurch in Rotation versetzt. Das Antriebsrad ist mit einem Übersetzungsgetriebe und darüber mit dem eigentlichen Fahrzeugmotor verbunden. Das Verbindungselement überträgt auf die zwei Ausgleichsräder ein Drehmoment, welches vom vorgegebenen Antriebsdrehmoment abhängig ist. Die Ausgleichsräder stehen dabei in Eingriff mit den Achsrädern. Tritt eine Drehzahldifferenz zwischen den beiden Rädern auf, so drehen sich die Ausgleichsräder und bewirken, dass ein Rad sich mit einer höheren Geschwindigkeit dreht. Das Verbindungselement ist im Stand der Technik im Allgemeinen ein Differenzialkorb, in welchem die Achsräder und die Ausgleichsräder angeordnet sind und welcher am Umfang mit dem Antriebsrad verbunden ist. Der Offenlegungsschrift
WO 2010/118727 A1 der Anmelderin lässt sich ein neuartiges Differenzial entnehmen, in welchem das Verbindungselement in dem Antriebsrad angeordnet ist. Das einteilige Verbindungselement weist dabei Speichen für die Achs- und Ausgleichsräder auf, welche sternförmig von einem zentralen Bereich des Verbindungselements ausgehen. Ein solches Differenzial verzichtet somit auf den Differenzialkorb, wobei jedoch insbesondere ein einteiliges Verbindungselement unter einer hohen Belastung steht. Ähnliche Differenziale werden gezeigt in den Patentschriften
US 2,408,926 A oder
US 2,548,258 A .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches gehäuseloses Differenzial zu optimieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Insbesondere erfährt das Verbindungselement vom Antriebsrad mindestens ein erstes Drehmoment und überträgt auf mindestens eines der mindestens zwei Achsräder mindestens ein zweites Drehmoment. In einer Variante ist vorgesehen, dass der zentrale Bereich des Verbindungselements im Wesentlichen symmetrisch um den Schwerpunkt des Antriebsrads angeordnet ist. Für die Verteilung der auftretenden Kräfte und Momente ist das Verbindungselement – z. B. ein einteiliges bzw. einstückiges Schmiedeteil – über vier Speichen mit dem Antriebsrad verbunden, z. B. verschweißt. Dies reduziert die Belastung, die auf das Verbindungselement einwirkt. Insgesamt verfügt das Verbindungselement über mindestens sechs Speichen: zwei Achsrad-Speichen, zwei Ausgleichsrad-Speichen und zwei Befestigungs-Speichen. Die Achsräder und Ausgleichsräder befinden sich insbesondere teilweise miteinander im Eingriff. Die imaginäre Achse, entlang welcher die Befestigungs-Speichen angeordnet sind, steht vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht auf der ersten und der zweiten imaginären Achse. Es sind mindestens vier Hinterlagen (zwei auf den Ausgleichsrad- und zwei auf den Befestigungs-Speichen) vorgesehen, welche mit der Innenfläche des Antriebsrades verbunden sind. Die Hinterlagen der Ausgleichsräder dienen u. a. der axialen Abstützung der Ausgleichsräder oder der Einstellung des Verzahnungsspiels zwischen den Rädern. Weiterhin ergibt sich als Vorteil der Hinterlagen eine Versteifung des Differenzials bzw. der Speichen. Durch die Anordnung der Enden der Achsrad-Speichen jeweils in einem Sackloch der Achsräder ergibt sich der Vorteil, dass bei einer Demontage der Seitenwellen kein Ölverlust wie im Stand der Technik droht. Die Anordnung der Kegelrollenlager, welche z. B. zwischen den Achsrädern und dem Gehäuse angeordnet sind, dient dazu, die wirkenden Kräfte zu vermindern. Die Kegelrollenlager fangen axiale Kräfte auf und sorgen für die Führung der Achsräder. Die Bohrungen im Achsrad und/oder Ausgleichsrad dienen insbesondere der Ölversorgung. Öl sei dabei ein Beispiel für ein Schmiermittel.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens zwei Achsräder direkt – insbesondere buchsenfrei – Kontakt mit den Achsrad-Speichen haben, und/oder dass die mindestens zwei Ausgleichsräder direkt – insbesondere buchsenfrei – Kontakt mit den Ausgleichsrad-Speichen haben. In der Offenlegungsschrift
WO 2010/118727 A1 sind für die Achs- bzw. Ausgleichsräder jeweils Buchsen vorgesehen. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Räder ohne Buchsen direkt auf die Speichen aufzubringen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Antriebsrad und mindestens eine Ausgleichsrad-Speiche derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich zwischen der Ausgleichsrad-Speiche und der Innenfläche des Antriebsrads mindestens ein Hohlraum ergibt. Beim Schweißen kann sich die Schweißwurzel in diesem Hohlraum bilden. Der Hohlraum ist dabei vorzugsweise derartig bemessen, dass bei einem beidseitigen Anschweißen der Speichen an das Antriebsrad eine Berührung des jeweils anderen in den Hohlraum eindringenden Materials, d. h. der Schweißwurzeln vermieden wird. Der Hohlraum befindet sich dabei jeweils hinter einer Schweißstelle.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Hinterlage mindestens eine Aussparung aufweist, wobei die Aussparung auf einen Bereich mündet, an welchem die Speiche, um welche die Hinterlage angeordnet ist, auf die Innenfläche des Antriebsrads trifft. Die Hinterlage ist somit derartig ausgestaltet, dass sie ein Verschweißen zwischen der zugehörigen Speiche und dem Antriebsrad erlaubt. Vorzugweise sind alle Hinterlagen derartig ausgestaltet. Vorzugsweise passen sich die Hinterlagen derartig an die Innenfläche des Antriebsrads an, dass sich auch eine optimale Schweißnaht für die Verbindung der Hinterlagen mit dem Antriebsrad ergibt. So sind die Hinterlagen beispielweise gekrümmt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Achsrad-Speiche und/oder mindestens eine Ausgleichsrad-Speiche zumindest teilweise umlaufende Vertiefungen aufweisen/aufweist. Diese Vertiefungen, die ggf. helix- oder spiralförmig verlaufen, dienen einer gleichmäßigen Ölversorgung um die Speichen herum.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Gehäuse vorgesehen ist, dass aus dem Gehäuse die Achsräder teilweise herausragen, und dass das Gehäuse im Wesentlichen öldicht ausgestaltet und/oder abgedichtet ist. Die Anordnung der Achsrad-Speichen in Sacklochbohrungen der Achsräder lässt sich auch für ein offenes Gehäuse verwenden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens zwei Achsräder und die mindestens zwei Ausgleichsräder als Kegelräder ausgestaltet sind, oder dass die mindestens zwei Achsräder als Kronenräder und die mindestens zwei Ausgleichsräder als Stirnräder ausgestaltet sind, oder dass die mindestens zwei Achsräder als Stirnräder und die mindestens zwei Ausgleichsräder als Kronenräder ausgestaltet sind. Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das Antriebsrad eine Gerad-, Schräg-, Pfeil- oder Doppelschrägverzahnung aufweist. Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eines der mindestens zwei Achsräder ein Außenprofil oder ein Innenprofil zur Anbindung einer Welle und/oder eines Rades aufweist. Beispielsweise sind eine Außenverzahnung oder eine Innenverzahnung zur Anbindung vorgesehen.
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Die Erfindung wird anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Differenzial,
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2: angeschnittene räumliche Darstellung des Differenzials,
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3: ein weiterer Schnitt durch das Differenzial, und
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4: Schnitt durch eine alternative Ausgestaltung des Differenzials der 1.
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Im Schnitt der 1 ist im Gehäuse 12 im Wesentlichen mittig das Verbindungselement 4 angeordnet, welches im Stand der Technik als Differenzialkorb ausgestaltet ist. In der Erfindung hat es die Form eines im Wesentlichen massiven zentralen Bereiches 7, von welchem insgesamt sechs Speichen ausgehen. Dabei handelt es sich um zwei Achsrad-Speichen 5, zwei Ausgleichsrad-Speichen 6 und zwei Befestigungs-Speichen 17 (vgl. 2 und 3). Die Speichen 5, 6, 17 sind im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet. Das sternförmige Verbindungselement 4 ist über die zwei Ausgleichsrad-Speichen 6 und die zwei Befestigungs-Speichen 17 mit dem Antriebsrad 1 verbunden. Das Antriebsrad 1 ist ein Zahnrad bzw. ein Zahnkranz. Das Antriebsrad 1 weist beispielsweise eine Gerad-, Schräg-, Doppeltschräg- oder Pfeilverzahnung auf. Es dreht sich um die erste imaginäre Achse I1 und überträgt ein von dem Drehmoment, mit welchem es selbst bewegt wird, abhängiges Drehmoment über die Drehung der Achsräder 2, welche sich jeweils um eine zugeordnete Achsrad-Speiche 5 drehen, auf die – nicht dargestellten – seitlich angebrachten Räder. Für die Anbindung des Differenzials in die Fahrzeugachse sind hier an den Achsrädern 2 Außenverzahnungen vorgesehen. Die Achsräder 2 sind in dieser Ausgestaltung als Kegelräder ausgestaltet, an deren Grundflächen jeweils eine im Wesentlichen zylindrische Einheit angebracht ist, die hier über die Außenverzahnung verfügt. Weiterhin weisen die Achsräder 2 Sacklochbohrungen zur Aufnahme der Achsrad-Speichen 4 auf. Alternativ können die Achsräder 2 auch als Kronen- oder Stirnräder ausgestaltet sein. Die Achsräder 2 sind unmittelbar auf den Achsräder-Speichen 5 gelagert und verfügen für eine Ölversorgung über durchgehende Bohrungen 31, über welche Öl – als ein Beispiel für Schmiermittel – in die Zwischenräume zwischen Achsräder-Speichen 5 und Achsräder 2 gelangt. Zwischen den Achsrädern 2 und dem Gehäuse 12 sind jeweils Kegelrollenlager 14 vorgesehen, welche für eine axiale Abstützung entlang der ersten imaginären Achse I1 sorgen. Die Kegelrollenlager 14 befinden sich dabei längs der ersten imaginären Achse I1 oberhalb des Bereichs, in welchem die Achsräder 2 in Kontakt mit den Achsräder-Speichen 5 stehen. Somit werden vor allem die auf das Verbindungselement 4 wirkenden Kräfte reduziert. Das Gehäuse 12 ist zudem durch Dichtungen 16 zwischen den Achsrädern 2 und dem Gehäuse 12 öldicht abgedichtet. Die Anordnung der Achsräder-Speichen 5 in den Sacklochbohrungen der Achsräder 2 verhindert u. a. ein Auslaufen des Öls bei einer Demontage. Längs der zweiten imaginären Achse I2, die senkrecht auf der ersten imaginären Achse I1 steht, sind zwei Ausgleichsrad-Speichen 6 für zwei Ausgleichsräder 3 vorgesehen. Die Achsräder 2 und die Ausgleichsräder 3 sind derartig ausgestaltet und zueinander angeordnet, dass sie miteinander kämmen. Die Ausgleichsräder 3 sind ebenfalls direkt auf den Ausgleichsrad-Speichen 6 angeordnet und weisen ebenfalls durchgehende Bohrungen 31 auf. Für die gleichmäßige Verteilung des Öls weisen die Ausgleichsrad-Speichen 6 und die Achsrad-Speichen 5 jeweils umlaufende Vertiefungen 32 auf. Die Ausgleichsrad-Speichen 6 sind über Fixierungsbereiche 15, beispielsweise durch Schweißen oder Laser-Schweißen mit dem Antriebsrad 1 verbunden. Die Hinterlagen 10, welche hinter den Ausgleichsrädern 3 angebracht sind, weisen entsprechende Durchgänge auf, damit die Ausgleichsrad-Speichen 6 mit den Innenflächen des Antriebsrads 1 verbunden, z. B. verschweißt werden können. Für das beidseitige Verschweißen der Ausgleichsrad-Speichen 6 ist ein im Wesentlichen durchgängiger Hohlraum 30 vorgesehen, welcher von – z. B. umlaufenden – Nuten im Antriebsrad 1 bzw. den Ausgleichsrad-Speichen 6 gebildet wird. In diesen kann Material der Schweißwurzel während und infolge des Schweißprozesses hineinfließen. Eine entsprechende Ausgestaltung ist bei den Befestigungs-Speichen (siehe 2 und 3) vorgesehen, insofern diese, wie bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, an das Antriebsrad 1 angeschweißt werden.
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In der Ansicht der 2 ist zu erkennen, dass die vier Hinterlagen 10 in ihrer Kontur der Innenfläche des Antriebsrads 1 angepasst sind, um eine möglichst gute Verbindung, z. B. durch Verschweißen zu erlauben. Weiterhin ist das Verbindungselement 4 über zwei Befestigungs-Speichen 17 mit dem Antriebsrad 1 verbunden, wobei auch bei den Befestigungs-Speichen 17 Hinterlagen 10 vorgesehen sind, welche ebenfalls mit dem Antriebsrad 1 verbunden sind. Zu erkennen ist auch, dass die Bohrungen 31 für das Öl in die Räume zwischen den Ausgleichsrädern 3 und den Ausgleichsrad-Speichen 6 bzw. zwischen den Achsrädern 2 und den Achsrad-Speichen 5 münden und die umlaufenden Vertiefungen 32 das Öl dort jeweils weiter transportieren. Zusätzlich sind hinter den Achsrädern 2 bzw. den Ausgleichsrädern 3 noch Anlaufscheiben 40 vorgesehen, welche für günstige Gleitbedingungen zwischen den Rädern 2, 3 und den dahinter angeordneten Hinterlagen 10 sorgen.
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Im Schnitt der 3 sind die vier Befestigungsbereiche 15 des Verbindungselements 4 über die zwei Befestigungs-Speichen 17 und die zwei Ausgleichsrad-Speichen 6 zu erkennen. Deutlich wird auch, wie die Hinterlagen 10 jeweils passend zu der runden Innenkontur des Antriebsrads 1 verrundet sind. Der zentrale Bereich 7 des z. B. mittels Kaltumformung einteilig erzeugten Verbindungselements 4 ist beispielsweise kugelförmig oder weicht von der Kugelform ab. In einer weiteren Ausgestaltung sind die Bohrungen in den Achsrädern 2 bzw. in den Ausgleichsrädern 3 derartig ausgestaltet, dass sich für die jeweiligen Speichen 5 bzw. 6 bei einem Verkippen mehrere, zumindest zwei Auflagepunkte ergeben. Dies kann z. B. dadurch erzielt werden, dass die Durchgangsbohrungen keinen gerade durchgehenden Verlauf, sondern eine Wellung aufweisen.
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In der 4 ist eine alternative Variante des Differenzials der 1 dargestellt. Im Differenzial der 1 ist für die Kegelrollenlager 14 eine O-Anordnung vorgesehen, wodurch die Druckpunkte außerhalb des Differentials liegen. Dies ist vorteilhaft in Bezug auf die entstehenden Kippmomente, da in der O-Anordnung die Kegelrollenlager 14 selbst bei verhältnismäßig kleinem Lagermittenabstand ein relativ großes Kippmoment aufnehmen können. Zudem sind die aus der Momentenbelastung resultierenden Radialkräfte und die dadurch hervorgerufenen Verformungen in den Lagern kleiner als bei der X-Anordnung. Eine solche X-Anordnung der Kegelrollenlager 14 ist in der 4 dargestellt.
