DE102011015997A1

DE102011015997A1 - Zwischenachs-Differentialeinheit mit Entkopplungsfunktion

Info

Publication number: DE102011015997A1
Application number: DE201110015997
Authority: DE
Inventors: Wolfram Hasewend
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zwischenachs-Differentialeinheit mit Entkopplungsfunktion für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, das eine Primärachse und eine Sekundärachse aufweist. Die Zwischenachs-Differentialeinheit umfasst ein Differentialgetriebe, das ein Eingangselement, ein primäres Ausgangsrad und ein sekundäres Ausgangsrad umfasst, wobei das primäre Ausgangsrad mit einer der Primärachse zugeordneten primären Ausgangswelle drehfest gekoppelt ist und wobei das sekundäre Ausgangsrad mit einer der Sekundärachse zugeordneten sekundären Ausgangswelle trennbar gekoppelt ist. Weiterhin umfasst die Zwischenachs-Differentialeinheit eine in Öffnungsrichtung vorgespannte Sperrkupplung zum wahlweisen Sperren des Differentialgetriebes, eine in Schließrichtung vorgespannte Trennkupplung zum wahlweisen Trennen der sekundären Ausgangswelle von dem sekundären Ausgangsrad des Differentialgetriebes und einen Aktuator zum Betätigen der Sperrkupplung und der Trennkupplung. Die Sperrkupplung ist derart mechanisch mit der Trennkupplung gekoppelt, dass der Aktuator in der Lage ist, in einem gemeinsamen Betätigungsvorgang die Sperrkupplung zu schließen und die Trennkupplung zu öffnen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zwischenachs-Differentialeinheit mit Entkopplungsfunktion für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, das eine Primärachse und eine Sekundärachse aufweist. Die Zwischenachs-Differentialeinheit umfasst ein Differentialgetriebe, das ein Eingangselement, ein primäres Ausgangsrad und ein sekundäres Ausgangsrad umfasst, wobei das primäre Ausgangsrad mit einer der Primärachse zugeordneten primären Ausgangswelle drehfest gekoppelt ist und wobei das sekundäre Ausgangsrad mit einer der Sekundärachse zugeordneten sekundären Ausgangswelle trennbar gekoppelt ist. Ferner sind eine Sperrkupplung zum wahlweisen Sperren des Differentialgetriebes und eine Trennkupplung zum wahlweisen Trennen der sekundären Ausgangswelle von dem sekundären Ausgangsrad des Differentialgetriebes vorgesehen.
Derartige Differentialeinheiten mit Entkopplungsfunktion werden beispielsweise in Antriebssträngen von zeitweise vierradgetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei durch Öffnen der Trennkupplung die Antriebsmomentübertragung zur Sekundärachse unterbrochen werden kann, um so zwecks Kraftstoffeinsparung von einem Vierradantriebszustand auf einen Zweiradantriebszustand umzuschalten. Durch öffnen einer weiteren Trennkupplung an der Sekundärachse kann gegebenenfalls ein Teil des sekundären Antriebsstrangs vollständig entkoppelt und somit stillgelegt werden, um so zu verhindern, dass im Zweiradantriebszustand nicht benötigte Teile des Antriebsstrangs, insbesondere unnötige Massen oder Trägheitsmomente, mitbewegt werden.
Je nach Anwendung kann die Vorderachse die Primärachse und die Hinterachse die Sekundärachse sein, oder umgekehrt. Bei dem Differentialgetriebe kann es sich um ein offenes Differential, um ein momentensensierendes Differential oder um ein drehzahlsensierendes Differential handeln. Das Differentialgetriebe kann eine symmetrische Aufteilung des Drehmoments (50:50) oder eine asymmetrische Aufteilung des Drehmoments (zum Beispiel 40:60) vornehmen.
Bei einem Öffnen der Trennkupplung muss grundsätzlich das Differentialgetriebe gesperrt werden, da andernfalls aufgrund dessen Ausgleichswirkung kein Antriebsmoment zu der Primärachse übertragen werden könnte.
Um eine derartige Antriebsmomentunterbrechung zu vermeiden, können der Sperrkupplung und der Trennkupplung jeweilige Aktuatoreinheiten zugeordnet sein, wobei eine Steuereinrichtung durch koordiniertes Ansteuern der beiden Aktuatoreinheiten dafür sorgt, dass bei einem Öffnen der Trennkupplung stets auch ein Schließen der Sperrkupplung erfolgt. Eine derartige Zwischenachs-Differentialeinheit mit Entkopplungsfunktion ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 41 17 646 A1 offenbart.
Das Vorsehen von zwei separat ansteuerbaren Aktuatoreinheiten für die beiden genannten Kupplungen einschließlich der Bereitstellung einer geeigneten Steuereinheit ist jedoch aufwändig und kostspielig. Die zwei Aktuatoreinheiten beanspruchen wertvollen Bauraum. Zudem kann das Koordinieren der Vorgänge des Sperrens des Differentialgetriebes und des Trennens der Sekundärachse von dem Differentialgetriebe schwierig und fehleranfällig sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Zwischenachs-Differentialeinheit mit Entkopplungsfunktion bereitzustellen, welche einfach und kostengünstig in der Herstellung ist und welche auf zuverlässige Weise ein Schließen der Sperrkupplung bei jedem Öffnen der Trennkupplung sicherstellt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Zwischenachs-Differentialeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei einer erfindungsgemäßen Zwischenachs-Differentialeinheit ist die Sperrkupplung in Öffnungsrichtung vorgespannt und die Trennkupplung ist in Schließrichtung vorgespannt. Die Zwischenachs-Differentialeinheit weist einen Aktuator zum Betätigen der Sperrkupplung und der Trennkupplung auf, wobei die Sperrkupplung derart mechanisch mit der Trennkupplung gekoppelt ist, dass der Aktuator in der Lage ist, in einem gemeinsamen Betätigungsvorgang die Sperrkupplung zu schließen und die Trennkupplung zu öffnen.
Der Aktuator wirkt also sowohl auf die Sperrkupplung als auch auf die Trennkupplung ein, wobei die jeweiligen vorgespannten Zustände dafür sorgen, dass bei nicht aktiviertem Aktuator die Sperrkupplung geöffnet und die Trennkupplung geschlossen ist, also ein Vierradantriebszustand eingestellt ist. Durch Aktivieren des Aktuators können sowohl die Sperrkupplung als auch die Trennkupplung gegen die jeweilige Vorspannung betätigt werden, um so die Sperrkupplung zu schließen und die Trennkupplung zu öffnen, also einen Zweiradantriebszustand einzustellen. Hierfür ist die Sperrkupplung mit der Trennkupplung mechanisch gekoppelt, d. h. betrieblich gekoppelt. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei einem auf einer Zwischenachs-Differentialeinheit beruhenden Antriebsstrang die Sekundärachse mittels eines einzigen Aktuators wahlweise zu entkoppeln oder wieder zuzuschalten. Dies ist hinsichtlich der Herstellungskosten und des Bauraums vorteilhaft. Darüber hinaus bietet die mechanische Kopplung von Sperrkupplung und Trennkupplung die Möglichkeit, die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen, da ein durch Ansteuerungsfehler bedingtes Öffnen der Trennkupplung bei geöffneter Sperrkupplung ausgeschlossen ist.
Im Rahmen des gemeinsamen Betätigungsvorgangs kann insbesondere ein zeitlich aufeinanderfolgendes Schließen der Sperrkupplung und öffnen der Trennkupplung erfolgen, sodass die Sperrkupplung zuverlässig bereits geschlossen ist, wenn die Trennkupplung geöffnet wird. Dabei ist es möglich, dass das Schließen der Sperrkupplung und das Öffnen der Trennkupplung zeitlich überlappend oder vollständig getrennt nacheinander ausgeführt werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Sperrkupplung und/oder die Trennkupplung als Reibungskupplungen, insbesondere als Lamellenkupplungen, ausgeführt. Auf diese Weise können Verklemmungen von formschlüssigen Kopplungselementen und dadurch hervorgerufene Schaltschwierigkeiten verhindert werden. Die Ansteuerung der beiden Kupplungen vereinfacht sich noch weiter.
Die Sperrkupplung kann insbesondere derart mechanisch mit der Trennkupplung gekoppelt sein, dass ein Versetzen eines Stellglieds des Aktuators entlang einer Betätigungsrichtung zunächst ein teilweises oder vollständiges Schließen der Sperrkupplung und danach ein Öffnen der Trennkupplung bewirkt. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der Aktuator also zweistufig wirksam. Das Differentialgetriebe kann hierdurch bei Bedarf auch ohne Teilstilllegung des sekundären Antriebsstrangs gesperrt werden, um z. B. in bestimmten Fahrsituationen die Traktion zu verbessern. Mit anderen Worten kann bei Bedarf der Aktuator lediglich in dem Bereich betrieben werden, in welchem das zuerst beginnende Schließen der Sperrkupplung, aber noch nicht das Öffnen der Trennkupplung erfolgt, um so eine aktive Differentialsperrfunktion im Vierradantriebszustand zu ermöglichen.
Die Sperrkupplung und die Trennkupplung können insbesondere in einer Aktuatorkette hintereinander angeordnet sein, wobei das Öffnen der Trennkupplung eine höhere Betätigungskraft erfordert als das Schließen der Sperrkupplung. Somit ist sichergestellt, dass die Sperrkupplung immer bereits zuverlässig geschlossen ist, wenn die Trennkupplung geöffnet wird. Ein unerwünschter Abfall des Antriebsmoments an der Primärachse kann so sicher verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Sperrkupplung mittels einer Sperrkupplung-Federeinrichtung in Öffnungsrichtung vorgespannt und die Trennkupplung ist mittels einer Trennkupplung-Federeinrichtung in Schließrichtung vorgespannt, wobei die Trennkupplung-Federeinrichtung stärker ausgelegt ist als die Sperrkupplung-Federeinrichtung. Insbesondere kann zu diesem Zweck die Trennkupplung-Federeinrichtung eine größere Federkonstante aufweisen als die Sperrkupplung-Federeinrichtung. Wenn der Aktuator den Betätigungsvorgang startet, gibt die schwächere Sperrkupplung-Federeinrichtung zuerst nach und sorgt somit für ein Schließen der Sperrkupplung, wobei die stärkere Trennkupplung-Federeinrichtung erst zu einem späteren Zeitpunkt nachgibt und ein Öffnen der Trennkupplung bewirkt.
Das Differentialgetriebe kann eine Zwischenwelle aufweisen, die mit dem sekundären Ausgangsrad drehfest, jedoch axial versetzbar verbunden ist, wobei die Trennkupplung zwischen der Zwischenwelle und der sekundären Ausgangswelle wirksam ist. Das sekundäre Ausgangselement des Differentialgetriebes ist also als geteilte Welle ausgeführt, wobei die beiden Wellenteile mittels der Trennkupplung trennbar miteinander koppelbar sind. Die Zwischenwelle kann gemäß einer Ausgestaltung auch als Hohlwellenabschnitt ausgeführt sein. Bei geschlossener Trennkupplung erfolgt eine Drehmomentübertragung von dem sekundären Ausgangsrad über die Zwischenwelle und die Trennkupplung zu der sekundären Ausgangswelle und letztlich zu der Sekundärachse.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Aktuator ein axial versetzbares Stellglied oder das vorgenannte Stellglied auf, mittels dessen die Trennkupplung betätigbar ist, wobei das Stellglied über eine Trennkupplung-Federeinrichtung mit der Zwischenwelle gekoppelt ist. Bei der Trennkupplung-Federeinrichtung kann es sich um die zuvor genannte Trennkupplung-Federeinrichtung oder um ein separates Element handeln. Die Zwischenwelle wird bei dieser Ausgestaltung also über das versetzbare Stellglied und die Trennkupplung-Federeinrichtung betätigt.
Die Zwischenwelle kann weiterhin eine Mitnehmereinrichtung aufweisen, über die durch axiales Versetzen der Zwischenwelle die Sperrkupplung betätigbar ist. Die Zwischenwelle dient somit direkt zum Schließen der Sperrkupplung, wodurch sich eine besonders einfache Konstruktion ergibt.
Die Mitnehmereinrichtung der Zwischenwelle kann auch als Anschlag wirksam sein, um bei vollständig geschlossener Sperrkupplung die Zwischenwelle gegen ein weiteres axiales Versetzen zu blockieren. Die derart blockierte Zwischenwelle kann somit ein Abstützelement zum nachfolgenden Öffnen der Trennkupplung gegen die Vorspannung bilden.
Das Differentialgetriebe kann ein rotierendes Gehäuse aufweisen, welches das Eingangselement des Differentialgetriebes bildet oder mit diesem drehfest gekoppelt ist, wobei die Sperrkupplung zwischen dem rotierenden Gehäuse und der Zwischenwelle wirksam ist. Bei einem Schließen der Sperrkupplung wird somit eine drehfeste Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Zwischenwelle hergestellt. Aufgrund der drehfesten Kopplung der Zwischenwelle mit dem sekundären Ausgangsrad des Differentialgetriebes bedeutet dies ein Sperren des Differentialgetriebes, welches nachfolgend als Block umläuft.
Die Sperrkupplung kann zugleich als passive Sperrkupplung wirken. Das heißt es kann unabhängig von einer etwaigen Betätigung des Aktuators eine drehzahl- oder drehmomentabhängige automatische Sperrung des Differentialgetriebes vorgesehen sein. Somit kann auf Wunsch eine Überlagerung von aktiver Differentialsperre und passiver Differentialsperre bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Differentialgetriebe als ein Kegelrad-Differentialgetriebe ausgebildet, das mehrere Ausgleichsräder aufweist, die mit dem primären Ausgangsrad und dem sekundären Ausgangsrad kämmen, wobei die Ausgleichsräder und die Ausgangsräder als Kegelräder ausgebildet sind. Zumindest das sekundäre Ausgangsrad des Differentialgetriebes kann bei dieser Ausführungsform bezüglich der Rotationsachse des Differentialgetriebes axial beweglich gelagert sein, wobei durch ein axiales Abdrängen des sekundären Ausgangsrads infolge einer Drehmomentübertragung im Differentialgetriebe die Sperrkupplung zumindest teilweise betätigt wird. Da der Effekt des axialen Abdrängens des sekundären Ausgangsrads umso starker ist, je größer das übertragene Drehmoment ist, ergibt sich hierdurch ohne weitere Maßnahmen eine drehmomentsensierende Differentialsperre. In vorteilhafter Weise kann dieser Effekt der Selbstverstärkung dazu genutzt werden, um die erforderliche aktive Betätigungskraft für die Sperrkupplung herabzusetzen.
In entsprechender Weise kann auch das primäre Ausgangsrad bezüglich der Rotationsachse des Differentialgetriebes axial beweglich gelagert sein, wobei durch ein axiales Abdrängen des primären Ausgangsrads infolge einer Drehmomentübertragung im Differentialgetriebe eine dem primären Ausgangsrad zugeordnete weitere Sperrkupplung zumindest teilweise betätigbar ist. Bei Übertragung eines entsprechend hohen Drehmoments über das Differentialgetriebe werden beide Ausgangsräder am Eingangselement festgelegt, sodass Blockumlauf eintritt.
Das von der Sperrkupplung übertragene Drehmoment kann mittels einer Steuereinrichtung des Aktuators regelbar sein. Auf diese Weise kann eine aktiv regelbare Differentialsperre realisiert werden.
Vorzugsweise sind die Sperrkupplung und/oder die Trennkupplung in einem rotierenden Gehäuse des Differentialgetriebes gelagert, um so Bauraum zu sparen.
Die beiden Kupplungen können insbesondere koaxial in Bezug auf das sekundäre Ausgangselement des Differentialgetriebes angeordnet sein, wodurch sich eine besonders platzsparende Konstruktion ergibt.
Der Aktuator kann einen Kugelrampenmechanismus umfassen, wie er beispielsweise in der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 017 525 U1 offenbart ist. Der Aktuator kann aber auch hydraulisch betätigbar sein.
Allgemein kann das Differentialgetriebe ein Kegelrad-Differentialgetriebe, ein Kronenrad-Differentialgetriebe oder ein Planetensatz-Differentialgetriebe sein.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche oder gleichartige Elemente sind darin mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, in welchem eine erfindungsgemäße Zwischenachs-Differentialeinheit integriert ist.
2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Zwischenachs-Differentialeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem Vierradantriebszustand.
3 zeigt die Zwischenachs-Differentialeinheit gemäß 2 in einem Zweiradantriebszustand.
4 zeigt eine Zwischenachs-Differentialeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine Zwischenachs-Differentialeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Zwischenachs-Differentialeinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt eine Zwischenachs-Differentialeinheit gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt eine Zwischenachs-Differentialeinheit gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs dargestellt, in dessen vorderem Bereich eine Antriebseinheit 11 angeordnet ist, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Verbrennungsmotor. Die Antriebseinheit 11 ist über ein Wechselgetriebe 13 und eine Zwischenachs-Differentialeinheit 15 dauerhaft mit einer ein Vorderachsdifferential 17 umfassenden Vorderachse 18 des Kraftfahrzeugs verbunden, sodass auf der Vorderachse 18 sitzende Vorderräder 21 während der Fahrt durch die Antriebseinheit 11 permanent angetrieben werden. Die Vorderachse 18 wird deshalb auch als primäre Antriebsachse oder Primärachse bezeichnet.
In einem hinteren Fahrzeugbereich weist das Kraftfahrzeug eine Hinterachse 20 mit einem Hinterachsdifferential 19 und Hinterrädern 23 auf. Die Hinterachse bildet eine sekundäre Antriebsachse oder Sekundärachse, da sie bei Bedarf durch die Antriebseinheit 11 zusätzlich zu der Vorderachse 18 angetrieben werden kann.
Der Ausgang der Zwischenachs-Differentialeinheit 15 ist mit dem einen Ende eines Drehmomentübertragungsabschnitts 29, zum Beispiel einer Kardanwelle, verbunden. An seinem anderen Ende ist der Drehmomentübertragungsabschnitt 29 mit einem Kegelrad 31 verbunden, welches mit einem Tellerrad 33 in Eingriff steht, das mit einem Differentialkorb 35 des Hinterachsdifferentials 19 verbunden ist.
Um zu verhindern, dass der Drehmomentübertragungsabschnitt 29 und der Differentialkorb 35 des Hinterachsdifferentials 19 während der Fahrt und bei einem reinen Vorderradantrieb unnötigerweise beschleunigt und abgebremst werden müssen, ist eine Hinterachs-Trennkupplung 27 zur Stilllegung des Drehmomentübertragungsabschnitts 29 und des Differentialkorbs 35 vorgesehen. In die Hinterachs-Trennkupplung 27 ist eine Synchronisierungseinrichtung 28 integriert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Hinterachs-Trennkupplung 27 und die Synchronisierungseinrichtung 28 grundsätzlich auch an anderer Stelle in dem zur Hinterachse 20 führenden Antriebsstrangabschnitt angeordnet sein können.
Gemäß 2 und 3 umfasst die Zwischenachs-Differentialeinheit 15 ein Differentialgetriebe 34 mit einem um eine Rotationsachse R drehend angetriebenen Differentialgehäuse 37, welches als Eingangselement fungiert. In dem Differentialgehäuse 37 sind Ausgleichsräder 39 gelagert, welche mit einem primären Ausgangsrad 41 und einem sekundären Ausgangsrad 43 in Eingriff stehen. Das primäre Ausgangsrad 41 ist über eine Steckverzahnung drehfest und axial versetzbar mit einer primären Ausgangswelle 50 gekoppelt, welche ihrerseits mit einem zum Vorderachsdifferential 17 (1) führenden Drehmomentübertragungsabschnitt gekoppelt ist. Das sekundäre Ausgangsrad 43 ist über eine Steckverzahnung drehfest und axial versetzbar mit einer Zwischenwelle 52 gekoppelt, welche gemeinsam mit einer sekundären Ausgangswelle 51 eine geteilte Welle bildet.
In dem Differentialgehäuse 37 ist eine als Lamellenkupplung ausgebildete Trennkupplung 55 angeordnet, welche zwischen der Zwischenwelle 52 und der sekundären Ausgangswelle 51 wirksam ist, um die sekundäre Ausgangswelle 51 wahlweise von dem sekundären Ausgangsrad 43 des Differentialgetriebes 34 zu entkoppeln. Zu diesem Zweck bildet die Zwischenwelle 52 einen Kupplungskorb 57, welcher ein erstes Lamellenpaket 59 der Trennkupplung 55 trägt. Die sekundäre Ausgangswelle 51 bildet demgegenüber eine Kupplungsnabe 60, welche ein zweites Lamellenpaket 61 trägt. Koaxial zu der sekundären Ausgangswelle 51 und relativ zu dieser axial versetzbar ist ein hülsenförmiges Stellglied 71 angeordnet, an dessen dem Differentialgetriebe 34 zugewandtem Ende eine Trennkupplung-Druckplatte 63 vorgesehen ist. Durch axiales Versetzen der Trennkupplung-Druckplatte 63 können die wechselweise ineinandergreifenden Lamellenpakete 59, 61 gegeneinander gepresst werden, um so die Trennkupplung 55 zu schließen. Mittels einer zwischen dem Kupplungskorb 57 und der Trennkupplung-Druckplatte 63 eingesetzten Tellerfeder 65 ist die Trennkupplung 55 in Schließrichtung vorgespannt, d. h. die Tellerfeder 65 bildet eine in Schließrichtung wirksame Trennkupplung-Federeinrichtung.
Ein außerhalb des Differentialgehäuses 37 und koaxial zu der sekundären Ausgangswelle 51 angeordneter Aktuator 67 ist in der Lage, das Stellglied 71 in einer Betätigungsrichtung B – gemäß 2 axial nach links – zu versetzen, um so die Trennkupplung 55 gegen die Vorspannkraft der Tellerfeder 65 zu öffnen. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform weist der Aktuator 67 einen axial festen und drehfesten Stützring 68 und einen gegenüber dem Stützring 68 verdrehbaren und axial versetzbaren Verstellring 69 auf, welche über einen Kugelrampenmechanismus zusammenwirken, wie er beispielsweise in der vorstehend erwähnten DE 20 2005 017 525 U1 offenbart ist. Durch gesteuertes Verdrehen des Verstellrings 69, z. B. mittels eines Elektromotors und eines zugeordneten Schneckengetriebes, kann das Stellglied 71 um einen gewünschten Betrag axial versetzt werden. 2 und 3 zeigen eine mit dem Verstellring 69 zusammenwirkende Schnecke 73, d. h. der Verstellring 69 bildet zugleich ein Schneckenrad.
Das Differentialgetriebe 34 kann mittels einer ersten Sperrkupplung 75 und einer zweiten Sperrkupplung 77, welche beide als Lamellenkupplungen ausgeführt und in dem Differentialgehäuse 37 angeordnet sind, wahlweise gesperrt werden. Zu diesem Zweck sind die Ausgangsräder 41, 43 in Bezug auf die Rotationsachse R axial beweglich gelagert und stehen mit ebenfalls axial versetzbaren Sperrkupplung-Druckplatten 79, 80 in Verbindung, sodass durch ein axiales Abdrängen der Ausgangsräder 41, 43 infolge einer Drehmomentübertragung im Differentialgetriebe 34 die Sperrkupplungen 75, 77 betätigbar sind. Die Sperrkupplungen 75, 77 wirken auf diese Weise als drehmomentsensierende passive Differentialsperre. Lüftfederanordnungen 66 sorgen dabei dafür, dass die erste Sperrkupplung 75 und die zweite Sperrkupplung 77 in Öffnungsrichtung vorgespannt sind.
Ein an der Zwischenwelle 52 vorgesehener Mitnehmerflansch 81 sorgt dafür, dass bei einem axialen Versetzen der Zwischenwelle 52 in der Betätigungsrichtung B die Sperrkupplung-Druckplatte 79 mitbewegt und somit die erste Sperrkupplung 75 geschlossen wird. Hierfür sitzt der Mitnehmerflansch 81 zwischen dem sekundären Ausgangsrad 43 und der Sperrkupplung-Druckplatte 79. Die erste Sperrkupplung 75 ist also nicht nur durch ein passives Abdrängen des sekundären Ausgangsrads 43 infolge einer Drehmomentübertragung über das Differentialgetriebe 34 betätigbar, sondern auch durch ein aktives axiales Versetzen der Zwischenwelle 52.
Da die Zwischenwelle 52 über die Tellerfeder 65 mit dem Stellglied 71 mechanisch gekoppelt ist, ist der Aktuator 67 in der Lage, durch axiales Versetzen des Stellglieds 71 nicht nur ein Öffnen der Trennkupplung 55, sondern auch ein Schließen der ersten Sperrkupplung 75 herbeizuführen. Um in einem diesbezüglichen gemeinsamen Betätigungsvorgang sicherzustellen, dass zuerst das Schließen der ersten Sperrkupplung 75 einsetzt und erst danach das Öffnen der Trennkupplung 55 erfolgt (zweistufige Wirkungsweise), weist die Tellerfeder 65 eine größere Federkonstante auf als die Lüftfederanordnungen 66. D. h. das Öffnen der Trennkupplung 55 erfordert eine höhere Betätigungskraft als das Schließen der ersten Sperrkupplung 75.
Bei einem axialen Versetzen des Stellglieds 71 in der Betätigungsrichtung B verbleibt daher die Tellerfeder 65 zunächst in ihrem entspannten Zustand und die Trennkupplung 55 bleibt geschlossen, während die Zwischenwelle 52 gemeinsam mit dem Stellglied 71 über die Tellerfeder 65 in die Betätigungsrichtung B gezogen wird und so über den Mitnehmerflansch 81 und die Sperrkupplung-Druckplatte 79 ein Schließen der ersten Sperrkupplung 75 bewirkt. Hierbei wird die Lüftfederanordnung 66 der ersten Sperrkupplung 75 komprimiert. Sobald die Lamellenpakete 59, 61 der ersten Sperrkupplung 75 fest gegeneinandergepresst sind und die erste Sperrkupplung 75 somit geschlossen ist, ist ein weiteres axiales Versetzen der Zwischenwelle 52 blockiert, da der Mitnehmerflansch 81 als Anschlag wirksam ist. Daher wird bei einer weiteren Kraftbeaufschlagung des Stellglieds 71 die Trennkupplung 55 gegen die Vorspannkraft der Tellerfeder 65 geöffnet, d. h. die Tellerfeder 65 wird nun komprimiert.
Wenn also während des Fahrbetriebs ein Umschalten in einen Zweiradantriebszustand und eine Stilllegung des Drehmomentübertragungsschnitts 29 (1) gewünscht sind, wird der Aktuator 67 derart angesteuert, dass das Stellglied 71 um einen maximalen Betrag in Betätigungsrichtung B versetzt wird. Dabei wird zunächst die Zwischenwelle 52 und mit dieser die Sperrkupplung-Druckplatte 79 in die Betätigungsrichtung B gezogen, wodurch die erste Trennkupplung 75 geschlossen wird. Nachfolgend wird das Stellglied 71 gegenüber der Zwischenwelle 52 axial in der Betätigungsrichtung B versetzt und dadurch die Trennkupplung 55 geöffnet. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt. Durch den zweistufig wirkenden Aktuator 67 ist auf mechanischem Wege sichergestellt, dass keine Antriebsstrang-Teilstilllegung bei ungesperrtem Differentialgetriebe 34 durchgeführt wird.
Das Schließen der Trennkupplung 55 und das nachfolgende Öffnen der ersten Sperrkupplung 75 erfolgen in umgekehrter Reihenfolge, wenn aufgrund entsprechender Ansteuerung des Aktuators 67 das Stellglied 71 gemäß der Wirkrichtung der Lüftfederanordnung 66 der ersten Sperrkupplung 75 entgegen der Betätigungsrichtung B versetzt wird.
Sofern aufgrund ungünstiger Traktionsbedingungen ein teilweises oder vollständiges Sperren des Differentialgetriebes 34 bei fortlaufendem Vierradantrieb gewünscht ist, wird das Stellglied 71 mittels des Aktuators 67 nur in dem Bereich vor dem Anschlagen der Zwischenwelle 52 bewegt, aber nicht darüber hinaus. Aufgrund der hohen Federkonstante der Tellerfeder 65 bleibt in diesem Fall die Trennkupplung 55 geschlossen und der Vierradantrieb besteht weiterhin. Das Ausmaß der Sperrwirkung der ersten Sperrkupplung 75 kann hierbei mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung exakt geregelt werden. Unabhängig von einer Betätigung durch den Aktuator 67 werden die beiden Sperrkupplungen 75, 77 aufgrund der erläuterten passiven Wirksamkeit auch geschlossen, sobald ein Drehmomentübertrag des Differentialgetriebes 34 einen Schwellenwert übersteigt. Hierbei löst sich gegebenenfalls die Sperrkupplung-Druckplatte 79 von dem Mitnehmerflansch 81 der Zwischenwelle 52.
Eine zwischen dem Differentialgehäuse 37 und dem Stellglied 71 wirksame Aktuator-Rückstellfeder 83 hält das Stellglied 71 spielfrei, wenn die passive Differentialsperre wirksam ist und die Sperrkupplung-Druckplatte 79 in der Betätigungsrichtung B versetzt wird.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenachs-Differentialeinheit 15, wobei das Stellglied 71 hier nicht mittels eines Kugelrampenmechanismus, sondern auf hydraulischem Wege axial versetzt wird. Mittels einer hydraulischen Druckkammer 85 wird ein axial versetzbarer, drehfest gelagerter, ringförmiger Aktuatorkolben 87 beaufschlagt, welcher über entsprechende Axiallager 89 auf das Stellglied 71 drückt, um dieses axial zu versetzen. Die übrigen Vorrichtungsbestandteile entsprechen denen der ersten Ausführungsform gemäß 2 und 3.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenachs-Differentialeinheit 15, wobei ebenfalls eine hydraulische Betätigung des Stellglieds 71 vorgesehen ist. Die Druckkammer 85 ist jedoch in dem rotierenden Differentialgehäuse 37 ausgebildet, d. h. sie dreht sich während des Betriebs mit dem Differentialgehäuse 37 mit. Die Beaufschlagung des Aktuatorkolbens 87 erfolgt über eine nicht rotierende Zufuhrleitung 91 sowie einen rotierenden Ringkanal 93, welche mittels Drehdichtungen 95 voneinander drehentkoppelt und nach außen abgedichtet sind.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenachs-Differentialeinheit 15 mit gleichfalls hydraulischer Betätigung ist in 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Schließen der ersten Sperrkupplung 75 mittels des Kupplungskorbs 57 der Trennkupplung 55, und zwar in 6 nach rechts gegen das Differentialgehäuse 37. Eine Rückstellfeder 96 steht zwischen einem Ausgleichsrad-Lagerbolzen 97 des Differentialgetriebes 34 und der vorderen Stirnseite der Zwischenwelle 52.
Eine zwischen dem Aktuatorkolben 87 und der Trennkupplung-Druckplatte 63 wirkende Tellerfeder 65 ist hier als Zungenmembranfeder ausgebildet und stützt sich an radial nach innen ragenden Anlenkfingern 100 des Kupplungskorbs 57 hebelartig ab. Bei einer Beaufschlagung des Aktuatorkolbens 87 drückt dieser über die Tellerfeder 65 und die Anlenkfinger 100 des Kupplungskorbs 57 die Zwischenwelle 52 zunächst gegen die Kraft der Rückstellfeder 96 und der Lüftfederanordnung 66 nach rechts, wodurch die erste Sperrkupplung 75 geschlossen wird. Sobald die erste Sperrkupplung 75 geschlossen ist und ein entsprechender Anschlag erreicht ist, schwenkt die Tellerfeder 65 um einen jeweiligen Anlenkpunkt 101 der Anlenkfinger 100 und gibt somit die Trennkupplung-Druckplatte 63 frei. Die Trennkupplung 55 wird hierdurch geöffnet (ggf. unterstützt durch eine eigene Lüftfederanordnung). In diesem Zustand ist das Differentialgetriebe 34 gesperrt und die Drehmomentübertragung zu der sekundären Ausgangswelle 51 ist unterbrochen. Das Schließen der Trennkupplung 55 und das nachfolgende Öffnen der ersten Sperrkupplung 75 erfolgen wiederum in umgekehrter Reihenfolge.
Wie aus 6 hervorgeht, befindet sich die erste Sperrkupplung 75 bei dieser Ausführungsform nicht zwischen dem sekundären Ausgangsrad 43 des Differentialgetriebes 34 und dem zugehörigen Differentialgehäuse 37, sondern zwischen dem Kupplungskorb 57 der Trennkupplung 55 und dem Differentialgehäuse 37, weshalb am linken Ausgangsrad 43 des Differentialgetriebes 34 keine passive Sperrwirkung auftritt.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenachs-Differentialeinheit 15, bei welcher der Eintrieb des Differentialgetriebes 34 nicht über das Differentialgehäuse 37, sondern über eine Eingangswelle 99 erfolgt. Die Eingangswelle 99 erstreckt sich innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten primären Ausgangswelle 50 und ist mit dem Ausgleichsrad-Lagerbolzen 97 drehfest gekoppelt.
In 8 ist demgegenüber eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenachs-Differentialeinheit 15 dargestellt, bei welcher der Eintrieb des Differentialgetriebes 34 wiederum über eine Eingangswelle 99 erfolgt. Die Eingangswelle 99 ist hier innerhalb der sekundären Ausgangswelle 51 gelagert.
Im Übrigen sind die in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen analog zu der Ausführungsform gemäß 2 und 3, d. h. es ist insbesondere ein Aktuator 67 mit Kugelrampenmechanismus vorgesehen.
Bezugszeichenliste

11: Antriebseinheit
13: Wechselgetriebe
15: Zwischenachs-Differentialeinheit
17: Vorderachsdifferential
18: Vorderachse
19: Hinterachsdifferential
20: Hinterachse
21: Vorderrad
23: Hinterrad
27: Hinterachs-Trennkupplung
28: Synchronisierungseinrichtung
29: Drehmomentübertragungsabschnitt
31: Kegelrad
33: Tellerrad
34: Differentialgetriebe
35: Differentialkorb
37: Differentialgehäuse
39: Ausgleichsrad
41: primäres Ausgangsrad
43: sekundäres Ausgangsrad
50: primäre Ausgangswelle
51: sekundäre Ausgangswelle
52: Zwischenwelle
55: Trennkupplung
57: Kupplungskorb
59: erstes Lamellenpaket
60: Kupplungsnabe
61: zweites Lamellenpaket
63: Trennkupplung-Druckplatte
65: Tellerfeder
66: Lüftfederanordnung
67: Aktuator
68: Stützring
69: Verstellring
71: Stellglied
73: Schnecke
75: erste Sperrkupplung
77: zweite Sperrkupplung
79: erste Sperrkupplung-Druckplatte
80: zweite Sperrkupplung-Druckplatte
81: Mitnehmerflansch
83: Aktuator-Rückstellfeder
85: Druckkammer
87: Aktuatorkolben
89: Axiallager
91: Zufuhrleitung
93: Ringkanal
95: Drehdichtung
96: Rückstellfeder
97: Ausgleichsrad-Lagerbolzen
99: Eingangswelle
100: Anlenkfinger
101: Anlenkpunkt
R: Rotationsachse
B: Betätigungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4117646 A1 [0005]
DE 202005017525 U1 [0028]
DE 202005017525 [0045]

Claims

Zwischenachs-Differentialeinheit (15) mit Entkopplungsfunktion für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, das eine Primärachse (18) und eine Sekundärachse (20) aufweist, mit: – einem Differentialgetriebe (34), das ein Eingangselement (37), ein primäres Ausgangsrad (41) und ein sekundäres Ausgangsrad (43) umfasst, wobei das primäre Ausgangsrad (41) mit einer der Primärachse (18) zugeordneten primären Ausgangswelle (50) drehfest gekoppelt ist und wobei das sekundäre Ausgangsrad (43) mit einer der Sekundärachse (20) zugeordneten sekundären Ausgangswelle (51) trennbar gekoppelt ist; – einer in Öffnungsrichtung vorgespannten Sperrkupplung (75) zum wahlweisen Sperren des Differentialgetriebes (34); – einer in Schließrichtung vorgespannten Trennkupplung (55) zum wahlweisen Trennen der sekundären Ausgangswelle (51) von dem sekundären Ausgangsrad (43) des Differentialgetriebes (34); und – einem Aktuator (67) zum Betätigen der Sperrkupplung (75) und der Trennkupplung (55); wobei die Sperrkupplung (75) derart mechanisch mit der Trennkupplung (55) gekoppelt ist, dass der Aktuator (67) in der Lage ist, in einem gemeinsamen Betätigungsvorgang die Sperrkupplung (75) zu schließen und die Trennkupplung (55) zu öffnen.
Differentialeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkupplung (75) und/oder die Trennkupplung (55) als Reibungskupplungen, insbesondere als Lamellenkupplungen, ausgeführt sind.
Differentialeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkupplung (75) derart mechanisch mit der Trennkupplung (55) gekoppelt ist, dass ein Versetzen eines Stellglieds (71) des Aktuators (67) entlang einer Betätigungsrichtung (B) zunächst ein zumindest teilweises Schließen der Sperrkupplung (75) und danach ein Öffnen der Trennkupplung (55) bewirkt.
Differentialeinheit nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speerkupplung (75) und die Trennkupplung (55) in einer Aktuatorkette hintereinander angeordnet sind, wobei das Öffnen der Trennkupplung (55) eine höhere Betätigungskraft erfordert als das Schließen der Speerkupplung (75).
Differentialeinheit nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkupplung (75) mittels einer Sperrkupplung-Federeinrichtung (66) in Öffnungsrichtung vorgespannt ist und die Trennkupplung (55) mittels einer Trennkupplung-Federeinrichtung (65) in Schließrichtung vorgespannt ist, wobei die Trennkupplung-Federeinrichtung (65) stärker ausgelegt ist als die Sperrkupplung-Federeinrichtung (66).
Differentialeinheit nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgetriebe (34) eine Zwischenwelle (52) aufweist, die mit dem sekundären Ausgangsrad (43) drehfest, jedoch axial versetzbar verbunden ist, wobei die Trennkupplung (55) zwischen der Zwischenwelle (52) und der sekundären Ausgangswelle (51) wirksam ist.
Differentialeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (67) ein axial versetzbares Stellglied (71) aufweist, mittels dessen die Trennkupplung (55) betätigbar ist, wobei das Stellglied (71) über eine Trennkupplung-Federeinrichtung (65) mit der Zwischenwelle (52) gekoppelt ist.
Differentialeinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwelle (52) eine Mitnehmereinrichtung (81) aufweist, über die durch axiales Versetzen der Zwischenwelle (52) die Sperrkupplung (75) betätigbar ist.
Differentialeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmereinrichtung (81) der Zwischenwelle (52) als Anschlag wirksam ist, um bei vollständig geschlossener Sperrkupplung (75) die Zwischenwelle (52) gegen ein weiteres axiales Versetzen zu blockieren.
Differentialeinheit nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgetriebe (34) ein rotierendes Gehäuse (37) aufweist, wobei die Sperrkupplung (75) zwischen dem rotierenden Gehäuse (37) und der Zwischenwelle (52) wirksam ist.
Differentialeinheit nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkupplung (75) zugleich als passive Sperrkupplung wirkt.
Differentialeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgetriebe (34) als ein Kegelrad-Differentialgetriebe ausgebildet ist, das mehrere Ausgleichsräder (39) aufweist, die mit dem primären Ausgangsrad (41) und dem sekundären Ausgangsrad (43) kämmen, wobei die Ausgleichsräder (39) und die Ausgangsräder (41, 43) als Kegelräder ausgebildet sind, wobei zumindest das sekundäre Ausgangsrad (43) des Differentialgetriebes (34) bezüglich der Rotationsachse (R) des Differentialgetriebes (34) axial beweglich gelagert ist, und wobei durch ein axiales Abdrängen des sekundären Ausgangsrads (43) infolge einer Drehmomentübertragung im Differentialgetriebe (34) die Sperrkupplung (75) zumindest teilweise betätigbar ist.
Differentialeinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auch das primäre Ausgangsrad (41) bezüglich der Rotationsachse (R) des Differentialgetriebes (34) axial beweglich gelagert ist, wobei durch ein axiales Abdrängen des primären Ausgangsrads (41) infolge einer Drehmomentübertragung im Differentialgetriebe (34) eine dem primären Ausgangsrad (41) zugeordnete weitere Sperrkupplung (77) zumindest teilweise betätigbar ist.