DE102011079084A1

DE102011079084A1 - Elektronisches sperrdifferential

Info

Publication number: DE102011079084A1
Application number: DE102011079084A
Authority: DE
Inventors: Dennis William Isken; Hihong Guo; Yasser Hindi; Brian J. Andonian; Jacob M. Povirk
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: DE102011079084B4; US20120021862A1; CN102345718A; CN102345718B; US8454471B2

Abstract

Ein Differentialmechanismus umfasst ein Gehäuse, ein Getriebe, das um eine Achse drehbar ist, einen Sperrring, der gegen das Drehen in Bezug zu dem Gehäuse stillgestellt ist, einen Hebel, der den Sperrring berührt, und eine elektromagnetische Spule, die beim Erregen axial verlagert wird, den Hebel schwenkt, den Haltering mit dem Planetenrad eingreifen lässt und das Getriebe am Drehen in Bezug zu dem Gehäuse hindert.

Description

STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Gerät zum abwechselnden Freigeben und Stillstellen eines Antriebskegelrad einer Differentialbaugruppe gegen das Drehen in Bezug zu einem Gehäuse. Insbesondere betrifft die Erfindung das elektromagnetische Betätigen einer Vorrichtung zum Freigeben und Stillstellen des Antriebskegelrad.
2. Beschreibung des allgemeinen Stands der Technik
Ein Sperrdifferential wird verwendet, um das relative Drehen eines angetriebenen Rads in Bezug zu einem anderen angetriebenen Rad zu verhindern. Das wird gewöhnlich erzielt, indem man ein Differentialplanetenrad in Bezug zu einem Differentialgehäuse blockiert, wodurch das Drehen des Antriebskegelrad in Bezug zu dem Differentialgehäuse und ein Raddrehzahldifferential auf irgendeiner Achse verhindert wird.
Ein Sperrdifferential verwendet hydraulischen Druck oder einen Elektromagnet, um einen Mechanismus zu betätigen, der ein Planetenrad abwechselnd gegen das Drehen stillstellt und das Planetenrad freigibt, um frei zu drehen. Aufgrund vonbeschränktem Bauraum, erfordern bestimmte Fahrzeuganwendungen jedoch eine kleine elektromagnetische Spule, deren Größe und Wicklungsanzahl eventuell nicht genug Eingriffskraft bereitstellt, um das Differential zu sperren. In diesen Fällen braucht man eine Technik, um die Betätigungskraft, die von der Spule erzeugt wird, auf eine Stärke zu verstärken, die ausreicht, um zuverlässige axiale Bewegung der Spule zu erzeugen.
Die Betätigungskraft, die von der Spule erzeugt wird, variiert nicht linear und umgekehrt zum Luftspalt. Bei einer gegebenen Spulengröße sollte der ursprüngliche Luftspalt daher so klein wie möglich gehalten werden, um die Kraft zu maximieren, die das Differential auf den Sperrzustand betätigt.
In der Industrie besteht ein Bedarf an einem Sperrdifferential, das von einer kleinen, axial bewegbaren elektromagnetischen Spule betätigt wird, die einen minimalen Luftspalt hat, so dass die Verlagerung der Spule verstärkt wird und größere Verlagerung für einen Sperrmechanismus erzeugt, der eines der Planetenräder des Differentials gegen das Drehen auf einem Differentialgehäuse stillstellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Differentialmechanismus umfasst ein Gehäuse, ein um eine Achse drehbares Getriebe, einen Sperrring, der gegen das Drehen in Bezug zu dem Gehäuse stillgestellt bzw lösbar arretiert wird, einen Hebel, der den Sperrring berührt, und eine elektromagnetische Spule, die beim Erregen axial bewegt wird, wodurch der Hebel geschwenkt wird, der Sperrring in das Planetenrad eingreifen gelassen wird und das Getriebe am Drehen in Bezug zu dem Gehäuse gehindert wird.
Ein Verfahren zum Sperren eines Differentials umfasst das Tragen eines Getriebes zum Drehen, das Stillstellen eines Sperrrings gegen Drehen, das Platzieren eines Hebels in Berührung mit dem Sperrring, das Erregen einer elektromagnetischen Spule, die den Hebel Schwenken veranlasst, das Eingreifen des Sperrrings mit dem Planetenrad und das Hindern des Planetenrads am Drehen in Bezug zu dem Sperrring.
Das Sperrdifferential verwendet eine relativ kleine Spule, die eine kleine Kupferwicklung hat, so dass ihr Gewicht und ihre Kosten verringert werden.
Das Sperrdifferential verstärkt die Verlagerung der erregten Spule und erlaubt es der Spule daher, sich über eine kurze Entfernung zu bewegen, während sie für den Sperrring eine große Bewegung bereitstellt und sein volles Eingreifen in das Planetenrad sicherstellt.
Aufgrund der kleine Spule erzeugt ein kleiner Luftspalt eine axiale Kraft, die die Spule zur eingreifenden oder Sperrposition bewegen kann und dadurch den Gebrauch einer großen Rückstellfeder erlaubt, die das Differential gelöst hält, wenn die Spule entregt ist.
Das Sperrdifferential mit bewegbarer Spule funktioniert bei allen normalen Betriebstemperaturen in einem Vorderachs- oder Hinterachsdifferential oder in einem Mittendifferential, wie bei denen, die bei Allrad- und AWD-Fahrzeugen verwendet werden.
Der Geltungsbereich der bevorzugten Ausführungsform ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen. Es ist klar, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, jedoch nur beispielhaft gelten. Verschiedene Änderungen und Modifizierungen der beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele werden dem Fachmann klar.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung gemeinsam mit den begleitenden Zeichnungen leichter verstanden, in welchen:
1 ein Querschnitt ist, der an einer diametralen Ebene durch einen Sperrdifferentialmechanismus verläuft;
2 ein isometrischer Querschnitt ist, der den Sperrring, das Planetenrad und einen Hebel zeigt, der an der inneren axialen Seite der Endkappe befestigt ist;
3 eine isometrische Ansicht ist, die die nach innen gerichtete Seite der Endkappe zeigt, wobei der Sperrring und die Rückstellfeder installiert sind;
4 eine isometrische Ansicht der nach innen gerichteten Seite der Endkappe ist, die den Sperrring und die Rückstellfeder in beabstandeter Beziehung zeigt;
5 Grafiken sind, die die nicht lineare Beziehung zwischen der axialen Kraft der Spule und dem Luftspalt für verschiedene Stärken an elektrischem Strom, der an die Spule angelegt wird, zeigt;
6 eine Seitenansicht ist, die den Sperrring-Betätigungsmechanismus zeigt, wenn die Spule ursprünglich erregt wird;
7 eine Seitenansicht ist, die den Sperrring-Betätigungsmechanismus in einer Zwischenposition später als in 6 zeigt, und
8 eine Seitenansicht ist, die den Sperrring-Betätigungsmechanismus in einer abschließenden verriegelten Position zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2, umfasst ein Differentialmechanismus 10 ein Differentialgehäuse 11, vorzugsweise aus Gusseisen oder Stahl, das auf einem stationären Gehäuse (nicht gezeigt) zum Drehen um eine seitliche Achse 12 getragen wird. Das Gehäuse 11 ist antreibbar über ein Kegelradgetriebe (nicht gezeigt) mit dem Ausgang einer Kraftübertragung oder einem Verteilergetriebe verbunden. Das Kegelradgetriebe, das an dem Gehäuse 11 an den Befestigungsbolzenlöchern auf einem Flansch 13 gesichert ist, wird zum Drehen um die Achse 12 getragen.
Das Gehäuse 11 stellt eine innere Kammer 14 bereit, die Kegelräder 16, 17 enthält. Die Kammer 14 enthält ein rechtes Kegelrad 18, das in die Kegelräder 16, 17 eingreift, die antreibbar mit einer Ausgangswelle verbunden sind und von einer Keilverzahnung an dem Planetenrad 18, das sich seitlich an der rechten Seite von dem Gehäuse 11 zu einem angetriebenen Rad eines Kraftfahrzeugs erstreckt, gehalten werden. Die Kammer 14 enthält ein linkes Kegelrad 20, das in die Kegelräder 16, 17 eingreift, die antreibbar mit einer zweiten Ausgangswelle verbunden sind und von einer Keilverzahnung an dem Planetenrad 20, das sich seitlich an der linken Seite von dem Gehäuse 11 zu einem angetriebenen Rad eines Kraftfahrzeugs erstreckt, gehalten werden. Ein Zapfen 22 wird von einem Stift 24 an dem Drehgehäuse 11 gehalten, trägt die Kegelräder 16, 17 zum Drehen um die Achse des Zapfens 22 senkrecht zu der Achse 12. Die Kegelräder 16, 17 und der Zapfen 22 drehen um die Achse 12.
In dem Gehäuse 11 befindet sich ferner ein Sperrring 26, der aufgrund der Berührung mit einer Differentialgehäuse-Endkappe 27 mit dem Gehäuse 11 um die Achse 12 dreht. Die 3 und 4 zeigen, dass der Sperrring 26 mit winkelig beabstandeten Armen 28 ausgebildet ist, wobei sich jeder Arm radial von der Achse 12 und rundum zwischen winkelig beabstandeten Anschlägen 30, die auf einer Innenfläche der Endkappe 27 ausgebildet sind, erstreckt. Das Gehäuse 11 ist an der Endkappe 27 an Befestigungslöchern, die mit denen auf dem Gehäuseflansch 13 ausgerichtet sind, befestigt. Die Berührung zwischen dem Arm 28 und den Anschlägen 30 begrenzt oder verhindert das Drehen des Sperrrings 26 zu dem Gehäuse 11 und der Endkappe 27. Die axiale innere oder nach innen gerichtete Fläche des Sperrrings 26 ist mit einer Reihe winkelig angeordneter Kupplungsvertiefungen 32 ausgebildet, die nebeneinander und gegenüber der axialen äußeren oder nach außen gerichteten Fläche des Antriebskegelrad 20 liegen.
Die axiale äußere Fläche des Antriebskegelrad 20 ist mit einer Reihe von Kupplungszähnen 38 ausgebildet, die winkelig um die Achse 12 beabstandet sind, den Kupplungsvertiefungen 32 des Sperrrings 26 gegenüber und nebeneinander liegen. Die Kupplungszähne 38 des Antriebskegelrad 20 und die Kupplungsvertiefungen 32 des Sperrrings 26 sind zueinander komplementär, so dass sie ineinander eintreten und auseinander austreten können, wenn sich der Sperrring zu dem Planetenrad bewegt und von dem Planetenrad weg bewegt.
Der Sperrring 26 greift normalerweise nicht in das Planetenrad 20 ein, was es dem Planetenrad erlaubt, in Bezug zu dem Differentialgehäuse 11 und dem Sperrring zu drehen und dadurch einen entriegelten oder ausgerückten Zustand zu ergeben. Wenn die Spule 44 mit elektrischem Strom erregt wird, bewegt sie sich entlang der Achse 12 zu dem Gehäuse 11, betätigt den Sperrring 26 zum Eingreifen in das Planetenrad 20 und veranlasst die Kupplungszähne 38 und Kupplungsvertiefungen 32, sich gegenseitig ineinander zu fügen oder einzugreifen, so dass das Planetenrad drehbar mit dem Sperrring und dem Gehäuse 11 verbunden wird, das Planetenrad am Drehen in Bezug zu dem Gehäuse und dem Sperrring gehindert wird, und das Differential 10 in einen gesperrten oder eingerückten Zustand platziert wird. Wenn die Spule 44 entregt wird, forciert die Kompressionskraft einer ringförmigen Tellerfeder 40, die sich zwischen dem Gehäuse 11 und dem Sperrring 26 befindet, den Sperrring axial von dem Planetenrad 20 weg, so dass das Differential 10 zu dem entriegelten oder ausgerückten Zustand zurückkehrt.
Die 1 und 2 zeigen einen Spulenaufbau 42, der auf dem Gehäuse 11 außerhalb der Kammer 14 getragen wird. Der Spulenaufbau 42 umfasst eine elektromagnetische Spule 44, die in eine ringförmige Vertiefung, die in einem Ring 48 ausgebildet ist, gepasst ist, und einen nicht magnetischen Kragen 54, der in den Ring 48 pressgepasst ist. Die Spule 44 erzeugt ein Magnetfeld, wenn sie mit elektrischem Strom erregt wird. Das Magnetfeld erzeugt eine axiale Kraft auf dem Spulenaufbau 42, deren Stärke mit der Breite eines Luftspalts zwischen dem Spulenaufbau und der Endkappe 27 variiert.
Beim Betrieb, wenn die Spule 44 erregt wird, wird sie von der Differentialendkappe 27 aufgrund des Magnetfelds, das von der Spule erzeugt wird, angezogen. Der Spulenaufbau 42 ist in Bezug zu dem Differentialgehäuse 11 gegen Drehen stillgestellt, kann sich aber axial zu dem Differentialgehäuse hin- und davon wegbewegen. Die axiale Verlagerung des Spulenaufbaus 42 wird zu einem Kragen 54 übertragen, der an der Endkappe 27 von einem Sprengring 58 gehalten wird. Der Kragen 54 erlaubt das Drehen des Differentials 10 in Bezug zu der Baugruppe 42 und stellt eine lineare Führung für die Spulenbaugruppe 42 zum axialen Verschieben bereit.
Wenn die Spule 44 erregt wird, legt der Gleitkragen 54 eine axiale Kraft an, die nach rechts zu einem Rollenaxiallager 62 und einer Druckplatte oder Druckscheibe 64 gerichtet ist. Das Lager 62 und die Druckplatte 64 befinden sich in einer ringförmigen Vertiefung, die in der Endkappe 27 ausgebildet ist. Wenn die Spule 44 erregt wird, legt die Druckplatte 64 eine axiale Kraft an drei winkelig beabstandete Kugeln 66 an, wobei jede Kugel in einem Loch, das in der Endkappe 27 ausgebildet ist, zurückgehalten wird. Wie die 3 und 4 zeigen, sind drei winkelig beabstandete Hebel 68 an Laschen 70, die in der Endkappe 27 ausgebildet sind, verstiftet, wobei jeder Hebel an der Winkelposition einer Kugel 66 liegt.
Der Mechanismus, der die Kugeln 66 und Hebel 68 umfasst, liegt axial zwischen dem Sperrring 26 und dem Gehäuse 11. Die Hebel 68 werden von der erregten Spulenbaugruppe 42, die sich axial zu dem Gehäuse 11 bewegt und die Druckplatte 64 gegen die Kugeln 66 forciert, betätigt, was die Hebel 68 zum Schwenken um die Schwenkachsen 72 veranlasst. Das äußere Ende jedes Hebels 68 kontaktiert den Sperrring 26 beim Schwenken des Hebels und bewegt dadurch die Sperrring-Kupplungsvertiefungen 32 zum Eingriff mit den Kupplungszähnen 38 des Antriebskegelrad 20. Der Sperrring 26 bewegt sich zum mechanischen Eingriff mit dem Planetenrad 20, um das Drehen des Antriebskegelrad in Bezug zu dem Gehäuse 11 zu verhindern.
Jede Kugel 66 befindet sich in einer Entfernung D1 von der Schwenkachse 72 des Hebels. Der Sperrring 26 wird aufgrund des Kontakts mit dem Ende der Hebel 68 bewegt, wobei sich dieses Ende in einer Entfernung D2 von der Hebeldrehachse 72 befindet. Die axiale Verlagerung der Spulenbaugruppe 42 aufgrund des Erregens der Spule 44 wird an einem Sperrring 28 um das Verhältnis D2/D1 verstärkt. Bei einem ursprünglichen Spulenluftspalt von 1,0 mm und einem abschließenden Luftspalt von 0,5 mm, wenn das Differential 10 komplett gesperrt ist, bewegt sich die Spule 44 über eine Entfernung von 0,5 mm. Mit einem Kugel- und Hebelverhältnis D2/D1 von 2,3, bewegt sich der Sperrring über eine Entfernung von 1,15 mm.
Die Grafiken der 5 zeigen die nicht lineare Beziehung zwischen der axialen Kraft der Spule und dem Luftspalt für verschiedene Stärken an elektrischem Strom, der an die Spule angelegt wird. Bei einer gegebenen Spulengröße ist es wünschenswert, den ursprünglichen Luftspalt so klein wie möglich zu halten, um die Differentialsperrkraft zu maximieren und dadurch den Gebrauch einer großen Rückstellfeder zu erlauben, die wirkt, um das Differential 10 gelöst zu halten, wenn die Spule 44 entregt ist.
6 zeigt die Bestandteile des Mechanismus zum Betätigen des Sperrrings 26 in einer Position, in der die Spule 44 ursprünglich erregt wird. Der Hebel 68 berührt den Sperrring 26 an dem Punkt A, der näher an dem Schwenkpunkt 72 ist als der Berührungspunkt zwischen der Kugel 66 und dem Hebel 68 an dem Punkt B. Daher ist die Kraft, die an den Sperrring 26 von dem Hebel 66 bei A angelegt wird, größer als die Kraft F1, die an den Hebel 66 bei B von der Kugel 66 angelegt wird. Diese Anordnung betätigt den Sperrring 26 mit einer größeren Kraft als die Kraft, die an die Kugel 66 aufgrund des Erregens der Spule 44 angelegt wird.
7 zeigt die Bestandteile des Mechanismus in einer Zwischenposition später als in 6, wobei der Hebel 68 den Sperrring 26 an Kontaktpunkten A und B berührt. In ihren Positionen in 7, sind die Spule 44, die Kugel 66 und der Hebel 68 in Bewegung. Die Kraft, die an den Sperrring 26 von dem Hebel 66 angelegt wird, wird von Punkt A zu Punkt C übertragen, wenn der Hebel um seine Schwenkachse 72 schwenkt.
Eine Nockenprofilfläche kann zwischen den Kontaktstellen A und C auf der oberen Oberfläche des Hebels 26 oder auf der unteren Oberfläche des Sperrrings 26 ausgebildet werden. Das Oberflächenprofil würde der Spulenkraftkurve der 5 und den Kraft-Bewegungsbeziehungen der Rückstellfeder 40 entsprechen und eine optimale Verlagerung, Einrückzeit und Ausrückkraft des Sperrrings 26 und Stromaufnahme der Spule 44 bereitstellen
8 zeigt die Bestandteile des Mechanismus in einer endgültigen Sperrposition später als in 7, wobei der Hebel 68 den Sperrring an der Kontaktstelle C berührt. Die axiale Verlagerung des Sperrrings 26 ist größer als die axiale Verlagerung der Spule 44, weil die Kontaktstelle des Sperrrings, Punkt C, weiter von der Schwenkachse 72 entfernt ist als die Kugelkontaktstelle B.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst ein erfindungsgemäßes Differential, ein Gehäuse;
ein um eine Achse drehbares Getriebe;
einen Sperrring, der gegen das Drehen in Bezug zu dem Gehäuse stillgestellt wird;
einen Hebel, der den Sperrring berührt;
eine elektromagnetische Spule, die verlagert werden kann, wenn sie erregt ist, um den Hebel zu schwenken, den Sperrring in das Getriebe eingreifen zu lassen und das Getriebe am Drehen in Bezug zu dem Gehäuse zu hindern. Dabei ist bevorzugt ferner eine Endkappe, die an dem Gehäuse befestigt ist vorgesehen, und eine Kugel, die radial von der Achse beabstandet ist, an der Endkappe in Position zurückgehalten wird, den Hebel berührt und zu dem Hebel von der Spule, wenn sie erregt ist, verlagert werden kann.
Dabei ist bevorzugt, dass der Hebel eine Schwenkachse aufweist und der Hebel den Sperrring in einer ersten Entfernung von der Schwenkachse berührt und ferner eine Kugel umfassend, die den Hebel in einer zweiten Entfernung von der Schwenkachse berührt, wobei die zweite Entfernung kleiner ist als die erste Entfernung.
Gemäß den Bestimmungen der Patentvorschriften wurde die bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass alternative Ausführungsformen anders als veranschaulicht und beschrieben ausgeführt werden können.

Claims

Differential, umfassend: ein drehbares Getriebe; einen Sperrring, der gegen das Drehen stillgestellt ist; einen Hebel, der den Sperrring berührt; eine elektromagnetische Spule, die verlagert werden kann, wenn sie erregt wird, um den Hebel zu schwenken, den Sperrring in das Planetenrad eingreifen zu lassen und das Planetenrad am Drehen in Bezug zu dem Sperrring zu hindern.
Differential nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Kugel, die radial von einer Achse beabstandet ist, die in einer Position auf der Endkappe zurückgehalten wird, den Hebel berührt und zu dem Hebel von der Spule, wenn sie erregt wird, verlagert werden kann.
Differential nach Anspruch 1, bei dem: der Hebel eine Schwenkachse aufweist und der Hebel den Sperrring in einer ersten Entfernung von der Schwenkachse berührt und ferner eine Kugel umfassend, die den Hebel in einer zweiten Entfernung von der Schwenkachse berührt, wobei die zweite Entfernung kleiner ist als die erste Entfernung.
Differential nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Endkappe; wobei der Hebel an der Endkappe an einer Schwenkachse befestigt ist, eine erste Oberfläche aufweist, die den Sperrring in einer ersten Entfernung von der Schwenkachse berührt, und eine zweite Oberfläche, die von dem Sperrring weg zeigt, und eine Kugel, die die zweite Oberfläche in einer zweiten Entfernung von der Schwenkachse berührt, wobei die zweite Entfernung kleiner ist als die erste Entfernung.
Differential nach Anspruch 1, ferner umfassend: der Hebel weist eine Schwenkachse auf, wobei eine erste Oberfläche den Sperrring in einer ersten Entfernung von der Schwenkachse berührt und eine zweite Oberfläche von dem Sperrring weg zeigt, und eine Kugel, die die zweite Oberfläche in einer zweiten Entfernung von der Schwenkachse berührt, wobei die zweite Entfernung kleiner ist als die erste Entfernung.
Differential nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Steg, der eine nach innen zeigende Seite und eine nach außen zeigende Seite aufweist, wobei sich der Hebel und der Sperrring auf der nach innen zeigenden Seite befinden, die Spule sich auf der nach außen zeigenden Seite befindet.