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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Differentialgetriebeeinheit mit aktiver Steuerung einer Drehmomentverteilung, die ein zu einer Drehbewegung antreibbares Eingangselement, ein mit dem Eingangselement gekoppeltes Differentialgetriebe und zwei mit dem Differentialgetriebe gekoppelte Ausgangswellen umfasst, wobei wenigstens einer der Ausgangswellen ein Überlagerungsgetriebe mit einer steuerbaren Reibungskupplung zugeordnet ist, um wahlweise ein Drehmoment zwischen dem Eingangselement und der jeweiligen Ausgangswelle zu übertragen.
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Eine gewöhnliche Differentialgetriebeeinheit dient zum Ausgleich von Drehzahlunterschieden zwischen zwei Ausgangswellen, wobei die Verteilung der Drehmomente während des Betriebs nicht beeinflusst werden kann. Eine Differentialgetriebeeinheit mit aktiver Steuerung einer Drehmomentverteilung ermöglicht dahingegen eine gezielte Einflussnahme auf die Verteilung des Drehmoments, das beispielsweise an Räder eines Kraftfahrzeugs abgegeben wird. Derartige Differentialgetriebeeinheiten können sowohl als Achsdifferential, das heißt zwischen den Rädern einer Achse, als auch als Zwischenachsdifferential, das heißt zwischen zwei angetriebenen Achsen, verwendet werden. In einer Anwendung als Achsdifferential kann beispielsweise in einer Kurve dem schneller rotierenden kurvenäußeren Rad des Kraftfahrzeugs ein zusätzliches Antriebsmoment zugeführt werden. Durch die aktive Steuerung der Drehmomentverteilung wird somit bewusst in die Fahrdynamik des Fahrzeugs eingegriffen und diese verbessert.
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Eine Differentialgetriebeeinheit mit aktiver Steuerung der Drehmomentverteilung ist beispielsweise in der
DE 10 2008 039 926 A1 offenbart. Bei diesem System umfasst das Überlagerungsgetriebe eine zu der betreffenden Ausgangswelle parallel versetzt angeordnete Vorgelegewelle, in welche auch die Reibungskupplung integriert ist. Aus der
DE 10 2007 010 982 B4 ist ein Differentialgetriebe beskannt, das mit koaxialen Achsen arbeitet und ein Ringrad zur Übertragung der Kraft aufweist, das gewinkelt angeordnet ist. Das Ringrad kämmt dabei immer nur über Teilen des Zahnkreises mit einem äußeren Tellerrad, dadurch ist die Krafteinkopplung nicht optimal, durch die spitzwinklige Anordnung der Achsen wird Bauraum verbraucht. Ein Problem bei den bekannten Differentialgetriebeeinheiten mit aktiver Steuerung der Drehmomentverteilung besteht darin, dass diese viel Platz in dem knapp bemessenen Bauraum im Bereich der Achsen eines Fahrzeugs beanspruchen.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Differentialgetriebeeinheit zu schaffen, die eine zuverlässige aktive Steuerung der Drehmomentverteilung ermöglicht, dabei aber einfach aufgebaut ist und wenig Bauraum beansprucht. Die Aufgabe wird von einer Differentialgetriebeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst das Überlagerungsgetriebe ein Eingangszahnrad und ein Ausgangszahnrad, welche über wenigstens ein Zwischenzahnrad antriebswirksam gekoppelt und um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar gelagert sind, wobei das Ausgangszahnrad bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse zumindest teilweise radial innerhalb des Eingangszahnrads angeordnet ist, oder umgekehrt (das heißt das Eingangszahnrad ist bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse zumindest teilweise radial innerhalb des Ausgangszahnrads angeordnet). Mit anderen Worten sind das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse radial ineinander verschachtelt angeordnet. Dadurch dass eines der beiden Zahnräder das andere radial umgreift oder umgibt, kann der durch das Überlagerungsgetriebe insgesamt beanspruchte Bauraum gegenüber Systemen mit einer Vorgelegewelle oder mit einem Planetengetriebe beträchtlich verringert werden. Zudem ergibt sich aufgrund der koaxialen Anordnung der beiden Zahnräder ein einfacher Aufbau, ein geringes Gewicht sowie eine einfache und robuste Lagerungsmöglichkeit.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Die antriebswirksame Kopplung des Eingangszahnrads und des Ausgangszahnrads über das wenigstens eine Zwischenzahnrad kann im einfachsten Fall dadurch gegeben sein, dass das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad mit dem Zwischenzahnrad kämmen.
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Vorzugsweise ist das jeweilige Zwischenzahnrad um eine ortsfeste Rotationsachse drehbar gelagert, welche die gemeinsame Rotationsachse des Eingangszahnrads und des Ausgangszahnrads schneidet. Das heißt das Zwischenzahnrad führt lediglich eine Rotation um die eigene Rotationsachse aus, aber keine Umlaufbewegung. Hierdurch ist eine direkte Drehmomentübertragung von dem Eingangszahnrad auf das Zwischenzahnrad und von dem Zwischenzahnrad auf das Ausgangszahnrad ermöglicht.
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Die ortsfeste Rotationsachse kann die gemeinsame Rotationsachse des Eingangszahnrads und des Ausgangszahnrads insbesondere in einem rechten Winkel schneiden. Im Vergleich zu einem Getriebe mit parallel zu der Ausgangswelle versetzt angeordneter Vorgelegewelle beansprucht eine derartige Anordnung nur wenig Bauraum, insbesondere in radialer Richtung. Grundsätzlich kann die ortsfeste Rotationsachse die gemeinsame Rotationsachse des Eingangszahnrads und des Ausgangzahnrads auch in einem anderen Winkel schneiden, bevorzugt in einem Winkel zwischen 60° und 120°.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad in Richtung der gemeinsamen Rotationsachse gesehen auf der gleichen Seite des wenigstens einen Zwischenzahnrads angeordnet. Dies erleichtert die Unterbringung des Überlagerungsgetriebes, da vor allem in axialer Richtung nur wenig Bauraum erforderlich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad als Kronenräder ausgebildet, wobei das wenigstens eine Zwischenzahnrad als ein Stirnrad ausgebildet ist. Alternativ können das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad als Kegelräder ausgebildet sein, wobei das wenigstens eine Zwischenzahnrad ebenfalls als ein Kegelrad ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung umfasst das wenigstens eine Zwischenzahnrad einen mit dem Eingangszahnrad kämmenden ersten (insbesondere radial äußeren) Verzahnungsbereich und einen mit dem Ausgangszahnrad kämmenden zweiten (insbesondere radial inneren) Verzahnungsbereich, wobei der erste Verzahnungsbereich und der zweite Verzahnungsbereich eine unterschiedliche Zähnezahl aufweisen (so genanntes Stufenzahnrad). Dies ermöglicht das Bereitstellen einer zusätzlichen Übersetzungsstufe in dem Überlagerungsgetriebe.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kämmen das Eingangszahnrad und das Ausgangszahnrad mit mehreren gemeinsamen Zwischenzahnrädern, die entlang des Umfangs des Eingangszahnrads verteilt angeordnet sind. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Kräfteverteilung und somit eine besonders zuverlässige Drehmomentübertragung zwischen dem Eingangszahnrad und dem Ausgangszahnrad.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Differentialgetriebeeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Differentialgetriebeeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Differentialgetriebeeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Differentialgetriebeeinheit 10A. Sie ist zwischen Rädern 11, 11' einer Achse eines Kraftfahrzeugs angeordnet und fungiert somit als Achsdifferentialgetriebeeinheit. Ein in Längsrichtung des Fahrzeugs verlaufender Antriebsstrang 12 weist einen Triebling 14 auf, der mit einem Tellerrad 16 kämmt. In einem Fahrzeug mit quer eingebautem Motor, oder wenn es sich bei der Differentialgetriebeeinheit 10A um ein Zwischenachsdifferential wie bei der dritten Ausführungsform gemäß 3 handelt, könnte anstelle des Trieblings 14 und des Tellerrads 16 beispielsweise eine Stirnradstufe vorgesehen sein.
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Das Tellerrad 16 ist mit einem Differentialkorb 18 eines Differentialgetriebes 20A drehfest verbunden. Der Differentialkorb 18 bildet das Eingangselement der Differentialgetriebeeinheit 10A.
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Mit dem Differentialgetriebe 20A sind eine rechte Ausgangswelle 22 und eine linke Ausgangswelle 22' gekoppelt. Weiterhin weist die Differentialgetriebeeinheit 10A eine rechte Überlagerungswelle 24 und eine linke Überlagerungswelle 24' auf, welche als Hohlwellen ausgebildet sind und welche die jeweiligen Ausgangswellen 22, 22' koaxial umgeben. Die Überlagerungswellen 24, 24' sind drehfest mit dem Differentialkorb 18 verbunden und können je nach den baulichen Gegebenheiten auch einstückig mit diesem ausgebildet sein. Auch kurze Wellenansätze an dem Differentialkorb 18 können grundsätzlich die Funktion der Überlagerungswellen 24, 24' erfüllen.
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Wie in 1 zu erkennen ist, sind die Überlagerungswellen 24, 24' geteilt ausgeführt, wobei jeweils der zum Differentialkorb 18 weisende Teil einen Kupplungskorb 30, 30' einer Reibungskupplung 32, 32' trägt. Jede Reibungskupplung 32, 32' weist mit dem Kupplungskorb 30, 30' drehfest verbundene Außenlamellen 34, 34' sowie Innenlamellen 36, 36' auf, die jeweils drehfest mit dem zum Rad 11, 11' weisenden Teil der Überlagerungswelle 24, 24' verbunden sind. Der zum Rad 11, 11' weisende Teil der Überlagerungswelle 24, 24' fungiert somit als Kupplungsnabe 46, 46' der Reibungskupplung 32, 32'. Jeder Reibungskupplung 32, 32' ist ein Aktuator 33, 33' zum Betätigen der jeweiligen Reibungskupplung 32, 32' zugeordnet (z. B. hydraulisch, elektrisch oder elektrohydraulisch).
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Die Ausgangswellen 22, 22' und die Überlagerungswellen 24, 24' sind mit einem rechten Überlagerungsgetriebe 25 bzw. einem linken Überlagerungsgetriebe 25' verbunden. Mit anderen Worten ist jedem Rad 11, 11' der Achse des Fahrzeugs ein separates Überlagerungsgetriebe 25, 25' zugeordnet. Da die Überlagerungsgetriebe 25, 25' spiegelgleich sind, wird im Folgenden lediglich das rechte Überlagerungsgetriebe 25 detailliert beschrieben.
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Bei einer Betätigung der Reibungskupplung 32 werden die Lamellen 34, 36 in Reibschluss miteinander gebracht, sodass ein von dem Differentialkorb 18 auf den Kupplungskorb 30 übertragenes Drehmoment auf den radzugewandten Teil der Überlagerungswelle 24 übertragen wird, welcher mit einem als Kronenrad ausgebildeten Eingangszahnrad 50A des Überlagerungsgetriebes 25 drehfest verbunden ist. Das Eingangszahnrad 50A ist konzentrisch zu einem Ausgangszahnrad 52A angeordnet, welches ebenfalls als Kronenrad ausgebildet ist. Genauer gesagt sind das Eingangszahnrad 50A und das Ausgangszahnrad 52A um eine gemeinsame Rotationsachse R drehbar gelagert, wobei das Ausgangszahnrad 52A bezüglich dieser Rotationsachse R radial innerhalb des Eingangszahnrads 50A angeordnet ist. Die gemeinsame Rotationsachse R entspricht der Rotationsachse der betreffenden Ausgangswelle 22. Das Ausgangszahnrad 52A des jeweiligen Überlagerungsgetriebes 25, 25' ist mit der jeweiligen Ausgangswelle 22, 22' drehfest verbunden.
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Im Bild rechts neben dem Eingangszahnrad 50A und dem Ausgangszahnrad 52A ist ein Satz von mehreren um den Umfang des Eingangszahnrads 50A gleichmäßig verteilt angeordneten Zwischenrädern 54A angeordnet, welche als Stirnräder ausgebildet sind und um jeweilige ortsfeste Zwischenrad-Rotationsachsen Z drehbar in einem Gehäuse 56 der Differentialgetriebeeinheit 10A gelagert sind. Jede der Zwischenrad-Rotationsachsen Z schneidet dabei die gemeinsame Rotationsachse R in einem rechten Winkel.
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Somit umfasst das Überlagerungsgetriebe 25 einen zweifachen Winkeltrieb, wobei durch die selektive Betätigung der Reibungskupplung 32 ein variables Drehmoment von der Überlagerungswelle 24 auf die koaxiale Ausgangswelle 22 übertragen werden kann. Die Differentialgetriebeeinheit 10A ist eine einfach und kompakt aufgebaute Einheit, die eine gezielte Drehmomentverteilung auf die einzelnen Räder 11, 11' der Achse ermöglicht. Diese aktive Drehmomentverteilung wird als Torque Vectoring bezeichnet. Die Verhältnisse der Zähnezahlen der Zahnräder 50A und 54A einerseits sowie der Zahnräder 54A und 52A andererseits sind vorzugsweise so gewählt, dass ausgehend von dem Differentialkorb 18 zu der Ausgangswelle 22 hin eine Übersetzung ins Schnelle erfolgt (z. B. Übersetzungsverhältnis i = 1/1,15). Durch die kompakte Bauweise der Überlagerungsgetriebe 25, 25' ergibt sich die Möglichkeit, die Differentialgetriebeeinheit 10A in modularer Bauweise auszuführen. Den beiden Rädern 11, 11' des Fahrzeugs ist jeweils ein solches Überlagerungsgetriebe 25, 25' zugeordnet, wobei das rechte Überlagerungsgetriebe 25 und das linke Überlagerungsgetriebe 25' spiegelbildlich aufgebaut sind, sodass zur Herstellung der beiden Überlagerungsgetriebe 25, 25' auf die im Wesentlichen gleichen Bauteile zugegriffen werden kann. Unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für verschiedene Typen von Differentialgetriebeeinheiten können unter Verwendung einer Vielzahl von Gleichteilen realisiert werden.
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In 2 ist eine Differentialgetriebeeinheit 10B gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche im Prinzip ähnlich aufgebaut ist wie die Differentialgetriebeeinheit 10A gemäß 1 und bei welcher gleiche oder äquivalente Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Das Eingangszahnrad 50B, das Ausgangszahnrad 52B sowie die Zwischenzahnräder 54B sind hier jedoch als Kegelräder ausgebildet.
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Sollte bei dem Überlagerungsgetriebe 25, 25' eine zusätzliche Übersetzungsstufe erwünscht sein, so können sowohl bei der ”Kronenrad”-Variante gemäß 1 als auch bei der ”Kegelrad”-Variante gemäß 2 die Zwischenzahnräder 54A, 54B zwei in radialer Richtung getrennte Verzahnungsbereiche aufweisen, welche jeweils mit einem von Eingangszahnrad 50A, 50B und Ausgangszahnrad 52A, 52B kämmen und welche eine unterschiedliche Zähnezahl aufweisen.
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Die in 3 dargestellte Differentialgetriebeeinheit 10C ist in Bezug auf die Überlagerungsgetriebe 25, 25' identisch zu der Differentialgetriebeeinheit 10A gemäß 1 ausgestaltet, das heißt das Eingangszahnrad 50A und das Ausgangszahnrad 52A sind als Kronenräder ausgebildet, während die Zwischenzahnräder 54A als Stirnräder ausgebildet sind. Die in 3 dargestellte Differentialgetriebeeinheit 10C ist jedoch als Längsdifferential (Zwischenachsdifferential) für ein Kraftfahrzeug ausgebildet, wobei eine mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor in Verbindung stehende Eingangswelle 60 ein Antriebsmoment unter Drehzahlausgleich auf die zur Hinterachse des Kraftfahrzeugs führende, im Bild rechte Ausgangswelle 22 und auf die zur Vorderachse des Kraftfahrzeugs führende, im Bild linke Ausgangswelle 22' überträgt. Die Eingangswelle 60 leitet hierzu das Antriebsmoment über einen Versatztrieb 62 in ein Differentialgetriebe 20B ein. Der Versatztrieb 62 kann beispielsweise als Stirnradstufe oder als Ketten- oder Riementrieb ausgeführt sein.
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Im Unterschied zu dem Differentialgetriebe 20A der beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beruht das in 3 dargestellte Differentialgetriebe 20B auf einem Planetenradsatz 64, welcher ein Hohlrad 66, ein Sonnenrad 68 sowie einen Satz Planetenradpaare 70 umfasst. Das Hohlrad 66 ist einstückig mit einem Stirnrad des Versatztriebs 62 ausgebildet und fungiert als Eingangselement. Jedes Planetenradpaar 70 umfasst ein mit dem Sonnenrad 68 kämmendes inneres Planetenrad 71 und ein mit dem Hohlrad 66 kämmendes äußeres Planetenrad 72, welche jeweils drehbar auf einem gemeinsamen Planetenträger 74 gelagert sind. Das Sonnenrad 68 ist antriebswirksam mit der im Bild rechten Ausgangswelle 22 verbunden, während der Planetenträger 74 antriebswirksam mit der entgegengesetzten Ausgangswelle 22' verbunden ist.
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Wie bei den beiden vorstehend beschriebenen Differentialgetriebeeinheiten 10A, 10B beansprucht die Differentialgetriebeeinheit 10C gemäß 3 nur einen geringen Bauraum, da das Eingangszahnrad 50A und das Ausgangszahnrad 52A jedes der Überlagerungsgetriebe 25, 25' radial ineinander verschachtelt angeordnet sind und der Satz Zwischenräder 54A, 54B hierzu querliegend auf einer Seite der Kronenradanordnung oder der Kegelradanordnung angeordnet ist. Das Überlagerungsgetriebe 25, 25' zeichnet sich somit durch eine robuste, zuverlässige und kompakte Bauform aus. Zusätzliche Kostenvorteile ergeben sich aus der spiegelbildlichen Anordnung und dem spiegelbildlichen Aufbau der beiden Überlagerungsgetriebe 25, 25' bei allen Differentialgetriebeeinheiten 10A, 10B, 10C.
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Bezugszeichenliste
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- 10A, 10B, 10C
- Differentialgetriebeeinheit
- 11, 11'
- Rad
- 12
- Antriebsstrang
- 14
- Triebling
- 16
- Tellerrad
- 18
- Differentialkorb
- 20A, 20B
- Differentialgetriebe
- 22, 22'
- Ausgangswelle
- 24, 24'
- Überlagerungswelle
- 25, 25'
- Überlagerungsgetriebe
- 30, 30'
- Kupplungskorb
- 32, 32'
- Reibungskupplung
- 33, 33'
- Aktuator
- 34, 34'
- Außenlamellen
- 36, 36'
- Innenlamellen
- 46, 46'
- Kupplungsnabe
- 50A, 50B
- Eingangszahnrad
- 52A, 52B
- Ausgangszahnrad
- 54A, 54B
- Zwischenzahnrad
- 56
- Gehäuse
- 60
- Eingangswelle
- 62
- Versatztrieb
- 64
- Planetenradsatz
- 66
- Hohlrad
- 68
- Sonnenrad
- 70
- Planetenradpaar
- 71
- inneres Planetenrad
- 72
- äußeres Planetenrad
- 74
- Planetenträger
- R
- gemeinsame Rotationsachse
- Z
- Zwischenzahnrad-Rotationsachse
