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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Differentialgetriebe zur Aufteilung der an einer Eingangswelle anliegenden Antriebsleistung auf einen ersten und auf einen zweiten Getriebeausgang, wobei dieses Differentialgetriebe mit einer Stelleinheit ausgestattet ist die es ermöglicht, an diesen beiden Getriebeausgängen unterschiedliche Antriebsmomente einzustellen oder die beiden Getriebeausgänge aktiv gegeneinander zu tordieren.
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Derartige Differentialgetriebe werden allgemein als sog. Torque-Vektoring Differentiale bezeichnet. Diese Differentialgetriebe ermöglichen es durch aktive Abstimmung der Relativdrehung der angetriebenen Räder einer Achse das kurvendynamische Verhalten eines entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeuges zu verbessern.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Differentialgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, das wie angegeben eine Einflussnahme auf die Relativdrehung der Getriebeausgänge ermöglicht und sich durch einen robusten Aufbau und ein vorteilhaftes mechanisches Betriebsverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Differentialgetriebe mit:
- – einer Differentialeinheit mit einem ersten Getriebeausgang, einem zweiten Getriebeausgang, einem um eine Differentialachse umlaufenden Planetenträger sowie mit diesem umlaufenden Umlaufplaneten, die als solche die beiden Getriebeausgänge gegeneinander verdrehbar koppeln, und
- – einer Stelleinrichtung zur Aufbringung eines zwischen den beiden Getriebeausgängen wirksamen Differenzmomentes,
- – wobei die Stelleinrichtung einen Stellmotor und ein Koppelgetriebe umfasst und das Koppelgetriebe gegenüber der Differentialachse radial versetzt ist und radial von außen her an der Differentialeinheit angreift.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, ein Differentialgetriebe zu schaffen an dessen beiden Ausgängen über die Stelleinrichtung aktiv unterschiedliche Drehmomente eingestellt werden können, wobei der axiale Aufbau eines entsprechenden Antriebssystems mit großer konstruktiver Freiheit gestaltet werden kann. In besonders vorteilhafter Weise wird es durch das erfindungsgemäße Konzept möglich, die Stelleinrichtung als Baueinheit auszubilden die modular seitlich an die Differentialeinheit ansetzbar ist, wobei die Differentialeinheit auch bei abgenommener Stelleinrichtung – und Verschluss der Montageöffnung-funktionsfähig ist und lediglich die Sonderfunktion der elektromechanischen Drehmomentenabstimmung hierbei entfällt. Das Differentialgetriebe kann insgesamt so konzipiert werden, dass die An- und Abbindung der Stelleinrichtung ohne Demontage der axial angebauten Komponenten des Differentialgetriebes erfolgen kann.
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Die sich aus dem Stellmotor und dem Koppelgetriebe zusammensetzende Stelleinrichtung bildet eine sog. Torque-Vectoring Einheit (TV-Einheit). Diese kann radial an das Stirnraddifferenzial angebaut werden, das Stirnraddifferential ist jedoch auch ohne diese Torque-Vectoring Einheit grundsätzlich funktionsfähig. Die Zusatzfunktion des Torque-Vekorings kann damit durch ein Nachrüsten nach einem Baukastenprinzip erfolgen. Bei der Ausstattung mit Torque-Vektoring wird der Planetenträger des SRD (Stirnraddifferenzials) gegen ein als Hohl- oder Ringrad ausgebildetes Rad verstellt. Dieses Ringrad kämmt mit den äußeren Ausgleichsplaneten und verdreht diese damit aktiv. Damit wird die Ausgleichsbewegung des Differentials je nach Drehrichtung und -geschwindigkeit steuerbar. Die TV-Einheit besteht aus einer Eingangsstufe (um das Moment des Stellmotors zu erhöhen) und einem als Gleichlaufstufe fungierenden Koppelgetriebe. Durch die Gleichlaufstufe erhält der Stellmotor bei stationärer Fahrt (Geradeausfahrt) keine Relativdrehzahl. Das TV-System kann für verschiedenste Antriebsarten eingesetzt werden (z. B. bei Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinenantrieb, Fahrzeugen mit Elektroachsen, Hybridfahrzeugen). Das Antriebsmoment wird über den Planetenträger des Stirnraddifferentials an die Bolzen und dann an die Planeten eingeleitet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Differentialeinheit ein mit dem Planetenträger umlaufendes und gegenüber diesem um die Differentialachse drehbares Ringrad, das mit einer bestimmten Gruppe der Umlaufplaneten in Eingriff steht. Über dieses Ringrad ist die Stelleinrichtung mit den Umlaufplaneten der Differentialstufe kinematisch gekoppelt.
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Das Ringrad ist vorzugsweise so gestaltet, dass diese eine Ringradaußenverzahnung aufweist. Das Koppelgetriebe greift dann von außen her in diese Ringradaußenverzahnung ein. Die Ringradaußenverzahnung ist vorzugsweise als relativ feine Verzahnung ausgeführt. Die Verzahnung ist wiederum vorzugsweise als gerade Stirnradverzahnung ausgeführt. Hierdurch wird es möglich, Umfangslastwechsel vorzunehmen ohne dass sich hierbei innerhalb des Verzahnungseingriffs wechselnde Axialkräfte ergeben.
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Die Differentialeinheit ist gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als Stirnraddifferential ausgebildet. Die Getriebeausgänge sind dabei durch Sonnenräder gebildet die zur Differentialachse gleichachsig angeordnet sind. Die Umlaufplaneten bilden eine erste Umlaufplanetengruppe und eine zweite Umlaufplanetengruppe. Die Umlaufplaneten der ersten Umlaufplanetengruppe stehen mit dem ersten Sonnenrad in Eingriff. Die Umlaufplaneten der zweiten Umlaufplanetengruppe stehen mit dem zweiten Sonnenrad in Eingriff. Zudem stehen auch die Umlaufplaneten der beiden Umlaufplanetengruppen miteinander über Planetenradeingriffszonen miteinander im Eingriff. Durch diese Anordnung der Getriebeorgane sind die beiden Sonnenräder miteinander gegensinnig im Übersetzungsverhältnis „–1” gekoppelt.
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Über das Ringrad kann aktiv ein Drehmoment in die Umlaufplaneten einer der Umlaufplanetengruppen eingeleitet werden. Aufgrund des Eingriffs der Umlaufplaneten der beiden Umlaufplanetengruppen werden hierbei auch die Umlaufplaneten der entsprechend anderen Umlaufplanetengruppe gegensinnig) angetrieben. Die Einkoppelung eines Drehmomentes in die Umlaufplaneten über das Ringrad führt damit zum Aufbau eines zwischen den beiden Sonnenrädern wirksamen Drehmomentes.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung trägt der Planetenträger ein mit diesem integral umlaufendes Stirnrad und die Stelleinrichtung bzw. das Koppelgetriebe derselben steht mit diesem in Eingriff. Dieses Stirnrad und das in die Umlaufplaneten eingreifende Ringrad sind vorzugsweise in enger Nachbarschaft angeordnet. Das am Planetenträger fixierte Stirnrad kann ein relativ fein verzahntes Stirnrad bilden das im Grunde nur mit dem Koppelgetriebe in Eingriff steht. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich das Koppelgetriebe in ein Stirnrad eingreifen zu lassen das als solches ein Eingangszahnrad bildet über welches der Planetenradträger antreibbar ist.
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Insbesondere beim Einsatz des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes in einem elektromechanischen Antriebssystem ist es möglich, im Zusammenspiel mit der Differentialeinheit ein Übersetzungsgetriebe zu realisieren. Hierbei wird dann vorzugsweise der Planetenträger der Differentialeinheit über ein Antriebsplanetengetriebe angetrieben, wobei der Planetenträger der Differentialeinheit auch den Planetenträger des Antriebsplanetengetriebes bildet. Der entsprechende Hauptantriebsmotor kann dann zur Differentialachse gleichachsig angeordnet sein und über seinen Rotor ein Sonnenrad des Antriebsplanetengetriebes antreiben.
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Das erfindungsgemäß seitlich an die Differentialeinheit angesetzte und mit dieser kinematisch gekoppelte Koppelgetriebe bildet erfindungsgemäß eine Gleichlaufeinheit durch welche die am Stellmotor erforderliche Antriebsdrehzahl am Stellmotor bei Geradeausfahrt im wesentlichen auf Null abgesenkt wird. Das Koppelgetriebe kann hierzu in vorteilhafter Weise als Umlaufrädergetriebe ausgeführt sein. Der Stellmotor und das Koppelgetriebe sind gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform zudem über eine Übersetzungsstufe miteinander gekoppelt. Da durch das Koppelgetriebe bei Geradeausfahrt die Eingangsdrehzahl am Eingang der Übersetzungsstufe im wesentlichen auf Null abgesenkt ist, generieren die Übersetzungsstufe und der Stellmotor im wesentlichen keine Schleppverluste.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, das Differentialgetriebe so auszuführen, dass die Stelleinrichtung aktiv ein- und ausrückbar ist. Hierdurch wird es möglich, die Ankoppelung der Stelleinrichtung nur bei Fahrzeugbetriebsphasen vorzunehmen bei welchen Bedarf nach einer Torque-Vektoring Funktion besteht. Dieses Ein- oder Ausrücken kann insbesondere durch Herstellen, oder Aufheben des Verzahnungseingriffs des Koppelgetriebes mit den umlaufenden Zahnradstrukturen des Planetenträgers erfolgen. Die Aufhebung kann dabei durch axiale oder radiale Verlagerung des Koppelgetriebes oder auch durch anderweitige Schaltorgane erfolgen. Jene radiale Verlagerung kann erreicht werden, indem das Gehäuse des Koppelgetriebes gegenüber einer inneren Achse exzentrisch geführt wird, und damit die Haupträder des Koppelgetriebes durch Schwenken des Koppelgetriebegehäuses radial ein- oder ausgerückt werden können.
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Vorzugsweise sind die Leistung und die Stelldynamik der Stelleinrichtung so auf das Trägheitsmoment des Fahrzeuges um dessen Hochachse sowie die Trägheitsmomente der Radantriebstränge abgestimmt, dass über die Stelleinrichtung im wesentlichen das für fahrdynamische Eingriffe maximal erforderliche Differenzmoment einstellbar ist. Insbesondere ist es möglich, die Stelleinrichtung so auszulegen, dass das über diese zwischen den Getriebeausgängen einstellbare Differenzmoment im wesentlichen dem bei trockener Fahrbahn aufbringbaren Radantriebsmoment entspricht.
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Es ist möglich, auch während eines Fahrzeugbetriebs der an sich noch keine Optimierung des kurvendynamischen Verhaltens durch aktive Variation der Radantriebsmomente erfordert, den Stellmotor lenkwinkelabhängig so anzusteuern dass über dessen Antriebsleistung die innere Reibung der Differentialmechanik kompensiert wird und sich die unterschiedlichen Radwinkelgeschwindigkeiten damit ohne – oder zumindest mit geringem – inneren Widerstand einstellen können.
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Kurzbeschreiung der Figuren
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine Axialschnittdarstellung der Hauptkomponenten des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes in operativ gekoppeltem Zustand;
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2 eine Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung von Einzelheiten der Differentialeinheit;
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3 eine Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung von Einzelheiten des Koppelgetriebes;
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4 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der kinematischen Koppelung der Komponenten des Differentialgetriebes unter leichter Abwandlung des Konzepts nach 1;
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5 eine perspektivische Darstellung des Planetenträgers der Differentialeinheit nach 3;
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6 eine perspektivische Darstellung der in einem Differentialgetriebegehäuse aufgenommenen Differentialeinheit noch ohne radial angesetzter Stelleinheit;
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7 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes, nunmehr mit radial angesetzter Stelleinheit;
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8 eine perspektivische Darstellung der Komponenten nach 1;
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9 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Einbausituation bei einer Elektroachse;
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10 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Einbausituation bei einem Brennkraftmaschinenantrieb mit quer eingebauter BK;
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11 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung einer weiteren Einbausituation bei einem Brennkraftmaschinenantrieb mit quer eingebauter BK und einer in das Schaltgetriebegehäuse eingebundenen Stelleinrichtung;
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12 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung einer weiteren Einbausituation bei einem Hinterachsdifferential.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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1 zeigt die Kernkomponenten eines erfindungsgemäßen Differentialgetriebes in operativ verknüpftem Zustand. Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe umfasst eine Differentialeinheit D mit einem ersten Getriebeausgang 1, einem zweiten Getriebeausgang 2, einem um eine Differentialachse X umlaufenden Planetenträger 3 sowie mit diesem umlaufenden Umlaufplaneten P1, P2, die als solche die beiden Getriebeausgänge 1, 2 gegeneinander verdrehbar koppeln.
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Weiterhin umfasst das Differentialgetriebe eine Stelleinrichtung S zur Aufbringung eines zwischen den beiden Getriebeausgängen 1, 2 wirksamen Differenzmomentes, wobei die Stelleinrichtung S einer Stellmotor M und ein Koppelgetriebe K umfasst und das Koppelgetriebe K gegenüber der Differentialachse X radial versetzt ist und radial von außen her an der Differentialeinheit D angreift.
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Die Differentialeinheit D umfasst ein mit dem Planetenträger 3 umlaufendes und gegenüber diesem um die Differentialachse X drehbares Ringrad 4, das mit den Umlaufplaneten P2 in Eingriff steht. Die Stelleinrichtung S ist über dieses Ringrad 4 mit der Differentialeinheit D kinematisch gekoppelt. Das Ringrad 4 weist eine Ringradaußenverzahnung 4a auf und das Koppelgetriebe K greift in diese Ringradaußenverzahnung 4a von außen her ein.
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Die Differentialeinheit D ist als Stirnraddifferential ausgebildet. Der Planetenträger 3 trägt ein mit diesem umlaufendes Stirnrad 5 und die Stelleinrichtung S steht auch mit diesem Stirnrad 5 in Eingriff.
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Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Planetenträger 3 der Differentialeinheit D über ein Antriebsplanetengetriebe PGD angetrieben, und der Planetenträger 3 der Differentialeinheit D bildet auch den Planetenträger dieses Antriebsplanetengetriebes PGD.
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Das Koppelgetriebe K bildet eine Gleichlaufeinheit durch welche die am Stellmotor M erforderliche Antriebsdrehzahl bei Geradeausfahrt im wesentlichen auf Null abgesenkt ist. Der Stellmotor M und das Koppelgetriebe K sind über eine Übersetzungsstufe R miteinander gekoppelt. Diese Übersetzungsstufe R ist als Planetenstufe ausgebildet wobei der Antrieb über ein Sonnenrad 6 erfolgt. Die Übersetzungsstufe R ist so ausgebildet, dass diese ein relativ hohes Übersetzungsverhältnis bietet. Insgesamt ist jedoch die Stelleinrichtung S so ausgelegt, dass diese in unbestromtem Zustand nicht selbsthemmend ist und etwaige Ausgleichsdrehungen innerhalb der Differentialeinheit ohne signifikante Schleppmomente zulässt. Die Stelleinrichtung S kann – obgleich hier nicht dargestellt – so ausgebildet sein, dass diese aktiv ein- und ausrückbar ist.
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Die Leistung des Stellmotors M und die Stelldynamik der Stelleinrichtung S ist insgesamt so auf das Trägheitsmoment des entsprechenden Fahrzeuges um dessen Hochachse sowie die Trägheitsmomente der Radantriebstränge abgestimmt, dass über die Stelleinrichtung S im wesentlichen das fahrdynamisch maximal erforderliche Differenzmoment zwischen den Getriebeausgängen 1, 2 einstellbar ist. Insgesamt kann die Stelleinrichtung S so ausgelegt sein dass das durch diese generierbare Differenzmoment im wesentlichen dem bei trockener Fahrbahn maximal, also bis Eintritt von Radschlupf aufbringbaren Radantriebsmoment entspricht.
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Der hier gezeigte Aufbau eines erfindungsgemäßen Differentialgetriebes mit integrierter „Torque-Vektoring Stelleinheit” zeichnet sich dadurch aus, dass die kinematische Anbindung der Stelleinheit S an die Differentialeinheit D von der Seite her an eine mit dem Planetenträger 3 umlaufende Stirnradverzahnung erfolgt. Die Stelleinheit S ist dabei so aufgebaut, dass deren Stellmotor M und das Koppelgetriebe K auf einer Achse XS sitzen und diese Achse XS parallel zur Differentialachse X verläuft. Zudem wird durch das Koppelgetriebe K die erforderliche Motordrehzahl reduziert, so dass bei Geradeausfahrt der Rotor 7 des Stellmotors M nicht dreht.
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Das Koppelgetriebe K ist als Planetengetriebe ausgeführt. Die Differentialeinheit D ist gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung als Stirnraddifferential ausgeführt. Der Aufbau dieser beiden funktionalen und seitlich nebeneinander liegend angeordneten Einheiten wird nachfolgend in Verbindung mit den 2 und 3 vertieft erläutert.
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In 2 ist die Differentialeinheit D des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes in Ihrem Aufbau weiter veranschaulicht. Die Getriebeausgänge 1, 2 sind jeweils mit einer Innenverzahnung versehen in welche ein komplementär verzahnter Abschnitt einer Radantriebswelle 1a einsteckbar ist. Diese Radantriebswelle 1a ist hier nur für den linken Radantriebsstrang dargestellt. Die rechte Radantriebswelle ist in dieser Darstellung nicht montiert. Bei dem als Radantriebswelle 1a bezeichneten Bauteil handelt es sich um einen Antriebswellenzapfen der an sich an einen Gelenktopf angebunden ist.
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Die Getriebeausgänge 1, 2 tragen jeweils Sonnenräder S1, S2 die eine Stirnradverzahnung aufweisen und auf besondere Weise mit den Umlaufplaneten P1, P2 gekoppelt sind. Die Sonnenräder S1, S2 weisen gleiche Zähnezahlen auf, Die Geometrie der beiden Sonnenräder S1, S2 ist so aufeinander abgestimmt, dass der Kopfkreis des Sonnenrades S1 kleiner ist als der Fußkreis des Sonnenrades S2. Die Umlaufplanetenräder P1, P2 bilden an sich zwei Planetenradgruppen. Die Umlaufplanetenräder P1 stehen mit dem Sonnenrad S1 in Eingriff, die Umlaufplanetenräder P2 stehen mit dem Sonnenrad S2 in Eingriff. Zudem stehen auch die Planetenräder P1, P2 miteinander in Eingriff. Durch die spezielle Gestaltung der Sonnenräder S1, S2 wird es möglich, die Planetenräder P2 derart lang gestreckt auszubilden, dass sich diese über die Stirnradverzahnung des ersten Sonnenrades S1 erstrecken ohne mit diesem in direkten Eingriff zu treten. Die Eingriffszonen zwischen den Umlaufplanetenrädern P1, P2 befinden sich hierbei auf dem gleichen Axialniveau wie die Stirnradverzahnung des ersten Sonnenrades S1. Zudem befinden sich die Umlaufplanetenräder P2 auf einem Teilkreis dessen Durchmesser größer ist als der des Teilkreises auf welchem sich die Umlaufplanetenräder P1 befinden. Die Umlaufplanetenräder P1, P2 sind am Planetenträger 3 drehbar gelagert. Dies erfolgt hier durch Lagerbolzen 8 die im Planetenträger 3 sitzen.
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Die Differentialeinheit D umfasst ein Ringrad 4 das eine Stirnradaußenverzahnung und eine Ringradinnenverzahnung aufweist. Das Ringrad 4 ist auf dem Planetenträger 3 drehbar gelagert und hierbei gleichachsig zur Differentialachse X angeordnet. Über die vorgenannte Ringradinnenverzahnung steht das Ringrad mit den Umlaufplaneten P2, nicht jedoch mit den Umlaufplaneten P1 in Eingriff. Durch Drehung des Ringrades 4 gegenüber dem Planetenträger 3 werden auch die Umlaufplaneten P2 aktiv gedreht. Da die Umlaufplaneten P2 wiederum mit den Umlaufplaneten P1 in Eingriff stehen, werden durch Drehung des Ringrades 4 gegenüber dem Planetenträger 3 die Getriebeausgänge 1, 2 gegensinnig gegeneinander verdreht.
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Eine mechanisch besonders vorteilhafte Einleitung eines Stellmomentes auf das Ringrad 4 erfolgt über das nachfolgend in Verbindung mit 3 näher erläuterte Koppelgetriebe K. Dieses Koppelgetriebe K wird über ein Stirnrad 9 synchronisiert. Dieses Stirnrad 9 ist integral mit dem Planetenträger 3 ausgebildet oder zumindest mit diesem drehfest verbunden.
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Die Einleitung der Antriebsleistung in die Differentialeinheit D erfolgt hier über eine Planetenstufe PGD die ein Sonnenrad S3, ein Hohlrad H3 und Umlaufplaneten P3 umfasst. Der Planetenträger 3 der Differentialeinheit D fungiert zugleich auch als Planetenträger jener Antriebsplanetenstufe PGD. Das Hohlrad H3 ist stationär in dem Getriebegehäuse 10 des Differentialgetriebes fixiert. Das Sonnenrad S3 wird über einen nicht näher dargestellten Hauptantriebsmotor der beispielsweise als Elektromotor ausgeführt sein kann, angetrieben.
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Die Differentialeinheit D ist als Stirnraddifferential ausgeführt, über das auf dem Planetenträger 3 sitzende Ringrad 4 wird eine aktive und durch Abstimmung der Antriebsleistung der Stelleinrichtung S gesteuerte Drehung der Umlaufplaneten P2 möglich.
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In 3 ist das Koppelgetriebe K nebst vorgeschaltetem Übersetzungsgetriebe R dargestellt. Die kinematische Koppelung des Koppelgetriebes K mit der Differentialeinheit erfolgt über zwei Stirnräder 11, 12. Das Stirnrad 11 greift in verbautem Zustand mit seiner Außenverzahnung 11a in die Außenverzahnung des Ringrades 4 der Differentialeinheit D ein. Das Stirnrad 12 greift in verbautem Zustand mit seiner Außenverzahnung 12a in die Außenverzahnung des starr mit dem Planetenträger 3 gekoppelten Stirnrades 5 ein. Beide Stirnräder 11, 12 sind als Ringräder ausgebildet und im Bereich ihrer Innenöffnung mit einer Ringradinnenverzahnung 11b, 12b versehen.
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Das Koppelgetriebe K umfasst einen Planetenträger 13. Dieser trägt Lagerbolzen 14. Auf den Lagerbolzen 14 sitzen Planentenräder P4, P5. Die Planetenräder P4, P5 greifen jeweils in die Ringradinnenverzahnung 12b, 11b ein.
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Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Ringradinnenverzahnungen 12b, 11b nur annähernd gleiche Teilkreisdurchmesser und Zähnezahlen. Dieser Umstand führt zu einem nachfolgend noch vertieften Sondereffekt. Grundsätzlich können diese Zahnräder auch baugleich ausgeführt sein. Das in dieser Darstellung rechte Planetenrad P4 kämmt mit einem Sonnenrad S4. Dieses Sonnenrad S4 ist am Gehäuse GK des Koppelgetriebes K fixiert. Des in dieser Darstellung linke Planetenrad P5 kämmt mit einem Sonnenrad S5. Dieses Sonnenrad S5 wird über das Übersetzungsgetriebe R angetrieben.
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Durch den hier gezeigten Aufbau des Koppelgetriebes K wird es möglich, die Drehzahl des Sonnenrades S5 auf Null abzusenken, oder zumindest stark zu reduzieren solange sich die beiden Stirnräder 11, 12 nicht gegeneinander verdrehen, also z. B. mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit umlaufen. Dieses Phänomen beruht darauf, dass der Planetenträger 13 an sich über das Planentenrad P4 angetrieben wird. D. h. sobald das Stirnrad 12 rotiert wandert das Planetenrad P4 entsprechend dem durch das Sonnenrad S4 und die Innenverzahnung 12b festgelegten Übersetzungsverhältnis auf seiner Umlaufbahn und nimmt dabei über den Lagerbolzen 14 den Planetenträger 13 mit. Der Lagerbolzen 14 wiederum nimmt das weitere auf diesem sitzende Planetenrad P5 mit. Dieses Planetenrad P5 stützt sich einerseits an der Innenverzahnung 11b des Stirnrades 11 und andererseits an dem Sonnenrad S5 ab. Durch Rotation des Sonnenrades S5 wird es damit möglich, das Stirnrad 11 gegenüber dem Stirnrad 12 zu verdrehen. Laufen die beiden Stirnräder 11, 12 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit so steht das Sonnenrad S5 still oder rotiert zumindest mit lediglich geringer Drehzahl.
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Das Sonnenrad S5 wird über das Übersetzungsgetriebe R angetrieben. Dieses Übersetzungsgetriebe R ist als Umlaufrädergetriebe ausgebildet und bietet aufgrund seiner hier gezeigten besonderen Bauform ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis > 1, d. h. „ins Langsame”. Das Übersetzungsgetriebe R umfasst ein erstes Hohlrad H1 und ein zweites Hohlrad H2. Das erste Hohlrad H1 und das zweite Hohlrad H2 haben den gleichen Teilkreisdurchmesser, jedoch unterschiedliche Zähnezahlen. Das erste Hohlrad H1 ist in einer Umlaufglocke 15 fixiert. Diese Umlaufglocke 15 trägt auch das Sonnenrad S5 des Koppelgetriebes K. Das zweite Hohlrad H2 ist im Gehäuse 16 des Koppelgetriebes K fixiert. Das Übersetzungsgetriebe R umfasst einen Planetenträger 17 der als solcher Umlaufplaneten P6 trägt die sowohl mit den Innenverzahnungen der Hohlräder H1, H2 als auch mit einem Sonnenrad S6 kämmen. Die Umlaufplaneten P6 sitzen hierbei auf Lagerbolzen 18 die im Planetenträger 17 gesichert sind. Bei einem Umlauf der Umlaufplaneten P6 um die Achse XS des Stelltriebs ergibt sich eine Verdrehung des Hohlrades H1 gegenüber dem Hohlrad H2 entsprechend der Zahndifferenz. Es ergibt sich damit in einer Stufe ein großes Übersetzungsverhältnis von z. B. 1:64. Das Sonnenrad S6 wird durch einen Elektromotor M angetrieben wie er in 1 symbolisch eingezeichnet ist. Dieser Elektromotor M kann beispielsweise als Schritt- oder Servomotor ausgebildet sein. Das Sonnenrad S6 ist hier auf den angedeuteten Motorwellenzapfen 19 aufgesetzt. Die Planetenräder P6 sind auf den Lagerbolzen 18 über Wälzlager 20 gelagert. Aufgrund des hier gezeigten Aufbaus des Übersetzungsgetriebes ergibt sich ein hoher mechanischer Wirkungsgrad, so dass das Koppelgetriebe K, das Übersetzungsgetriebe R und auch der angeschlossene Motor M mit geringem Schleppmoment mitgeschleppt werden können bis ggf. der Motor M aktiviert wird und eine entsprechende Relativdrehung der beiden Stirnräder 11 12 veranlasst. Aufgrund des Übersetzungsgetriebes R können am Eingang des Koppelgetriebes K, konkret am Sonnenrad S5 hohe Stellmomente realisiert werden.
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In 4 ist in Form einer Schemadarstellung die kinematische Koppelung der einzelnen Getriebeorgane einer leicht modifizierten Variante des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes veranschaulicht. Wie bereits ausgeführt setzt sich das erfindungsgemäße Differentialgetriebe aus einer Differentialeinheit D und einer Stelleinrichtung S zusammen, wobei die Stelleinrichtung S radial von der Seite her in die Differentialeinheit D eingreift.
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Die Differentialeinheit D ist als Stirnraddifferential ausgebildet, der Leistungsabgriff erfolgt über die beiden Sonnenräder S1 S2 die als solche mit den Getriebeausgängen 1, 2 gekoppelt sind. Die Umlaufplaneten P1, P2 sitzen auf einem Planetenträger 3 und stehen miteinander in Eingriff. Die Umlaufplaneten P1 greifen in das Sonnenrad S1 ein. Die Umlaufplaneten P2 greifen in das Sonnenrad S2 ein. Dieses Eingriffskonzept kann unter Rückgriffnahme auf eine Profilverschiebung an den Sonnenrädern S1, S2 so umgesetzt werden, dass sich die Eingriffszonen zwischen den Umlaufplaneten P1, P2 auf dem Axialniveau der Stirnradverzahnung des ersten Sonnenrades S1 befinden. Es ist jedoch auch möglich, dieses Stirnraddifferenzial als sog. symmetrisches Stirnraddifferential auszubilden bei welchem sich z. B. die Eingriffszonen der Umlaufplaneten sich axial zwischen den Sonnenrädern S1, S2 befinden. Die vorangehend beschriebene asymmetrische Variante bietet jedoch aufgrund besonderer interner Kraft-Kompensationseffekte strukturmechanische Vorteile.
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Die Umlaufplaneten P2 greifen in die Innenverzahnung des Ringrades 4 ein. Dieses Ringrad 4 ist auf dem Planetenträger 3 drehbar gelagert. Das Ringrad 4 trägt eine Außenverzahnung in welche ein Stirnrad 11 der Stelleinrichtung S eingreift. Der Planetenträger 3 trägt weiterhin ein Stirnrad 5 das an dem Planetenträger 3 fixiert ist. In dieses Stirnrad 5 greift ein Stirnrad 12 der Stelleinrichtung S ein.
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Die Stelleinrichtung S setzt sich aus einem Koppelgetriebe K, einem Übersetzungsgetriebe R und einem Stellmotor M (siehe 1) zusammen. Das Koppelgetriebe K ist wie bereits ausgeführt als Umlaufrädergetriebe ausgeführt und so aufgebaut, dass bei Gleichlauf der Stirnräder 4, 5 das Sonnenrad S5 steht. Hierzu sind die beiden Stirnräder 11, 12 als Hohlräder ausgebildet und bilden dabei eine Innenverzahnung an welcher die Umlaufplaneten P4, P5 abwälzen. Bei der hier gezeigten Variante wälzt hier das Umlaufplanetenrad P5 an einem stationären Sonnenrad S4 ab. Das Sonnenrad S5 wird über das Übersetzungsgetriebe R angesteuert. Das Übersetzungsgetriebe R umfasst ein stationäres Hohlrad H2 und ein mit dem Sonnenrad S5 gekoppeltes Hohlrad H1. Die Hohlräder H1, H2 haben bei gleichem Teilkreisdurchmesser und gleichem Modul geringfügig unterschiedliche Zähnezahlen und sind zudem über die Umlaufplaneten P6 gekoppelt. Die Umlaufplaneten P6 werden über das Sonnenrad S6 angetrieben. Der Antrieb des Sonnenrades S6 erfolgt über die Motorwelle 19 des Stellmotors M (vgl. 1).
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Durch den Stelltrieb S werden letztlich dessen als Schnittstelle zum Differential fungierende Stirnräder 11, 12 definiert gegeneinander verdreht wobei diese Stirnräder ansonsten auch bei Stillstand des Sonnenrades S5 um die Achse XS des Stelltriebs S umlaufen können. Die Schnittstellenräder 11, 12 greifen radial von der Seite her in Stirnradverzahnungen von Getriebegliedern – konkret die Räder 4, 5 – ein die mit der Differentialeinheit D umlaufen. Der Antrieb der Differentialeinheit D erfolgt auf den Planetenträger 3 derselben der typischerweise als sog. Umlaufgehäuse ausgebildet ist. Dieser Planetenträger 3 kann entweder wie angedeutet direkt über ein Antriebszahnrad 21 oder über eine Planetengetriebestufe (1, Bezugszeichen PGD) angetrieben werden.
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In 5 ist in Form einer perspektivischen Darstellung der Umlaufplanetenträger 3 der Differentialeinheit D nach den 1 bis 3 dargestellt. Wie erkennbar bildet der Umlaufplanetenträger 3 einen Aufnahmeabschnitt 22 zur Aufnahme des Sonnenrades S2 und mehrere Aufnahmetaschen 23, 24, 25 zur Aufnahme der Umlaufplaneten P2 (nicht dargestellt). Weiterhin bildet der Umlaufplanetenträger 3 auch Achszapfenbohrungen zur Aufnahme der Achszapfen (2, Bezugszeichen 8) der Umlaufplaneten P1, P2. Der Umlaufplanetenträger 3 trägt eine Stirnradverzahnung 9 über welche das Koppelgetriebe K (vgl. 1) mit dem Umlaufplanetenträger 3 synchronisiert wird.
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Der Umlaufplanetenträger 3 bildet auch Bestandteil einer hier nicht näher dargestellten Antriebsplanetengetriebestufe (1, Bezugszeichen PGD) und weist hierzu Kragarme 26, 27 auf welche ein Tragring der Antriebsplanetenstufe PGD abstützen.
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In 6 ist das erfindungsgemäße Differentialgetriebe in teilmontiertem Zustand, konkret ohne Stelleinheit S dargestellt. Das Getriebegehäuse 10 ist als Topfgehäuse ausgeführt und so gestaltet, dass diese die hier erkennbare Montageöffnung bildet auf welche die Stelleinheit S aufgesetzt werden kann. In dieser Darstellung sind das Ringrad 4 und das Stirnrad 5 erkennbar. Das Ringrad 4 greift mit seiner Innenverzahnung in die Umlaufplaneten P2, nicht jedoch in die Umlaufplaneten P1 ein. Durch aktive Verdrehung der Stirnräder 4, 5 gegeneinander können die Getriebeausgänge 1, 2 aktiv gegeneinander tordiert werden. Soweit das Gehäuse 10 mit einem geeigneten Deckel verschlossen wird, ist die Differentialeinheit D grundsätzlich funktionsfähig und bietet in diesem Zustand die Funktion eines herkömmlichen Differentiales.
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In 7 ist das erfindungsgemäße Differentialgetriebe mit angesetztem Koppelgetriebe K und vorgeschalteter Übersetzungsstufe R dargestellt. Diese modular gestaltete Baugruppe ist über die Montageöffnung an die Differentialeinheit D angesetzt. Diese Komponenten R, K bilden eine Unterbaugruppe der Stelleinheit S (vgl. 1) und werden an sich in Verbindung mit einem den Stellmotor beherbergenden Motorgehäuse montiert das als solches das Getriebegehäuse 10 dann entsprechend abschließt.
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In 8 ist in Form einer perspektivischen Darstellung die Differentialeinheit D mit seitlich angesetztem Koppelgetriebe K und vorgelagerter Übersetzungsstufe R dargestellt. Die aktive Verdrehung der Getriebeausgänge 1, 2 erfolgt durch Relativdrehung der Stirnräder 4, 5. In diese zur Differentialachse X koaxialen Stirnräder 4, 5 greift radial von der Seite her das Koppelgetriebe K ein. Der innere Aufbau des Koppelgetriebes K ist so gestaltet, das bei Gleichlauf der Stirnräder 4, 5 die Eingangswelle 19 des Übersetzungsgetriebes R steht. Durch Drehung der Eingangswelle 19 des Übersetzungsgetriebes R erhalten die ansonsten synchronlaufenden Stirnräder 11, 12 eine Drehphasenverschiebung die aufgrund der kinematischen Koppelung mit den Stirnrädern 4, 5 zu einer Relativdrehung der Getriebeausgänge 1, 2 zueinander führt.
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Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe kann bei verschiedensten Antriebssystemen eingesetzt werden und verschafft hier eine größere konstruktive Freiheit. In den nachfolgenden 9 bis 12 sind stark vereinfacht mehrere Konzepte dargestellt. Für den speziellen Aufbau der Differentialeinheit und des Koppelungsgetriebes wird auf die vorangegangenen Ausführungen verwiesen. Wesentliches Merkmal aller bei den Konzepten nach den 9 bis 12 eingesetzter Differentialeinheiten ist der mechanische Aufbau derselben welcher über ein koaxial mit dem Umlaufgehäuse mitlaufendes Stirnrad eine aktive Verdrehung der Umlaufplaneten und damit der Getriebeausgänge ermöglicht.
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So ist in 9 ist stark vereinfacht eine Elektroachse mit einem Hauptantriebsmotor MD dargestellt, der über eine Übersetzungsstufe PGD mit der Differentialenheit D gekoppelt ist. Die Stelleinrichtung S ist seitlich an die Differentialeinheit D angekoppelt. Der linke Getriebeausgang 1 bildet einen Antriebswellenabschnitt. Der rechte Getriebeausgang der Differentialeinheit D bildet eine Wellenaufnahme für eine Antriebswelle die zunächst koaxial durch den Hauptantriebsmotor MD hindurchgeführt ist.
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In 10 ist eine Bauform dargestellt, bei welcher die erfindungsgemäße Differentialeinheit D an ein Schaltgetriebe SG angesetzt ist und die spezielle Ansteuerung der Differentialeinheit D über die ebenfalls seitlich in die Differentialeinheit D eingreifende Stelleinrichtung S erfolgt. Der hier gezeigte Konfigurationszustand kann durch baukastenartige Nachrüstung erreicht werden indem beispielsweise eine für eine Grundversion vorgesehene Abdeckung 29 entfernt wird und auf die dann frei werdende Öffnung die Stelleinrichtung S aufgesetzt wird. Der Antrieb des Schaltgetriebes SG erfolgt hier über eine Brennkraftmaschine BK.
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In 11 ist eine Bauform eines unter Einschluss eines erfindungsgemäßen Differentialgetriebes realisierten Antriebssystems dargestellt, bei welchem die Stelleinrichtung S in das Gehäuse eines Schaltgetriebes SG eingebunden ist. Die Differentialeinheit D ist seitlich an das Schaltgetriebegehäuse angesetzt. Insbesondere bei dieser Variante wird es möglich, den Antrieb des Planetenträgers 3 über ein Zahnrad zu bewerkstelligen das zugleich die Synchronisation des Koppelgetriebes K mit der Differentialeinheit bewirkt.
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In 12 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes als Hinterachsdifferential dargestellt. Der Antrieb des Planetenträgers 3 der Differentialeinheit D erfolgt über ein Winkelgetriebe W1. Der Eintrag der Stellbewegung in das hier nicht dargestellte Ringrad 4 der Differentialeinheit erfolgt über das Zahnrad 11 des Koppelgetriebes K radial von der Seite her. Die Synchronisation des Koppelgetriebes K mit der Differentialeinheit D erfolgt über ein zweites Winkelgetriebe W2.
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Bezugszeichenliste
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- D
- Differentialeinheit
- 1
- Getriebeausgang
- 1a
- Radantriebswelle
- 2
- Getriebeausgang
- 3
- Planetenträger
- 4
- Ringrad
- 4a
- Ringradaußenverzahnung
- 5
- Stirnrad
- 6
- Sonnenrad
- 7
- Rotor
- 8
- Lagerbolzen
- 9
- Stirnrad
- 10
- Getriebegehäuse
- 11
- Stirnrad
- 11b
- Ringradinnenverzahnung
- 12
- Stirnrad
- 12b
- Ringradinnenverzahnung
- 13
- Planetenträger
- 14
- Lagerbolzen
- 15
- Umlaufglocke
- 16
- Gehäuse
- 17
- Planetenträger
- 18
- Lagerbolzen
- 19
- Motorwellenzapfen
- 20
- Wälzlager
- 22
- Aufnahmeabschnitt
- 23
- Aufnahmetasche
- 24
- Aufnahmetasche
- 25
- Aufnahmetasche
- 26
- Kragarm
- 27
- Kragarm
- BK
- Brennkraftmaschine
- MD
- Hauptantriebsmotor
- SG
- Schaltgetriebe
- H1
- Hohlrad
- H2
- Hohlrad
- H3
- Hohlrad
- K
- Koppelgetriebe
- M
- Stellmotor
- PGD
- Antriebsplanetengetriebe
- P1
- Umlaufplanetenrad
- P2
- Umlaufplanetenrad
- P4
- Planetenrad
- P5
- Planetenrad
- P6
- Umlaufplaneten
- R
- Übersetzungsgetriebe
- S1
- Sonnenrad
- S2
- Sonnenrad
- S3
- Sonnenrad
- S4
- Sonnenrad
- S5
- Sonnenrad
- S6
- Sonnenrad
- S
- Stelleinrichtung
- SG
- Schaltgetriebe
- W1
- Winkelgetriebe
- W2
- Winkelgetriebe
- X
- Differentialachse
- XS
- Achse Stelleinrichtung
