DE102015210925A1

DE102015210925A1 - Differentialgetriebe mit adaptiv variablem Überbrückungsmoment

Info

Publication number: DE102015210925A1
Application number: DE102015210925.9A
Authority: DE
Inventors: Franz Kurth
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Der Erfindung betrifft ein Differentialgetriebe zur Verzweigung einer auf einen Getriebeeingang geführten Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Getriebeausgang, mit einer Reibungskupplungseinrichtung zur Generierung eines die Ausgleichswirkung des Differentialgetriebes überlagernden Reibmomentes nach Maßgabe einer an der Reibungskupplungseinrichtung angreifenden Stellkraft, und einer Betätigungsmechanik zur Generierung jener Stellkraft, wobei die Betätigungsmechanik eine Schrägflächenmechanik umfasst, und jene Schrägflächenmechanik nach Maßgabe eines Stellmomentes betrieben wird, das über eine Viskokupplungseinrichtung generiert wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Differentialgetriebe mit einem drehbar gelagerten Außengehäuse, einem in dem Außengehäuse aufgenommenen Umlaufgehäuse, einem ersten und einem zweiten Sonnenrad, das jeweils in dem Umlaufgehäuse aufgenommen ist, einer mit dem Umlaufgehäuse um eine Zentralachse umlaufenden Planetenanordnung zur Koppelung der beiden Sonnenräder derart, dass diese um jene Zentralachse zueinander gegensinnig drehbar sind, und einer Reibungskupplungseinrichtung zur Generierung eines die Ausgänge des Differentiales koppelnden Überbrückungsmomentes auf reibschlüssigem Wege.
Derartige Differentialgetriebe finden insbesondere als Achs- oder Mittendifferentiale bei Kraftfahrzeugen Anwendung und verbessern allgemein die Fahrstabilität des Fahrzeuges, indem beispielsweise bei höheren Lastmomenten im Antriebsstrang eine gewisse reibschlüssige Koppelung der beiden Ausgänge des Differentials erfolgt. Im Falle eines Achsdifferentiales ergibt sich ein verbesserter Geradeauslauf, im Falle eines Mittendifferentials ergibt sich eine lastabhängige Kopplung der beiden Fahrzeugachsen, wodurch einem übermäßigen Radschlupf an der Achse mit dem Rad mit der geringsten Bodenhaftung entgegen gewirkt wird. Das im Kontext der nachfolgenden Ausführungen als Umlaufgehäuse bezeichnete Bauteil entspricht getriebekinematisch dem sog. Steg oder Planetenträger. Die Umlaufachse des Umlaufgehäuses entspricht der oben genannten Zentralachse.
Aus WO 2011/058250 ist ein Achsdifferentialgetriebe bekannt. Bei diesem Achsdifferentialgetriebe sind mehrerer Kreisrampenanordnungen vorgesehen durch welche sowohl nach Maßgabe des eingangsseitigen Drehmomentes, als auch nach Maßgabe der ausgangsseitigen Drehmomente Axialkräfte generiert werden die zur Betätigung einer Bremslamellenpackung herangezogen werden, wobei sich diese Axialkräfte im Normalbetrieb im wesentlichen kompensieren. Zu einem Ungleichgewicht in dem entsprechenden Kräftesystem kommt es, sobald ausgangsseitig unterschiedliche Raddrehmomente vorliegen. In diesem Falle erzeugt dann die eingangsseitige Kreisrampenanordnung höhere Betätigungskräfte als die ausgangsseitige Kreisrampenanordnung, und über eine hierbei entstehende Differenzkraft wird eine Sperrkupplung betätigt.
Aus der auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2008 050 059 A1 ist ein Stirnraddifferential bekannt. Bei diesem Stirnraddifferential umfasst die Betätigungsmechanik eine Druckringanordnung mit zwei über Schrägflächen aneinander abgestützten Druckringen zur Generierung einer an einer Lamellenkupplungspackung angreifenden Axialkraft. Die Lamellenkupplungspackung ist derart in das Stirnraddifferential eingebunden, dass über diese eines der Sonnenräder reibschlüssig mit dem Umlaufgehäuse koppelbar ist. Durch die reibschlüssige Koppelung eines der Sonnenräder mit dem Umlaufgehäuse ergibt sich aufgrund der weiteren kinematischen Koppelung der beiden Sonnenräder über die Planetenanordnung insgesamt der Effekt, dass die Relativdrehung der beiden Sonnenräder durch ein Reibmoment gebremst und damit eine gewisse reibschlüssige Koppelung der beiden Sonnenräder, d.h. der Ausgänge des Differentials, erreicht wird.
Ein weiteres selbstsperrendes Differentialgetriebe ist beispielsweise aus US4805487A bekannt. In diesem Differenzial wird die Sperrwirkung durch geeignete Kombinationen von Ausgleichs- und Abtriebsrädern mit Stirn- bzw. Schneckenverzahnungen und deren Hemmung im kämmenden Zahneingriff erzielt.
Selbstsperrende Differentiale eines anderen Typs sind in WO2010112366A1 gezeigt. In diesem Fall wird die Sperrwirkung über Reibelemente erzeugt. Die Reibelemente wirken auf Abtriebsräder. Die Reibelemente sind Reibscheiben und sind entweder stirnseitig zwischen den Antriebsrädern angeordnet oder endseitig zwischen dem jeweiligen Abtriebsrad und dem Differenzialkorb.
WO20101123A166A1 zeigt den Typ eines selbstsperrenden Differenzials, in dem die Ausgleichsräder entweder drehbar auf sogenannten Planetenbolzen gelagert sind oder selbst seitlich bolzenartige Drehzapfen aufweisen. Die Planetenbolzen können fest oder rotierbar in dem Differenzialkorb gelagert sein. Die Drehzapfen sind in dem Differenzialkorb drehbar gleitgelagert.
DE 2 20 61 07A1 zeigt ein Stirnraddifferenzial, in dem die Sperrwirkung durch Kombination von Hemmungen im Zahneingriff und Reibung in Laufsitzen erzielt wird. Das Differenzial weist einen Differenzialkorb, Ausgleichsräder und Abtriebsräder auf. Jedem der Abtriebsräder ist ein Satz Ausgleichsräder zugeordnet, mit dem das jeweilige Abtriebsrad im Zahneingriff steht. Darüber hinaus steht jeweils ein Ausgleichsrad des einen Satzes mit einem Ausgleichsrad des anderen Satzes im Zahneingriff. Die Ausgleichsräder weisen außen Schrägverzahnung auf und sind jeweils um eine eigene Rotationsachse drehbar in Laufsitzen des Differenzialkorbs aufgenommen. Die Laufsitze sind durch Taschen im Differenzialkorb gebildet, in denen die Ausgleichsräder entweder über die Außenkonturen der Schrägverzahnungen oder über außenzylindrische Schäfte drehbar abgestützt sind. Die Laufsitze sind innenzylindrische Abschnitte, deren Innenkonturen einen Gleitsitz für die Außenkonturen bilden. Die Innenkonturen von jeweils zwei der Taschen überschneiden sich so, dass die in diesen beiden Taschen sitzenden Ausgleichsräder miteinander im Zahneingriff stehen können und dass darüber hinaus noch genügen Platz für den Zahneingriff mit dem jeweiligen Abtriebsrad verbleibt. Wenn das Differenzial ausgleicht, ist das jeweilige Ausgleichsrad in seinem Laufsitz rotierend an der Innenkontur abgestützt, wodurch Reibung und damit die angestrebte Sperrwirkung entsteht.
DE196 12 234A1 zeigt ein Verteilergetriebe, in dem die Ausgleichsräder in Laufsitzen des Differenzialkorbs um die eigene Rotationsachse drehbar gelagert sind. Die reibende Wirkung der Laufsitze wird in diesem Differenzial als nicht ausreichend für die Sperrwirkung angesehen. Aus diesem Grund werden zusätzlich zu den Laufsitzen die schon im Zusammenhang mit WO2010112366A1 beschriebenen Reibscheiben stirnseitig bzw. endseitig der Abtriebsräder eingesetzt.
In DE196 12 234A1 wird darüber hinaus die Verwendung von Reibkegeln beschrieben, die endseitig der Ausgleichsräder zwischen dem jeweiligen Ausgleichsrad und dem Differenzialkorb an Reibscheiben ausgebildet sind. Durch gegeneinander wirkende Reibkegel kann die Reibungswirkung und damit die Sperrwirkung erhöht werden.
In einem weiteren Differenzial nach US 5,055,096A ist die selbstsperrende Wirkung gezielt durch das Zusammenwirken von Zahnkräften im Differenzial und gegeneinander wirkenden Reibkegeln zwischen den Abtriebsrädern und dem Differenzialkorb erzeugt. Die Ausgleichsräder sind so ungleichmäßig im Differenzial angeordnet. Dadurch richten sich die Resultierenden der Zahnkräfte der schrägverzahnten Ausgleichsräder im Differenzial so aus, dass die Verzahnungen der Abtriebsräder radial nach außen in Laufsitze oder speziell dafür vorgesehene Stützhülsen mit Laufsitzen gepresst werden. Außerdem werden die Abtriebsräder axial endseitig gegen Reibkonen verschoben, die sich am Differenzialkorb abstützen. Die Abtriebsräder sind endseitig mit außenkegeligen Flächen versehen, die aufgrund der Axialkräfte in zu ihnen komplementäre innenkegelige Reibflächen gepresst werden und so Reibkräfte für die gewünschte Sperrwirkung erzeugen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Differentialgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch einen robusten und kostengünstig realisierbaren Aufbau auszeichnet und bei welchem ein die Ausgleichswirkung überlagerndes Reibungsmoment in einer unter fahrdynamischen Gesichtspunkten vorteilhaften Weise generiert werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung
Die vorangehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Differentialgetriebe zur Verzweigung einer auf einen Getriebeeingang geführten Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Getriebeausgang, mit:

– einer Reibungskupplungseinrichtung zur Generierung eines die Ausgleichswirkung des Differentialgetriebes überlagernden Reibmomentes nach Maßgabe einer an der Reibungskupplungseinrichtung angreifenden Stellkraft, und
– einer Betätigungsmechanik zur Generierung jener Stellkraft,
– wobei die Betätigungsmechanik eine Schrägflächenmechanik umfasst, und
– jene Schrägflächenmechanik nach Maßgabe eines Stellmomentes betrieben wird, das über eine Viskokupplungseinrichtung generiert wird.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, ein Differentialgetriebe zu schaffen, dessen Sperrcharakteristik über den Aufbau der Viskokupplungseinrichtung präzise abgestimmt werden kann. In vorteilhafter Weise kann die Grundbelastung jener die Leistungsverzweigung überlagernden Reibungskupplungseinrichtung so abgestimmt werden, dass z.B. schon im Grundzustand eine definierte reibschlüssige Kopplung gegeben ist. Die Anordnung kann auch so ausgelegt sein, dass im Grundzustand, also bei symmetrischem Leistungsfluss die Reibungskupplungseinrichtung noch keinerlei Überbrückungswirkung generiert. Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe eignet sich in besonders vorteilhafter Weise als Achsdifferentialgetriebe und hierbei wiederum in besonders vorteilhafter Weise als Differentialgetriebe für eine angetriebene und lenkbar gestaltete Fahrzeugvorderachse. Durch die erfindungsgemäße Betätigung der die Sperrwirkung erhöhenden Reibungskupplungseinrichtung über eine Viskokupplungseinrichtung wird gegenüber herkömmlichen Konstruktionen vergleichbarer Bauart vermieden, dass bei Kurvenfahrten ggf. unvorteilhaft stark erhöhte Sperrmomente generiert werden.
Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe kann derart augbebaut sein, dass dieses eine Eingangsringrampenanordnung und eine dieser entgegenwirkende Ausgangsringrampenanordnung umfasst, wobei über jene mit der Viskokupplung zusammenarbeitende Schrägflächenmechanik eine die Eingangsringrampenanordnung unterstützende Kraftkomponente generiert werden kann, welche das Kräftegleichgewicht zwischen jenen vorgenannten Ringrampenanordnungen temporär beseitigt und dabei in Abhängigkeit von der Relativdrehung zwischen einem der Getriebeausgänge und dem Getriebeeingang die Reibungskupplungseinrichtung belastet.
Bei dem erfindungsgemäßen Differentialgetriebe sind die ausgangsseitigen Ringrampenanordnungen vorzugsweise so ausgelegt, dass sie nominell primär gegenüber der eingangsseitigen Ringrampenanordnung „gewinnen“. Die eingangsseitige Ringrampenanordnung wird durch eine zusätzliche Axialkraft unterstützt die erfindungsgemäß über die Stellrampenanordung generiert wird, wobei diese Stellrampeneinrichtung durch die Viskokupplungseinrichtung betätigt wird, so dass erst bei hinreichend hohen Differenzdrehzahlen die Sperrkupplung aktiv wird. Sinkt das über die Viskokupplungseinrichtung in die Betätigungsmechanik eingeleitete Drehmoment, so sinkt die über die Stellrampeneinrichtung zusätzlich generierte Stellkraft und das durch die Sperrkupplung generierte Reibungsmoment nimmt ab, bis ggf. eine weitgehende unbelastete Leistungsverzweigung des Differentialgetriebes erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass die beiden Sonnenräder als Kegelräder ausgeführt sind. Die Kegelräder können hierbei insbesondere als Schmiedewerkstücke oder als Sinterwerkstücke gefertigt sein. Die zur Koppelung der beiden Sonnenräder vorgesehenen Planeten sind dann vorzugsweise ebenfalls als Kegelräder ausgebildet. Die Planeten sind dann jeweils um Achsen drehbar, die im wesentlichen senkrecht zur Umlaufachse der Sonnenräder verlaufen. Die Planeten können dann auch auf einem Achszapfen sitzen der entweder im Umlaufgehäuse verankert ist, oder auch in dem Umlaufgehäuse drehbar ist.
Alternativ zu der Gestaltung des Differentialgetriebes als Kegelraddifferential ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Konzept über ein als Stirnraddifferentialgetriebe gestaltetes Differentialgetriebe zu realisieren. Hierbei sind dann die beiden Sonnenräder als Stirnräder ausgeführt und die Planeten zur Koppelung dieser beiden Stirnräder sind dann in der für Stirnraddifferentiale bekannten Weise durch jeweils miteinander gegensinnig gekoppelte Zahnradzapfen gebildet die z.B. über eine Kopfkreislagerung im Umlaufgehäuse geführt sind.
Die Rampenanordnungen sind vorzugsweise jeweils als Ringrampen ausgebildet. Die Hubcharakteristik dieser Ringrampen, d.h. das Verhältnis der entsprechend generierten Axialkraft zum anliegenden Drehmoment wird hierbei durch den Rampenwinkel und den Rampenradius, also den Abstand der jeweiligen Rampe vom Drehzentrum bestimmt. Bei einer konkreten Ausführungsform für den Pkw Bereich beträgt der Rampenwinkel beispielsweise 25° und der maximale Hub etwa 8mm wobei der Radius der Eingangsrampe etwa 60 bis 120mm beträgt und der Radius der Ausgangsrampe etwa 40 bis 90mm beträgt. Die Winkel der Rampen können so abgestimmt sein, dass hierdurch die unterschiedlichen Abstände der Rampen von der Zentralachse kompensiert werden. Die im Durchmesser größeren Ringrampenanordnungen haben dann vorzugsweise flachere Winkel als die hinsichtlich des Durchmessers kleineren Ringrampenanordnungen. Die Ringrampen sind vorzugsweise so gestaltet, oder zumindest derart in das Differentialgetriebe eingebunden, dass der maximale Axialhub und der maximale Verdrehwinkel der Ringrampen begrenzt ist, z.B. auf einen Winkelbereich von 30°. Die entsprechenden Anschlagstrukturen können hierbei in der jeweiligen Ringrampenanordnung selbst, oder auch zwischen den ansonsten gegeneinander tordierbaren Getriebekomponenten angeordnet sein.
In vorteilhafter Weise können insbesondere die Ausgangsrampen, also jene Rampen über welche das jeweilige Ausgangsdrehmoment auf die Ausgangszapfen geführt wird, jeweils eine Rampenstruktur umfassen, die integral mit dem entsprechenden Sonnenrad ausgebildet ist. Dieses Konzept kann sowohl bei der Ausführung des Differentialgetriebes als Kegelraddifferential, als auch bei der Ausführung desselben als Stirnraddifferential angewendet werden.
Die zur Generierung der den Eingriffszustand der Kopplungseinrichtung weiter unterstützenden Stellkraft vorgesehene Stellrampenanordnung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese ein Ringrampenelement aufweist, das vorzugsweise begrenzt drehbar axial an einer Innenwandung des Außengehäuses oder des Umlaufgehäuses abgestützt ist.
Die Viskokupplungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass diese mehrere Reibscheiben umfasst und dabei in der Art einer Lamellenkupplung aufgebaut ist. Es ist möglich, die Viskokupplungseinrichtung derart auszubilden, dass das von dieser übertragene Drehmoment nicht nur von der Drehzahldifferenz zwischen den Getriebeausgängen oder einem Getriebeausgang und dem Umlaufgehäuse abhängig ist, sondern zudem auch von einem vom Differentialgetriebe insgesamt, oder wenigstens einem Getriebeausgang aufgenommenen Lastmoment. So kann beispielsweise die axiale Pressung der Kupplungsscheiben jener Viskokupplungseinrichtung lastabhängig variabel ausgeführt sein, so dass die Drehzahlsensibilität der Viskopkupplungseinrichtung mit zunehmendem Lastmoment des Differentialgetriebes zunimmt.
Ein unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten, besonders vorteilhafter Aufbau des erfindungsgemäßen Differentialgetriebes kann erreicht werden, indem die Eingangsrampenanordnung in einem axial zwischen einer Innenwandung des Außengehäuses und einer Stirnwand des Umlaufgehäuses liegenden Bereich ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise wird es hierbei möglich, die Eingangsrampenanordnung durch eine entsprechende axiale Profilierung der Stirnwand des Außengehäuses und der Stirnwand des Umlaufgehäuses umformtechnisch direkt aus den Deckeln jener Gehäuse auszubilden. Das Außengehäuse kann dann beispielsweise als aus einem Blechmaterial gefertigter Umlauftopf ausgebildet sein, der ein Stirn- oder Tellerrad trägt.
Die zur Generierung eines zwischen dem jeweiligen Sonnenrad und dem Umlaufgehäuse wirksamen Reibungsmoments herangezogene Koppelungseinrichtung kann gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als Lamellenkupplungssystem ausgeführt sein. Die Koppelungseinrichtung kann hierbei mehrere Kupplungslamellen aufweisen, die über eine entsprechende Verzahnung wechselweise drehfest mit einem Nabenabschnitt eines Sonnenrades bzw. einer Innenwandung eines Topfabschnittes des Umlaufgehäuses gekoppelt sind. Die Kopplungseinrichtung ist dabei vorzugsweise als sog. Nasskupplung ausgelegt, so dass die Kupplungslamellen in unbelastetem Zustand zunächst vom Schmiermedium des Differentialgetriebes benetzt sind. Der Schmierfilm wird bei axialer Belastung der Kupplungslamellen reduziert und ein entsprechendes Reibmoment zwischen den Lamellen aufgebaut. Die Kupplungslamellen bestehen vorzugsweise aus hochfesten und im Bereich ihrer Innenbohrung oder ihres Außenumfangs mit einem Zahnprofil versehen flachen Stahlblechringen die vorzugsweise mit einem Reibmaterialbelag versehen sind. Bei dieser Gestaltung kann das erfindungsgemäße Differentialgetriebe weiterhin derart aufgebaut sein, dass die Kopplungseinrichtung zwischen dem ersten Sonnenrad und dem Umlaufgehäuse, sowie zwischen dem zweiten Sonnenrad und dem Umlaufgehäuse wirksam ist. Bei dieser Variante sind dann vorzugsweise das erste Sonnenrad und das zweite Sonnenrad jeweils mit einem Nabenabschnitt versehen, welcher eine Axialverzahnung aufweist, auf welcher die entsprechenden, innenverzahnten Kupplungslamellen axial verschiebbar, drehfest geführt sind. Das Umlaufgehäuse kann dann derart ausgebildet sein, dass dieses einen im wesentlichen zylindrischen Topf bildet, in welchem die außenverzahnten Lamellen der Lamellenkupplungspackung aufgenommen und entsprechend axial geführt und drehfest gesichert sind. Bei dieser Lamellenkupplungspackung sind die innen- und außenverzahnten Lamellenkupplungsscheiben wechselweise an den Nabenabschnitten der Sonnenräder, oder der Innenwandung des Umlaufgehäuses drehfest gesichert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Schema-Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung des konzeptionellen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Differentialgetriebes;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Drehmomentenaufbaus an der Viskokupplungseinrichtung des Differentialgetriebes nach 1.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die Darstellung nach 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Differentialgetriebe mit einem drehbar in einem Differentialgehäuse aufgenommenen Außengehäuse GA, einem Umlaufgehäuse H, einem ersten als Kegelrad ausgeführten Sonnenrad S1, das in dem Umlaufgehäuse H aufgenommen ist, einem zweiten, ebenfalls als Kegelrad ausgeführten Sonnenrad S2 das auch in dem Umlaufgehäuse H aufgenommen und zur Umlaufachse X1 des ersten Sonnenrades S1 gleichachsig angeordnet ist, und einer mit dem Umlaufgehäuse H umlaufenden Planetenanordnung P zur Koppelung der beiden Sonnenräder S1, S2 derart, dass diese zueinander gegensinnig drehbar sind.
Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe umfasst weiterhin einen ersten Ausgangszapfen Z1 der über das erste Sonnenrad S1 angetrieben wird, und einen zweiten Ausgangszapfen Z2, der über das zweite Sonnenrad S2 angetrieben wird.
Das Differentialgetriebe umfasst zudem eine Reibungskupplungseinrichtung K1 mit einer ersten Reibflächenanordnung, zur reibschlüssigen Koppelung des ersten Sonnenrades S1 und des zweiten Sonnenrades S2 mit dem Umlaufgehäuse H. Diese Reibungskupplungseinrichtung K1 wird in Verbindung mit einer nachfolgend noch näher erläuterten Mechanik über eine Eingangsrampenanordnung ER1 betätigt, wobei diese Eingangsrampenanordnung ER1 derart ausgebildet ist, dass diese eine jene Reibungskupplungseinrichtung K1 in einen Koppelungszustand drängende erste Kupplungsbetätigungskraft generiert und zwar nach Maßgabe eines von dem Außengehäuse GA zu dem Umlaufgehäuse H geführten Lastmoments.
Der erste Ausgangszapfen Z1 dient wie oben bereits ausgeführt der Bewerkstelligung des Drehmomentenabgriffs von dem ersten Sonnenrad S1. Zwischen diesem Ausgangszapfen Z1 und dem ersten Sonnenrad S1 ist eine erste Ausgangsrampe AR1 vorgesehen, zur Generierung einer ersten Stellkraft nach Maßgabe eines zwischen dem ersten Ausgangszapfen Z1 und dem ersten Sonnenrad S1 wirksamen Drehmomentes.
Der zweite Ausgangszapfen Z2 über welchen der Drehmomentenabgriff aus dem zweiten Sonnenrad S2 erfolgt, ist über eine zweite Ausgangsrampe AR2 mit jenem zweiten Sonnerad S2 gekoppelt. Diese zweite Ausgangsrampe AR2 dient der Generierung einer zweiten Stellkraft nach Maßgabe eines zwischen dem zweiten Ausgangszapfen Z2 und dem zweiten Sonnenrad S2 wirksamen Drehmomentes.
Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass dieses weiterhin eine Stellrampenanordnung SR umfasst, zur Generierung einer die Reibungskupplungseinrichtung K1 in gleicher Weise wie die Eingangsrampenanordnung ER1 in den Koppelungszustand drängenden zweiten Kupplungsbetätigungskraft nach Maßgabe eines Stelldrehmomentes, wobei dieses Stelldrehmoment durch eine als Viskokupplung R2 gestaltete Reibflächenanordnung generiert wird. Diese Viskokupplung R2 koppelt den Eingang der Stellrampenanordnung SR mit dem ersten Ausgangszapfen Z1 reibschlüssig derart, dass das über die Viskokupplung R2 geführte Drehmoment mit der Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen den Systemhälften der Viskokupplung R2, d.h. zwischen dem Eingang der Stellrampenanordnung SR und dem ersten Ausgangszapfen Z1, zunimmt.
Bei dem dargestellten erfindungsgemäßen Differentialgetriebe sind die ausgangsseitigen Rampen AR1, AR2 so ausgelegt, dass sie nominell primär gegenüber der eingangsseitigen Rampe ER1 „gewinnen“. Eine zur Betätigung der Reibungskupplungseinrichtung K1 führende Kupplungskraft wird dabei erst unter Wirkung der Stellrampenanordnung SR erreicht. Die seitens der Stellrampenanordnung SR erzeugte zusätzliche Kupplungsbetätigungskraft wird im Rahmen des Betriebs des Differentialgetriebes in Abhängigkeit von der in der Viskokupplung R2 herrschenden Relativ-Winkelgeschwindigkeit, d.h. der Relativ-Winkelgeschwindigkeit des ersten Ausgangszapfens Z1 gegenüber dem Umlaufgehäuse H generiert.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Sonnenräder S1, S2 als Kegelräder ausgeführt. Das erfindungsgemäße Konzept kann jedoch auch in Verbindung mit einer als Stirnraddifferential gestalteten Innenmechanik realisiert werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Rampenanordnungen ER1, AR1, AR2 und SR jeweils als Ringrampen ausgebildet. Die hier gewählte Darstellungsform dient lediglich der Veranschaulichung des Grundprinzips. Im Grunde verfügt jede der Rampenanordnungen ER1, AR1, AR2 und SR über eine erste und eine zweite Rampenstruktur, wobei diese beiden Rampenstrukturen um die Getriebeachse X1 gegeneinander begrenzt verschwenkbar sind und dabei in Abhängigkeit von dem die Verschenkung herbeiführenden Drehmoment entsprechende Stellkräfte generieren. Die hier zur Wirkung kommenden Schrägflächen bilden insoweit in Umfangrichtung aktive Rampen, die hier nur zum Zwecke der Veranschaulichung symbolhaft geklappt und mit axialem Zwischenraum dargestellt sind.
Sämtliche Ringrampen sind derart ausgebildet, dass der maximale Verdrehwinkel der Ringelemente derselben konstruktiv begrenzt ist, und im Normalfall kein Überspringen der Rampenstrukturen erfolgt.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ausgangsrampen AR1, AR2 jeweils durch Rampenstrukturen gebildet, die integral mit dem entsprechenden Sonnenrad S1, S2 ausgebildet sind. Diese Rampenmechanik kann jedoch auch in sog. gebauter Weise unter Einbindung entsprechender separater Komponenten realisiert werden.
Die Stellrampenanordnung SR ist so aufgebaut, dass diese ein Ringrampenelement SRa aufweist, das drehbar axial an einer Innenwandung des Außengehäuses GA abgestützt ist. Die Viskokupplung R2 kann so gestaltet sein, dass diese axial schwimmend einen Drehmomententrasfer zu dem Ringrampenelement SRa bewirkt und die Drehmomentenübertragungscharakteristik nicht von der über die Ausgangsrampenanordnugn AR1 geführten Axialkraft beeinflusst wird. Es ist jedoch auch möglich, die Viskokpplung R2 so zu gestalten, dass deren Drehmonentencharakteristik auch noch von der axialen Belastung des Ausgangszapfens Z1 abhängt und entsprechend lastabhängig variiert. Die Viskokupplung R2 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere Reibscheiben die über eine viskoses Medium eine Drehmomentenübertragung bewirken.
Die Eingangsrampenanordnung ER1 ist in einem axial zwischen einer Innenwandung des Außengehäuses GA und einer axial beweglichen Stirnwand des Umlaufgehäuses H liegenden Bereich ausgebildet. Insbesondere diese Eingangsrampenanordnung ER1 kann durch eine entsprechende axiale Profilierung der Stirnwand des Außengehäuses GA und der als axial verlagerbare Kupplungsdruckplatte H1 fungierenden Stirnwand des Umlaufgehäuses H ausgebildet werden.
Die Funktionsweise des dargestellten erfindungsgemäßen Differentialgetriebes ist wie folgt:
Der Antrieb des Differentialgetriebes erfolgt über das hier beispielhaft als Stirnrad dargestellte Zahnrad 1 das drehstarr mit dem Außengehäuse GA verbunden ist. Das über das Zahnrad 1 zugeführte Drehmoment wird über das Außengehäuse GA zum ersten Ringrampenelement ER1A der Eingangsrampenanordnung ER1 geführt und dort über die Schrägflächenmechanik auf das zweite Ringrampenelement ER1B der Eingangsrampenanordnung ER1 übertragen. Dieses zweite Ringrampenelement ER1B ist drehstarr mit einer als Kupplungsdruckplatte H1 fungierenden Struktur gekoppelt oder integral mit dieser ausgebildet. Die Kupplungsdruckplatte H1 wird über die Eingangsrampenanordnung ER1 axial belastet. Die Kupplungsdruckplatte H1 schließt das Umlaufgehäuse H axial ab und ist an dem Umlaufgehäuse H axial verschiebbar, jedoch drehfest geführt. Über die Kupplungsdruckplatte H1 kann die im Umlaufgehäuse H aufgenommene Reibungskupplungseinrichtung K1 belastet werden. Diese Reibungskupplungseinrichtung K1 umfasst Kupplungslamellen L1, L2, L3. Die Kupplungslamellen L1 sind mit dem Umlaufgehäuse H drehfest gekoppelt und in diesem axial verschiebbar geführt. Die Kupplungslamellen L2 stehen mit dem ersten Sonnenrad S1 drehfest in Eingriff und sind an diesem axial verschiebbar geführt. Die Kupplungslamellen L3 stehen mit dem zweiten Sonnenrad S2 drehfest in Eingriff und sind an diesem axial verschiebbar geführt. Entsprechend der über die Kupplungsdruckplatte H1 in die Reibungskupplungseinrichtung K1 eingeleiteten Axialkraft werden die Kupplungslamellen L1, L2, L3 in Reibkontakt gebracht und eine entsprechend schwergängige reibschlüssige Koppelung der Sonnenräder S1, S2 mit dem Umlaufgehäuse H erreicht.
Das über die Eingangsrampenanordnung ER1 in das Umlaufgehäuse H eingeleitete Drehmoment wird auf die Planetenanordnung P übertragen. Die Planeten der Planetenanordnung P treiben nunmehr die Sonnenräder S1, S2. Der Drehmomentenabgriff aus diesen Sonnenrädern S1, S2 erfolgt über die Ausgangsrampenanordnungen AR1, AR2. Die Ausgangsrampenanordnung AR1 dient hierbei der Drehmomentenübertragung auf den ersten Ausgangszapfen Z1, die Ausgangsrampenanordnung AR2 dient der Drehmomentenübertragung auf den zweiten Ausgangszapfen Z2. Die beiden Sonnenräder S1, S2 und die Planetenanordnung P sind zu einer Baugruppe zusammengefasst, die um eine geringe Wegstrecke innerhalb des Umlaufgehäuses H axial verschiebbar ist. Diese Baugruppe fungiert hier als Druckstempel über welchen die axiale Belastung der Kupplungslamellen L1, L3 bewerkstelligt wird, indem diese durch den Druckstempel gegen die in dieser Darstellung rechte Stirnwand H2 des Umlaufgehäuses H gedrängt werden. Die aus den Lamellen L1, L3 gebildete Lamellenkupplungspackung dient der reibschlüssigen Koppelung des zweiten Sonnenrades S2 mit dem Umlaufgehäuse H. Die Ausgangsrampenanordnung AR2 generiert hierbei eine Stellkraft durch welche diese Lamellenkupplungspackung prinzipiell entlastet wird.
Die reibschlüssige Koppelung des ersten Sonnenrades erfolgt über die durch die Kupplungslamellen L1, L2 gebildete Lamellenkupplungspackung. Diese Lamellenkupplungspackung wird zwischen der Kupplungsdruckplatte H1 und der entsprechenden Stirnseite der vorangehend genannten Stempelbaugruppe gespannt. Die erste Ausgangsrampenanordnung AR1 generiert hierbei eine Stellkraft die als solche jener Druckkraft entgegenwirkt, die durch die Eingangsrampenanordnung ER1 generiert wird.
Die Eingangsrampenanordnung ER1 und die beiden Ausgangsrampenanordnungen AR1, AR2 sind derart aufeinander abgestimmt, dass sich im Normalbetrieb ein Kräftegleichgewicht ergibt bei welchem im wesentlichen keine axiale Belastung der Reibungskupplungseinrichtung K1 eintritt, d.h. die Kupplungsdruckplatte H1 wird infolge der durch die Ausgangsrampenanordnungen AR1 und AR2 generierten Axialkräfte gegen die seitens der Eingangsrampenanordnung ER1 generierte Axialkraft abgestützt.
Zu einer Aktivierung der Reibungskupplungseinrichtung K1 kommt es, sobald die Stellrampenanordnung SR ebenfalls eine die Kupplungsdruckplatte H1 auf die Kupplungslamellen L1, L2, L3 drängende Stellkraft generiert. Die Stellrampenanordnung SR wir hierbei aktiv, wenn über die Viskokupplung R2 ein Drehmoment an das Ringrampenelement SRa angelegt wird. Dieses Drehmoment erwächst aus der Relativwinkelgeschwindigkeit des ersten Ausgangszapfens Z1 gegenüber dem Umlaufgehäuse H. Entsprechend jener Winkelgeschwindigkeitsdifferenz wird dann das Ringrampenelement SRa der Stellrampenanordnung SR um die Getriebeachse X1 verschwenkt und eine zusätzliche Stellkraft generiert, welche in der gleichen Orientierung wie die Stellkraft der Eingangsrampenanordnung ER1 die Kupplungsdruckplatte H1 belastet. Nunmehr dominieren jene die Kupplungsdrucklatte H1 gegen die Lamellenkupplungspackung L1, L2, L3 drängenden Kräfte gegenüber der durch die Ausgangsrampen AR1 und AR2 generierten Kompensationskraft und es kommt zu einer reibschlüssigen Koppelung der beiden Sonnenräder S1, S2 mit dem Umlaufgehäuse H. Hierdurch ergibt sich eine Überbrückung des Differentialgetriebes nach Maßgabe der die Lamellenkupplungspackung K1 effektiv belastenden Druckkraft, die sich aus dem durch die Rampenanordnungen ER1, SR, AR1, AR2 generierten Kräftesystem ergibt.
Zur Funktionsweise der hier dargestellten Stellrampenanordnung ist ergänzend auszuführen, dass bei der dargestellten Ausführungsform das Ringrampenelement SRa über eine relativ leichtgängige Lagereinrichtung N1, beispielsweise ein Nadellager axial an dem Außengehäuse GA abgestützt ist. Die Tordierung dieses Ringrampenelementes SRA um die Getriebeachse X1 erfolgt über eine die Viskokupplung R2 axial beweglich, jedoch drehfest umgreifende Buchsenanordnung. Diese Buchsenanordung umfasst hier lediglich beispielhaft zwei miteinander drehfest, jedoch gegeneinander axial verschiebbare Buchsenelemente B1, B2. Das erste Buchsenelement B1 ist mit dem Ringrampenelement SRa drehfest gekoppelt, das zweite Buchsenelement B2 bildet das Außengehäuse der Viskokupplung R2. Die Stellrampenanordnung SR ist als bidirektional aktive Rampenanordnung ausgebildet, die sowohl bei Verschwenken im Uhrzeigersinn, als auch bei Verschwenken im Gegensinn jeweils axiale Stellkräfte generiert. Die Eingangsrampenanordnung ER1 kann so ausgebildet sein, dass diese eine Druckkraftgenerierung nur dann veranlasst, wenn ein das Fahrzeug vorwärts treibendes Moment an dem Antriebszahnrad 1 anliegt. Die Ausgangsrampen AR1, AR2 sind vorzugsweise ebenfalls als bidirektional aktive Rampen ausgelegt.
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, ein Achs- oder Mittendifferential für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welchem eine zur reibschlüssigen Koppelung der Ausgangswellen führende Belastung einer Reibungskupplung vermittels einer Viskokupplung herbeigeführt wird. Die Viskokupplung generiert ein an einer Stellmechanik angreifendes Stellmoment unter Berücksichtigung der Relativwinkelgeschwindikeit zwischen einem Getriebeausgang – hier dem Zapfen Z1 und dem Umlaufgehäuse H. Da sich die seitens der Eingangsrampenanordnung ER1 und der Ausgangsrampenanordnungen AR1, AR2 generierten Axialkräfte kompensieren, können überhöhte Sperrmomente zuverlässig vermieden werden.
Die Darstellung nach 2 veranschaulicht den Aufbau des an dem Stellrampenelement SRa anliegenden Stellmomentes in Abhängigkeit von der Relativwinkelgeschwindigkeit des ersten Ausgangszapfens Z1 gegenüber dem Umlaufgehäuse H. Die Stellrampenanordnung SR konvertiert das über die Viskokupplung R2 generierte Stellmoment in eine an der Kupplungsdruckplatte H1 angreifende Axialkraft. diese Axialkraft ist derart orientiert, dass diese die Kupplungsdruckplatte H1 in eine Richtung belastet welche den reibschlüssigen Eingriff der Kupplungslammellen L1, L2, L3 erhöht. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt eine ausschließlich von der genannten Relativwinkelgeschwindigkeit abhängige Ansteuerung der als Rampenmechanik gestalteten Betätigungsmechanik SR. Es ist jedoch auch möglich, die Viskokupplung R2 so zu gestalten, dass deren Drehmomentencharakteristik von weiteren Betriebsparametern abhängig ist, insbesondere von der über die Ausgangsrampen AR1, AR2 abgestützten Axialkraft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/058250 [0003]
DE 102008050059 A1 [0004]
US 4805487 A [0005]
WO 2010112366 A1 [0006, 0007, 0009]
DE 2206107 A1 [0008]
DE 19612234 A1 [0009, 0010]
US 5055096 A [0011]

Claims

Differentialgetriebe zur Verzweigung einer auf einen Getriebeeingang (1) geführten Antriebsleistung auf einen ersten und einen zweiten Getriebeausgang (Z1, Z2), mit: – einer Reibungskupplungseinrichtung (K1) zur Generierung eines die Ausgleichswirkung des Differentialgetriebes überlagernden Reibmomentes nach Maßgabe einer an der Reibungskupplungseinrichtung (K1) angreifenden Stellkraft, und – einer Betätigungsmechanik (ER1, AR1, AR2, SRA) zur Generierung jener Stellkraft, – wobei die Betätigungsmechanik eine Schrägflächenanordnung umfasst, und – jene Schrägflächenanordnung nach Maßgabe eines Stellmomentes betrieben wird, das über eine Viskokupplungseinrichtung (R2) generiert wird.
Differentialgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmechanik (ER1, AR1, AR2, SRA) eine Eingangsrampenanordnung (ER1), eine dieser entgegenwirkende Ausgangsrampenanordnung (AR1, AR2) und eine die Eingangsrampenanordnung (ER1) unterstützende Stellrampenanordnung (SRA) umfasst, und jene Stellrampenanordnung (SRA) über die Viskokupplung (R2) nach Maßgabe einer Relativdrehung zwischen einem der Getriebeausgänge (Z1, Z2) und dem Getriebeeingang (1) betätigt wird.
Differentialgetriebe, insbesondere nach Anspruch 1, mit: – einem Außengehäuse (GA), – einem Umlaufgehäuse (H) das in dem Außengehäuse (GA) aufgenommen ist, – einem ersten Sonnenrad (S1), das in dem Umlaufgehäuse (H) aufgenommen ist, – einem zweiten, Sonnenrad (S2) das in dem Umlaufgehäuse (H) aufgenommen und zur Umlaufachse (X1) des ersten Sonnenrades (S1) gleichachsig angeordnet ist, – einer Planetenanordnung (P) die in dem Umlaufgehäuse (H) aufgenommen ist, zur Koppelung der beiden Sonnenräder (S1, S2) derart, dass diese um jene Zentralachse (Z1) zueinander gegensinnig drehbar sind, – einer Reibungskupplungseinrichtung (K1) mit einer ersten Reibflächenanordnung (L1, L2, L3), zur reibschlüssigen Koppelung des ersten Sonnenrades (S1) und des zweiten Sonnenrades (S2) mit dem Umlaufgehäuse (H), – einer Eingangsrampenanordnung (ER1) zur Generierung einer jene Reibungskupplungseinrichtung (K1) in einen Koppelungszustand drängenden ersten Kupplungsbetätigungskraft nach Maßgabe eines über das Umlaufgehäuse (H) geführten Lastmomentes, – einem ersten Ausgangszapfen (Z1) zur Bewerkstelligung des Drehmomentenabgriffs von dem ersten Sonnenrad (S1), – einer ersten Ausgangsrampe (AR1) zur Generierung einer ersten Stellkraft nach Maßgabe eines zwischen dem ersten Ausgangszapfen (Z1) und dem ersten Sonnenrad (S1) wirksamen Drehmomentes, – einem zweiten Ausgangszapfen (Z), zur Bewerkstelligung des Drehmomentenabgriffs von dem zweiten Sonnenrad (S2), – einer zweiten Ausgangsrampe (AR2) zur Generierung einer zweiten Stellkraft nach Maßgabe eines zwischen dem zweiten Ausgangszapfen (Z2) und dem zweiten Sonnenrad (S2) wirksamen Drehmomentes, und – einer Stellrampenanordnung (SR) zur Generierung einer die Reibungskupplungseinrichtung (K) ebenfalls in den Koppelungszustand drängenden zweiten Kupplungsbetätigungskraft nach Maßgabe eines Stelldrehmomentes, wobei dieses Stelldrehmoment durch eine als Viskokupplung (R2) gestaltete Kupplungseinrichtung generiert wird.
Differentialgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitigen Rampenanordnungen (AR1, AR2) so ausgelegt sind, dass sie im Normalbetrieb gegenüber der eingangsseitigen Rampe (ER1) „gewinnen“.
Differentialgetriebe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sonnenräder als Kegelräder ausgeführt sind.
Differentialgetriebe nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sonnenräder (S1, S2) als Stirnräder ausgeführt sind.
Differentialgetriebe nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampenanordnungen jeweils als Ringrampen ausgebildet sind.
Differentialgetriebe nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringrampen jeweils derart ausgebildet sind, dass der maximale Verdrehwinkel der Ringelemente derselben begrenzt ist.
Differentialgetriebe nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsrampen jeweils eine Rampenstruktur umfassen die integral mit dem entsprechenden Sonnenrad ausgebildet ist, und/oder dass die Stellrampenanordnung ein Ringrampenelement aufweist das drehbar axial an einer Innenwandung des Außengehäuses abgestützt ist.
Differentialgetriebe nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reibflächenanordnung mehrere Reibscheiben umfasst, und/oder dass die Eingangsrampenanordnung in einem axial zwischen einer Innenwandung des Außengehäuses und einer Stirnwand des Umlaufgehäuses liegenden Bereich ausgebildet ist, und/oder dass die Eingangsrampenanordnung durch eine entsprechende axiale Profilierung der Stirnwand des Außengehäuses und der Stirnwand des Umlaufgehäuses ausgebildet ist.