DE102015210928A1

DE102015210928A1 - Differentialgetriebe mit variablem Überbrückungsmoment

Info

Publication number: DE102015210928A1
Application number: DE102015210928.3A
Authority: DE
Inventors: Franz Kurth; Günter Völkel
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 Fliehmassenmechanik generiert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf ein Differentialgetriebe mit einem 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 reibschlüssig koppelnde 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.
WO2010112366A1 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.
DE 196 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 DE 196 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 den momentanen Betriebsbedingungen vorteilhaft Rechnung tragenden 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 zumindest einer Teilkomponente jener Stellkraft,
– wobei die Betätigungsmechanik eine Schrägflächenmechanik und eine Fliehmassenmechanik umfasst, und
– jene Schrägflächenmechanik nach Maßgabe eines Stellmomentes oder einer Stellkraft betrieben wird, das bzw. die über jene Fliehmassenmechanik generiert wird.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, ein Differentialgetriebe zu schaffen, dessen Sperrmoment in Abhängigkeit von der momentanen Winkelgeschwindigkeitsdifferenz der Ausgänge präzise abgestimmt werden kann. Die Anordnung kann 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 Fliehmassenmechanik wird eine besonders präzise Einstellung des Sperrmomentes nach Maßgabe der Ausgangsdifferenzdrehzahl, d.h. der Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen den Ausgängen möglich.
Das erfindungsgemäße Differentialgetriebe kann derart augbebaut sein, dass dieses eine Eingangsringrampenanordnung und eine dieser entgegenwirkende Ausgangsringrampenanordnung umfasst, wobei über jene mit der Fliehmassenmechanik 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 Dynamik 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 Stellrampenanordnung generiert wird, wobei diese Stellrampeneinrichtung durch die Fliehmassenmechanik betätigt wird, so dass nach Maßgabe der momentanen Differenzdrehzahlen zwischen den Getriebeausgängen die Sperrkupplung aktiv wird. Sinkt das über die Fliehmassenmechanik 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 weitgehend 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 eines Außengehäuses oder des Umlaufgehäuses abgestützt ist.
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 Reibungskupplungseinrichtung kann gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als Lamellenkupplungssystem ausgeführt sein. Die Reibungskupplungseinrichtung 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 Reibungskupplungseinrichtung 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 Reibungskupplungseinrichtung 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 verschiebbar 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;
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 Fliehmassenmechanik R2 generiert wird. Diese Fliehmassenmechanik R2 generiert ein an der Stellrampenanordnung SR angreifendes Stellmoment nach Maßgabe einer Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Ausgangszapfen Z1 und dem Außengehäuse GA.
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 Fliehmassenmechanik herrschenden Relativ-Winkelgeschwindigkeit, d.h. der Relativ-Winkelgeschwindigkeit des ersten Ausgangszapfens Z1 gegenüber dem Außengehäuse GA 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 Verschwenkung 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. Die Darstellung ist weiterhin so gewählt, dass jene Rampen, die bei einer Vorwärtsfahrt des Fahrzeuges treiben, vollflächig geschwärzt dargestellt sind. Die getriebenen und damit im Leistungsfluss stromabwärts liegenden Rampen sind als lediglich mit Volllinien begrenzte, in die Darstellungsebene geklappte Keile symbolisiert.
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 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 Stellrampenanordnung SR ist so aufgebaut, dass diese ein Ringrampenelement SRA aufweist, das drehbar axial an einer Innenwandung des Außengehäuses GA abgestützt ist. Dieses Ringrampenelement SRA wird über die Fliehmassenmechanik R2 geschwenkt. Das Schwenkmoment ist im wesentlichen proportional zur Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen den Getriebeausgängen Z1, Z2 d.h. auch zur Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen einem der Ausgänge (hier Z1) und dem Außengehäuse GA.
Die Fliehmassenmechanik R2 umfasst ein Glockenelement 30 das drehfest mit dem Ringrampenelement SRA gekoppelt ist. An der Innenwandung dieses Glockenelementes greifen Reibkupplungssegmente 31 an diese Reibkupplungssegmente 31 sind durch Rückholfedern 32 in Passivstellung gedrängt. Die Rückholkraft dieser Rückholfedern 32 muss im Rahmen des Betriebs des Systems durch Kräfte überwunden werden die sich im Rahmen der Rotation der Reibungskupplungssegmente 31 aufgrund der Eigenmasse derselben und der Winkelgeschwindigkeit derselben ergeben.
Die Fliehmassenmechanik R2 umfasst ein Umlaufrädergetriebe 33. Dieses fungiert Summengetriebe und umfasst ein erstes und ein zweites Zentralrad 34, 35, einen ersten und einen zweiten Planetenträger 36, 37, erste und zweite Planetenräder 38, 39, sowie ein Hohlrad 40.
Das erste Zentralrad 34 ist drehfest mit einem Stellantrieb, oder auch mit einem stationären Gehäusebauteil gekoppelt. Das zweite Zentralrad 35 ist drehstarr mit einem Kupplungsträger 41 gekoppelt welcher die Reibungskupplungssegmente 31 und die Rückholfedern 32 trägt.
Die Fliehmassenmechanik R2 reagiert auf die Relativ-Winkelgeschwindigkeit zwischen dem Getriebeausgang Z1 und dem Außengehäuse GA. Der erste Planetenträger ist drehstarr an den als Ausgangszapfen gestalteten Getriebeausgang Z1 angekoppelt. Der zweite Planetenträger 37 ist drehfest mit dem Außengehäuse GA gekoppelt. Die ersten Planeten 38 greifen radial von außen her in das erste Zentralrad 34 ein. Die zweiten Planeten 39 greifen radial von außen her in das zweite Zentralrad 35 ein. Zudem greifen beide Planeten 38, 39 radial von innen her in das Hohlrad 40 ein.
Mit dem hier vorgesehenen Getriebeaufbau wird erreicht, dass der Kupplungsträger 41 erst dann rotiert, wenn es zwischen beiden Planetenträgern 36, 37 zu einer Relativdrehung kommt, oder das erste Zentralrad 34 in Rotation versetzt wird. Das erste Zentralrad 34 kann bei einer Grundvariante des erfindungsgemäßen Getriebesystems als stationäres, d.h. gehäusefest festgelegtes Zentralrad 34 ausgelegt sein. Es kann auch an einen Stellantrieb angebunden sein über welchen dann ein sog. Torque-Vektoring realisiert werden kann. In letzterem Falle kann dann das erste Zentralrad 34 nach Maßgabe von fahrdynamischen Parametern über eine elektronische Steuerung und einen elektromechanischen Antrieb in Rotation versetzt werden und damit ebenfalls entweder eine Übertragung eines Stellmomentes auf das Ringrampenelement SRA verursachen, oder ggf. auch einem Aktivwerden der Fliehmassenmechanik R2 entgegenwirken, so dass trotz einer Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen den Getriebeausgängen Z1, Z2 kein Sperrmoment generiert wird, oder das Sperrmoment abgeschwächt wird.
Das hier gezeigte, die Fliehmassenanordnung R2 treibende Umlaufrädergetriebe 33 kann auch in konstruktiv abweichender Form realisiert werden. Es ist auch möglich, die Fliehmassenanordnung mit dem Außengehäuse GA oder mit dem Umlaufgehäuse H mitlaufen zu lassen und durch eine ebenfalls mitlaufende Mechanik eine Kompensation der durch den Umlauf des Außengehäuses GA oder des Umlaufgehäuses H verursachten Radialkräfte vorzunehmen, und Vorkehrungen zu treffen die bewirken, dass erst durch die Dynamik der Relativdrehung der Getriebeausgänge Z1, Z2 ein an der Stellrampe SRA angreifendes Stellmoment generiert wird.
Die zur Betätigung der Stellrampe SRA vorgesehene Mechanik kann auch so gestaltet werden, dass diese eine Kennlinien- oder Kennfeldcharakteristik aufweist, so dass z.B. bei hohen Drehzahlen des Umlaufgehäuses H eine geringere Sensibilität und damit Neigung zum Aufbau eines Überbrückungsmomentes besteht, als bei niedrigen Drehzahlen, d.h. Fahrzeuggeschwindigkeiten.
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 S1 mit dem Umlaufgehäuse H 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 Fliehmassenmechanik R2 ein Drehmoment an das Ringrampenelement SRA angelegt wird. Dieses Drehmoment erwächst aus der Relativwinkelgeschwindigkeit des ersten Ausgangszapfens Z1 gegenüber dem Aussengehäuse GA. 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 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 und die Stellrampenanordnung sind vorzugsweise 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 Fliehmassenmechanik herbeigeführt wird. Die Fliehmassenmechanik generiert ein an einer Stellmechanik angreifendes Stellmoment unter Berücksichtigung der Relativwinkelgeschwindigkeit zwischen einem Getriebeausgang- hier dem Zapfen Z1 und dem Außengehäuse GA. Da sich die seitens der Eingangsrampenanordnung ER1 und der Ausgangsrampenanordnungen AR1, AR2 generierten Axialkräfte kompensieren, können überhöhte Sperrmomente zuverlässig vermieden werden.
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, SR) zur Generierung jener Stellkraft, – wobei die Betätigungsmechanik eine Schrägflächenmechanik (SR) und eine Fliehmassenmechanik (R2) umfasst, und – jene Schrägflächenmechanik (SR) nach Maßgabe eines Stellmomentes betrieben wird, das über jene Fliehmassenmechanik (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 Fliehmassenmechanik (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 Fliehmassenmechanik (R2) 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 4, 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 Fliehmassenanordnung (R2) über ein Umlaufrädergetriebe (33) getrieben wird, wobei dieses Umlaufrädergetriebe (33) als Summengetriebe fungiert durch welches bezüglich eines Fliehmassenträgers (41) eine Abkoppelung der Grundrotation des Umlaufgehäuses (H) von der Rotation des Fliehmassenträgers (41) erreicht wird.
Differentialgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlaufrädergetriebe (33) einen Getriebeeingang aufweist, welcher über einen elektromechanischen Antrieb antreibbar ist zur gesteuerten Aktivierung der Fliehmassenanordnung (R2) oder zur gesteuerten Reduzierung oder Unterdrückung des Aktivwerdens der Fliehmassenanordnung (R2).