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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeugdifferenzial und insbesondere ein Differenzial, das konfiguriert ist, in Reaktion auf einen reibungsarmen Zustand in einem Rad selektiv einzurasten.
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HINTERGRUND
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Fahrzeuge, wie beispielsweise Kraftfahrzeuge und Lastwagen, beinhalten eine Differenzial- und Achsbaugruppe, das umgangssprachlich bisweilen als ein Antriebsmodul bezeichnet wird. Dieses Aggregat ist mit dem Fahrzeugmotor über eine Kardanwelle verbunden. Die Kardanwelle überträgt Rotationsenergie (Drehmoment), die von dem Fahrzeugmotor erzeugt wird, auf die Differenzial- und Achsbaugruppe, die wiederum die Rotationsenergie auf die Antriebsräder überträgt. Bei einem Fahrzeug mit Heckantrieb verbindet die Kardanwelle die Differenzial- und Achsbaugruppe direkt mit dem Getriebe des Fahrzeugs. Ein Fahrzeug mit Allrad- oder Vierradantrieb kann auch weitere Komponenten, wie etwa beispielsweise eine Nebenantriebseinheit, beinhalten.
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Ein Typ von Differenzial wird als offenes Differenzial bezeichnet. In einem offenen Differenzial empfängt das Differenzial Drehmoment von einer Kardanwelle und überträgt es auf die Achsen. Wenn das Fahrzeug geradeaus fährt, drehen sich die Achsen übereinstimmend. Wenn das Fahrzeug abbiegt oder auf einer kurvenreichen Straße fährt, teilt das Differenzial das Drehmoment unterschiedlich zwischen dem Rad auf, das näher an der Innenseite der Kurve liegt, und dem Rad, das näher an der Außenseite der Kurve liegt. Hierdurch kann das Fahrzeug die Kurvenfahrt ohne Radschlupf ausführen, insofern das Rad entlang der Innenseite der Kurve eine kürzere Entfernung zurücklegt als das äußere Rad.
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Offene Differenziale zeigen eine gute Leistungsfähigkeit beim Aufteilen des Drehmoments zwischen den Rädern. Sie sind außerdem leichtgewichtig, kostengünstig und haben einen geringen Wartungsbedarf. Da jedoch das Drehmoment vom Motor dem Weg des geringsten Widerstandes folgt, ist ein Fall von Minderleistung des offenen Differenzials, wenn sich eines der beiden Räder auf einer schlüpfrigen Oberfläche befindet. In dieser Situation überträgt das offene Differenzial das gleiche Drehmoment auf das Rad auf der schlüpfrigen Oberfläche wie auf das gegenüberliegende Rad. Dadurch kann das Fahrzeug möglicherweise Schwierigkeit bei der Fortbewegung von diesem Ort haben. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit wird ein anderer Typ Differenzial verwendet, der als Sperrdifferenzial bezeichnet wird. Eine Art von Sperrdifferenzial nutzt einen Satz Reibscheiben zwischen dem Differenzialgehäuse und einem Achswellenkegelrad. Wenn bei dieser Art der Differenzial eines der Räder auf einer schlüpfrigen Oberfläche ist, lässt das Differenzial die Reibscheiben ineinandergreifen, um zusätzliches Drehmoment auf das gegenüberliegende Rad zu übertragen. Aufgrund von Raumbeschränkungen haben die Reibscheiben eine geringe Reibungsfläche, was zu Problemen mit der Zuverlässigkeit und höheren Kosten führen kann. Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Sperrdifferenzial- und Achsbaugruppe mit verbesserter Leistungsfähigkeit und geringeren Kosten bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrzeugdifferenzial bereitgestellt. Das Fahrzeugdifferenzial beinhaltet ein Differenzialaußengehäuse und ein mit dem Differenzialaußengehäuse drehbar verbundenes Differenzialgehäuse. Mindestens ein Planetenrad ist mit dem Differenzialgehäuse verbunden, wobei das mindestens eine Planetenrad so angeordnet ist, dass es sich um eine zweite Achse dreht, welche zweite Achse senkrecht zur ersten Achse liegt. Ein erstes Achswellenrad ist drehbar mit dem mindestens einen Planetenrad verbunden. Eine erste Achse ist mit dem ersten Achswellenrad durch eine erste Kerbverzahnung verbunden, wobei das erste Achswellenrad axial entlang der ersten Kerbverzahnung bewegbar ist. Eine erste Scheibenbaugruppe ist zwischen der ersten Achse und dem Differenzialgehäuse verbunden, wobei die erste Scheibenbaugruppe ausgelegt ist, die erste Achse in Reaktion auf einen Zustand mit hohem Drehmoment selektiv mit dem Differenzialgehäuse zu verbinden.
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Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren für das selektive Übertragen von Drehmoment mit einem Fahrzeugdifferenzial bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Drehen eines Differenzialgehäuses um eine erste Achse. Mindestens ein Planetenrad wird mit dem Differenzialgehäuse gedreht, wobei das mindestens eine Planetenrad so verbunden ist, dass es sich um eine zweite Achse zu drehen, welche zweite Achse senkrecht zur ersten Achse liegt. Ein erstes Achswellenrad wird mit dem mindestens einen Planetenrad um die erste Achse gedreht, wobei das erste Achswellenrad beweglich mit einer ersten Achse verbunden ist. Die erste Achse wird in Reaktion auf einen Zustand mit hohem Drehmoment selektiv durch einen ersten Satz Scheiben und einen zweiten Satz Scheiben mit dem Differenzialgehäuse verbunden.
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Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug beinhaltet einen Motor auf, der ausgelegt ist, Drehmoment zu übertragen. Ein Differenzialaußengehäuse, das ein Ritzel aufweist, wird bereitgestellt, wobei das Ritzel, betriebsfähig damit verbunden ist, um Drehmoment von dem Motor aufzunehmen. Ein Differenzialgehäuse ist rotierend mit dem Differenzialaußengehäuse verbunden. Mindestens ein Planetenrad ist mit dem Differenzialgehäuse verbunden, wobei das mindestens eine Planetenrad so angeordnet ist, dass es sich um eine zweite Achse dreht, welche zweite Achse senkrecht zur ersten Achse liegt. Ein erstes Achswellenrad ist drehbar mit dem mindestens einen Planetenrad verbunden. Eine erste Achse ist mit dem ersten Achswellenrad durch eine erste Kerbverzahnung verbunden, wobei das erste Achswellenrad axial entlang der ersten Kerbverzahnung bewegbar ist. Eine erste Scheibenbaugruppe ist zwischen der ersten Achse und dem Differenzialgehäuse verbunden, wobei die erste Scheibenbaugruppe ausgelegt ist, die erste Achse in Reaktion auf einen Zustand mit hohem Drehmoment selektiv mit dem Differenzialgehäuse zu verbinden.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, leicht ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Eigenschaften, Vorteile und Details erscheinen, nur exemplarisch, in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen und der ausführlichen Beschreibung, welche sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht:
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1 ist eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs, das ein Differenzialaußengehäuse und ein Achsaggregat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
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2 ist eine perspektivische Teilschnittbildansicht eines Differenzials in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung; und
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3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Differenzials aus 2.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung und ihre An- oder Verwendungen zu beschränken. Es wird darauf hingewiesen, dass in allen Zeichnungen die gleichen Referenznummern auf die gleichen oder entsprechenden Teile und Merkmale verweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht 1 ein Fahrzeug 20, das ein Differenzial 22 aufweist. Das Differenzial 22 kann manchmal als ein Heckantriebsmodul bezeichnet werden. Es sollte zu erkennen sein, dass das Fahrzeug 20 beispielsweise ein Automobil, LKW, Van oder SUV sein kann. Wie hierin verwendet, ist der Begriff „Fahrzeug“ nicht auf Automobile, LKW, Transporter oder SUVs beschränkt, sondern beinhaltet alle selbstfahrenden oder geschleppten Fördermittel, die dafür geeignet sind, eine Last zu transportieren. Das Fahrzeug 20 kann einen Motor 24, wie beispielsweise einen mit Benzin oder Diesel betriebenen Verbrennungsmotor, umfassen. Der Motor 24 kann des Weiteren ein Hybridmotor sein, der beispielsweise einen Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor kombiniert. Der Motor 24 und das Differenzial 22 sind mit einem Rahmen oder einer anderen Fahrwerkstruktur 26 gekoppelt. Der Motor 24 ist mit dem Hinterachsdifferenzial 22 durch ein Getriebe 28 und eine Kardanwelle 30 verbunden. Das Getriebe 28 kann so ausgeführt sein, dass es die Rotationsgeschwindigkeit der Motorausgabe verringert und ihr Drehmoment erhöht. Dieser modifizierte Abtrieb wird dann über die Kardanwelle 30 auf das Differenzial 22 übertragen. Das Hinterachsdifferenzial 22 überträgt das Abtriebsdrehmoment von der Kardanwelle 30 durch einen Differenzialgetriebesatz 32 über die Achsen 36A, 36B auf ein Paar von Antriebsrädern 34.
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Der Differenzialgetriebesatz 32 ist innerhalb des Differenzialaußengehäuses 42 angeordnet. Der Differenzialgetriebesatz 32 nimmt den Abtrieb von der Kardanwelle 30 über ein Ritzel 40 auf, welches das Drehmoment auf einen Zahnkranz 44 überträgt. Der Differenzialgetriebesatz 32 wird für die Rotation innerhalb des Gehäuses 42 von einem Paar Differenziallagern getragen. Der Differenzialgetriebesatz 32 umfasst die Achswellenräder 38A, 38B, die innerhalb des Gehäuses 42 angeordnet und mit einem Ende der Achsen 36A, 36B verbunden sind und es tragen. Wie hierin ausführlicher erörtert werden wird, sind die Achswellenräder 38A, 38B mit dem Zahnkranz 44 durch Planetenräder und ein Differenzialgehäuse verbunden. Das Verbinden rotierender Komponenten, wie etwa des Ritzels 40 oder der Achswellenräder 38A, 38B beispielsweise mit den Achsen 36A, 36B, kann mittels Kerbverzahnungsverbindung hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich jede Achse 36A, 36B durch ein Achsrohr 54. Das Achsrohr 54 beinhaltet ein hohles Inneres, das sich in über die Länge des Achsrohrs erstreckt. An einem Ende des Achsrohrs 54 ist ein Lager 56 befestigt, um das Ende der Achse 36 an das Antriebsrad 34 angrenzend zu halten. Eine Wellendichtung 57 befindet sich zwischen dem Lager 56 und dem angetriebenen Rad 34. Ein Befestigungsflansch 58 für das Rad ist am Ende der Achse 36 an das Lager 56 angrenzend befestigt. Der Flansch 58 stellt eine Schnittstelle für die Befestigung des angetriebenen Rades 34 bereit.
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Das Fahrzeug 20 beinhaltet weiterhin einen zweiten Radsatz 60, der an den Motor 24 angrenzend angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist der zweite Radsatz 60 auch so ausgeführt, dass er den Abtrieb vom Motor 24 aufnimmt. Dies wird manchmal als eine Vierradantriebs- oder Allradantriebsausführung bezeichnet. In dieser Ausführungsform kann das Fahrzeug 20 ein Verteilergetriebe 62 beinhalten, das den Abtrieb des Getriebes 28 auf die Vorder- und Hinterräder 34, 60 verteilt. Das Verteilergetriebe 62 überträgt einen Teil des Abtriebs auf ein Vorderachsdifferenzial 64, das zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise ein Differenzialgetriebe 66 und Achsen 68, die den Abtrieb auf die Räder 60 übertragen, umfasst.
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Das Vorderachsdifferenzial 64 kann eine Trennanordnung umfassen, die eine selektive Ausübung des Drehmoments von dem Motor 24 auf die Räder 60 ermöglicht. Bei anderen Ausführungsformen kann die Trennanordnung in das Hinterachsdifferenzial 22 aufgenommen werden.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 2 ist ein exemplarisches Differenzial 22 veranschaulicht. Während sich Ausführungsformen hierin auf das Hinterachsdifferenzial 22 beziehen, sollte klar sein, dass die offenbarten Ausführungsformen ebenso gut in das Vorderachsdifferenzial 64 eingebaut werden können. Das Differenzial 22 beinhaltet ein Außengehäuse 42, das am Fahrzeugrahmen oder der Fahrwerkstruktur 26 (1) an einem oder mehreren Orten beispielsweise durch einen Befestigungsarm befestigt ist. Das Ritzel 40 ragt in das Gehäuse 42, um Drehmoment von der Kardanwelle 30 zu übertragen. Das Ritzel 40 umfasst an einem Ende ein Zahnrad, das in einen Zahnkranz 44 eingreift. Innerhalb des Außengehäuses 42 ist zudem ein Differenzialgehäuse 80 angeordnet, welches den Differenzialgetriebesatz 32 enthält.
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Das Differenzialgehäuse 80 ist zur Drehung am Außengehäuse 42 um die Drehachse 82 befestigt, wie beispielsweise durch die Lager 84, 86. Der Zahnkranz 44 ist mit dem Differenzialgehäuse 80 verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Bei einer Ausführungsform unterstützen die Lager 84, 86 weiter die Achsen 36A, 36B, die mit den Achswellenrädern 38A, 38B des Differenzialgetriebes 32 verbunden sind. Die Achswellenräder 38A, 38B sind mit dem Differenzialgehäuse 80 durch Planetenräder 88, 90 verbunden. Die Planetenräder 88, 90 sind zur Drehung um eine Achse 92 mit dem Differenzialgehäuse 80 verbunden. In einer Ausführungsform sind die Planetenräder 88 90 miteinander und mit dem Differenzialgehäuse 80 über eine Welle 94 verbunden. Daher sind die Planetenräder 88, 90 so angeordnet, dass sie sich sowohl um die Differenzialgehäuseachse 82 und die Wellenachse 92 drehen. Die Planetenräder 88, 90 und die Achswellenräder 38A, 38B stehen in kämmendem Dauereingriff, um Drehmoment vom Ritzel 40 über den Zahnkranz 44 und das Differenzialgehäuse 80 auf die Achsen 36A, 36B zu übertragen.
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Es sollte beachtet werden, dass das Differenzialgetriebe 32 in manchen Ausführungsformen zwei oder mehr Paare von Planetenrädern beinhalten kann, die um 90 Grad gegeneinander orientiert sind, um Drehmoment auf die Achswellenräder 38A, 38B zu übertragen, wie in der Technik bekannt ist.
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In der beispielhaften Ausführungsform sind die Achswellenräder 38A, 38B mit den Achsen 36A, 36B jeweils durch die Kerbverzahnungen 96A, 96B verbunden. Die Kerbverzahnungen 96A, 96B sind mit den oder an den Achswellenrädern 38A, 38B 38B verbunden, um Drehmoment von den Achswellenrädern 38A, 38B auf die Achsen 36A, 36B zu übertragen und dennoch eine begrenzte seitliche Bewegung in einer Richtung entlang der Achse 82 zu gestatten. Wie nachfolgend ausführlicher erörtert wird, können die Planetenräder 88, 90 unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie Bedingungen hohen Drehmoments, eine axiale Seitenlast auf das jeweilige Achswellenrad 36A, 36B in einer Richtung fort von der Achse 92 ausüben.
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Zwischen dem Differenzialgehäuse 80 und den Achsen 36A, 36B sind Reibscheiben-Baugruppen 98, 100 verbunden. Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 3, ist dort eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Reibscheiben-Baugruppe 98 dargestellt. Es ist darauf hinzuweisen, dass hierin zwar die Reibscheiben-Baugruppe 98 ausführlich beschrieben wird, dass aber die Reibscheiben-Baugruppe 100 in vergleichbarer Weise konstruiert wird. Die Reibscheiben-Baugruppe 98 besteht aus einer Vielzahl von Scheiben 102. Die Scheiben 102 sind auf eine alternative Weise angeordnet, wobei ein erster Satz Scheiben 104 mit der Achse 36A verbunden ist und ein zweiter Satz Scheiben 106 mit dem Differenzialgehäuse 80. In einer Ausführungsform ist ein Satz von Scheiben 104, 106 aus Stahlblech und der andere aus einem Material mit hoher Reibung. In einer Ausführungsform ist der erste Satz Schieben 104 ist mit den Achsen 36A, 36B durch Kerbverzahnungen 96A, 96B verbunden.
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Zwischen den Scheiben 102 und dem Achswellenrad 38A ist ein Vorspannelement angeordnet, wie eine Tellerfeder oder Tellerscheibe 108. Die Tellerscheibe 108 übt eine axiale Kraft entlang der Achse 82 aus, welche eine Vorspannung auf die Reibscheiben ausübt. Es sollte beachtet werden, dass unter Bedingungen höheren Drehmoments, beispielsweise wenn das mit der Achse 36A verbundene Rad 34 auf einer reibungsarmen Oberfläche ist, die axiale Last von den Planetenrädern 88, 90 auf das Achswellenrad 38A eine zusätzliche Vorspannkraft auf die Scheiben 102 ausüben kann. Wie hierin noch ausführlicher erörtert werden wird, greifen die Scheiben 104 in die Scheiben 106 ein und verbinden die Achse 36A direkt mit dem Differenzialgehäuse 80, wenn die axiale Last auf ein vorgegebenes Niveau ansteigt.
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Wenn das Fahrzeug unter Betrieb auf einer geraden Straße fährt, wird das Motordrehmoment gleichmäßig auf die Räder 34 übertragen; da die Räder 34 die gleiche Distanz zurücklegen, drehen sie sich auch mit der gleichen Drehzahl. Mit anderen Worten, die Planetenräder 88, 90 drehen sich nicht um die Achse 92, und die Achswellenräder drehen sich mit dem Gehäuse als eine einzige Einheit. Wenn das Fahrzeug in einer Kurve betrieben wird, drehen sich die Planetenräder 88, 90 sowohl um die Achsen-Drehachse 82 als auch um die Wellen-Drehachse 92. Diese Drehung um zwei Achsen 82, 92 bewirkt, dass sich das Achswellenrad auf der Kurveninnenseite (z. B. Achswellenrad 38B) zu mit geringerer Geschwindigkeit dreht als das Achswellenrad auf der Kurvenaußenseite (z. B. Achswellenrad 38A). Auf diese Weise leistet das Differenzial 32 dieselbe wie ein offenes Differenzial, und das Fahrzeug kann entlang einer Kurve fahren, ohne dass die rechten und linken Räder sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen.
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Unter Betrieb kann eine Situation auftreten, worin eines der Räder 34, wie das beispielsweise mit der Achse 36B verbundene Rad 34, auf einer reibungsarmen Oberfläche ist, während das gegenüberliegende Rad 34, wie beispielsweise das mit der Achse 36A verbundene Rad 34, auf einer Oberfläche mit höherer Reibung ist. In dieser Situation ist das Drehmoment an der Achse 36B niedriger aufgrund der geringeren Reibung zwischen dem Rad 34 und der Oberfläche, wodurch das Drehmoment der Achse 36A dasselbe wie das der Achse 36B und durch das Drehmoment der reibungsarmen Seite begrenzt sein wird. Indes kann die Reibungskraft zwischen dem ersten Satz Schieben 104 und dem zweiten Satz Scheiben 106 (3) einen Schwellenwert liefern, um sicherzustellen, dass ein vorgegebenes Drehmoment auf das mit der Achse 36A verbundene Rad 34 übertragen werden kann. Des Weiteren können sich die Planetenräder 88, 90 in einer Weise entlang der Kerbverzahnungen 96A bewegen, die zu zusätzlicher Reibungskraft zwischen dem ersten Satz Scheiben 104 und dem zweiten Satz von Scheiben 106 führt.
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Daher wird das vom Ritzel 40 aufgenommene Drehmoment über das Differenzialgehäuse 80 auf die Achse 36A übertragen werden. Dies liefert Drehmoment an das mit der 36A verbundene Rad 34 und kann dem Fahrzeug 20 ermöglichen, sich von der reibungsarmen Oberfläche fortzubewegen.
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Die Sperrdifferenzial-Leistungen des Differenzials 22 können nach dem beabsichtigten Verwendungszweck des Fahrzeugs ausgelegt werden. Die Menge des Eingriffs zwischen den Scheiben und die Menge der durch das Planetenrad ausgeübten axialen Seitenlast können beispielsweise durch Verändern der Steifigkeit der Tellerscheibe oder der Eingriffswinkel des Planetenrads und der Achswellenräder geändert werden. Dies wiederum kann den Grad anpassen, zu dem die Scheiben 102 ineinandergreifen und die Menge des Schlupfs, der zwischen den Scheiben 102 auftritt.
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Es sollte beachtet werden, dass in einigen Ausführungsformen die Sätze von Scheiben 102 unter Normalbetrieb in Reibkontakt sein können. In dieser Ausführungsform wird der erste Satz Scheiben 104 relativ zum zweiten Satz Scheiben 106 schlupfen oder sich drehen, wenn sich das Fahrzeug 20 entlang einer Kurve bewegt.
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Es sollte des Weiteren beachtet werden, dass das Differenzial 32 mit den Reibscheiben-Baugruppen 98, 100, insofern vorteilhaft ist, als es ein Sperrdifferenzial mit reduzierter Kontaktbelastung relativ zu Sperrdifferenzialbaugruppen nach dem Stand der Technik bietet. Da die Reibscheiben-Baugruppen zwischen den Achsen 36A, 36B und dem Differenzialgehäuse 80 verbunden sind, bietet der geringere Innendurchmesser für jede der Scheiben 104, 106 eine größere Kontaktfläche als sie durch Systeme nach dem Stand der Technik geboten wird, wo die Reibscheiben zwischen dem Planetenrad und dem Differenzialgehäuse angeordnet sind. Dies wiederum die Oberflächenlast je Einheit zwischen den Sätzen von Scheiben 102. Durch die verringerte Oberflächenlast ergeben sich Vorteile in der Verringerung des Verschleißes und der Geräusche, die bisweilen als Kupplungsrupfen bezeichnet und durch das Differenzial 32 erzeugt werden.
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Während die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen, und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern dass sie auch alle Ausführungsformen beinhaltet, die innerhalb des Umfangs der Anmeldung fallen.
