DE102019006906B3

DE102019006906B3 - Automatisches beschränktes Differenzialgetriebe

Info

Publication number: DE102019006906B3
Application number: DE102019006906.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2039-10-03

Abstract

Das Drehmoment von der Antriebswelle wird üblicherweise mithilfe eines Käfigdifferenzialgetriebes durch zwei getriebenen Wellen an beide Räder der Antriebsachse eines Autos verteilt. Falls ein Rad auf rutschigem Untergrund „durchdreht“, bekommt das zweite Rad ebenfalls kein Drehmoment. Hier wird vorgeschlagen mithilfe einer zusätzlichen Nebenwelle mit angebrachten Zahnrädern und Freilaufkörpern die Drehzahldifferenz der getriebenen Wellen so zu beschränken, dass erst beim „durchdrehen“ einer getriebenen Welle die langsamer gewordene Gegenwelle einen zusätzlichen Drehmoment von einer Lamellenbremse bekommt und mit einer etwas geringeren Drehzahl ähnlich wie bei einem Selbstsperrdifferenzial weiterhin rotiert. Das von der Nebenwelle maximale zulässige Drehzahlverhältnis der getriebenen Wellen durch die Wahl der angebrachten Zahnräder separat in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung bestimmt wird und von der Drehzahl des Differenzialkäfigs unabhängig ist. Das Umschalten der Nebenwelle in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung beim Wechsel der Fahrtrichtung erfolgt automatisch.

Description

Das Drehmoment der Antriebswelle wird üblicherweise mithilfe eines Käfigdifferenzialgetriebes durch zwei getriebene Wellen an beide Räder der Antriebsachse eines Autos verteilt. Abgesehen von Reibungskräften im Käfigdifferenzialgetriebe bekommen die beiden Räder das gleiche Drehmoment unabhängig von dessen Drehzahlen. Wegen dieser Eigenschaft wird das Käfigdifferenzialgetriebe auch Ausgleichsgetriebe oder offenes Differenzial genannt. Falls ein Rad auf rutschigem Untergrund „durchdreht“, bekommt das Gegenrad ebenfalls kein Drehmoment. Zur Behebung dieses Nachteils wird öfters eine schaltbare Differenzialsperre angewendet, womit die Ausgleichsfunktion vom Drehmoment des Käfigdifferenzialgetriebes ein- und ausgeschaltet werden kann. Die schaltbare Differenzialsperre wird üblicherweise durch die Anwendung einer Sperrhülse realisiert. Die Sperrhülse hat eine drehfeste Nutenverbindung mit einer der getriebenen Wellen und kann entlang der Welle mithilfe einer Schaltgabel in Richtung Differenzialkäfig geschoben werden. Die Zapfen der Sperrhülse greifen in die Öffnungen des Differenzialkäfigs ein, wodurch eine drehfeste Verbindung der getriebenen Welle mit dem Differenzialkäfig entsteht: Die Ausgleichsfunktion vom Drehmoment ist ausgeschaltet. Eine mögliche Ausführung für ein schaltbares Sperrdifferenzialgetriebe ist in der Druckschrift US 1 938 457 A dargestellt. Die schaltbare Differenzialsperre ergibt eine 100%-ige Sperrwirkung, wodurch ein erhöhter Energieverbrauch sowie ein erhöhter Verschleiß am Fahrwerk entstehen.
Die Nachteile der schaltbaren Differenzialsperre werden gemindert, indem anstatt einer Sperrhülse beim Differenzialgetriebe eine Lamellenbremse eingesetzt wird, wobei auf die Möglichkeit zum Verschieben der Lamellenbremse ähnlich einer Sperrhülse entlang der getriebenen Welle mithilfe einer Schaltgabel verzichtet wird: Die Lamellenbremse bildet mit dem Differenzialkäfig eine Einheit und erzeugt permanent ein Bremsmoment zwischen dem Differenzialkäfig und der getriebenen Welle. Öfters werden Lamellenbremsen an beiden getriebenen Wellen eingesetzt, wodurch sie bei der zusammen erzeugten Sperrwirkung einzeln kleiner dimensioniert werden können; auch die Reibungswärme lässt sich von kleineren Lamellenbremsen besser ableiten. Diese Art Differenzialgetriebe wird auch Selbstsperrdifferenzial genannt. Eine mögliche Ausführung für ein Selbstsperrdifferenzialgetriebe ist in der Druckschrift DE 10 2014 205 023 A1 dargestellt. Tatsächlich wird bei einem Selbstsperrdifferenzial nicht gesperrt, sondern die Verteilung des Drehmomentes beeinflusst. Dabei bekommt das Rad mit der niedrigeren Drehzahl das größere Drehmoment, welches um das maximale Bremsmoment der Lamellenbremse größer als das Drehmoment am Gegenrad ist. Das Drehmoment des Differenzialkäfigs wird auf die zwei getriebenen Wellen verteilt und ist somit der Summe des kleineren und des größeren Drehmomente gleich. Falls eine Drehzahldifferenz zwischen den getriebenen Wellen entstanden ist (beispielsweise bei einer Kurvenfahrt) dann rutscht die Lamellenbremse durch, folglich ist das maximale Bremsmoment der Lamellenbremse erreicht. Bei einem Differenzialkäfig mit einer symmetrischen Drehmomentverteilung 50:50 ist das maximale Bremsmoment der Lamellenbremse der maximalen Differenz des größeren und des kleineren Drehmomente gleich. Die Sperrwirkung des Selbstsperrdifferenzials wird quantitativ mit dem Sperrwert beziffert, welcher als Quotient des maximalen Bremsmomentes der Lamellenbremse zum Drehmoment des Differenzialkäfigs definiert wird. Im Unterschied zur schaltbaren Differenzialsperre liegt der Sperrwert beim Selbstsperrdifferenzial zwischen 0% und 100%. Je höher der Sperrwert desto höher ist der Energieverbrauch und der Verschleiß am Fahrwerk des Autos.
Wegen der Nachteile der schaltbaren Differenzialsperre und des Selbstsperrdifferenzials werden immer häufiger elektronische Steuerungssysteme eingesetzt, die die übermäßigen Drehzahldifferenzen an Rädern erkennen und das zu schnell rotierende Rad abbremsen. Diese Art Drehmomentverteilung wird auch als elektronisches Sperrdifferenzial bezeichnet. Das mittels Bremse erzeugte Drehmoment wirkt an dem langsamer rotierenden Rad gegen den Straßenwiderstand und dient zur Fortbewegung des Autos. Währenddessen am schneller rotierenden Gegenrad verrichtet das Drehmoment die Arbeit gegen die Bremse, somit wird ein größerer Teil der mechanischen Energie der Antriebswelle „weggebremst“.
Beim Käfigdifferenzialgetriebe an der Antriebsachse eines Autos werden meist ein Kegelraddifferenzial oder ein Stirnraddifferenzial mit der gleichen Drehmomentverteilung zwischen der rechten und der linken getriebenen Wellen 50:50 eingesetzt. Bei den allradgetriebenen Autos wird ein Käfigdifferenzialgetriebe als ein Verteilergetriebe eingesetzt, öfters auch mit einer ungleichen Drehmomentverteilung zwischen der vorderen und der hinteren Antriebsachsen, beispielsweise 60:40. Als platzsparend werden beim Verteilergetriebe kleinere Zahnräder verwendet, wodurch beim gleichen Drehmoment auf den einzelnen Zahn eine größere Kraft wirkt. Deshalb werden beim Verteilergetriebe schneckenförmige Zahnräder verwendet, die auch einen höheren Reibungswiderstand haben. Trotz einem höheren Reibungswiderstand im Verteilergetriebe lässt sich das „Durchdrehen“ einer der getriebenen Wellen (auch Schlupf genannt) nicht vermeiden. Gegen den Schlupf kommen im Verteilergetriebe interne Bremsen zum Einsatz, die elektronisch gesteuert werden. Durch das Eingreifen der internen Bremsen im Verteilergetriebe wird ebenfalls ein Teil der mechanischen Energie „weggebremst“. Eine Übersicht verschiedener möglichen Bremsen im Antriebsstrang des Autos ist in der Druckschrift DE 24 13 288 A1 beschrieben. Als eine Alternative zum „Wegbremsen“ der mechanischen Energie ist in der Patentschrift DE 10 2013 018 548 B4 das beschränkte Differenzialgetriebe beschrieben. Bei diesem Getriebe werden anstatt der Bremsen die Freilaufkörper eingesetzt, so dass, falls eine maximale Drehzahldifferenz der getriebenen Wellen erreicht wird, einer der Freilaufkörper verkeilt; und das Drehmoment wird an die langsamer rotierende getriebene Welle übertragen ohne „Wegbremsen“ der mechanischen Energie an der schneller rotierenden getriebenen Welle. Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
Das in der Patentschrift DE 10 2013 018 548 B4 dargestellte „Beschränkte Differenzialgetriebe“ wird für die Fahrt in die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung mithilfe einer manuellen Schaltung umgeschaltet. Sollten die beiden Antriebsachsen und das Verteilergetriebe eines allradgetriebenen Autos mit beschränkten Differenzialgetrieben ausgestattet werden, dann sollten beim Wechsel der Fahrtrichtung die drei manuellen Schaltungen vom Fahrer betätigt werden. Diesem Nachteil vorzubeugen soll ein Beschränktes Differenzialgetriebe mit einer automatischen Umschaltung beim Wechsel der Fahrtrichtung entwickelt werden. Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem Anspruch 1 gelöst.
Der Zusammenbau des automatischen erfindungsgemäßen beschränkten Differenzialgetriebes ist auf der dargestellt. Die Antriebswelle (W_a), die zwei getriebenen Wellen rechts (W_r) und links (W₁) sowie eine Nebenwelle (W_n) sind in einem Gehäuse gelagert, das auf der nicht gezeigt ist. Das treibende Kegelzahnrad (A), das zentrale Kegelzahnrad (B) mit den im Differenzialkäfig eingebauten Kegelzahnrädern (C₁, C₂), sowie die zwei getriebenen Kegelzahnräder rechts (D_r) und links (D_l) bilden ein unbeschränktes Käfigdifferenzialgetriebe.
Um die Drehzahldifferenz der getriebenen Wellen (W_r, W_l) zu beschränken, sind am Differenzialkäfig zwei Zahnräder rechts (E_r) und links (E_l) angebracht, sowie an den getriebenen Wellen rechts (W_r) und links (W₁) sind entsprechend die Zahnräder rechts (H_r) und links (H_l) befestigt. Mit diesen vier zusätzlichen am unbeschränkten Käfigdifferenzialgetriebe befestigten Zahnrädern (E_r, E_l, H_r, H_l) sind weitere vier Zahnräder (F_r, F_l, G_r, G_l) verzahnt, die auf der Nebenwelle (W_n) gelagert sind. Die Zahnräder rechts (G_r) und links (G_l) beinhalten jeweils einen eingebauten Freilaufkörper, die in der Fahrradtechnik allgemein verbreitet sind. Die Drehzahl der Nebenwelle (W_n) bestimmt den Grenzwert für die Drehzahl der getriebenen Wellen (W_r, W_l). Falls die Drehzahl einer der Wellen (W_r, W_l) den von der Nebenwelle (W_n) vorgegebenen Grenzwert erreicht, dann verkeilt einer der in den Zahnrädern (G_r, G_l) eingebauten Freilaufkörper, wodurch eine größere Drehzahldifferenz zwischen den getriebenen Wellen (W_r, W_l) verhindert wird. Durch den Einsatz der Nebenwelle (W_n) samt genannten zusätzlichen Zahnrädern und Freilaufkörpern wird aus einem unbeschränkten Käfigdifferenzialgetriebe das „Beschränkte Differenzialgetriebe“.
Die bogenförmigen Pfeile an den Wellenenden auf der zeigen die Rotationsrichtung der Wellen bei der Fahrt in Vorwärtsrichtung. Die Rotation der Nebenwelle (W_n) in Vorwärtsrichtung wird vom Zahnrad (F_l) über die Lamellenbremse (L) bewirkt. Eine Lamellenbremse (bzw. Lamellenkupplung) besteht aus abwechselnd gestapelten auf einer Welle Innen- und Außenlamellen mit jeweils dazwischen eingelegten Reibungslamellen. Die Lamellenbremse (L) auf der besteht aus drei Innen-, zwei Außen- und vier Reibungslamellen, die auf der Nebenwelle (W_n) gestapelt sind. Die vier Reibungslamellen sind auf der schraffiert. Die Beschreibung stützt sich auf die ; zur Betrachtung kleineren Details ist die Nebenwelle (W_n) samt zugehörigen Teilen auf der etwas vergrößert gezeigt. Die drei Innenlamellen der Lamellenbremse (L) haben eine Nutenverbindung mit der Nebenwelle (W_n). Die zwei Außenlamellen haben eine Nutenverbindung mit dem rohrförmigen Vorsprung des Zahnrades (F_l), damit wird das Drehmoment vom Zahnrad (F_l) über die Lamellenbremse (L) auf die Nebenwelle (W_n) übertragen. Die Rotation der Nebenwelle (W_n) bestimmt den unteren Grenzwert für die Drehzahl der getriebenen Wellen (W_r, W_l) in Vorwärtsrichtung; falls eine von diesen „durchdreht“ dann rotiert die Gegenwelle langsamer, dadurch verkeilt einer der eingebauten Freilaufkörper in den Zahnräder (G_r, G_l) und die langsamer gewordene Welle (W_r, W_l) bekommt das zusätzliche Drehmoment von der Nebenwelle (W_n). Die Funktionsweise aller Freilaufkörper auf der ist im Schnitt S - S gezeigt. Damit alle Rollen des Freilaufkörpers gleichzeitig verkeilen bzw. gleichzeitig „loslassen“ sind sie in eine Hülse (auch Separator genannt) eingelegt.
Beim Wechsel der Fahrtrichtung schaltet das Getriebe automatisch in die Rückwärtsrichtung um. Die automatische Schaltung ist auf der Nebenwelle (W_n) zwischen zwei Federringen eingespannt, die auf der kreuzförmig schraffiert gezeigt sind. Die Federringe sind in radialen Rinnen der Nebenwelle (W_n) eingelegt. Am linken Federring stützt sich ein stabiler Teller, der eine Nutenverbindung mit der Nebenwelle (W_n) hat. Am stabilen Teller sind rechts die Lamellen der Lamellenbremse (L) gestapelt. Die drei Innenlamellen haben eine Nutenverbindung mit der Nebenwelle (W_n), die zwei Außenlamellen eine Nutenverbindung mit dem rohrförmigen Vorsprung des Zahnrades (F_l). Der Lamellenstapel wird zwischen dem stabilen Teller links und einer Gewindekappe rechts zusammengepresst. Die Gewindekappe ist auf einer Gewindehülse (Gh) fest aufgeschraubt; gegen ein eventuelles Abschrauben soll die Gewindekappe gesichert werden. Die Gewindehülse (Gh) hat eine Gewindeverbindung mit der Nebenwelle (W_n). Im axialen Schnitt weist das Profil des Gewindes der Nebenwelle (W_n) ein rechtwinkliges Dreieck auf, wobei die belastete Seite des Gewindes senkrecht zur Gewindeachse steht. Dieses Profil soll den Reibungswiderstand am Gewinde mindern. Ein trapezförmiges, bzw. ein quadratisches Profil des Gewindes sind ebenfalls möglich. Die Gewindehülse (Gh) wird von rechts von einer Feder gedrückt. Zur Minderung der Reibung ist ein axiales Lager zwischen der Gewindehülse (Gh) und der Feder vorgesehen. Die Feder wird von einer Stützhülse geführt, die sich am rechten Federring stützt. Der axiale Weg der Gewindehülse (Gh) ist zwischen der Lamellenbremse (L) und der Stützhülse eingeschränkt. In Vorwärtsrichtung drückt die axial zusammengedrückte Feder an ihrem linken Ende über ein axiales Lager auf die Gewindehülse (Gh) und an ihrem rechten Ende über eine Stützhülse und einen Federring auf die Nebenwelle (W_n) wodurch das Lamellenpaket der Lamellenbremse (L) zusammengedrückt wird.
Zum Umschalten in Rückwärtsrichtung ist auf der Gewindehülse (Gh) mithilfe der zwei axial-radialen Lager das Zahnrad (F_r) gelagert. Mit seinem rohrförmigen Vorsprung (alternativ mit einigen Zapfen) greift das Zahnrad (F_r) in den Freilaufkörper (K) ein, der mit der Gewindehülse (Gh) fest verbunden ist. Am besten sind die Gewindehülse (Gh) und das Gehäuse des Freilaufkörpers (K) als Einzelteil gefertigt. Wegen der gewählten Übersetzungsverhältnisse rotiert das Zahnrad (F_r) schneller als das Zahnrad (F_l); dies ist in Vorwärtsrichtung möglich weil der Freilaufkörper (K) frei geschaltet ist. Beim Wechsel in Rückwärtsrichtung verkeilt der Freilaufkörper (K) und schraubt die Gewindehülse (Gh) auf der Nebenwelle (W_n) gegen den Federdruck, bis die sich an der Stützhülse stützt; dabei wird die Lamellenbremse (L) freigeschaltet, wodurch das Zahnrad (F_l) langsamer als das Zahnrad (F_r) rotieren darf. In Rückwärtsrichtung wird die Nebenwelle (W_n) vom Zahnrad (F_r) über die Gewindehülse (Gh) angetrieben. Die Rotation der Nebenwelle (W_n) bestimmt den oberen Grenzwert für die Drehzahl der getriebenen Wellen (W_r, W_l) in Rückwärtsrichtung; falls eine von diesen „durchdreht“, verkeilt einer der eingebauten Freilaufkörper in den Zahnrädern (G_r, G_l), infolgedessen rotiert die Nebenwelle (W_n) schneller als das Zahnrad (F_r), wodurch sich der Freilaufkörper (K) löst; dadurch wird die Gewindehülse (Gh) durch den Federdruck in Richtung der Lamellenbremse (L) geschraubt und die zu schnell rotierende Welle (W_r, W_l) mithilfe der Lamellenbremse (L) abgebremst. Anders ausgedrückt, die langsamer gewordene Welle (W_r, W_l) bekommt das zusätzliche Drehmoment von der Nebenwelle (W_n).
Bei jedem Umschalten in Rückwärtsrichtung wird in der automatischen Schaltung eine Arbeit gegen die Feder verrichtet. Die Höhe der Arbeit ist durch den axialen Weg und die Reibung im Gewinde der Gewindehülse (Gh) bestimmt. Der axiale Weg soll ausreichend sein um die Lamellenbremse (L) freizuschalten. Die Gewindesteigung darf nicht zu klein sein um die Reibung im Gewinde zu mindern. Für die Minderung der Reibung im Gewinde ist das Zahnrad (F_r) schräg verzahnt. In Vorwärtsrichtung hat die schräge Verzahnung keine Bedeutung, weil das Zahnrad (F_r) ohne Widerstand rotiert. In Rückwärtsrichtung wird durch die schräge Verzahnung des Zahnrades (F_r) eine axiale Kraft erzeugt, die gegen die Feder wirkt und die Reibung im Gewinde der Gewindehülse (Gh) mindert. Das Zahnrad (F_r) soll genügend Breite haben um den langfristigen Verschleiß der Lamellen zu ausgleichen können.
Der Grenzwert für die Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Differenzialkäfig und jeder der getriebenen Wellen (W_r, W_l) ist durch die Winkelgeschwindigkeit der Nebenwelle (W_n) bestimmt und durch die Wahl der eingesetzten Zahnräder separat für die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung vorgegeben. Das „automatische beschränkte Differenzialgetriebe“ auf der ist maßstabgetreu gezeichnet. Bei einem gleichen Modul für alle Zahnräder m = 3 mm, sind beispielsweise folgenden Zähnezahlen gewählt: z(E_r) = 67; z(F_r) = 37; z(E_l) = 60; z(F_l) = 44; z(G_r) = z(G_l) = 40; z(H_r) = z(H_l) = 64.
Bei einer Geradeausfahrt sind die Winkelgeschwindigkeiten ω(D_r), ω(D_l) der Kegelzahnräder (D_r, D_l) annähernd gleich der Winkelgeschwindigkeit ω(B) des Differenzialkäfigs mit seinem Antriebsrad (B). Die Winkelgeschwindigkeit ω(B) des Zahnrades (B) wird im Weiteren als Bezugsmaß angenommen und stets mit 100% beziffert. Für die Zahnräder (H_r, H_l) und das Zahnrad (B) beträgt das Übersetzungsverhältnis in Vorwärtsrichtung: $\frac{ω (H)}{ω (B)} = \frac{z (E_{l})}{z (F_{l})} * \frac{z (G)}{z (H)} = \frac{60}{44} * \frac{40}{64} = 0,852; bzw . 85,2% .$
Gemäß diesem Übersetzungsverhältnis sollten die Zahnräder (H_r, H_l) um 14,8% langsamer als das zentrale Zahnrad (B) rotieren, sind aber mit den Kegelzahnrädern (D_r, D_l) durch die Wellen (W_r, W_l) drehfest verbunden und haben mit dem Differenzialkäfig die gleichen Winkelgeschwindigkeiten. Dies ist möglich wegen der zwei Freilaufkörper, die in den Zahnrädern (G_r, G_l) eingebaut sind.
Falls ein Rad am Auto auf rutschigem Untergrund „durchdreht“ und eine Winkelgeschwindigkeitsdifferenz Δ zwischen dem Rad und dem Differenzialkäfig entsteht, dann rotiert das gegenseitige Rad um die gleiche Differenz Δ langsamer, demzufolge falls die Differenz Δ den Grenzwert 0,148*ω(B) erreicht, verkeilt der eingebaute Freilaufkörper in dem auf der Nebenwelle (W_n) zu langsam rotierenden Zahnrad (G_r, G_l, und das gegenseitige Rad bleibt nicht stehen, sondern wird weiterhin mit einer Winkelgeschwindigkeit um 14,8% langsamer als das zentrale Zahnrad (B) rotieren, solange das maximale Bremsmoment der Lamellenbremse (L) nicht überschritten ist. Dabei rotiert das „durchdrehende“ Rad mit der gleichen Winkelgeschwindigkeitsdifferenz Δ = 0,148*ω(B) schneller als das zentrale Zahnrad (B). Das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Räder in Vorwärtsrichtung beträgt: (1 + 0,148)/(1 - 0,148) = 1,347. Dieser Quotient für die Vorwärtsrichtung ist konstruktionsbedingt und bleibt konstant für alle Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle (W_a). Je schneller die Antriebswelle (W_a) rotiert desto größere Winkelgeschwindigkeitsdifferenz der getriebenen Wellen (W_r, W_l) wird vom „automatischen beschränkten Differenzialgetriebe“ zugelassen.
Für die Zahnräder (H_r, H_l) und das Zahnrad (B) beträgt das Übersetzungsverhältnis in Rückwärtsrichtung: $\frac{ω (H)}{ω (B)} = \frac{z (E_{r})}{z (F_{r})} * \frac{z (G)}{z (H)} = \frac{67}{37} * \frac{40}{64} = 1,132; bzw . 113,2% .$
Das heißt: In Rückwärtsrichtung darf eine der getriebenen Wellen (W_r, W_l) bzw. eines der Räder am Auto bis zu 13,2% schneller als das zentrale Zahnrad (B) rotieren. Eine höhere Winkelgeschwindigkeitsdifferenz als Δ = 0,132*ω(B) zwischen dem Rad und dem . Differenzialkäfig wird durch das Verkeilen des eingebauten Freilaufkörpers in dem auf der Nebenwelle (W_n) zu schnell rotierenden Zahnrad (G_r, G_l) verhindert, und das gegenseitige Rad bleibt nicht stehen, sondern wird weiterhin mit einer Winkelgeschwindigkeit um 13,2% langsamer als das zentrale Zahnrad (B) rotieren, solange das maximale Bremsmoment der Lamellenbremse (L) nicht überschritten ist. Das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Räder in Rückwärtsrichtung beträgt: (1 + 0,132)/(1 - 0,132) = 1,304. Dieser Quotient für die Rückwärtsrichtung ist wiederum konstruktionsbedingt und bleibt konstant für alle Winkelgeschwindigkeiten der Antriebswelle (W_a). Durch den Austausch der eingebauten Zahnräder können verschiedene Grenzwerte für die Winkelgeschwindigkeitsdifferenz Δ am „automatischen beschränkten Differenzialgetriebe“ festgelegt werden. Das Eingreifen der Freilaufkörper beim Erreichen der festgelegten Grenzwerte erfolgt ohne „Wegbremsen“ der mechanischen Energie der Antriebswelle (W_a), wie es bei den elektronisch gesteuerten Bremsen der Fall ist.
Die in Absätzen [0013] bis [0015] beschriebene Verhältnisse der Winkelgeschwindigkeiten des Differenzialkäfigs und der getriebenen Wellen (W_r, W_l) sind auf der in Diagrammen 1 bis 3 grafisch dargestellt. Im Diagramm 1 auf der ist eine Momentaufnahme der Funktion eines unbeschränkten Käfigdifferenzialgetriebes gezeigt. Auf der x-Achse sind die Winkelgeschwindigkeiten (ω) der in Betracht gezogenen Kontrahenten gezeigt, auf der y-Achse werden deren Differenzen (Δ) abgelesen. Bei einer Differenz ist auf das Vorzeichen zu achten. Im Diagramm 1 auf der wird „von rechts nach links“ subtrahiert: Von der Winkelgeschwindigkeit (ω_r) der rechten Welle (W_r) wird die Winkelgeschwindigkeit (ω_k) des Differenzialkäfigs abgenommen, von der letzten wird weiterhin die Winkelgeschwindigkeit (ω_l) der linken Welle (W₁) subtrahiert. Der Punkt (ω_k) auf der x-Achse bzw. die vertikale Gerade ω = ω_k gibt die Winkelgeschwindigkeit des Differenzialkäfigs zu einem Zeitpunkt an. Die Differenz (Δ_r) zwischen der rechten Welle (W_r) und dem Differenzialkäfig ist mit der Geraden Δ_r = ω_r - ω_k dargestellt. Die Differenz (Δ_l) zwischen dem Differenzialkäfig und der linken Welle (W_l) ist mit der Geraden Δ_l = ω_k - ω_l gezeigt. Die Einheitengrößen für die x- und y-Achse sind gleich groß gewählt, somit beträgt der Steigungswinkel der beiden Geraden ±45°. Der Ableseweg im Diagramm 1 auf der ist mit fetten Pfeilen gezeigt: Falls die rechte Welle (W_r) eine Winkelgeschwindigkeit ω_r = ω_k + Δ hat, dann bekommt die linke Welle (W_l) die Winkelgeschwindigkeit ω_l = ω_k - Δ. Beide Geraden Δ_r = ω_r - ω_k und Δ_l = ω_k - ω_l sind unbegrenzt, somit zeigt das Diagramm 1 auf der die Momentaufnahme der Funktion eines unbeschränkten Käfigdifferenzialgetriebes.
Im Diagramm 2 auf der ist die Funktion der Nebenwelle (W_n) samt der in Zahnrädern (G_r, G_l eingebauten Freilaufkörper gezeigt. Die Winkelgeschwindigkeit (ω_r, ω_l) der getriebenen Wellen (W_r, W_l) wird durch den Einsatz der Freilaufkörper beschränkt. Dabei ist die maximale (bzw. minimale) Winkelgeschwindigkeit (ω_max) einer getriebenen Welle, die vom Freilaufkörper zugelassen wird, der Winkelgeschwindigkeit (ω_k) des Differenzialkäfigs proportional: ω_max = q* ω_k. Der Faktor (q) wird durch das Übersetzungsverhältnis der Zahnräder separat in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung bestimmt, wie es in Absätzen [0013] bis [0015] gezeigt ist. Die maximale Winkelgeschwindigkeitsdifferenz (Δ_max) wird berechnet: $Δ_{max} = ω_{max} - ω_{k}; bzw . Δ_{max} = q* ω_{k} - ω_{k}; bzw . Δ_{max} = (q - 1) * ω_{k} .$
Dieser Grenzwert ist mithilfe des Freilaufkörpers erzeugt und ist im Diagramm 2 auf der als eine Freilaufgerade Δ_f= (q - 1)*ω fett gezeichnet. Die Steigung der Freilaufgeraden (Δ_f) ist durch den Faktor (q) bestimmt; der Schnittpunkt mit der vertikalen Geraden ω = ω_k zeigt auf der y-Achse die maximale Winkelgeschwindigkeitsdifferenz (Δ_max) zwischen der getriebenen Wellen (W_r, W_l) und dem Differenzialkäfig.
Im Diagramm 3 auf der sind die Diagramme 1 und 2 zusammengeführt. Das Diagramm 3 auf der zeigt eine Momentaufnahme der Funktion des „automatischen beschränkten Differenzialgetriebes“. Der Schnittpunkt der Geraden Δ_l = ω_k - ω_l mit der horizontalen Geraden Δ =Δ_max bestimmt die minimale Winkelgeschwindigkeit (ω_min) der getriebenen Wellen. Der Schnittpunkt der Geraden Δ_r = ω_r - ω_k mit der horizontalen Geraden Δ =Δ_max bestimmt die maximale Winkelgeschwindigkeit (ω_max) der getriebenen Wellen (W_r, W_l). Zum Zeitpunkt der Momentaufnahme im Diagramm 3 auf der ist die Winkelgeschwindigkeit der getriebenen Wellen (W_r, W_l) zwischen den Werten ω_min und (ω_max eingeschlossen. Zu jedem Zeitpunkt ist der Grenzwert (Δ_max) durch den konstruktionsbedingten Faktor (q) bestimmt und von der Winkelgeschwindigkeit des Differenzialkäfigs (ω_k) abhängig, wovon kein Nachteil für das „automatische beschränkte Differenzialgetriebe“ besteht: Bei einer höheren Geschwindigkeit bekommen die Räder am Auto mehr Freiheit. Solange sich die Winkelgeschwindigkeit der getriebenen Wellen (W_r, W_l) zwischen den Werten ω_min und ω_max hält, wird die Lamellenbremse (L) an der Nebenwelle (W_n) nicht betätigt und das „automatische beschränkte Differenzialgetriebe“ funktioniert wie ein unbeschränktes Käfigdifferenzialgetriebe. Sobald die Winkelgeschwindigkeit der getriebenen Wellen (W_r, W_l) das Intervall zwischen den Werten ω_min und ω_max verlässt, wird die Lamellenbremse (L) an der Nebenwelle (W_n) betätigt und das „automatische beschränkte Differenzialgetriebe“ funktioniert wie ein Selbstsperrdifferenzialgetriebe.
Das im Absatz [0002] erwähnte Selbstsperrdifferenzial enthält eine Lamellenbremse direkt am Differenzialkäfig, welche die zu schnell rotierende getriebene Welle permanent abbremst. Anders ausgedrückt, das Rad mit der niedrigeren Drehzahl bekommt das größere Drehmoment, welches um das maximale Bremsmoment der Lamellenbremse größer als das kleinere Drehmoment des Gegenrades ist. Damit bekommt das innere Rad bei einer Kurvenfahrt ein größeres Drehmoment, welches ein Giermoment um die senkrechte Achse des Autos erzeugt, das gegen die Lenkungsrichtung wirkt. Gegen dieses Giermoment muss aktiv gelenkt werden, man spricht von einer untersteuerten Lenkung des Autos. In Kurven mit kleinem Kurvenradius soll ein normaler Fahrer die Geschwindigkeit mindern um das Auto in der Spur zu halten. Ein Rallyefahrer macht das Gegenteil: Er drückt das Gaspedal durch; in der Kurve ist das Innenrad weniger als das Außenrad belastet und dreht durch; dabei rotiert das Außenrad langsamer und bekommt vom Selbstsperrdifferenzial das größere Drehmoment, wodurch ein Giermoment in die Lenkungsrichtung entsteht. Die richtige Dosierung am Gaspedal soll eingeübt werden. Diese Fahrtechnik wird auch Lenken mit Driften der Hinterachse genannt; ein erhöhter Spritverbrauch und Reifenverschleiß inklusive. Wegen dieser Eigenschaft ist das Selbstsperrdifferenzial bei den Rallyefahrern beliebt. Das „automatische beschränkte Differenzialgetriebe“ enthält eine Lamellenbremse (L) an der Nebenwelle (W_n), die nicht permanent auf die getriebenen Wellen (W_r, W_l) wirkt. Die Lenkung des Autos wird nicht untersteuert; ein normaler Fahrer kann das Auto in Kurven in der Spur halten ohne die Geschwindigkeit zu mindern müssen. Ein Rallyefahrer kann sein eingeübtes Lenken mit Driften der Hinterachse ebenfalls nutzen.
Das „beschränkte Differenzialgetriebe“ mit einer manuellen Umschaltung aus der Patentschrift DE 10 2013 018 548 B4 kann außer in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung noch in einen Leergang umgeschaltet werden, bei dem die Nebenwelle (W_n) freigeschaltet wird. Im Leergang wird das „beschränkte Differenzialgetriebe“ zu einem unbeschränkten Käfigdifferenzialgetriebe. Das „automatische beschränkte Differenzialgetriebe“ besitzt die Möglichkeit für die Freischaltung der Nebenwelle (W_n) nicht. Die Nebenwelle (W_n) wird in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung von einem der Zahnräder (F_l, F_r) permanent angetrieben. Diesen Nachteil auszugleichen bietet sich die folgende Lösung an. Das Gehäuse des „automatischen beschränkten Differenzialgetriebes“ soll eine möglichst einfache Entfernung (eventuell mit Abtrennung eines Gehäuseteils) der Nebenwelle (W_n) samt zugehörigen Teilen gewähren. Nach der Entfernung bzw. Abtrennung der Nebenwelle (W_n) funktioniert das „abgespeckte“ Differenzialgetriebe als ein unbeschränktes Käfigdifferenzialgetriebe. Für die Sicherheit auf der Winterstraße sollte an dem Differenzialgetriebe am Auto die Nebenwelle (W_n) samt zugehörigen Teilen angebracht werden. Im Sommer dagegen könnte dieses Getriebeteil in einer Garage überdauern, um in Anlehnung an die gängige Handlung mit den Winterreifen am Verschleiß zu sparen.

Claims

Ein automatisches beschränktes Differenzialgetriebe für das Verteilen des Drehmoments einer Antriebswelle (W_a) an die zwei getriebenen Wellen (W_l, W_r), das beim Wechsel der Fahrtrichtung automatisch in die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung umschaltet, bei dem im Unterschied zu einem unbeschränkten Käfigdifferenzialgetriebe die Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Differenzialkäfig und den getriebenen Wellen (W_l, W_r) separat für die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung des Getriebes mithilfe einer Nebenwelle (W_n) mit darauf angebrachten Zahnrädern und Freilaufkörpern jeweils mit einem vorgegebenen Grenzwert beschränkt wird, das folgendermaßen zusammengebaut wird: - Die Antriebswelle (W_a), die zwei getriebenen Wellen (W_l, W_r) sowie eine Nebenwelle (W_n) sind in einem Gehäuse gelagert, wobei das treibende Kegelzahnrad (A), das zentrale Kegelzahnrad (B) mit den im Differenzialkäfig eingebauten Kegelzahnrädern (C₁, C₂) sowie mit den zwei getriebenen Kegelzahnrädern (D_l, D_r) das unbeschränkte Käfigdifferenzialgetriebe bilden; - Das unbeschränkte Käfigdifferenzialgetriebe wird zusätzlich mit einer Nebenwelle (W_n) und vier Paar jeweils ineinandergreifenden Zahnräder (E_l- F_l), (E_r - F_r), (H_l - G_l), (H_r - G_r) nachgerüstet; wobei die Zahnräder (E_l, E_r) am Differenzialkäfig des unbeschränkten Käfigdifferenzialgetriebes und die Zahnräder (H_l, H_r) entsprechend an den getriebenen Wellen (W_l, W_r) befestigt sind; - Die Nebenwelle (W_n) wird in Vorwärtsrichtung vom Zahnrad (F_l) über eine Lamellenbremse (L) angetrieben; - In Rückwärtsrichtung verkeilt der Freilaufkörper (K) und schaltet mithilfe einer Gewindehülse (Gh) die Lamellenbremse (L) frei, wodurch in Rückwärtsrichtung die Nebenwelle (W_n) vom Zahnrad (F_r) über den Freilaufkörper (K) und die Gewindehülse (Gh) angetrieben wird; - Die Winkelgeschwindigkeit der Nebenwelle (W_n) wird in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung entsprechend über das Übersetzungsverhältnis der Zahnräder E_l/ F_l oder E_r / F_r vorgegeben; - An beiden Enden der Nebenwelle (W_n) ist eines der Zahnräder (G_l, G_r) gelagert, die jeweils einen eingebauten Freilaufkörper enthalten, welcher im Falle seiner Rückdrehung verkeilt und das Zahnrad mit der Nebenwelle (W_n) drehfest verbindet, wodurch die Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Differenzialkäfig und den getriebenen Wellen (W_l, W_r) mithilfe der rotierenden Nebenwelle (W_n) beschränkt wird; - Wobei durch das Übersetzungsverhältnis der vier Paar Zahnräder (E_l - F_l), (E_r - F_r), (H_l - G_l), (H_r - G_r) für die getriebenen Wellen (W_l, W_r) ein maximales Verhältnis derer Winkelgeschwindigkeiten (ω_l, (ω_r) zugelassen wird, das für die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung unterschiedlich ist und beim Wechsel der Fahrtrichtung durch das Verkeilen des Freilaufkörpers (K) automatisch umgeschaltet wird; - Wobei die maximale Drehzahldifferenz zwischen den getriebenen Wellen (W_l, W_r) separat für die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung durch das maximale Verhältnis derer Winkelgeschwindigkeiten (ω_l, ω_r) und die Winkelgeschwindigkeit des Differenzialkäfigs (ω_k) bestimmt wird, und durch den Austausch der vier Paar Zahnräder (E_l - F_l), (E_r - F_r), (H_l - G_l), (H_r - G_r), geändert werden kann; - Wobei beim Überschreiten der maximalen Drehzahldifferenz zwischen den getriebenen Wellen (W_l, W_r) das Drehmoment der langsamen Welle durch die Wirkung der Lamellenbremse (L) größer als das Drehmoment der Gegenwelle ist, so dass das automatische beschränkte Differenzialgetriebe als ein Selbstsperrdifferenzialgetriebe funktioniert.
Ein automatisches beschränktes Differenzialgetriebe nach dem Patentanspruch 1, dessen Gehäuse eine Option für eine einfache Entfernung der Nebenwelle (W_n) samt angebrachten Zahnrädern und Freilaufkörpern enthält, oder eine Abtrennung der Nebenwelle (W_n) zusammen mit einem Gehäuseteil gewährt; wobei nach der Entfernung oder Abtrennung der Nebenwelle (W_n) das Differenzialgetriebe im weiteren als ein unbeschränktes Käfigdifferenzialgetriebe funktioniert.