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Die Erfindung betrifft ein Differential mit Umlaufträger mit Antriebszahnrad, mindestens zwei Planetenträgern drehbar im Umlaufträger gelagert, mit Seitenabtriebssrädern zu Seitenwellen der Antriebsachse eines Fahrzeugs, die mit den Planetenträgern kämmen.
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Stand der Technik
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Die maximale Geschwindigkeit, die mit einer elektrischen Achse erreicht werden kann, hängt primär von der Getriebeübersetzung und der maximalen Drehzahl des Elektromotors ab. Das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Achse muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Drehmoment und Geschwindigkeit aufweisen. Hohe Drehmomente sind notwendig für eine gute Beschleunigung und Fahrdynamik, während eine akzeptable elektrische Höchstgeschwindigkeit für Autobahnfahrten von Vorteil ist. Ein zu kleines Übersetzungsverhältnis führt einerseits zu einer zu großen Übersetzung einen großen und schweren Motor, um ein angemessenes Drehmoment zu liefern. Mögliche Lösungen sind elektrische Mehrganggetriebe, Elektrische Achsantriebe, aber die erhöhte Komplexität, der technische Aufwand und die Kosten verhindern in vielen Fällen eine Umsetzung. Ein-Gang-Elektroachsen haben in der Regel Übersetzungsverhältnisse von 8 bis 12 und die heute verwendeten Elektromotoren haben maximale Drehzahlen zwischen 12000 und 20000 Umdrehungen pro Minute. Dieses bedeutet, dass Hybridfahrzeuge, die in der Regel schneller fahren, ein System benötigen, das den Elektromotor vom Antriebsstrang abkoppelt, um ein Überdrehen zu verhindern. Ein Batterie-Elektrofahrzeug mit nur einer Primärantriebsquelle braucht kein Abkopplungssystem, da die elektrische Höchstgeschwindigkeit der Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht. Wo hingegen bei Batterie-Elektrofahrzeugen mit 2 Antriebsquellen (primäre eAchse für den Hauptantrieb und sekundäre eAchse für einen Zusatzantrieb) ebenso ein Abkoppelungssystem für die die nicht benötigte e-Maschine ersetzt wird, um durch Abkoppelung der sekundären eAchse die Effizienz das gesamten Antriebes zu steigern, wenn der Antrieb über die primäre Antriebsachse ausreicht. Bei Verwendung eines Doppelkupplungsdifferentials ist die Implementierung einer Trennfunktion sehr einfach. Um dies zu ermöglichen, können beide Kupplungen vollständig geöffnet werden, damit sich die Antriebswellen frei drehen können.
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Aber ein Trennsystem kann aber auch in Achsen mit herkömmlichen Kegelraddifferentialen realisiert werden. Eine einfache Möglichkeit ist die Verwendung einer Klauenkupplung an der Schnittstelle zwischen Antriebswelle und einem Seitenrad. Da eine Klauenkupplung synchronisiert werden muss, müssen die Drehzahlen von Motor und Antriebswelle genau übereinstimmen, um eine Wiedereinschaltung während der Fahrt zu ermöglichen. Mit Hilfe der Motorleistungselektronik, die die Drehzahl der elektrischen Maschine kennt, und dem ABS kann ein Regelalgorithmus implementiert werden.
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Aus der
DE 20 2020 100 984 U1 ist eine elektrische Antriebsachse mit elektrischen Motor, eine Getriebeanordnung, ein elektrischer Motor, eine Getriebeanordnung, ein Differential und eine Trennvorrichtung, wobei die Getriebeanordnung dafür ausgelegt ist, ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis zwischen dem elektrischen Motor und dem Differential zu erzeugen und wobei eine Ritzelhülse im Inneren eines Gehäuses des Differentials vorsteuert und eine Trennvorrichtung ein Kolbenelement umfasst, das innerhalb einer ringförmigen Nabe und der Ritzelhülse konzentrisch angeordnet ist.
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Mit dieser Trennvorrichtung wird eine ringförmige Struktur vom Gehäuse entkoppelt. Über diese gekoppelte Struktur wird das gesamte Moment des Antriebs auf das Differenzial übertragen. Dadurch, dass es sich um einen Außenring handelt, wird die Baugröße des Differentials größer. Gerade aber der Durchmesser des Differenzials geht maßgeblich in das Bauvolumen und damit auch in das Gewicht der Anordnung ein.
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US 2021 / 0 348 677 A1, stellt eine Fahrzeugantriebsstrangkomponente dar, die ein Gehäuse, eine Kupplung, einen Linearmotor und mehrere Hebel umfasst. Das Gehäuse hat ein Wandelement und definiert einen inneren Hohlraum und eine Vielzahl von Hebelöffnungen. Die Hebelöffnungen sind durch das Wandelement hindurch ausgebildet und schneiden den inneren Hohlraum. Die Kupplung ist in dem inneren Hohlraum in dem Gehäuse angeordnet und umfasst ein bewegliches Element, das innerhalb des Gehäuses entlang einer Bewegungsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist. Die Kupplung ist so konfiguriert, dass sie Drehkraft durch sie hindurch überträgt, wenn sich das bewegliche Element in der ersten Position befindet, und die Übertragung von Drehkraft durch die Kupplung verhindert wird, wenn sich das bewegliche Element in der zweiten Position befindet. Der Linearmotor hat ein Motorausgangselement, das entlang der Bewegungsachse bewegbar ist. Jeder der Hebel ist in einer zugeordneten der Hebelöffnungen angeordnet und mit dem Gehäuse für eine Schwenkbewegung um eine jeweilige Hebelschwenkachse gekoppelt. Die Hebel drängen das bewegliche Element der Kupplung in eine erste Richtung entlang der Bewegungsachse von einer der ersten und zweiten Positionen in die andere der ersten und zweiten Positionen als Reaktion auf eine Schwenkbewegung der Hebel um die Hebelschwenkachsen, das heißt verursacht durch Kontakt zwischen den Hebeln und dem Motorausgangselement, wenn das Motorausgangselement in einer zweiten Richtung entlang der Bewegungsachse angetrieben wird, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Die Kupplung ist als Klauenkupplung zwischen zwei Komponenten des Abtriebsseitenrads ausgebildet. Die Schaltung liegt dabei außerhalb des Umlaufträgers nur die Verzahnung der geteilten Räder ist innerhalb des Umlaufträgers angeordnet.
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US 2013 / 0 220 722 A1 zeigt eine Trennvorrichtung mit einer Schiebemuffe und einer Schaltgabel, wobei sich die Trennvorrichtung außerhalb des Differentials an der Achshalbwelle befindet.
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US 4 526 063 A zeigt eine Trennkupplung zwischen Abtriebsseitenrad und Seitenwelle. Das Abtriebsseitenrad ist nicht geteilt. Die Trennkupplung ist nicht innerhalb des Umlaufträgers verbaut.
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US 5 996 720 A zeigt eine Differenzialanordnung mit doppelter Trennung für ein Fahrzeug mit Vierradantrieb. Diese Trenndifferentialanordnung verbindet gleichzeitig beide Ausgangswellen einer Differentialanordnung. Die duale Differentialanordnung hierin trennt auch beide Ausgangswellen gleichzeitig. Ein Kupplungsmechanismus, der den zwei Differential-Seitenrädern und ringförmigen angetriebenen Zahnrädern zugeordnet ist, die in Antriebseingriff mit jeweiligen Ausgangswellen stehen, ist zum gleichzeitigen Verbinden und gleichzeitigen Trennen der Ausgangswellen vorgesehen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kompakte kostengünstige Integration der Disconnect-Funktionalität in das Differential durch ein schaltbares zweiteiliges Seitenrad zu schaffen, ohne im Differentialdurchmesser des Differentials aufzugehen oder zusätzliche Lager, Wellen und eigene Gehäuse zu benötigen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Differential mit Umlaufträger mit Antriebszahnrad, mindestens zwei Planetenträgern drehbar im Umlaufträger gelagert, mit Seitenabtriebssrädern zu Seitenwellen der Antriebsachse eines Fahrzeugs, die mit den Planetenträgern kämmen, wobei ein Abtriebsseitenrad in axialer Richtung zweigeteilt aufgebaut ist und das innere Abtriebsseitenrad und das äußere Abtriebsseitenrad miteinander über eine Schaltung formschlüssig verbindbar sind und innerhalb des als zweiteiliges Bauteil ausgestalteten Umlaufträgers angeordnet und der Umlaufträger eine Teilung entlang einer Öffnung des Umlaufträgers für die Schaltung aufweist. Die Erfindung koppelt ein geteiltes Abtriebsseitenrad, sodass nur das halbe Moment über Kupplung fließen muss. Dadurch kann die Kupplung und die Bauelemente weniger stark ausgelegt werden und man kann dadurch Kosten und Gewicht einsparen. Durch die Trenn-Funktionalität im Abtriebsseitenrad wird zwar die axiale Baulänge des Differenzials erhöht, was aber im Normalfall kein Problem darstellt. Zudem ist die Gewichts-Zunahme geringer. Der Durchmesser des Differenzials bleibt bestehen.
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In einer vorteilhaften Lösung tragen das innere Abtriebsseitenrad und das äußere Abtriebsseitenrad Steckverzahnungen, die über eine Schiebemuffe miteinander verbindbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Lösung tragen das innere Abtriebsseitenrad und ein am äußeren Abtriebsseitenrad verlaufender Schaltarm Klauenverzahnungen.
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Durch die Integration einer Disconnect-Kupplung, Klauenkupplung oder Schiebemuffe, in das Differentialgehäuse kann die Lagerung der Disconnect-Funktionalität mit einem zweiteiligen Abtriebsseitenrad signifikant vereinfacht werden, ohne eine eigene Einhausung zu benötigen und baut radial extrem kompakt.
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Die Aktuierung der Schaltung erfolgt entweder durch einen Ringmagnet mit Ankerplatte oder durch einen Hubmagnet mit Schaltgabel.
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Die Aktuierung der Disconnect-Kupplung kann dabei über einen Ring-Hubmagneten oder einen Hubmagnet mit Schaltgabel realisiert werden. Außerdem wird das Disconnect-System zusammen mit dem Differential vormontiert und in einem Schritt als Bauteil montiert.
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Besonders günstig ist, wenn der Ringmagnet oder der Hubmagnet axial neben dem Umlaufträger und der Schaltung angeordnet ist und so keinen radial zusätzlichen Raum beansprucht.
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Für den Aufbaubau des Differentials ist es günstig, dass der Umlaufträger als zweiteiliges Bauteil ausgestaltet ist.
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Der Umlaufträger weist eine Teilung entlang eines Bolzens für die Planetenträger oder entlang einer Öffnung für die Schaltung auf.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführung des Differentials,
- 2 zeigt einen Schnitt durch die Betätigung der Schaltung in einer weiteren Ausführungsform,
- 3 zeigt einen Schnitt durch einen dritte Ausführungsform der Betätigung der Schaltung.
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1 zeigt ein Differential 1 mit einem Umlaufträger 2, der über Lager 11 beidseitig gegen ein Fahrzeug gelagert ist. Der Umlaufträger weist eine Verzahnung auf, die ein Antriebsrad 3 ausbildet. Damit ist der Umlaufträger 2 mit der antreibenden Maschine des Fahrzeugs verbunden.
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Der Umlaufträger 2 ist als zweiteiliges Bauteil ausgebildet, wobei die Trennung des als Gehäuse zu sehenden Umlaufträgers 2 an einem Bolzen 15 erfolgen kann. Alternativ dazu kann der Umlaufträger 2 am Eingriff einer Schaltgabel 9 getrennt sein.
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Am Bolzen 15 drehbar gelagert sind Planetenräder 4 verbaut, wobei in der Ausführungsform 2 Planetenräder um den Bolzen 15 drehen.
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Durch das zweiteilige Gehäuse, den Umlaufträger 2 kann man auch auf einfache Weise einen weiteren Satz an Planetenräder auf einem zweiten Bolzen montieren. Beim Einsatz von vier anstelle von zwei Planetenrädern 4 kann der Aussendurchmesser des Umlaufträgers 2 noch weiter reduziert werden, da durch das geteilte Gehäuse die Montage von 4 Ausgleichsrädern möglich ist und die Übertragung des Drehmoments stärker auf kleinere Bauteile verteilt wird. Ein geteiltes Gehäuse kann auch aus einer Materialkombination, einem Blechteil und einem Gussteil, hergestellt sein, was Kosten weiter reduziert.
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Die Planetenräder kämmen über eine Kegelverzahnung mit dem beiden Abtriebsseitenrädern 5. Das in der Figur rechts gezeigte Abtriebsseitenrad 5 weist innen zu einer Seitenwelle hin eine Steckverzahnung 7 auf. Diese treibt die rechte Seitenwelle 6 an. Das linke Abtriebsseitenrad 5 ist ein geteiltes Abtriebsseitenrad mit einem inneren Abtriebsseitenrad 5b und einem äußeren Abtriebsseitenrad 5a. Das äußere Abtriebsseitenrad 5a weist eine Steckverzahnung 7a auf, die die linke Seitenwelle 6 antreibt.
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Das äußere Abtriebsseitenrad 5a kann über eine Schiebemuffe 8 mit dem inneren Abtriebsseitenrad 5b, das mit den Planetenrädern 4 kämmt, verbunden werden. Dazu weist das äußere Abtriebsseitenrad 5a und das innere Abtriebsseitenrad 5b eine Steckverzahnung 7b auf. Diese Steckverzahnung 7 b ist am Außendurchmesser des äußeren Abtriebsseitenrad 5a und auf dem Aussendurchmesser einer Stufe des inneren Abtriebsseitenrad 5b angebracht.
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Die Schiebemuffe 8 wird über eine Schaltgabel 9 betätigt. Betätigt wird die Schaltgabel von einem Hubmagnet 10, der ringförmig um den Umlaufträger 2 angeordnet ist. Zur Aktuierung kann sowohl der Ringmagnet mit Ankerplatte als auch ein normaler Hubmagnet 10 mit Schaltgabel 9 eingesetzt werden.
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Bei Auftrennung des Abtriebsseitenrads 5 muss die Schiebemuffe 8 nur die Hälfte des Achsmoments im verbundenen Zustand übertragen verglichen zur Entkoppelung der Planetenräder zum Umlaufträger 2, wo die Verzahnung das gesamte Achs-Moment übertragen muss.
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Im Connect-Modus verbindet die Schiebemuffe 8 das geteilte Abtriebsseitenrad zu einem gemeinsamem Seitenrad und das Differential wälzt wie ein normales Differential bei Kurvenfahrt ab und überträgt das Antriebsmoment zu gleichen Anteilen auf das linke und das rechte Seitenrad.
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Im Disconnect-Modus trennt die Schiebemuffe 8 das geteilte Seitenrad und unterbricht die Momentenübertragung auf die Seitenwelle. Damit kann das Gehäuse stillgelegt werden.
Die Planetenräder werden von den Abtriebsseitenrädern im stillgelegten Differentialgehäuse in Bewegung gesetzt. Die zwei Hälften des geteilten Abtriebsseitenrads 5 bewegt sich entgegengesetzt zueinander.
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In Summe kann durch die Stilllegung des Differentialgehäuses die Effizienz des gesamten Getriebes gesteigert werden. Es erfolgt kein Abwälzen der Differentialgehäuselager, des Triebsatzes und des gesamten nachfolgenden Getriebes und trägt so zur CO2 Reduktion bei.
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2 zeigt eine Ausführungsform des geteilten Abtriebsseitenrads 5.
Die Bauteile entsprechend 1 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das zweiteilige Seitenrad ist als Abtriebsseitenrad ohne Innenverzahnung und der zweite Teil des Seitenrades als vereinfachte Synchronisierung umgesetzt. jedoch ohne einen Synchronring.
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Das innere Abtriebsseitenrad 5b bleibt zur Ausführungsform der 1 unverändert. Das äußere Abtriebsseitenrad 5a weist mindesten eine Ausnehmung auf, in der eine Feder 12 und eine auf der Feder 12 in der Aussparung sitzende Kugel 13 verbaut ist. Eine Feder 17 ist zwischen der Seitenwange 2a des Umlaufträgers 2 und einem Schaltarm 16 angeordnet. Die Kugel 13 greift in eine Rastvertiefung des Schaltarms 16 ein. Diese Kugelraste könnte sogar als Rückstellfeder genutzt werden, die den Federverbund aus Feder 17 und Seitenwange sogar entfallen lassen kann.
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Der Ringmagnet 10 ist nicht radial um den Umlaufträger 2 angeordnet, sondern axial neben dem Umlaufträger 2 und der Schiebekupplung, was in Umfangsrichtung platzsparend ist. Die Lagerung des Umlaufträgers 2 kann mit einem Lager 11 kleinen Durchmessers erfolgen. Der Ringmagnet 10 ist somit zwischen dem Umlaufträger 2 und den Lagern 11 im Getriebegehäuse angeordnet.
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Die axiale Zugkraft des Ringmagneten 10 wird über Nadellager 14 auf die Schiebemuffe 8 übertragen, die innerhalb des Außendurchmessers des Umlaufträgers 2 liegt.
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Die Schiebemuffe 8 wird entweder durch die Kugelraste oder das separate Federsystem mit der Feder 17 wieder in die Ausgangsposition gedrückt.
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3 ist eine alternative Ausführungsform der schaltbaren Verbindung des zweigeteilten Abtriebsseitenrads 5.
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Das innere Abtriebsseitenrad 5b weist eine Klauenverzahnung 18b an der Stirnseite auf. Oberhalb der Kugelraste gebildet aus Kugel 13 und Ausnehmung im Schaltarm 16 liegt der Träger der Klauenverzahnung 18a. Der Schaltarm 16 kann auch direkt mit einer stirnseitigen Klauenverzahnung versehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Differential
- 2
- Umlaufträger
- 2a
- Öffnung
- 2b
- Seitenwange
- 3
- Antriebszahnrad
- 4
- Planetenräder (Ausgleichsrad)
- 5
- Abtriebsseitenrad
- 5a
- äußeres Abtriebsseitenrad
- 5b
- inneres Abtriebsseitenrad
- 6
- Seitenwelle
- 7a, 7b, 7c
- Steckverzahnungen
- 8
- Schiebemuffe
- 9
- Schaltgabel
- 10
- Hubmagnet
- 11
- Lager
- 12
- Feder
- 13
- Kugel
- 14
- Nadellager
- 15
- Bolzen
- 16
- Schaltarm
- 17
- Feder
- 18a, 18b
- Klauenverzahnung
