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Die Erfindung betrifft ein Kronenraddifferential nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein Achsdifferential einer Fahrzeugsachse kann beispielhaft als ein Kronenraddifferential ausgebildet sein. Dessen Eingangsseite weist ein Hohlzahnrad auf, das in trieblicher Verbindung mit zum Beispiel einer Antriebswelle ist. Das Kronenraddifferential verteilt ein von der Antriebswelle kommendes Antriebsmoment auf die beiden, zu den Fahrzeugrädern führenden Abtriebswellen.
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Ein gattungsgemäßes Kronenraddifferential weist an seiner Eingangsseite ein Eingangszahnrad und an seinen beiden Ausgangsseiten jeweils eine Abtriebswelle mit daran angebundenem Ritzel auf. Die Ritzel der beiden Abtriebswellen sind Bestandteile einer Kronenrad-Ritzel-Anordnung.
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Bei konventionellen Kronenrad-Ritzel-Zahnpaarungen besteht ein Problem darin, dass die Zahnbreite des Kronenrads aus konstruktiven Gründen begrenzt ist und im Vergleich zum Kronenrad-Durchmesser relativ klein ist. Daher ist das übertragbare Drehmoment in dem, zur Verfügung stehenden Bauraum oftmals eingeschränkt.
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Aus der
EP 0 644 988 B1 ist ein Getriebeaggregat zum Antrieb von zwei im Wesentlichen parallelen Wellen bekannt. Aus der
DE 10 2009 007 454 A1 ist eine Winkelgetriebeeinheit bekannt. Die
JP 2021 -
156 416 A offenbart ein Differentialgetriebe.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kronenraddifferential bereitzustellen, mit dem im Vergleich zum Stand der Technik ein gesteigertes Drehmoment übertragen werden kann.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem Kronenraddifferential aus, das an seinen beiden Ausgangsseiten jeweils eine Abtriebswelle mit daran angebundenem Ritzel aufweist. Die Ritzel der beiden Abtriebswellen sind Bestandteile einer Kronenrad-Ritzel-Anordnung des Kronenraddifferentials. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird das auf die Ritzel der Abtriebswellen übertragbare Drehmoment wie folgt gesteigert: So weist die Kronenrad-Ritzel-Anordnung zumindest einen Kronenradsatz auf. Dieser besteht nicht nur aus lediglich einem Kronenrad, sondern vielmehr aus zumindest einem durchmesserkleinen Kronenrad und aus zumindest einem durchmessergroßen Kronenrad. Die beiden Kronenräder sind zueinander koaxial angeordnet. Zudem sind die beiden Kronenräder in Zahneingriff mit den Ritzeln der beiden Abtriebswellen.
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Erfindungsgemäß kann also das übertragbare Drehmoment dadurch erhöht werden, dass mehrere Kronenräder konzentrisch beziehungsweise koaxial zueinander angeordnet werden. Die entstehende Anordnung weist einerseits die Vorteile von Kronenradverzahnungen auf, andererseits wird jedoch im Vergleich zum Stand der Technik mehr Drehmoment übertragen, ohne dass der erforderliche Bauraum größenmäßig stark erhöht werden muss. Der erforderliche Bauraum steigt nämlich nicht linear mit dem übertragbaren Drehmoment an. Beispielhaft gilt: Würde ein Kronenrad mit einer Zahnbreite von b ein Drehmoment von M [Nm] übertragen, so könnte eine erfindungsgemäße konzentrische Anordnung von drei Kronenrädern mit einer Gesamtzahnbreite von 3 b ein Drehmoment von 3 · M übertragen. Der hierzu erforderliche Bauraum würde sich aber nicht um das Dreifache erhöhen.
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In einer technischen Umsetzung kann das durchmessergroße Kronenrad eine große Zähnezahl aufweisen, während das durchmesserkleine Kronenrad eine demgegenüber kleinere Zähnezahl aufweisen kann. Im Betrieb drehen daher die zumindest zwei Kronenräder mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten. Jedoch sind beide Kronenräder mit den Ritzeln der Abtriebswellen in Zahneingriff.
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Bevorzugt ist es, wenn das Kronenraddifferential zusätzlich eine Sperrfunktion aufweist: Hierzu können die Kronenräder und die Ritzeln eine Schrägverzahnung aufweisen. Auf dieser Weise übt jedes der Ritzel im Betrieb auf das jeweilige Kronenrad eine Radialkraftkomponente aus. Die beiden Radialkraftkomponenten sind zueinander entgegengerichtet. Zudem korreliert das Größenverhältnis der beiden Radialkraftkomponenten mit der Drehmomentenverteilung zwischen den beiden Abtriebswellen. Das heißt, dass bei gleichmäßiger Drehmomentenverteilung die beiden entgegengerichteten Radialkraftkomponenten sich ohne Erzeugung einer Sperrwirkung komplett aufheben. Demgegenüber ergibt sich bei einer ungleichmäßigen Drehmomentenverteilung die folgende Sachlage: Aus den beiden zueinander entgegengerichteten Radialkraftkomponenten resultiert eine Differenzkraft. Diese drückt das jeweilige Kronrad gegen das Differenzialgehäuse des Kronenraddifferentials. Dadurch baut sich eine Reibung auf, die die gewünschte Sperrwirkung erzeugt.
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Das sich bei ungleichmäßiger Drehmomentenverteilung ergebende Differenzdrehmoment zwischen den Abtriebswellen verhält sich dabei proportional zur resultierenden Differenzkraft. Auf diese Weise wird ein lastabhängiges Kronenradsperrdifferential bereitgestellt.
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Die Kronenräder können in unterschiedlicher Weise in dem Differentialgehäuse des Kronenraddifferentials gelagert werden: Gemäß einer konstruktiv einfachen Ausführungsvariante kann jedes der Kronenräder in einer, im Differentialgehäuse ausgebildeten Lagerringnut gleitend gelagert sein. Bei einer ungleichmäßigen Drehmomentenverteilung drückt die resultierende Differenzkraft das jeweilige Kronenrad gegen eine Nutseitenwand der Lagerringnut, wodurch sich die Sperrwirkung aufbaut.
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Eine alternative Kronenrad-Lagerung kann wie folgt ausgeführt sein: So kann zumindest das durchmessergroße Kronenrad topfförmig ausgebildet sein, und zwar mit einem Kronenradboden und davon hochgezogener Umfangswand, an deren oberen Rand die Kronenradzähne ausgebildet sind. Das durchmessergroße Kronenrad kann in einer damit korrespondierenden Lagergeometrie des Differentialgehäuses gleitend gelagert sein. Demgegenüber kann das durchmesserkleine Kronenrad innerhalb des topfförmigen, durchmessergroßen Kronenrads positioniert sein. Dabei kann das durchmesserkleine Kronenrad über einen Radialspalt zur Umfangswand des durchmessergroßen Kronenrads beabstandet sein.
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Das topfförmige, durchmessergroße Kronenrad kann im Differentialgehäuse nach gehäuseinnen offen angeordnet sein. In diesem Fall kann das Differentialgehäuse gehäuseinnen eine Lagerkontur mit zumindest einer umlaufenden Lagerwand aufweisen, die in den Radialspalt zwischen den beiden Kronenrädern einragt. Alternativ dazu kann in einer zweiten Ausführungsvariante das durchmesserkleine Kronenrad, insbesondere ohne zwischengeordneter Lagerwand in direktem Gleitkontakt mit der Innenseite der Umfangswand des topfförmigen, durchmessergroßen Kronenrads bringbar sein. Bei einer ungleichmäßiger Drehmomentenverteilung wird daher das durchmesserkleine Kronenrad mittels der resultierenden Differenzkraft in Reibkontakt mit der Innenseite der Umfangswand des topfförmigen, durchmessergroßen Kronenrads gedrückt, wodurch sich die Sperrwirkung aufbaut.
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Zur Steigerung einer sich bei ungleichmäßiger Drehmomentenverteilung aufbauenden Reibkraft kann folgende Maßnahme getroffen werden: So kann zwischen den Kontaktflächen des jeweiligen Kronenrads und des Differentialgehäuses ein Reibelement, etwa eine Reibscheibe oder ein Reibring, zwischengeordnet werden. Das Reibelement weist eine entsprechend aufgeraute Oberfläche auf.
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Die vorliegende Erfindung kombiniert somit die Vorteile eines drehmomentfühlenden Sperrdifferentiales (Torsen-Differential) mit den Vorteilen einer Kronenradverzahnung. Mit der konzentrischen Anordnung von Kronenräder ist es möglich, ein kompaktes und leichtes Differential zu konstruieren. Die Erfindung bietet alle Vorteile eines Kronenradgetriebes, wie zum Beispiel: einfache Montage, Möglichkeit zur Reduzierung Fertigungskosten; guter Wirkungsgrad; weniger Reibverluste (auch im Vergleich zu konventionellen Getrieben) und damit eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und eine Erhöhung der Reichweite, sowie eine Unempfindlichkeit gegenüber Fertigungs- und Montagefehlern sowie Gehäuseverformungen, eine Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturausdehnungen. Zudem fällt der Aufwand für eine teure und komplizierte Lagerung weg und erhöht sich die Stabilität.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 bis 7 Unterschiedliche Ansichten eines Kronenraddifferentials gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels;
- 8 ein zweites Ausführungsbeispiel;
- 9 bis 11 jeweils Ansichten eines Kronenraddifferentials gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
- 12 bis 14 jeweils Ansichten eines Kronenraddifferentials gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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In den 1 bis 7 ist ein Kronenraddifferential gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Das Kronenraddifferential ist beispielhaft ein Achsdifferential einer Fahrzeugsachse eines zweispurigen Fahrzeugs. An seiner Eingangsseite weist das Kronenraddifferential ein Hohlrad 1 auf, das in nicht gezeigter trieblicher Verbindung mit einer Antriebswelle ist. Das Kronenraddifferential verteilt ein in das eingangsseitige Hohlrad 1 eingeleitetes Antriebsmoment auf die beiden, zu den Fahrzeugrädern führenden Abtriebswellen 3, 5. An jeder der beiden Abtriebswellen 3, 5 ist jeweils ein Ritzel 7 angebunden, das Bestandteil einer Kronenrad-Ritzel-Anordnung ist. Diese ist innerhalb eines am Hohlrad 1 angeformten Differenzialgehäuses 9 positioniert.
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Wie aus den 1 bis 5 hervorgeht, sind im Differenzialgehäuse 9 insgesamt drei Kronenradsätze 11 verbaut, die zueinander umfangsverteilt positioniert sind. Jeder Kronenradsatz 11 ist aus insgesamt drei Kronenrädern aufgebaut, und zwar einem durchmesserkleinen Kronenrad 13 mit kleiner Zähnezahl, einem mittleren Kronenrad 15 mit mittelgroßer Zähnezahl und einem durchmessergroßen Kronenrad 17 mit großer Zähnezahl. Die drei Kronenräder 13, 15, 17 sind zueinander koaxial angeordnet. Zudem sind die drei Kronenräder 13, 15, 17 in Zahneingriff mit den Ritzeln 7 der beiden Abtriebswellen 3, 5. Im Betrieb drehen die drei Kronenräder 13, 15, 17 mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten ω1, ω2, ω3, wie es in der 5 angedeutet ist, jedoch sind alle Kronenräder 13, 15, 17 eines Kronenradsatzes 11 mit den Ritzeln 7 der beiden Abtriebswellen 3, 5 in Zahneingriff.
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Ein Kerngedanke der Erfindung beruht darauf, dass sich das übertragbare Drehmoment erhöhen lässt, sofern mehrere Kronenräder 13, 15, 17 konzentrisch, beziehungsweise koaxial zueinander angeordnet sind. Dadurch weist das Kronenraddifferential einerseits die Vorteile einer Kronenradverzahnung auf, anderseits wird jedoch wesentlich mehr Drehmoment übertragen als bei einem herkömmlichen Kronenraddifferential, und zwar ohne den erforderlichen Bauraum übermäßig zu erhöhen. Dieser steigt nämlich nicht linear mit dem übertragbaren Drehmoment an. Wie aus der 5 hervorgeht, gilt Folgendes: Würde ein Kronenrad 13, 15, 17 mit einer Zahnbreite von b ein Drehmoment von M [Nm] übertragen, so könnte bei der in der 5 gezeigten Anordnung eine Gesamtzahnbreite von 3 b erzielt werden, wodurch ein Drehmoment von 3 · M übertragbar ist. Der hierzu erforderliche Bauraum würde sich jedoch nicht in gleichem Maße um das Dreifache erhöhen.
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Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Differentialsperrfunktion. Diese wird durch folgende Maßnahmen realisiert: So weisen die Kronenräder 13, 15, 17 sowie die Ritzeln 7 eine Schrägverzahnung auf. Jedes der Ritzeln 7 übt daher gemäß der 6 und 7 im Betrieb auf das jeweilige Kronenrad 13, 15, 17 eine Radialkraftkomponente FR aus. Die beiden Radialkraftkomponenten FR sind zueinander entgegengerichtet. Zudem korreliert das Größenverhältnis der beiden Radialkraftkomponenten FR mit der Drehmomentenverteilung zwischen den beiden Abtriebswellen 3, 5. Das heißt, dass bei gleichmäßiger Drehmomentenverteilung die beiden entgegengerichteten Radialkraftkomponenten FR sich ohne Erzeugung einer Sperrwirkung komplett aufheben.
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Demgegenüber ergibt sich bei einer ungleichmäßigen Drehmomentenverteilung die folgende Sachlage: Aus den beiden Radialkraftkomponenten FR resultiert eine Differenzkraft FD, die das jeweilige Kronenrad 13, 15, 17 gegen eine Lagerstelle des Differenzialgehäuses 9 des Kronenraddifferentials drückt. Dadurch baut sich eine Reibung auf, die die gewünschte Sperrwirkung erzeugt.
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Es ist hervorzuheben, dass das sich bei ungleichmäßiger Drehmomentenverteilung ergebende Differenzdrehmoment zwischen den Abtriebswellen 3, 5 sich proportional verhält zur resultierenden Differenzkraft FD. Dadurch wird in konstruktiv einfacher Weise ein lastabhängiges Kronenradsperrdifferential bereitgestellt.
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Wie oben erläutert, funktioniert die Sperrwirkung nur mit schräg verzahnten Kronenrädern 13, 15, 17 und Ritzeln 7. Bei Geradeverzahnung würden keine solche radiale Kräfte auftreten, die für die Torsen-Funktion bzw. den Sperreffekt sorgen. Wenn gemäß der 7 Mlinks = Mrechts, also wenn die Drehmomentverteilung 50:50 % zwischen den Abtriebswellen 3, 5 ist dann ergibt sich folgendes: Fradial,links = Fradial,rechts. Die beiden Kräfte gleichen sich daher aus. Deswegen bleibt das in der 7 oben angedeutete Kronenrad in der Mitte und wird nicht zu einer seitlichen Lagerwand gedrückt und dort abgebremst. Die Erfindungsidee nutzt somit das Prinzip eines Torsen-Ausgleichsgetriebes: Falls ein Differenzdrehmoment zwischen den zwei Abtriebswellen entstehen würde, wirkt auf das Kronenrad wegen die Schrägverzahnung eine Differenzkraft, die der Kronenrad zur seitlichen Lagerwand (Teil des Differentialgehäuses) drückt und dort abbremst. Dadurch ein Drehen des Kronenrads unterbunden. Die dabei entstehende Anpresskraft zum Differentialgehäuse 9 ist mit dem Differenzdrehmoment der Abtriebswellen proportional, so dass ein lastabhängiges Sperrdifferential gebildet ist.
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Der Kronenrad wird also zur seitlichen Lagerwand gedrückt und dort abgebremst, und zwar mit einer Kraftresultierenden aus |F1-F2|. Daraus resultiert die Sperrfunktion: Das heißt die schneller rotierende Abtriebswelle wird gebremst, während die langsamer drehende Abtriebswelle beschleunigt wird.
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Wie aus der 2 oder 8 hervorgeht, ist jedes der Kronenräder 13, 15, 17 in einer, im Differentialgehäuse 9 ausgebildeten Lagerringnut 19 gleitend gelagert. Bei einer ungleichmäßigen Drehmomentenverteilung drückt die resultierende Differenzkraft FD das jeweilige Kronenrad 13, 15, 17 gegen eine angrenzenden Nutseitenwand der Lagerringnut 19, wodurch sich die Sperrwirkung aufbaut.
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In der 8 ist in einer Detailansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kronenraddifferenzial gezeigt, das im Wesentlichen baugleich wie das anhand der 1 bis 7 gezeigte Kronenraddifferential ist. Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind in der 8 zwischen dem jeweiligen Kronenrad 13, 15, 17 und der angrenzenden Nutseitenwand jeweils ein Reibring 23 positioniert. Auf diese Weise kann die sich bei ungleichmäßiger Drehmomentenverteilung aufbauende Reibkraft gesteigert werden.
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In den 9 bis 11 ist ein Kronenraddifferential gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Deren Aufbau sowie Funktionsweise ist im Wesentlichen identisch wie der Aufbau sowie die Funktionsweise gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Von daher wird auf die Vorbeschreibung verwiesen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist in den 9 bis 12 die Kronenrad-Lagerung wie folgt realisiert: So ist zur Bereitstellung der Kronenrad-Lagerung das durchmessergroße Kronenrad 17 topfförmig ausgebildet, und zwar mit einem Kronenradboden 25 und einer davon hochgezogenen Umfangswand 27, an deren oberen Rand die Kronenradzähne ausgebildet sind. Das durchmessergroße Kronenrad 17 ist einer mit einer korrespondierenden Lagergeometrie 29 (9) des Differentialgehäuses 9 gleitend gelagert. Gemäß der 10 ist auch das mittlere Kronenrad 15 topfförmig ausgebildet und im Innenraum des durchmessergroßen, topfförmigen Kronenrads 17 gleitend gelagert. Im Innenraum des topfförmigen, mittleren Kronenrads 15 ist wiederum das durchmesserkleine Kronenrad 13 gleitend gelagert.
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Wie aus der 9 weiter hervorgeht, ist das topfförmige, durchmessergroße Kronenrad 17 mit den darin gelagerten weiteren Kronenrädern 13, 15 nach gehäuseinnen offen angeordnet. Das Differentialgehäuse 9 weist zudem gehäuseinnen eine Lagerkontur 31 (11) mit ringförmigen Lagerwänden 33 auf. Diese ragen im Zusammenbauzustand in einen Radialspalt r (10) zwischen den Kronenrädern 13, 15, 17 ein.
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Alternativ dazu ist anhand der 12 bis 14 ein Kronenraddifferential mit einer weiteren Kronenrad-Lagerung angedeutet. Demnach sind sämtliche Kronenräder 13, 15, 17 nicht mehr topfförmig, sondern vielmehr ringförmig nach Art von Zahnkränzen realisiert. Die drei zueinander koaxial angeordneten Kronenräder 13, 15, 17 sind in einer entsprechenden Lagergeometrie 29 des Differentialgehäuses 9 gleitend gelagert. Im Unterschied zum vorangegangen Ausführungsbeispiel sind zwischen den Kronenrädern 13, 15, 17 keine Lagerwände 33 positioniert. Vielmehr sind gemäß den 12 bis 14 die Kronenräder 13, 15, 17 in direktem Gleitkontakt zueinander bringbar. Bei einer ungleichmäßigen Drehmomentenverteilung kann somit das mittlere Kronenrad 15 unmittelbar in Reibkontakt mit der Innenseite des durchmessergroßen Kronenrads 17 treten. In gleicher Weise kann das kleine Kronenrad 13 in unmittelbarem Reibkontakt mit der Innenseite des mittleren Kronenrads 15 treten, und zwar unter Aufbau der Sperrwirkung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlrad
- 3, 5
- Abtriebswellen
- 7
- Ritzel
- 9
- Differentialgehäuse
- 11
- Kronenradsatz
- 13
- durchmesserkleines Kronenrad
- 15
- mittleres Kronenrad
- 17
- durchmessergroßes Kronenrad
- 19
- Lagerringnut
- 23
- Reibring
- 25
- Kronenradboden
- 27
- Umfangswand
- 29
- Lagergeometrie
- 31
- Lagerkontur
- 33
- Lagerwand
- FD
- Differenzkraft
- FR
- Radialkraftkomponente
