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Die vorliegende Erfindung betriff ein Stirnraddifferential mit einem Planetengetriebe mit einem ersten Planetensatz, einem zweiten Planetensatz, einem Planetenträger, einem ersten Sonnenrad und einem zweiten Sonnenrad.
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Ein Differentialgetriebe, hat die Aufgabe, die bei Kurvenfahrten auftretenden Drehzahlunterschiede der Räder an angetriebenen Achsen auszugleichen. Diese Drehzahlunterschiede treten in Kurven auf, da sich das kurvenäußere Rad schneller als das kurveninnere Rad drehen muss, da das kurvenäußere Rad eine längere Strecke zurücklegen muss als das kurveninnere Rad. Sind beide Räder starr miteinander verbunden, drehen diese sich aber zwingend gleich schnell. Ein Differentialgetriebe, auch „Ausgleichsgetriebe“ genannt, sorgt nun dafür, dass sich beide Räder unterschiedlich schnell drehen können und eben nicht direkt miteinander verbunden sind. Auf unebenem Boden und bei nicht-festen Straßen (Gelände, Matsch, Wiesen, Schnee, Eis, etc.) führt diese entkoppelte Anordnung der Räder aber zu Nachteilen. Dies liegt daran, dass bei Fahrbahnverhältnissen, welche für Traktionsunterschiede zwischen dem kurveninneren und kurvenäußeren Rad sorgen, das Rad mit dem kleineren Reibwert die übertragbare Vortriebskraft für beide Räder einer angetriebenen Achse bestimmt. Das heißt, dass ein Rad mit geringerer Reibung - zum Beispiel auf losem Untergrund oder auf Eis - schon bei niedrigem Drehmoment durchdreht und dafür sorgt, dass dem anderen Rad ebenfalls dieses niedrige Drehmoment zugeteilt wird. Um derartige Situationen zu vermeiden, können die Differentialgetriebe mit einer Sperrmöglichkeit versehen werden (allgemein auch als „Sperrdifferential“ oder „Differentialsperre“ bezeichnet). Über diese Sperrwirkung wird die vorstehend beschriebene ausgleichende Funktion des Differentials aus- bzw. eingeschaltet. Im gekoppelten Zustand drehen die Räder dann trotz des Differentials zwingend gleich schnell.
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Größtenteils werden Differentialsperren daher bei Off-Road-Anwendungen verwendet, um eine permanente und gleichmäßige Kraftübertragung auf allen Rädern zu gewährleisten und damit eine gute Traktion im Gelände zu gewähren. Bekannte Sperrdifferentiale sind Kegelraddifferentiale, welche meistens mittels Klauenkupplungen oder Lamellenpaketen gesperrt sind. Mechanisch sind diese Klauenkupplungen oder Lamellenpaketen meist so ausgelegt, dass diese nur im Stand oder bei geringen Rollbewegungen aktiviert werden können.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Stirnraddifferentials als Sperrdifferential anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Stirnraddifferential mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stirnradifferentials sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, durch nur minimale Abänderung der bisher gängig verwendeten Differentialgetriebe die Off-road-Eigenschaften zu verbessern und damit eine mögliche Nachrüstbarkeit bzw. Ausstattungslinie der Fahrzeuge für Off-Road Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Es werden nur minimal notwendige Komponenten hinzugefügt und damit das Getriebe bzw. Fahrzeug um eine weitere wichtige Funktion ergänzt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1: eine perspektivische Darstellung eines als ein Differentialgetriebe ausgebildeten Planetengetriebes,
- 2: einen vergrößerten Ausschnitt aus 1,
- 3: einem Halbschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des als ein Differentialgetriebe ausgebildeten Planetengetriebes mit Differentialsperre, wobei die Differentialsperre geschlossen ist,
- 4: ein Halbschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel des als ein Differentialgetriebe ausgebildeten Planetengetriebes mit Differentialsperre, wobei die Differentialsperre ausgelegt ist,
- 5: eine perspektivische Darstellung einer Schaltmuffe als einem wesentlichen Teil der Differentialsperre,
- 6: eine weitere perspektivische Darstellung der Schaltmuffe,
- 7: eine perspektivische Darstellung desjenigen Sonnenrades des als ein Differentialgetriebe ausgebildeten Planetengetriebes mit Differentialsperre, welches Teil der Differentialsperre ist,
- 8: eine perspektivische Darstellung des als ein Differentialgetriebe ausgebildeten Planetengetriebes mit Differentialsperre,
- 9: einen vergrößerten Ausschnitt aus 8,
- 10: eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts der Schiebemuffe und
- 11: eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des mit der Schiebemuffe zur Bildung der Differentialsperre kooperierenden Sonnenrades.
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1 zeigt ein als ein Differentialgetriebe ausgebildetes Planetengetriebe 1 in einer perspektivischen Darstellung durch die Drehachse 2 des Planetengetriebes 1, an welchem nachfolgend die allgemeinen Merkmale des vorliegenden Differentialgetriebes erklärt werden sollen. Das Planetengetriebe 1 ist zum Beispiel zur Verteilung eines Antriebsdrehmoments auf zwei Abtriebswellen eines Fahrzeugs ausgebildet.
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Das Planetengetriebe 1 weist ein erstes und ein zweites Sonnenrad 3a, 3b auf, welche die Ausgänge des Planetengetriebes 1 bilden. Vorliegend sind die beiden Sonnenräder 3a,3b koaxial angeordnet und die gemeinsame Drehachse der Sonnenräder 3a,3b definiert die Drehachse 2 des Planentengetriebes 1. Alternativ wäre auch ein achsparalleler Aufbau möglich, bei welchem die Drehachse zumindest eines der Sonnenräder 3a,3b achsversetzt zur Drehachse des Planetengetriebes 1 angeordnet ist.
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Das Planetengetriebe 1 umfasst ferner einen Satz erster Planetenräder 4a, sowie einen Satz zweiter Planetenräder 4b, wobei das erste Sonnenrad 3a mit den ersten Planetenrädern 4a und das zweite Sonnenrad 3b mit den zweiten Planetenrädern 4b kämmen. Die Planetenräder 4a,4b sind mit ihren Planetendrehachsen auf einem Teilkreis T angeordnet, welcher koaxial zur Drehachse 2 angeordnet ist. Die Planetenräder 4a,4b kämmen paarweise miteinander, wobei jeweils ein erstes Planetenrad 4a mit einem zweiten Planetenrad 4b kämmt.
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Ein Planetenträger umfasst Seitenscheiben 6a und 6b und Bolzen 5, wobei die Seitenscheiben 6a, 6b die Bolzen 5 beidseitig tragen und die Bolzen 5 die ersten und zweiten Planetenräder 4a, 4b lagern. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Planetenträger weiterhin einen zylindrischen äußeren Bereich, welcher von den Seitenscheiben 6a,6b getragen ist und eine radial äußere Stirnverzahnung 7 aufweist, die den Eingang in das Planetengetriebe 1 bildet. In 1 ist aus Übersichtlichkeitsgründen eine der beiden Seitenscheibe 6a,6b weggelassen, um die unterhalb des zylindrischen äußeren Bereichs angeordneten „inneren Komponenten“ des Planetengetriebes zeigen zu können.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus 1, aus welchem der Verzahnungseingriff zwischen dem ersten Sonnenrad 3a und den ersten Planetenrädern 4a, der Verzahnungseingriff zwischen dem zweiten Sonnenrad 3b und den zweiten Planetenrädern 4b und der Verzahnungseingriff zwischen jeweils einem der ersten Planetenräder 4a und einem der zweiten Planetenräder 4b ersichtlich ist.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des als ein Sperrdifferentialgetriebe ausgebildeten Planetengetriebes 1 in einem Halbschnitt durch die Drehachse 2 des Planetengetriebes 1.
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Die Sonnenräder 3a,3b weisen jeweils einen Hülsenabschnitt 8a,8b auf, welcher koaxial zur Drehachse 2 angeordnet ist. In diesen Hülsenabschnitten 8a, 8b sind an den Innenumfangsflächen jeweils Verzahnungen 9a,9b ausgebildet, welche eine in Umlaufrichtung um die Drehachse 2 formschlüssige Aufnahme von (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigten) Abtriebswellen, ermöglichen.
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Ferner weisen die Sonnenräder 3a,3b Radialabschnitte 10a,10b auf, welche an ihren freien Stirnseiten jeweils eine umlaufende Stirnverzahnung 11a, 11b tragen, welche jeweils mit einem Satz an Planetenrädern 4a,4b kämmen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Verzahnung 11a eine negative Profilverschiebung und die Verzahnung 11b eine positive Profilverschiebung aufweisen können. In gleicher Weise können die ersten Planetenräder 4a eine positive Profilverschiebung und die Planetenräder 4b eine negative Profilverschiebung aufweisen, sodass sichergestellt ist, dass die ersten Planetenräder 4a ausschließlich mit dem ersten Sonnenrad 3a sowie die zweiten Planetenräder 4b ausschließlich mit dem zweiten Sonnenrad 3b kämmen.
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Die Seitenteile 6a, 6b des Planetenträgers sind als Umformteile ausgebildet, insbesondere sind axial zur Drehachse 2 ausgerichtete Hülsenabschnitte 13a, 13b als gezogene Bereiche realisiert. Der Übergang von den axial zur Drehachse 2 ausgerichteten Hülsenabschnitten 13a, 13b zu radial gerichteten Seitenabschnitten ist in dem gezeigten Längsschnitt in der Innenkontur als ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes L-förmiges Profil mit einem stehenden und einem liegenden Schenkel ausgebildet.
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Der Planetenträger ist über zwei Lagereinrichtungen gegenüber einer nicht dargestellten Umgebungskonstruktion drehbar gelagert, wobei sich zudem die Sonnenräder 3a, 3b relativ zum Planetenträger 6 drehen. Von den Lagereinrichtungen sind jeweils nur die Lagerinnenringe 12a, 12b gezeigt. Wie aus 3 ersichtlich sind das in 3 auf der linken Seite des Planetenträgers angeordnete Lager mit dem Lagerring 12b radial innen am entsprechenden Hülsenabschnitt 13b und das in 3 auf der rechten Seite des Planetenträgers angeordnete Lager mit dem Lagerring 12a radial außen am entsprechenden Hülsenabschnitt 13a angeordnet.
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Die Sonnenräder 3a, 3b sind als Umformteile ausgebildet, insbesondere sind die Hülsenabschnitte 9a, 9b als gezogene Bereiche realisiert. Der Übergang von den Hülsenabschnitten 9a, 9b zu den Radialabschnitten 10a, 10b ist in dem gezeigten Längsschnitt in der Innenkontur als ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes L-förmiges Profil mit einem stehenden und einem liegenden Schenkel ausgebildet.
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Als wesentliches Element der Sperreinrichtung für das Differential ist eine Schiebemuffe 14 vorgesehen. Die Schiebemuffe 14 ist drehfest aber verschiebbar am Planetenträger gelagert. Dazu ist die Schiebemuffe 14 an deren Außenumfangsfläche mit einer Außensteckverzahnung 19 ausgebildet, welche mit einer entsprechenden, an einer Innenumfangsfläche des entsprechenden Hülsenabschnittes 13a ausgebildeten Verzahnung 19 im Eingriff ist. Die Schiebemuffe 14 kann mittels eines Kolbens 16 oder auf andere Weise entlang der Verzahnungen 19 und 21 axial verschoben werden. Der Kolben 16 wird in der gezeigten Ausführungsform mittels Hydraulik aktuiert, wobei auch andere Arten der Aktuierung, z.B. elektrisch, elektrohydraulisch oder mechanisch, möglich sind.
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In der vorliegend gezeigten Ausführungsform ist der Kolben 16 als ein Kunststoffkolben ausgebildet, der einen „Schnapphaken“ aufweist, welcher in eine an der Schiebemuffe 14 ausgebildete Nut 20 eingreift, um Kolben 16 und Schiebemuffe 14 miteinander axial fest aber drehbeweglich zu verbinden, um eine bestehende Differenzdrehzahl zwischen Kolben 16 und Schiebemuffe 14 auszugleichen.
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Der Aufbau der Schiebemuffe 14 ergibt sich auch aus der perspektivischen Darstellung in den 5 und 6. Wie aus den 5 und 6 ersichtlich, ist die Schiebemuffe 14 weiterhin im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist an einem Innenumfang eine Innenverzahnung 15 auf. Diese Innenverzahnung 15 bildet die Außenverzahnung des benachbart der Schiebemuffe 14 angeordneten Sonnenrades 3a ab. Der Aufbau des breiten Sonnrades 3a ergibt sich aus der perspektivischen Darstellung in 7. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die bereits vorhandene Außenverzahnung 11a eines der bereits vorhandenen Differential-Sonnenräder 3a,3b zur Sperrung mitverwendet, wobei die Schiebemuffe 14, welche die Verzahnung des Sonnenrades 3a als Innenverzahnung 15 abbildet, partiell über das entsprechende Sonnenrad 3a geschoben wird (nachfolgend als „Geschlossen-Stellung“ bezeichnet). In der Geschlossen-Stellung ist die Schiebemuffe 14 drehfest aber axial verschieblich am Sonnenrad 10a geführt.
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Der Hülsenabschnitt 13a der Seitenwand 6a des Planetenträgers weist eine entlang der Innenumfangsfläche ausgebildete Verzahnung auf, in welcher eine entsprechende entlang der Außenumfangsfläche der Schiebemuffe 14 ausgebildete Verzahnung 19 geführt ist, welche aus den 4 und 5 ersichtlich ist. Entsprechend ist die Schiebemuffe 14 drehfest aber axial verschieblich im Hülsenabschnitt 13a geführt. In der Geschlossen-Stellung ist somit die Verzahnung des Sonnenrades 3a direkt gegenüber dem Planetenträger 6a,6b vollständig gesperrt. Das Sonnenrad 3a kann sich nun nicht mehr drehen und sperrt damit alle anderen Verzahnungen (Planeten 4a,4b + zweites Sonnenrad 3b) gegenüber den Trägerkorb 6a,6b. Diese „Geschlossen-Stellung“ ist in 3 gezeigt.
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Wird die Schiebemuffe 14 aus der beschriebenen „Geschlossen-Stellung“ axial zurückbewegt, d.h. ausgelegt, so kann sich das Sonnenrad 3a wieder gegenüber dem Planetenträger 6a,6b frei drehen und das Differential gewinnt seine ursprüngliche Funktion zurück (nachfolgend als „offen-Stellung“ bezeichnet). Diese „offen-Stellung“ ist in 4 gezeigt.
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Das Sonnenrad 3a ist in dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel deutlich breiter als aus dem Stand der Technik bekannt gestaltet, um den Bereich für die Zusammenkopplung der beiden zu sperrenden Komponenten (d.h. Planetenträger über Schiebemuffe 14 mit Sonnenrad 3a) zu gewährleisten. Zudem ist aus diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich der Verzahnungsbereich 11a des Sonnenrades 10a zum Planeten mit einem Absatz 17 ausgebildet, so dass sich zwei voneinander getrennte Abschnitte ausbilden, wobei dieser sich zusätzlich ergebende Verzahnungsabschnitt des Sonnenrades 3a zur Kopplung mit der Schiebemuffe 14 genutzt wird.
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Benachbart dem Absatz 17, ist eine kreisringförmige Scheibe 16 angeordnet, welche das Sonnenrad 3a gegen ein axiales Auswandern aus dem Differential sichert. Diese Scheibe 16 ist an der Innenumfangsfläche des Hülsenabschnitts 13a der Seitenscheibe 6a des Planetenträgers angeordnet, vorzugsweise ist die Scheibe 16 an einer in der Verzahnung 22 des Hülsenabschnittes 13a ausgebildeten Stufe 18 auf Anschlag eingepresst. Das breite Sonnenrad 3a wird über die Scheibe 16 entsprechend in axialer Richtung und in radialer Richtung geführt. Das Lager des Differentials ist vorliegend auf den Außendurchmesser des Hülsenabschnitts 13a der Seitenscheibe 6a des Planetenträgers angeordnet.
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In 8 ist das Stirnraddifferential mit Sperreinrichtung in einer perspektivischen Darstellung abgebildet, aus der sich die vorstehend beschriebene relative räumliche Anordnung im Bereich der Sperreinrichtung mit Planetenträger 6a,6b, breitem Sonnenrad 13a, Schiebemuffe 14 und ringförmiger Scheibe 16 ergibt.
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In 9 ist ein Ausschnitt aus 8 gezeigt, wobei die ringförmige Scheibe 16 weggelassen ist, um den in der an der Innenumfangsfläche des Hülsenabschnittes 13a des Planetenträgers 6a ausgebildeten Verzahnung 21 vorgesehenen Absatz 18 zeigen zu können.
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Die Ausführung dieses Differentials beschränkt sich nicht nur auf ein, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel beschriebenes und den Figuren dargestelltes, Stirnraddifferential als Einzelnes (für achsparallele Anwendungen) sondern kann auch in der gleichen oder ähnlichen Ausführungsform in einem koaxial im Planetenradsatz integriertem Stirnraddifferential verwendet werden.
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Zur Steuerung der Einrastgeschwindigkeiten und des Komforts während des Schaltvorganges können wie in den 10 und 11 an den beiden zu schaltenden Einheiten, also am breiten Sonnenrad 3a und an der Schiebemuffe 14, Stirnfasen 21 an den Verzahnungen 11 a, 15 angebracht werden. Je nach Winkel und Größe lassen sich unterschiedliche Zustände erreichen. Die Schaltung in den Vollsperre-Modus (= Geschlossen-Stellung) erfordert keinen Halt des Fahrzeuges. Das Differential kann während der Fahrt bei z.B. Geradeausfahrten (wenn die Differenzdrehzahl und das Drehmoment nicht so hoch sind) in den Vollsperre-Modus geschalten werden.
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Die Erfindung betrifft ein Stirnraddifferential mit einem Planetengetriebe mit einem ersten Planetensatz, einem zweiten Planetensatz, einem Planetenträger, einem ersten Sonnenrad und einem zweiten Sonnenrad, wobei zur Bildung einer Differentialsperre eine Schiebemuffe vorgesehen ist, welche drehfest und zwischen zumindest zwei Schaltpositionen axial verschieblich am Planetenträger gelagert ist, wobei die Schiebemuffe in einer ersten Schaltposition in Eingriff mit dem Planetenträger und in einer zweiten Schaltposition zusätzlich zum Eingriff mit dem Planetenträger in Eingriff mit einem der Sonnenräder ist, so dass das Stirnraddifferential in der zweiten Schaltposition gesperrt ist.
