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Die Erfindung betrifft eine Differentialanordnung für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Abschalt- und Sperrfunktion sowie einen Elektroantrieb mit einer solchen Differentialanordnung.
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Aus der
DE 10 2008 063 904 B4 , entsprechend der
WO 2010/078937 A1 , ist eine Antriebsanordnung für ein mehrachsgetriebenes Kraftfahrzeug bekannt. Die Antriebsanordnung umfasst eine Differentialeinheit, eine als Reiblamellenkupplung gestaltete, extern steuerbare Zuschaltkupplung zum antriebsmäßigen Verbinden der Differentialeinheit mit einer Antriebsquelle und eine extern steuerbare Sperrkupplung zum Sperren der Ausgleichsbewegung zwischen den beiden Ausgangsteilen der Differentialeinheit. Die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung sind koaxial zueinander angeordnet und mittels eines einzigen Aktuators betätigbar. In einer Ausführung, bei der die Sperrkupplung als formschlüssige Kupplung gestaltet ist, wird mittels des Aktuators in einem ersten Betätigungsbereich zunächst die Sperrkupplung beaufschlagt, und in einem zweiten Betätigungsbereich zusätzlich auch die Zuschaltkupplung betätigt.
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Aus der
DE 10 2005 061 267 B4 ist eine Differentialanordnung mit einem Differentialgetriebe und, je Ausgangswelle, einer Getriebestufe bekannt. Die Getriebestufen umfassen jeweils eine Reibungskupplung und eine Axialverstellvorrichtung in Form einer Kugelrampenanordnung. Es ist Elektromotor vorgesehen, der mit den drehend antreibbaren Scheiben der beiden Kugelrampenanordnungen antriebsverbunden ist.
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Aus der
WO 2011/064364 A1 ist eine Differentialanordnung mit einem Antriebrad, einem Differentialgetriebe und einer elektromagnetisch betätigbaren, formschlüssigen Kupplung zum Trennen der Antriebsverbindung zwischen Antriebsrad und Differentialgetriebe bekannt.
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Aus der
WO 2015/120909 A1 ist eine Kupplungsanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit einer Kupplung zum antriebsmäßigen Verbinden Trennen von zwei Antriebswellen und einer Bremse zum Bremsen der zweiten Welle gegenüber einem ortsfesten Bauteil. Es ist eine Betätigungsvorrichtung mit einem Rampenmechanismus zum Betätigen der Kupplung und der Bremse vorgesehen. Die Betätigungsvorrichtung ist so gestaltet, dass die Bremse erst betätigt wird, wenn die Kupplung zumindest teilweise geöffnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Differentialanordnung vorzuschlagen, die ein Zu- bzw. Abschalten und ein Sperren des Differentials ermöglicht, wobei die Differentialanordnung zu einer verbesserten Fahrstabilität beitragen und einen einfachen und kompakten Aufbau haben soll. Die Aufgabe besteht weiter darin, einen Elektroantrieb mit einer entsprechenden Differentialanordnung vorzugschlagen, die eine hohe Fahrstabilität ermöglicht und ein kompaktes Design hat.
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Zur Lösung wird eine Differentialanordnung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, umfassend: eine Differentialeinheit mit einer Drehachse, einem Differentialeingangsteil und zwei hiermit antriebsverbundenen Differentialausgangsteilen, zwischen denen eine Ausgleichsbewegung möglich ist; eine als Formschlusskupplung gestaltete Schaltkupplung zum antriebsmäßigen Verbinden oder Trennen der Differentialeinheit gegenüber einem der Differentialeinheit im Leistungspfad vorgeschalteten Antriebselement; eine als Formschlusskupplung gestaltete Sperrkupplung zum Sperren der Ausgleichsbewegung der Differentialeinheit; eine steuerbare Aktuatoreinheit, die einen Aktuatorantrieb, einen Schalt-Rampenmechanismus zum Betätigen der Schaltkupplung und einen Sperr-Rampenmechanismus zum Betätigen der Sperrkupplung aufweist; wobei der Schalt-Rampenmechanismus und der Sperr-Rampenmechanismus koaxial zur Drehachse der Differentialeinheit angeordnet sind und von dem Aktuatorantrieb abhängig voneinander so betätigbar sind, dass bei Betätigen des Aktuatorantriebs erst die Schaltkupplung geschlossen wird, und erst wenn diese geschlossen ist, die Sperrkupplung geschlossen wird.
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Ein Vorteil der Differentialanordnung ist, dass das Zuschalten des Differentials und das Sperren der Ausgleichsbewegung des Differentials in einer definierten Abfolge erfolgen. Dadurch, dass die Differentialanordnung eine Schaltkupplung aufweist, können bei zugeschaltetem Differential die Drehzahlen der beiden Kupplungsteile der Sperrkupplung aneinander angeglichen werden, bevor die Sperrkupplung geschlossen wird. Ein überhöhtes Drehmoment auf die Formschlusselemente der Sperrkupplung wird vermieden, was sich günstig auf die Fahrstabilität auswirkt. Dadurch, dass die Zuschaltkupplung und die Sperrkupplung koaxial zueinander bzw. zur Differentialeinheit angeordnet sind, können beide Kupplungen mittels eines einzigen Aktuators betätigt werden. Die Anordnung benötigt somit verhältnismäßig wenige Bauteile, was sich günstig auf das Bauvolumen und die Herstellungskosten auswirkt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aktuatoreinheit haltestabil gestaltet, so dass die Schaltkupplung und die Sperrkupplung bei abgeschaltetem Aktuatorantrieb in ihren jeweiligen dann anliegenden Stellungen bleiben.
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Die Schaltkupplung und die Sperrkupplung sind jeweils in Form einer formschlüssigen Kupplung gestaltet. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau zur Realisierung einer Differentialsperre mit Abschaltfunktion bereitgestellt, wobei ein einziger Aktuator für die Schaltkupplung und Sperrkupplung verwendet werden kann. Mit formschlüssiger Kupplung sind solche Kupplungen gemeint, bei denen die Drehmomentübertragung durch formschlüssiges Ineinandergreifen zwischen einem ersten Kupplungsteil und einem zweiten Kupplungsteil erfolgt. Als Beispiele für formschlüssige Kupplungen seien hier Klauenkupplungen oder Zahnkupplungen genannt. Durch Schließen der Schaltkupplung wird die Differentialeinheit mit dem Antriebselement antriebsverbunden, um eine eingeleitete Drehbewegung auf die beiden Ausgangsteile aufzuteilen bzw. zu übertragen. Durch Schließen der Sperrkupplung wird erreicht, dass das Eingangsteil und die beiden Ausgangsteile der Differentialeinheit gemeinsam im Block um die Drehachse rotieren. Dabei ist die Ausgleichsbewegung zwischen den Ausgangsteilen aufgehoben.
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Nach einer Ausführungsform weist die Differentialeinheit ein Differentialgehäuse auf, das in einem ortsfesten Gehäuse um die Drehachse drehbar gelagert ist und das mit dem Antriebselement fest verbunden ist. Durch Drehen des Antriebselements wird das Differentialgehäuse drehend angetrieben. In dem Differentialgehäuse ist das Differentialeingangsteil um die Drehachse drehbar gelagert, wobei die Schalkupplung funktional zwischen dem Differentialgehäuse und dem Differentialeingangsteil angeordnet ist. Die Schaltkupplung kann ein erstes Schaltkupplungsteil aufweisen, das mit dem Differentialeingangsteil fest verbunden ist, und ein zweites Schaltkupplungsteil, das mit dem Differentialgehäuse drehfest und axial beweglich verbunden ist. Durch axiales Bewegen des zweiten Kupplungsteils kann die Schaltkupplung wahlweise geöffnet oder geschlossen werden. Die Aktuatoreinheit ist vorzugsweise so gestaltet, dass das zweite Kupplungsteil durch Betätigen des Aktutatorantriebs im Schließsinn beaufschlagt und mit dem ersten Kupplungsteil in Eingriff gebracht wird.
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Die Schaltkupplung kann von Federmitteln im Schließsinn beaufschlagt werden. Auf diese Weise wird ein sicheres Einrasten der Schaltkupplung bewerkstelligt, wenn die Kupplungsteile von einer Zahn-auf-Zahn-Stellung in eine Zahn-Lücke-Stellung verdreht werden. Die Federmittel können so angeordnet sein, dass sie das zweite Schaltkupplungsteil axial in Richtung zum ersten Kupplungsteil beaufschlagen.
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Die Sperrkupplung kann außerhalb des Differentialgehäuses angeordnet sein und ein erstes Sperrkupplungsteil aufweisen, das mit dem Differentialgehäuse der Differentialeinheit drehfest verbunden ist, und ein zweites Sperrkupplungsteil, das zumindest mittelbar mit einem der Differentialausgangsteile drehfest verbunden ist, beispielsweise mit einer mit dem Differentialausgangsteil verbundenen Seitenwelle. Das zweite Sperrkupplungsteil wird bei Betätigen des Aktuatorantriebs im Schließsinn zum Eingriff in das erste Sperrkupplungsteil bewegt. Die Sperrkupplung kann von Federmitteln im Schließsinn beaufschlagt werden, welche das zweite Sperrkupplungsteil axial in Richtung zum ersten Kupplungsteil beaufschlagen.
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Der Aktuatorantrieb kann nach einer Ausführungsform axial zwischen dem Schalt-Rampenmechanismus und dem Sperr-Rampenmechanismus angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Aktuatorantrieb als Drehantrieb gestaltet, insbesondere als bürstenloser Gleichstrommotor. Ein solcher Gleichstrommotor, der im Englischen auch als „Brushless DC Motor“, abgekürzt BLDC bezeichnet wird, kann über eine Steuerelektronik angesteuert werden. Der Aktuatorantrieb kann eine Antriebswelle mit einem ersten Wellenende zum Antrieben des Rampenmechanismus der Schaltkupplung und einem zweiten Wellenende zum Antreiben des Rampenmechanismus der Differentialsperre aufweisen.
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Nach einer Ausführungsform können der Schalt-Rampenmechanismus und der Sperr-Rampenmechanismus jeweils einen axial abgestützten Stützring und einen axial beweglichen Stellring aufweisen. Der Stützring und der Stellring sind über eine Rampenstruktur gegeneinander axial abgestützt, optional unter Zwischenschaltung von Rollkörpern bzw. Rollkörperpaaren. Die Rampenstruktur des Schalt-Rampenmechanismus und die Rampenstruktur des Sperr-Rampenmechanismus sind vorzugsweise so gestaltet und mit dem Aktuatorantrieb antriebsverbunden, dass in einer ersten Drehposition die Schaltkupplung und die Sperrkupplung beide geöffnet sind, dass in einer zweiten Drehposition die Schaltkupplung geschlossen und die Sperrkupplung geöffnet ist, und, dass in einer dritten Drehposition die Schaltkupplung und die Sperrkupplung beide geschlossen sind.
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Einer der Ringe des jeweiligen Rampenmechanismus, das heißt der Stützring, der Stellring und/oder ein Betätigungsring, ist von dem Aktuatorantrieb drehend antreibbar, während jeweils zumindest ein anderer Ring drehfest im Gehäuse angeordnet ist. Die Zuordnung ist beliebig. Wenn der Stützring bzw. Betätigungsring drehend antreibbar ist, ist der Stellring drehfest und axial bewegbar im Gehäuse angeordnet. Wenn der Stellring drehend antreibbar ist, ist der Stützring drehfest im Gehäuse gehalten.
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Das Zusammenwirken der Aktuatoreinheit mit der Schaltkupplung und der Sperrkupplung ist so gestaltet, dass ausgehend von einer Endposition, in welcher die Rampenmechanismen der Schaltkupplung und der Sperrkupplung jeweils axial gespreizt und die Kupplungen beide geöffnet sind, durch Drehen des Aktuatorantriebs in einem ersten Drehbereich zunächst nur der Rampenmechanismus der Schaltkupplung axial geschlossen wird, wobei die Ringe für die Sperrkupplung noch axial voneinander entfernt bleiben. Auf diese Weise wird die Schaltkupplung und damit der Differentialantriebsstrang geschlossen, so dass eine Drehbewegung auf die Fahrzeugräder übertragbar ist. Dabei ist die Sperrkupplung jedoch weiterhin geöffnet, so dass die beiden Ausgangsteile des Differentials bzw. die hiermit verbundenen Seitenwellen mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen können. Durch weiteres Drehen des Aktuatorantriebs in derselben Drehrichtung über den ersten Drehbereich hinaus in einen zweiten Drehbereich wird dann auch der Rampenmechanismus für die Sperrkupplung geschlossen bzw. deren Rampen aneinander angenähert. Hierdurch wird ein Ausgangsteil des Differentials mit dem Differentialkorb drehfest verbunden, so dass die Ausgleichsbewegung des Differentials aufgehoben ist. Beide Ausgangsteile bzw. die hiermit verbundenen Seitenwellen rotieren nun mit derselben Drehzahl. Beim Betätigen des Aktuators zum Schließen der Differentialsperre bleibt die Schaltkupplung geschlossen. Ein erneutes Öffnen der Kupplungen erfolgt entsprechend in umgekehrter Reihenfolge durch Rückwärtsbetätigen der Aktuatoreinheit. Dabei wird zunächst durch Spreizen des zugehörigen Rampenmechanismus zunächst nur die Sperrkupplung wieder geöffnet, während die Schaltkupplung noch geschlossen bleibt. Durch weiteres Drehen wird dann auch der Rampenmechanismus der Schaltkupplung gespreizt, um diese zu öffnen.
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Nach einer Ausführungsform kann das Differentialgehäuse einen Hülsenansatz aufweisen, der in dem ortsfesten Gehäuse mittels eines Gehäuselagers um die Drehachse drehbar gelagert ist. Der Schalt-Rampenmechanismus kann koaxial zum Hülsenansatz und axial zwischen einer Seitenwand des Differentialgehäuses und dem Gehäuselager angeordnet sein. Die Sperrkupplung kann axial zwischen dem Gehäuselager und dem Rampenmechanismus der Differentialsperre angeordnet sein. Dies trägt zu einem radial kompakten Aufbau bei. Das zweite Kupplungsteil der Sperrkupplung kann drehfest und axial verschiebbar auf einer Zwischenhülse angeordnet sein, die drehfest mit der Seitenwelle verbunden ist.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Antriebsanordnung zum Antreiben einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Elektromotor, ein Untersetzungsgetriebe, das eine vom Elektromotor eingeleitete Drehbewegung ins Langsame übersetzt, und eine Differentialanordnung, die eine vom Untersetzungsgetriebe eingeleitete Drehbewegung auf zwei Ausgangsteile überträgt, wobei die Differentialanordnung nach einer der oben genannten Ausführungsformen gestaltet ist.
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Der Elektromotor weist einen Stator und einen hierzu drehend antreibbaren Rotor auf. Der Rotor ist drehfest mit einer Rotorwelle verbunden. Die Motorachse des Elektromotors ist vorzugsweise parallel zur Drehachse der Differentialanordnung angeordnet.
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Differentialanordnung im Längsschnitt;
- 2A schematisch die Aktuatorik gemäß 1 mit geöffneter Schaltkupplung und geöffneter Sperrkupplung;
- 2B schematisch die Aktuatorik gemäß 1 mit geschlossener Schaltkupplung und geöffneter Sperrkupplung;
- 2C schematisch die Aktuatorik gemäß 1 mit geschlossener Schaltkupplung und geschlossener Sperrkupplung;
- 3A einen Rampenring der Schalt-Rampenanordnung aus 1 in perspektivischer Darstellung;
- 3B den Rampenring aus 3A in Axialansicht;
- 4A einen Rampenring der Sperr-Rampenanordnung aus 1 in perspektivischer Darstellung; und
- 4B den Rampenring aus 4A in Axialansicht.
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Die 1 bis 4, welche nachstehend gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine erfindungsgemäße Differentialanordnung 2 mit einem Antriebselement 3, einem Differentialgetriebe 4, einer Schaltkupplung 5 zum antriebsmäßigen Verbinden oder Trennen des Differentialgetriebes 4 relativ zum Antriebselement 3, einer Sperrkupplung 6 zum Sperren einer Ausgleichsbewegung des Differentialgetriebes 4 und einer steuerbare Aktuatoreinheit 7 zum Steuern der Schaltkupplung 5 und der Sperrkupplung 6. Die Aktuatoreinheit 7 umfasst einen Aktuatorantrieb 8, einen Schalt-Rampenmechanismus 9 zum Betätigen der Schaltkupplung 5 und einen Sperr-Rampenmechanismus 10 zum Betätigen der Sperrkupplung 6. Der Schalt-Rampenmechanismus 9 und der Sperr-Rampenmechanismus 10 sind koaxial zur Drehachse A des Differentialgetriebes 4 angeordnet. Die Rampenmechanismen 9, 10 sind so gestaltet, dass bei Betätigen des Aktuatorantriebs 8 zunächst nur die Schaltkupplung 5 geschlossen wird, während die Sperrkupplung 6 noch geöffnet bleibt. Erst wenn die Schaltkupplung 5 vollständig geschlossen ist, wird bei weiterer Betätigung des Aktuatorantriebs 8 auch die Sperrkupplung 6 geschlossen.
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Das Antriebselement 3 ist insbesondere in Form eines Antriebsrads gestaltet, das fest mit einem Differentialgehäuse 11 verbunden ist, beispielsweise mittels Schweißen ohne darauf eingeschränkt zu sein. Das Differentialgehäuse 11 kann zweiteilig aufgebaut sein und ein erstes topfförmiges Gehäuseteil und ein zweites topfförmiges Gehäuseteil umfassen, die im Bereich ihrer öffnungsseitigen Enden mit dem Antriebselement 3 verbunden sein können. Das Differentialgehäuse 11 ist mittels eines ersten Gehäuselagers 12 und eines zweiten Gehäuselagers 12' in einem ortsfesten Gehäuse 13 um die Drehachse A drehbar gelagert. In dem Differentialgehäuse 11, insbesondere im ersten Gehäuseteil, ist das Differentialgetriebe 4 angeordnet, das um die Drehachse A drehend antreibbar ist.
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Das Differentialgehäuse 11 wird mittels des Antriebsrads 3 um die Drehachse A drehend angetrieben. In dem Differentialgehäuse 11 ist das Differentialgetriebe 4 drehbar aufgenommen, das einen Differentialträger als Eingangsteil 14 und zwei hiermit antriebsverbundene Differentialausgangsteile 20, 21 aufweist. Die beiden Differentialausgangsteile haben eine ausgleichende Wirkung, das heißt, dreht eines der beiden Ausgangsteile schneller, dreht das andere entsprechend langsamer, und umgekehrt.
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Die Schaltkupplung 5 ist funktional zwischen dem Differentialgehäuse 11 und dem Differentialträger 14 angeordnet und weist ein erstes Kupplungsteil 25 auf, das mit dem Differentialträger 14 fest verbunden ist, und ein zweites Kupplungsteil 26, das mit dem Differentialgehäuse 11 drehfest und axial beweglich verbunden ist. Durch axiales Bewegen des zweiten Kupplungsteils 26 kann die Schaltkupplung 5 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden. Dabei ist die Aktuatoreinheit 7 vorzugsweise so gestaltet, dass das zweite Kupplungsteil 26 durch Betätigen des Aktutatorantriebs in einer Schließrichtung mit dem ersten Kupplungsteil 26 in Eingriff und durch Betätigen in einer Öffnungsrichtung außer Eingriff gebracht werden kann. In unbetätigtem Zustand des Aktuators kann die Schaltkupplung 5 in ihrer jeweiligen Position bleiben, das heißt die Aktuatoreinheit 7 ist haltestabil gestaltet.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist vorgesehen, ohne darauf eingeschränkt zu sein, dass der Differentialträger 14 gegenüber einer innenzylindrischen Fläche 15 des ersten Gehäuseteils 9 um die Drehachse A drehbar gleitgelagert ist. Der Differentialträger 14 weist Bohrungen 16 auf, in die ein Zapfen 17 eingesteckt und beispielsweise mittels eines Sicherungsstifts 18 fixiert ist. Auf dem Zapfen 17 sind zwei Differentialräder 19, 19' um eine Zapfenachse B drehbar gelagert. Die beiden Differentialräder 19, 19' sind mit dem ersten und zweiten Ausgangsteil 20, 21 des Differentials in Verzahnungseingriff, die als Seitenwellenräder gestaltet und koaxial zur Drehachse A angeordnet sind. Die beiden Seitenwellenräder 20, 21 haben jeweils eine Längsverzahnung 23, in die eine entsprechende Gegenverzahnung einer Zwischenwelle 22 zur Drehmomentübertragung eingesteckt werden kann. Das erste Seitenwellenrad 20 ist gegenüber dem ersten Gehäuseteil axial abgestützt, insbesondere unter Zwischenschaltung einer Gleitscheibe. Entsprechend ist das zweite Seitenwellenrad 21 gegenüber dem zweiten Gehäuseteil axial abgestützt, wobei auch hier eine Gleitscheibe zur Abstützung der axialen Kräfte zwischengeschaltet sein kann.
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Die Schaltkupplung 5 ist in Form einer formschlüssigen Kupplung, insbesondere einer Zahnkupplung, gestaltet. Das erste Kupplungsteil 25 hat als Formschlussmittel einen Zahnring, der an einer Stirnseite des Differentialträgers 14 insbesondere einteilig angeformt ist. Entsprechend hat das zweite Kupplungsteil 26 einen gegengleichen Zahnring, der innerhalb des Differentialgehäuses 11 angeordnet ist. An seinem entgegengesetzten Ende hat das zweite Kupplungsteil 26 mehrere über den Umfang verteilte axiale Ansätze 27, die durch entsprechende Durchgangsöffnungen 28 des Differentialgehäuses 11 hindurchtreten und mit einem Stellglied des Rampenmechanismus 9 wirkverbunden sind.
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Der Aktuatorantrieb 8 kann axial zwischen dem Schalt-Rampenmechanismus 9 und dem Sperr-Rampenmechanismus 10 angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Aktuatorantrieb 8 als Elektromotor gestaltet, insbesondere als bürstenloser Gleichstrommotor, und wird über eine Steuerelektronik angesteuert.
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Der Aktuatorantrieb 8 weist eine Antriebswelle 30 mit einem ersten Wellenende 32 zum Antreiben des Rampenmechanismus 9 der Schaltkupplung 5 auf. Der Rampenmechanismus 9 umfasst einen Betätigungsring 71, der über ein optionales Zwischenrad 34 vom Aktuatorantrieb um die Drehachse A drehend antreibbar ist und im Gehäuse 13 axial abgestützt sein kann, sowie einen Stützring 33 und einen Stellring 35. Der Betätigungsring 71 hat umfangsverteilt mehrere Taschen, in denen jeweils ein Paar von Rollkörpern 48, 48' aufgenommen ist, die gemeinsam mit dem Ring 71 verdreht werden. Die ersten Rollkörper 48 sind gegen den Stützring 33 axial abgestützt, der wiederum im Gehäuse 13 axial abgestützt ist. Die zweiten Rollkörper 48' sind gegen den Stellring 35 axial abgestützt, der im Gehäuse drehfest und axial beweglich angeordnet ist. Der Betätigungsring 71 kann einen Hülsenansatz aufweisen, mit dem er in einer Bohrung des Stützrings 33 drehbar aufgenommen ist. Zumindest einer der Ringe 33, 35 hat eine Rampenstruktur, die so gestaltet ist, dass der Stellring 35 - ausgehend von einer Position (P2), in der die Ringe axial aneinander angenähert sind - durch Verdrehen des Betätigungsrings 71 in den Drehbereich R1 axial von diesem weggedrückt wird. Hierdurch wird auch das mit dem Stellring 35 verbundene Stellglied 31 axial vom Stützring 33 wegbewegt, so dass die Schaltkupplung 5 geöffnet wird.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der axial abgestützte Stützring 33 rampenlos, das heißt mit einer ebenen Kontaktfläche gestaltet, und der axial bewegliche Stellring 35 ist mit Rampenstruktur 42 gestaltet. Der Stellring 35 ist im Detail in den 3A und 3B dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Stellring 35 drei Stellflächen 43 aufweist, die sich jeweils über 120° in Umfangsrichtung um die Rampenachse erstrecken und untereinander gleiche Profile haben. Jedes Stellprofil 43 hat einen Rampenabschnitt 44, einen optionalen Rastabschnitt 45 und einen ebenen Abschnitt 46. Zwischen der ebenen Kontaktfläche 47 des Stützrings 33 und den Stellflächen 43, 43', 43" des Stellrings 35 ist jeweils ein Paar von Rollkörpern 48, 48' angeordnet. Radial außen hat der Stellring 35 mehrere über den Umfang verteilte Vorsprünge 60, um im Gehäuse 13 drehfest und axial verschiebbar aufgenommen zu werden.
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Das Differentialgehäuse 11 weist einen Hülsenansatz 38 auf, der sich von einer Seitenwand 39 des Gehäuses axial weg erstreckt. Der Rampenmechanismus 9 ist koaxial zum Hülsenansatz 38 und axial zwischen der Seitenwand 39 und dem Gehäuselager 12' angeordnet. Die Federmittel 29 sind radial innerhalb des Rampenmechanismus 9 angeordnet und stützen sich mit einem Federende gegen das Gehäuselager 12' ab und mit dem anderen Federende gegen einen Stützabschnitt 41 des Stellglieds 31 axial ab. So wird das Stellglied 31 von den Federmitteln 29 in Richtung Schaltkupplung 5 axial beaufschlagt.
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Das Stellglied 31 ist insbesondere in Form einer Blechhülse gestaltet. Ein kupplungsseitiger Verbindungsabschnitt 36 des Stellglieds 31 ist mit den sich durch das Differentialgehäuse erstreckenden Ansätzen 27 des Kupplungsteils 26 verbunden. Am entgegengesetzten Ende hat das Stellglied 31 ferner einen nach radial außen vorstehenden zweiten Verbindungsabschnitt 37, der mit dem zweiten Ring 35 axial verbunden bzw. gegen diesen abgestützt ist. Beim axialen Verstellen des Rings 35 in Richtung Lager 12' nimmt dieser das Stellglied 31 mit, welcher das zweite Kupplungsteil 26 vom ersten Kupplungsteil 25 axial wegbewegt, so dass die Schaltkupplung 5 geöffnet wird.
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Die Sperrkupplung 6 ist in Form einer formschlüssigen Kupplung, insbesondere einer Zahnkupplung, gestaltet. Das erste Kupplungsteil 51 hat als Formschlussmittel einen Zahnring, der mit einem Endabschnitt des Hülsenansatzes 38 verbunden ist. Entsprechend hat das zweite Kupplungsteil 52 einen gegengleichen Zahnring, der drehfest und axial beweglich mit der Zwischenwelle 22 verbunden ist. Das zweite Kupplungsteil 52 weist einen Hülsenabschnitt 53 auf, der über eine Längsverzahnung mit einer Zwischenhülse 54 drehfest und axial beweglich verbunden ist. Die Zwischenhülse 54 ist wiederum drehfest mit der Zwischenwelle 22 verbunden und über ein Wellenlager 55 im Gehäuse 13 drehbar gelagert.
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Der Rampenmechanismus 10 für die Sperrkupplung 6 ist koaxial außenliegend um den Hülsenabschnitt 53 und axial zwischen der Sperrkupplung 6 und einem Axialanschlag 50 der Zwischenwelle 22 angeordnet. Es sind Federmittel 49 axial zwischen dem Anschlag 50 und dem Rampenmechanismus 10 angeordnet, welche diesen im Schließsinn beaufschlagen. Der Rampenmechanismus 10 für die Sperrkupplung 6 wird auch von dem Aktuatorantrieb 8 betätigt.
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Hierfür weist die Antriebswelle 30 des Aktuatorantriebs 8 einen zweiten Wellenabschnitt 56 auf, der über ein optionales Zwischenrad 58 einen Betätigungsring 57 des Rampenmechanismus 10 um die Drehachse verdreht. Der Rampenmechanismus 10 ist hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise ähnlich zum ersten Rampenmechanismus aufgebaut. Der Betätigungsring 57 hat umfangsverteilt mehrere Taschen, in denen jeweils ein Paar von Rollkörpern 59, 59' aufgenommen ist, die gemeinsam mit dem Ring 57 verdreht werden. Die ersten Rollkörper 59 sind gegen einen Stützring 61 axial abgestützt, der wiederum gegen das Gehäuse 13 axial abgestützt ist. Die zweiten Rollkörper 59' sind gegen einen Stellring 62 axial abgestützt, der im Gehäuse 13 drehfest und axial beweglich angeordnet ist. Der Stützring 61 hat eine ebene Stützfläche 63. Der Stellring 62 hat eine Rampenstruktur, die so gestaltet ist, dass der Stellring 62 - ausgehend von einer Endposition, in der die Ringe 61, 62 axial aneinander angenähert sind - durch Verdrehen des Betätigungsrings 57 axial vom Stützring 61 weggedrückt wird. Der Stellring 62 ist über ein Wälzlager 64 und einen Sicherungsring 65 gegen den Hülsenabschnitt 53 des zweiten Kupplungsteils 52 axial abgestützt. Bei axialem Bewegen des Stellrings 62 wird somit auch das Wälzlager 64 und das zweite Kupplungsteil 52 axial relativ zum Stützring 61 bewegt, so dass die Sperrkupplung 6 geöffnet wird.
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Der Stellring 62 der Sperrkupplung 6, welcher als Einzelheit in den 4A und 4B dargestellt ist, ist hinsichtlich der Rampenstruktur auf den in den 3A und 3B gezeigten Stellring 35 abgestimmt. Der Stellring 62 hat eine Rampenstruktur mit drei Rampenprofilen 76, 76', 76", die sich jeweils über 120° in Umfangsrichtung erstrecken. Jedes Rampenprofil umfasst einen ebenen Abschnitt 77 und einen Rampenabschnitt 78 sowie, optional, einen dazwischen liegenden Rastabschnitt 79 sowie einen endseitigen Rastabschnitt 79'. Zur drehfesten und axial beweglichen Anordnung im Gehäuse kann der Stellring 62 radial außen mehrere über den Umfang verteilte Vorsprünge 80 aufweisen.
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Nachstehend wird die Bewegungskinematik anhand der 2A bis 2C beschrieben.
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Eine erste Position P1 ist in 2A gezeigt. Es ist erkennbar, dass die Ringe 33, 35 des Rampenmechanismus 9 der Schaltkupplung 5 axial voneinander beabstandet sind. Auch die Ringe 61, 62 des Rampenmechanismus 10 der Sperrkupplung 6 sind axial voneinander beabstandet. Die Abstände sind mit d9 bzw. d10 eingezeichnet. Sowohl die Schaltkupplung 5 als auch die Sperrkupplung 6 sind geöffnet. Die geöffneten Schaltzustände sind in 2A mit CD0 für die Differentialkupplung und CS0 für die Sperrkupplung eingezeichnet.
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Ausgehend von dieser Position P1 werden durch Drehen des Aktuatorantriebs 8 in einem ersten Drehbereich R1 die Betätigungsringe 57, 71 beider Rampenmechanismen 9, 10 verdreht. Dabei rollen die Rollkörper 48, 48' des Rampenmechanismus 9 für die Schaltkupplung 5 entlang der Rampenabschnitte 45 des Stellrings 35, so dass dieser von den Federmitteln 29 axial in Richtung Stützring 33 beaufschlagt wird. Wenn sich die Eingriffsmittel der Schaltkupplung 5 in einer Lücke-Zahn-Drehposition befinden, wird die Schaltkupplung 5 geschlossen. Gleichzeitig wird beim Drehen des Aktuatorantriebs 8 im ersten Drehbereich R1 der Stellring 62 des Rampenmechanismus 10 der Sperrkupplung 6 verdreht, wobei die Rollkörper 59, 59' entlang des steigungslosen Abschnitts 77 entlanglaufen. Der Stützring 61 und Stellring 62 des Rampenmechanismus 10 bleiben axial aneinander angenähert und ändern ihren Abstand d10 nicht, so dass die Sperrkupplung 6 im ersten Drehbereich R1 geöffnet bleibt.
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Am Ende des ersten Drehbereichs R1 ist die Position P2 erreicht, welche in 2B dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass die Ringe 33, 35 des Rampenmechanismus 9 der Schaltkupplung 5 axial aneinander angenähert sind, Abstand d9' eingezeichnet, so dass die Schaltkupplung 5 geschlossen ist (CD1). Demgegenüber sind die Ringe 61, 62 des Rampenmechanismus 10 weiter voneinander beabstandet, so dass die Sperrkupplung 6 geöffnet ist (CSO).
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Durch weiteres Drehen des Aktuatorantriebs 8 in derselben Drehrichtung R1 über den ersten Drehbereich R1 hinaus in einen zweiten Drehbereich R2 rollen die Rollkörper 59, 59' des Rampenmechanismus 10 für die Sperrkupplung 6 entlang der Rampenabschnitte 78 des Stellrings 62, so dass dieser von den Federmitteln 49 axial in Richtung Stützring 61 beaufschlagt wird. Wenn sich die Eingriffsmittel der Sperrkupplung 6 in einer Lücke-Zahn-Drehposition befinden, wird die Sperrkupplung 6 geschlossen. Beim Drehen des Aktuatorantriebs 8 entlang des zweiten Drehbereichs R2 wird der Stellring 35 des Rampenmechanismus 9 der Schaltkupplung 5 verdreht, wobei die Rollkörper 48, 48' entlang des steigungslosen Abschnitts 46 entlanglaufen. Der Stützring 33 und Stellring 35 bleiben axial aneinander angenähert, so dass die Schaltkupplung 5 im zweiten Drehbereich R2 geschlossen bleibt.
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Am Ende des zweiten Drehbereichs R2 ist die Position P3 erreicht, welche in 2C dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass die Ringe 33, 35 des Rampenmechanismus 9 der Schaltkupplung 5 axial aneinander angenähert sind, so dass die Schaltkupplung 5 geschlossen ist. Auch die Ringe 61, 62 des Rampenmechanismus 10 sind axial aneinander angenähert, eingezeichneter Abstand d10', so dass die Sperrkupplung 6 ebenfalls geschlossen ist (CS1). In der Position P3 ist der dem Differential nachgelagerte Antriebsstrang zugeschaltet und eine Ausgleichsbewegung der Ausgangsräder aufgehoben.
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Die erfindungsgemäße Differentialanordnung 2 kann Teil einer Antriebsanordnung 66 zum Antreiben einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs sein, deren weitere Komponenten in der oberen Bildhälfte der 1 teilweise zu erkennen sind. Eine solche erfindungsgemäße Antriebsanordnung 66 weist einen Elektromotor 67, ein Untersetzungsgetriebe 68, das eine vom Elektromotor 67 eingeleitete Drehbewegung ins Langsame übersetzt, und die Differentialanordnung 2 auf.
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Der Elektromotor 67 weist einen Stator 69 und einen hierzu drehend antreibbaren Rotor auf, der drehfest mit einer Motorwelle verbunden und im Gehäuse 13 um eine Motorachse drehbar gelagert ist. Vom Elektromotor sind das Motorgehäuse 70 mit Mantelkühlung und der mit dem Motorgehäuse 70 drehfest verbundene Stator 69 erkennbar. Die Motorachse des Elektromotors 67 ist parallel zur Drehachse A2 der Differentialanordnung 2 angeordnet. Die Motorwelle leitet eine Drehbewegung in das Untersetzungsgetriebe 68 ein, welches zumindest ein Getriebeeingangsrad (nicht dargestellt), ein mit einer Zwischenwelle 72 verbundenes erstes Zwischenrad 73, das mit dem Getriebeeingangsrad antriebsverbunden ist, sowie ein mit der Zwischenwelle 72 verbundenes zweites Zwischenrad 74, das mit dem Antriebselement 3 in Verzahnungseingriff ist. Die Zwischenwelle 72 ist mittels Lagermitteln 75, 75' im Gehäuse 13 drehbar gelagert, wobei die Wellenachse A72 parallel zur Differentialachse A2 verläuft. Das zweite Zwischenrad 74 hat einen kleineren Durchmesser als das erste Zwischenrad 73, so dass eine Übersetzung der Drehbewegung ins Langsame erfolgt. Die vom Untersetzungsgetriebe 68 über das Antriebselement 3 in die Differentialanordnung 2 eingeleitete Drehbewegung wird dann auf die beiden Ausgangsteile 20, 21 beziehungsweise die hiermit antriebsverbundenen Seitenwellen aufgeteilt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Differentialanordnung
- 3
- Antriebselement
- 4
- Differentialgetriebe
- 5
- Schaltkupplung
- 6
- Sperrkupplung
- 7
- Aktuatoreinheit
- 8
- Aktuatorantrieb
- 9
- Rampenmechanismus (5)
- 10
- Rampenmechanismus (6)
- 11
- Differentialgehäuse
- 12, 12'
- Gehäuselager
- 13
- Gehäuse
- 14
- Eingangsteil / Differentialträger
- 15
- innenzylindrische Fläche
- 16
- Bohrung
- 17
- Zapfen
- 18
- Sicherungsstift
- 19, 19'
- Differentialräder
- 20
- Ausgangsteil / Seitenwellenrad
- 21
- Ausgangsteil / Seitenwellenrad
- 22
- Zwischenwelle
- 23
- Längsverzahnung
- 25
- erstes Kupplungsteil
- 26
- zweites Kupplungsteil
- 27
- Ansatz
- 28
- Durchgangsöffnung
- 29
- Federmittel (5)
- 30
- Antriebswelle
- 31
- Stellglied
- 32
- Wellenende
- 33
- Ring
- 34
- Zwischenrad
- 35
- Ring
- 36
- Verbindungsabschnitt
- 37
- Verbindungsabschnitt
- 38
- Hülsenansatz
- 39
- Seitenwand
- 40
- erster Stützabschnitt
- 41
- Stützabschnitt
- 42
- Rampenstruktur
- 43, 43', 43"
- Rampenprofil
- 44
- Rampenabschnitt
- 45
- Rastabschnitt
- 46
- ebener Abschnitt
- 47
- Kontaktfläche
- 48, 48'
- Rollkörper
- 49
- Federmittel
- 50
- Anschlag
- 51
- erstes Kupplungsteil
- 52
- zweites Kupplungsteil
- 53
- Hülsenabschnitt
- 54
- Zwischenhülse
- 55
- Wellenlager
- 56
- Wellenabschnitt
- 57
- Ring
- 58
- Zwischenrad
- 59, 59'
- Rollkörper
- 60
- Vorsprung
- 61
- Stützring
- 62
- Stellring
- 63
- Stützfläche
- 64
- Wälzlager
- 65
- Sicherungsring
- 66
- Antriebsanordnung
- 67
- Elektromotor
- 68
- Untersetzungsgetriebe
- 69
- Stator
- 70
- Motorgehäuse
- 71
- Betätigungsring
- 72
- Zwischenwelle
- 73
- Zwischenrad
- 74
- Zwischenrad
- 75, 75'
- Lagermittel
- 76, 76'.76"
- Rampenprofil
- 77
- ebener Abschnitt
- 78
- Rampenabschnitt
- 79
- Rastabschnitt
- 80
- Vorsprung
- A
- Drehachse
- B
- Zapfenachse
- CD
- Schaltzustand
- CS
- Schaltzustand
- d
- Abstand
- P
- Position
- R
- Drehbereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008063904 B4 [0002]
- WO 2010/078937 A1 [0002]
- DE 102005061267 B4 [0003]
- WO 2011/064364 A1 [0004]
- WO 2015/120909 A1 [0005]
