DE10223944B4

DE10223944B4 - Differentialgetriebe

Info

Publication number: DE10223944B4
Application number: DE10223944A
Authority: DE
Inventors: Wei-Jiung Tsung
Original assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: US20020183158A1; JP4223736B2; US6964629B2; JP2002364728A; DE10223944A1

Abstract

Differential, welches folgendes aufweist:
ein drehbares Differentialgehäuse (22);
ein Paar von Antriebszahnrädern (32), welche drehbeweglich in dem Differentialgehäuse (22) gelagert sind; und
einen Satz von beabstandeten Differential-Planetenpaarungszahnrädern (34), welche auf einer Planetenradwelle (36) gelagert und in Antriebseingriff mit den Antriebszahnrädern (32) zur Erzielung einer Differentialdrehbewegung sind;
wobei eine Summe einer ersten Zähnezahl (Z₁) jedes Antriebszahnrads (32) und einer zweiten Zähnezahl (Z₂) jedes Planetenpaarungszahnrads (34) nicht größer als neunzehn ist;
eine Differenz zwischen der ersten Zähnezahl (Z₁) jedes Antriebszahnrads (32) und der zweiten Zähnezahl (Z₂) jedes Planetenpaarungszahnrads (34) nicht größer als drei ist; und
die erste Zähnezahl (Z₁) jedes Antriebszahnrads (32) und die zweite Zähnezahl (Z₂) jedes Planetenpaarungszahnrads (34) jeweils nicht größer als elf ist,
wobei zur Erzielung einer verbesserten Leistungsdichte und verminderter Abmessungen jeweils folgende Zähnezahlen (Z₁, Z₂) gewählt sind:

Z₁ = 11, Z₂ = 8; oder

Z₁ = 10, Z₂ = 7;

...

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Differential bzw. einem Differentialgetriebe, und insbesondere mit einem Differentialgetriebe, welches an den Antriebszahnrädern eine Anzahl von Zähnen und auf dem Planetenpaarungszahnrädern eine Anzahl von Zähnen hat, welche zur Verbesserung der Getriebeleistungsdichte und zur Reduzierung der Abmessungen optimiert sind.
Differentiale oder Differentialgetriebe sind an sich bekannt und werden im Energieübertragungssystem eines Kraftfahrzeugs angeordnet, um zu ermöglichen, daß ein Paar von Ausgangswellen mit einer Eingangswelle betriebsverbunden ist, so daß man unterschiedliche Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen erhält, wodurch ermöglicht wird, daß das jeweilige der Ausgangswelle zugeordnete Rad in Traktion mit dem Fahrbahnuntergrund bleiben kann, währenddem das Fahrzeug eine Kurve durchfährt. Eine solche Vorrichtung verteilt im wesentlichen das von der Eingangswelle bereitgestellte Drehmoment auf die Ausgangswellen. Ein übliches Differential weist ein drehbares Differentialgehäuse auf, welches ein Paar von gegenüberliegenden Antriebsrädern aufnimmt, welche in Kämmeingriff mit einem Satz von Planetenpaarungszahnrädern sind, um eine differentiale Drehbewegung zwischen denselben bereitzustellen.
In typischer Weise beläuft sich eine Summe einer Anzahl von Zähnen irgendeines der Differentialantriebszahnräder, welche mit Z₁ bezeichnet ist, und einer Anzahl von Zähnen irgendeines Planetenpaarungszahnrads, welche mit Z₂ bezeichnet ist, auf größer als neunzehn. Üblicherweise setzen Differentialhersteller die folgenden Kombinationen der Zähnezahl des Differentialantriebszahnrads und der Zähnezahl des Planetenpaarungszahnrads ein: 14 × 10, 16 × 10 oder 13 × 9. Ferner ist es bemerkenswert, dass die Differenz zwischen der Anzahl der Zähne der Antriebszahnräder und der Anzahl der Zähne der Planetenpaarungszahnräder bei allen den vorstehend beschriebenen Kombinationen größer als drei ist und dass die Anzahl der Zähne der Antriebszahnräder in jedem Fall größer als elf ist.
Heutzutage werden an Differentialzahnräder und Planetenpaarungszahnräder unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der Erhöhung einer Zahnfestigkeit und einer Verminderung ihrer Abmessungen infolge der immer größer werdenden Leistung von Fahrzeugbrennkraftmaschinen und Zahnradbelastungen gestellt. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist schließlich die Notwendigkeit, das Gewicht und die Abmessungen von ungefederten Massen bei Kraftfahrzeugen zu reduzieren. Die vorhandenen Differentialgetriebe erfüllen die derzeit gestellten Anforderungen hinsichtlich der Zahnradfestigkeit und der Zahnradabmessungen nicht.
Aus DE 29 50 000 A1 ist ein Differential bekannt, bei welchem eine Differenz der Zähnezahl eines Antriebszahnrads und der Zähnezahl eines Planetenpaarungszahnrads nicht größer als 3 ist, und US 2,009,915 A zeigt ein Differential, bei welchem eine Summe der Zähnezahl eines Antriebszahnrads und der Zähnezahl eines Planetenpaarungszahnrads nicht größer als 19 ist.
US 1,528,762 A , welches Dokument als nächstliegend angesehen wird, betrifft ein Differential, welches folgendes aufweist: ein drehbares Differentialgehäuse; ein Paar von Antriebszahnrädern, welche drehbeweglich in dem Differentialgehäuse gelagert sind; und beabstandete Differential-Planetenpaarungszahnrädern, welche auf Planetenradwellen gelagert und in Antriebseingriff mit den Antriebszahnrädern zur Erzielung einer Differentialdrehbewegung sind. Es sind zwei Sätze von Planetenpaarungszahnrädern vorhanden, die durch ein Antriebszahnrad angetrieben werden. Zum Erreichen der besten Überdeckung zwischen Antriebszahnrad und Planetenpaarungszahnrädern, sind in Abhängigkeit von der Anordnung der Planetenpaarungszahnräder in Bezug zu dem Antriebsrad Vorgaben für die jeweilige Anzahl von Zähnen angegeben. Gemäß den 2 und 3 ist eine erste Zähnezahl des Antriebszahnrads je nach Anordnung eines jeweiligen Satzes Planetenpaarungszahnrädern 10 und 8 und ist eine zweite Zähnezahl jedes Planetenpaarungszahnrads 5.
Es besteht ein Bedürfnis nach einer Kombination aus einem Differentialantriebszahnrad und einem einzigen Satz von auf einer Planetenradwelle gelagerten Planetenpaarungszahnrädern, welche optimierte Zähnezahlen haben. Insbesondere sollen die Zähnezahlen so optimiert werden, dass die Leistungsdichte verbessert wird und verminderte Abmessungen erzielt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Differential gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Zähnezahlen sind erfindungsgemäß so gewählt, dass nicht nur eine beste Überdeckung der in Eingriff stehenden Zahnräder erfolgen kann, wie es in der US 1,528,762 A beschrieben ist, um die zwei Sätze von Planetenpaarungszahnräder anzutreiben, sondern dass gegenüber dem Stand der Technik insbesondere eine Teilkreisreduzierung der Planetenpaarungszahnräder bzw. Seitenwellenräder des einzigen Satzes von auf einer Planetenradwelle gelagerten Planetenpaarungszahnrädern erreicht wird.
Das Differential nach der Erfindung stellt eine wesentlich verbesserte Getriebeleistungsdichte bereit und ermöglicht die Übertragung von größeren Drehmomenten von einer Antriebswelle und man erhält verminderte Abmessungen der Bauteile.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine Teilschnittansicht eines Beispiels einer Differentialanordnung für ein Kraftfahrzeug.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnung ist ein typisches Differential für ein Kraftfahrzeug dargestellt, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Das Differential 10 ist in einem Achsgehäuse 12 eingeschlossen und derart beschaffen und ausgelegt, dass differentiell ein Paar von fluchtenden Achswellen 14a und 14b angetrieben wird, welche von dem Differential in gegenüberliegenden Richtungen nach innen vorstehen und welche ihrerseits durch eine Antriebswelle 16 angetrieben sind, welche mit einem Antriebszahnrad 18 an einem Ende versehen ist. Die Antriebswelle 16 ist in der Nähe des Differentials 10 mit Hilfe eines Lagers 20 im Achsgehäuse 12 drehbar gelagert.
Das Differential 10 weist ein Differentialgehäuse 22 auf, welches an gegenüberliegenden Enden mit Hilfe eines Paars von gegenüberliegenden konischen Walzlagern 24 im Achsgehäuse 12 drehbar gelagert ist. Das Differentialgehäuse 22 hat einen Ringflansch 26, an dem ein Hohlrad 28 mit Hilfe von geeigneten Einrichtungen, wie Schrauben 30 befestigt ist. Das Hohlrad 28 ist in Kammeingriff mit dem Antriebszahnrad 18.
Das Differentialgehäuse 22 nimmt ein Paar von gegenüberliegenden Antriebszahnrädern 32 auf, welche gemeinsam mit den Achswellen 14a und 14b zur Ausführung einer Drehbewegung mit den Zähnen mittels einer Keilzahnverbindung verbunden sind, und ferner nimmt das Differentialgehäuse 22 einen Satz von Planetenpaarungszahnrädern 34 auf, welche auf einer quer verlaufenden Planetenradwelle 36 drehbar gelagert sind. Die Antriebszahnräder 32 sind in Kammeingriff mit den Planetenpaarungszahnrädern 34. Die Planetenradwelle 36 ist üblicherweise in dem Differentialgehäuse 22 mit Hilfe eines Sperrstifts 38 festgelegt, welcher durch eine Öffnung in der Planetenradwelle 36 geht.
Jedes der Antriebszahnräder 32 hat eine erste Zähnezahl Z₁, und jedes Planetenpaarungszahnrad 34 hat eine zweite Zähnezahl Z₂.
Nach der Erfindung werden die Differentialzahnradzähnezahl Z₁ und Z₂ gemäß den folgenden Gleichungen gewählt. Z₁ + Z₂ ≤ 19, (1) Z₁ – Z₂ ≤ 3, (2) Z₁ ≤ 11, und (3) Z₂ ≤ 11. (4)
Vorzugsweise werden die Differentialzähnezahl Z₁ und Z₂ nach Maßgabe der folgenden Gleichungen gewählt: Z₁ + Z₂ < 19, (5) Z₁ – Z₂ ≤ 3, (2) Z₁ ≤ 11, und (3) Z₂ ≤ 11. (4)
Wenn man die Differentialzähnezahlen Z₁ und Z₂ nach Maßgabe der Gleichungen (1) bis (4) oder (2) bis (5) wählt, erhält man eine wesentliche Steigerung der Getriebeleistungsdichte und eine Reduktion von Abmessungen der Bauteile des Differentials, wie des Differentialgehäuses 22. Diese Annahme basiert auf den folgenden theoretischen Überlegungen.
Es ist für den Fachmann bekannt, dass ein Teilkreisdurchmesser (Rollkreisdurchmesser) D eines Zahnrads durch die folgende Gleichung bestimmt ist: D = m_n·Z; (6) wobei

m: ein regelmäßiger Zahnradzähnemodul ist, und
Z: eine Anzahl der Zähne des Zahnrads ist.

Es ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt, dass die Zahnradfestigkeit proportional zu dem regelmäßigen Modul m ist.
Aus der Gleichung (6) lässt sich der regelmäßige Modul gemäß der folgenden Gleichung bestimmen: M_n = D/Z (7)
Wie die Gleichung (7) zeigt, lässt sich bei einer gegebenen Größe des Teilkreisdurchmessers D der Differentialzahnräder 32 und 34, welche durch die Abmessungen des Differentialgehäuses 22 vorgegeben ist, der regelmäßige Modul m_n nur dadurch vergrößern, dass man die Zahnradzähnezahl Z verkleinert, um die Zahnradfestigkeit zu verbessern. Somit kann man ein größeres Drehmoment von der Antriebswelle 16 auf das Differentialgehäuse 22 über das Hohlrad 28 übertragen. Wenn alternativ die Leistungs- und Belastungserfordernisse eines Fahrzeuggetriebes keine besonderen Anforderungen erfüllen müssen, ist es gemäß der Gleichung (7) möglich, die Abmessungen der Differentialzahnräder 32 und 34 zu reduzieren und/oder gewisse Zahnradoberflächenbehandlungen, wie das Kugelstrahlen, zu eliminieren.
Bei der ersten beispielhaften Ausführungsform nach der Erfindung ist die Zähnezahl jedes Antriebszahnrads 32 gleich 11, während die Zähnezahl jedes Planetenpaarungszahnrads 34 mit 8 angegeben ist. Diese Auslegung erfüllt alle die Gleichungen (1) bis (4): 11 + 8 = 19, 11 – 8 = 3, 10 < 11 und 8 < 11.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung beläuft sich die Zähnezahl jedes Antriebszahnrads 32 auf 10, während sich die Zähnezahl jedes Planetenpaarungszahnrads 34 auf 7 beläuft. Auch diese Auslegung erfüllt alle die Gleichungen (2) bis (5): 10 + 7 = 17 < 19, 10 – 7 = 3, 10 < 11 und 7 < 11.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist alternativ die Zähnezahl der jeweiligen Antriebszahnräder 32 mit 9 gewählt, während die Zähnezahl der jeweiligen Planetenpaarungszahnräder 34 mit 7 gewählt ist. Auch diese Auslegung erfüllt die Gleichungen (2) bis (5): 9 + 7 = 16 < 19, 9 – 7 = 2 < 3, 9 < 11 und 7 < 11.
Natürlich sind auch beliebige andere Kombinationen von Zähnezahlen des Antriebszahnrads 32 und der Zähnezahl des Planetenpaarungszahnrads 34 möglich, welche die Gleichungen (1) bis (4) erfüllen.
Das Differential umfaßt somit Antriebszahnräder und Planetenpaarungszahnräder, welche optimierte Zähnezahlen nach der Erfindung haben, und somit eine gesteigerte Getriebeleistungsdichte ermöglichen, wodurch ermöglicht wird, daß größere Drehmomente von der Antriebswelle übertragen werden können und die Abmessungen der Bauteile des Differentials sich reduzieren lassen.
Obgleich voranstehend bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung erläutert und beschrieben worden sind, ist die Erfindung natürlich nicht auf die dort beschriebenen Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims

Differential, welches folgendes aufweist: ein drehbares Differentialgehäuse (22); ein Paar von Antriebszahnrädern (32), welche drehbeweglich in dem Differentialgehäuse (22) gelagert sind; und einen Satz von beabstandeten Differential-Planetenpaarungszahnrädern (34), welche auf einer Planetenradwelle (36) gelagert und in Antriebseingriff mit den Antriebszahnrädern (32) zur Erzielung einer Differentialdrehbewegung sind; wobei eine Summe einer ersten Zähnezahl (Z₁) jedes Antriebszahnrads (32) und einer zweiten Zähnezahl (Z₂) jedes Planetenpaarungszahnrads (34) nicht größer als neunzehn ist; eine Differenz zwischen der ersten Zähnezahl (Z₁) jedes Antriebszahnrads (32) und der zweiten Zähnezahl (Z₂) jedes Planetenpaarungszahnrads (34) nicht größer als drei ist; und die erste Zähnezahl (Z₁) jedes Antriebszahnrads (32) und die zweite Zähnezahl (Z₂) jedes Planetenpaarungszahnrads (34) jeweils nicht größer als elf ist, wobei zur Erzielung einer verbesserten Leistungsdichte und verminderter Abmessungen jeweils folgende Zähnezahlen (Z₁, Z₂) gewählt sind: Z₁ = 11, Z₂ = 8; oder Z₁ = 10, Z₂ = 7; oder Z₁ = 9, Z₂ = 7.