DE112011102254B4

DE112011102254B4 - Pulvergeschmiedetes Differentialgetriebe

Info

Publication number: DE112011102254B4
Application number: DE112011102254.9T
Authority: DE
Inventors: Alfred J. Chiesa; David E. Lenhart; Henry J. Knott; Timothy E. Geiman
Original assignee: GKN Sinter Metals LLC
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: US8517884B2; JP5572262B2; CN103118820A; JP2013537602A; DE112011102254T5; WO2012015548A1; US20110059822A1; CN103118820B

Abstract

Differentialgetriebeanordnung (10) zur Kraftübertragung in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, umfassend: einen Träger (12), der um eine Abtriebsachse drehbar ist, die sich durch den Träger hindurch erstreckt, wobei in dem Träger Raum mit einem Kugeldurchmesser vorhanden ist; einen Satz miteinander kämmender Zahnräder (16), die durch den Träger gehalten werden, umfassend zwei voneinander beabstandete und koaxiale seitliche Zahnräder (18, 20), die jeweils einzeln mit zwei voneinander beabstandeten und koaxialen Ritzeln (22, 24) kämmen, wobei ein seitliches Zahnrad an der einen Seite der Ritzel mit den Ritzeln kämmt und das andere seitliche Zahnrad an der gegenüberliegenden Seite der Ritzel mit den Ritzeln kämmt, wobei die beiden seitlichen Zahnräder derart gelagert sind, dass sie um die Abtriebsachse drehbar sind, und die beiden Ritzel derart gelagert sind, dass sie um eine zu der Abtriebsachse senkrechte Achse drehbar sind und dass sie die Abtriebsachse umkreisen können, wodurch eine differentielle Kraftübertragung von einem Krafteingang zu dem Träger, übertragen über die Ritzel auf die seitlichen Zahnräder bereitgestellt wird, wobei die Zahnräder des Satzes miteinander kämmender Zahnräder Pulvermetall-Kegelräder sind, welche umfassen: einen Korpus (28) mit einer Rotationsachse, ein in dem Korpus ausgebildetes, sich axial erstreckendes Loch (32), und eine Mehrzahl von in dem Korpus ausgebildeten Zähnen (38), wobei die mehreren Zähne Abschnitte (42) aufweisen, die in Bezug auf die Rotationsachse geneigt sind; wobei sich die Zähne der Ritzel vollständig innerhalb des durch den Kugeldurchmesser definierten Raumes ...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein geschmiedetes Pulvermetall-Zahnrad und betrifft spezieller ein geschmiedetes Pulvermetall-Kegelrad zur Verwendung in Differentialgetriebeanordnungen.
Herkömmliche Kraftfahrzeuge weisen ein Differentialgetriebe auf, das die durch den Motor erzeugte Kraft auf die Räder überträgt. Wenngleich Differentialgetriebe einen unterschiedlichen Aufbau haben können, besteht das Grundprinzip darin, die Kraft einer einzigen Eingangswelle auf zwei Ausgangswellen zu übertragen, die dann in unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen können. In Abhängigkeit von der Art des Antriebssystems, das für ein gegebenes Fahrzeug angewendet wird, kann ein Front-Differentialgetriebe, ein Heck-Differentialgetriebe und/oder ein zentrales Differentialgetriebe vorhanden sein. Bei einigen Differentialgetrieben für Kraftfahrzeuge beinhaltet dies oftmals nicht nur das Aufteilen der Ausgangskraft, sondern auch ein bevorzugtes Aufteilen der Ausgangskraft.
Es besteht ein anhaltender Druck, Differentialgetriebe mit kleinerer Baugröße bereitzustellen, die in der Lage sind, vergleichbare oder größere Drehmomentlasten zu übertragen als bekannte Differentialgetriebe mit größerer Baugröße. Differentialgetriebe mit einer kleineren Baugröße sind kraftstoffsparender und könnten Platz bieten, um möglicherweise Getriebe mit zusätzlichen Gängen oder Funktionen bereitzustellen.
Daher besteht ein Bedarf an Differentialgetrieben mit kleineren Baugrößen und dementsprechend an kleineren Bauteilen, die über eine solche Differentialgetriebeanordnung eine Übertragung von Drehmomentlasten mit hoher Leistungsdichte ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden Pulvermetall-Kegelräder sowie Differentialgetriebeanordnungen mit diesen Zahnrädern offenbart, die eine Übertragung mit hoher Leistungsdichte ermöglichen. Die Pulvermetall-Kegelräder in der Differentialgetriebeanordnung können Kraftlasten über eine kleine Baugröße übertragen, wodurch es möglich ist, die Aufstandsfläche der gesamten Differentialgetriebeanordnung zu reduzieren. Damit reduziert sich das Gewicht des Fahrzeugs, das die Differentialgetriebeanordnung beinhaltet, der Kraftstoffverbrauch verbessert sich, und es wird zusätzlicher Platz für eine Erweiterung mit weiteren Komponenten für das Fahrzeug wie beispielsweise für das Übersetzungsgetriebe geschaffen.
Es wird eine Differentialgetriebeanordnung zur Kraftübertragung in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs offenbart. Die Differentialgetriebeanordnung umfasst einen Träger, der um eine Abtriebsachse drehbar ist, die sich durch den Träger hindurch erstreckt, wobei in dem Träger Raum mit einem Kugeldurchmesser vorhanden ist. Ein Satz miteinander kämmender Zahnräder wird durch den Träger gehalten und umfasst zwei voneinander beabstandete und koaxiale seitliche Zahnräder, die jeweils einzeln mit zwei voneinander beabstandeten und koaxialen Ritzeln kämmen. Das eine seitliche Zahnrad kämmt auf der einen Seite der Ritzel mit beiden Ritzeln, und das andere seitliche Zahnrad kämmt auf der entgegengesetzten Seite der Ritzel mit beiden Ritzeln. Die beiden seitlichen Zahnräder sind derart gelagert, dass sie um die Abtriebsachse drehbar sind, und die beiden Ritzel sind derart gelagert, dass sie um eine senkrecht zu der Abtriebsachse liegende Achse drehbar sind. Ferner können die beiden Ritzel die Abtriebsachse umkreisen. Mit einem solchen Aufbau wird eine differenzielle Kraftübertragung von einem Krafteingang zu dem Träger übertragen über die Ritzel auf die seitlichen Zahnräder ermöglicht.
In dieser Differentialgetriebeanordnung ist zumindest eines der Zahnräder des Satzes miteinander kämmender Zahnräder ein Pulvermetall-Kegelrad. Dieses Pulvermetall-Kegelrad umfasst einen Korpus mit einer Rotationsachse, ein in dem Korpus ausgebildetes, sich axial erstreckendes Loch sowie eine Mehrzahl von in dem Korpus ausgebildeten Zähnen. Die mehreren Zähne weisen Abschnitte auf, die in Bezug auf die Rotationsachse geneigt sind. Die Zähne der Ritzel befinden sich vollständig innerhalb des durch den Kugeldurchmesser bestimmten Raumes.
Die Differentialgetriebeanordnung ermöglicht die Übertragung einer Eingangskraft über den Träger von mindestens X N·m, und der Kugeldurchmesser beträgt Y mm oder weniger, wobei X und Y durch die Gleichung Y = 0,0068·X + 60 miteinander verknüpft sind, und zwar für eine Dauer von einer Stunde in einem Ölbad während einer beschleunigten simulierten Haltbarkeitsprüfung. Bei einigen Ausführungsformen der Differentialgetriebeanordnung kann X in einem Bereich zwischen 1.000 N·m und 12.000 N·m liegen, und Y kann in einem Bereich von 60 mm bis 140 mm liegen. Ferner können die Ritzel und die seitlichen Zahnräder Zahnprofile aufweisen, bei denen ein Verhältnis von Biegebeanspruchung zu Kontaktbeanspruchung zwischen 0,55 und 0,58 an den mehreren Zähnen aufrechterhalten wird.
Das Pulvermetall-Kegelrad kann pulvergeschmiedet werden. Das Pulvermetall-Kegelrad kann eisenhaltig sein und kann an den mehreren Zähnen eine aufgekohlte Oberflächenschicht aufweisen. Diese aufgekohlte Oberflächenschicht kann um den Umfangsrand der Zähne herum eine variable Tiefe aufweisen und kann während des Schmiedens variabel geformt werden.
An einem äußeren Umfangsrand des Korpus des Pulvermetall-Kegelrades kann eine Bogenstruktur ausgebildet sein. Eine Winkelposition der an dem Pulvermetall-Kegelrad ausgebildeten Bogenstruktur kann einer Winkelposition der an einem Vorformpressling ausgebildeten Bogenstruktur entsprechen, der geschmiedet wird, um das Kegelrad auszubilden, wodurch der Vorformpressling während des Schmiedens winkelmäßig in Bezug auf ein Schmiedewerkzeug ausgerichtet wird.
Das sich axial erstreckende Loch des Pulvermetall-Kegelrades kann eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Keilprofilen aufweisen, und in das Loch kann eine Haltenut eingeschmiedet sein.
Das Pulvermetall-Kegelrad kann eine Kernhärte von 20 HRC bis 50 HRC und eine Oberflächenhärte an den mehreren Zähnen von mehr als 50 HRC aufweisen.
Ein Pulvermetall-Kegelrad und ein Satz von Kegelrädern für eine Differentialgetriebeanordnung der vorstehend beschriebenen Art werden ebenfalls offenbart. Diese Zahnräder sind wiederum in der Lage, über das Getriebe Lasten mit hoher Leistungsdichte in zuverlässiger Weise zu übertragen.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen deutlich werden. Im Folgenden wird lediglich eine Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben. Zur Bewertung des vollständigen Schutzumfangs der Erfindung sollte auf die Ansprüche zurückgegriffen werden, da die bevorzugten Ausführungsformen nicht als die einzigen Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche zu betrachten sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt einen Teil einer Differentialgetriebeanordnung dar;
2 stellt eine detaillierte Ansicht einer Verzahnung eines Satzes von Zahnrädern ohne die Differentialgetriebeanordnung dar;
3 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Ritzels und eines seitlichen Zahnrades miteinander kämmend;
4 ist eine detaillierte Ansicht, die einen Kontaktbereich der Zahnräder aus 3 darstellt;
5 ist eine detaillierte Ansicht eines sich axial erstreckenden Durchgangslochs des seitlichen Zahnrades, in dem sich axial erstreckende Keilprofile sowie eine Haltenut in dem seitlichen Zahnrad ausgebildet sind;
6 stellt ein Verfahren zum Ausbilden eines pulvergeschmiedeten Kegelrades dar;
7 stellt einen Pulvermetall-Vorformling dar, der für das Schmieden zu einem Kegelrad gestaltet ist;
8 ist ein Beispiel für eine Querschnittsansicht, aufgenommen durch einen Pulvermetallvorformling in einem vorgeschmiedeten Zahnbereich, der geschmiedet wird, um die Zähne des fertigen Kegelrades zu bilden, in welchem eine einheitliche aufgekohlte Schicht entlang einer Oberfläche ausgebildet worden ist;
9 ist eine Querschnittsansicht eines Differentialgetriebe-Zahnrades, das aus einem Vorformling mit einem aufgekohlten Profil wie in 8 geschmiedet worden ist, wobei die aufgekohlte Schicht durch das Schmieden variabel geformt worden ist;
10 zeigt eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Kugeldurchmesser und der Differential-Eingangskraft für eine Differentialgetriebeanordnung mit Pulvermetall-Kegelrädern veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nehmen wir auf 1 Bezug, so ist in dieser ein Typ einer Differentialgetriebeanordnung 10 für ein Fahrzeug mit Frontradantrieb gezeigt. Die Differentialgetriebeanordnung 10 ist Teil eines Antriebsstrangs für das Fahrzeug, wenngleich nicht der gesamte Antriebsstrang gezeigt ist. Der Antriebsstrang umfasst typischerweise außerdem einen Motor, der ein Übersetzungsgetriebe antreibt, das seinerseits die Differentialgetriebeanordnung 10 antreibt. Wenn die Differentialgetriebeanordnung 10 von dem Getriebe die Eingangskraft aufnimmt, überträgt die Differentialgetriebeanordnung 10 diese Kraft auf zwei seitliche Wellen, die sich von der Differentialgetriebeanordnung 10 entlang einer Abtriebsachse A-A erstrecken. Die beiden seitlichen Wellen übertragen die Kraft auf die Räder (und die dazugehörigen Baugruppen), um das Fahrzeug zu bewegen.
Die Differentialgetriebeanordnung 10 überträgt nicht nur die Kraft auf die beiden seitlichen Wellen, sondern kann die Eingangskraft auch in ungleichmäßiger Weise auf die beiden Wellen verteilen, wenn es die Situation erfordert. Wenn beispielsweise das Fahrzeug um eine Kurve fährt, dreht sich das Rad an der Außenseite der Kurve schneller als das Rad an der Innenseite der Kurve. Angesichts der unterschiedlichen Bewegungswege der Räder muss sich die eine der seitlichen Wellen schneller drehen als die andere. Desgleichen kann es bisweilen passieren, dass ein oder mehrere der Räder rutschen, da das oder die Räder den Kontakt mit dem Boden verlieren oder die Haftung auf Eis oder nasser Fahrbahn verlieren. In diesen Fällen kann das Differentialgetriebe derart ausgelegt sein, dass es das Drehmoment bevorzugt auf diejenigen Räder überträgt, die Bodenhaftung haben.
Schauen wir uns zunächst den Aufbau der Differentialgetriebeanordnung 10 an, so umfasst die Differentialgetriebeanordnung 10 einen Träger 12, der um die Abtriebsachse A-A drehbar ist, die sich durch den Träger 12 hindurch erstreckt. Der Träger 12 weist eine innere Kammer 14 auf, die einen Satz miteinander kämmender Zahnräder 16 aufnimmt, die zumindest teilweise in einem (nicht gezeigten) Ölbad ruhen. Der Satz miteinander kämmender Zahnräder 16 umfasst zwei seitliche Zahnräder 18 und 20 sowie zwei Ritzel 22 und 24. Diese beiden Zahnradpaare sind in dem Träger 12 gelagert, wenngleich auch auf unterschiedliche Weise.
Die beiden seitlichen Zahnräder 18 und 20 sind voneinander beabstandet und koaxial zueinander entlang der Abtriebsachse A-A angeordnet. Jedes dieser seitlichen Zahnräder 18 und 20 ist mit einer jeweiligen der beiden seitlichen Wellen gekoppelt, so dass beide seitlichen Zahnräder 18 und 20 wie auch deren entsprechende seitliche Wellen sich um die Abtriebsachse A-A drehen. Da sich sowohl der Träger 12 als auch die seitlichen Zahnräder 18 und 20 um die Abtriebsachse A-A drehen, sind die seitlichen Zahnräder 18 und 20 an dem Träger 12 in solcher Weise gelagert, dass unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten des Trägers 12 und der seitlichen Zahnräder 18 und 20 relativ zueinander möglich sind. Um eine Lagerung dieser Art bereitzustellen, können beispielsweise axiale Bohrungen in dem Träger 12 ausgebildet sein, die Unterlegscheiben oder Lager aufnehmen. Diese Unterlegscheiben oder Lager können zwischen dem Träger 12 und der Rückseite oder Nabe des jeweiligen seitlichen Zahnrades 18 und 20 angeordnet sein, um eine Rotation der seitlichen Zahnräder 18 und 20 auf der Abtriebsachse A-A unabhängig von der Rotation des Trägers 12 auf der Abtriebsachse A-A zu ermöglichen.
Wenden wir uns nun den beiden Ritzeln 22 und 24 zu, so sind die beiden Ritzel 22 und 24 voneinander beabstandet und koaxial zueinander entlang einer Achse B-B angeordnet, die senkrecht zu der Abtriebsachse A-A liegt und diese schneidet. Entlang der Achse B-B erstreckt sich eine Welle 26 durch die innere Kammer 14 des Trägers 12 hindurch und ist in Bezug auf den Träger 12 fixiert. Diese Welle 26 trägt die beiden Ritzel 22 und 24. Um deren Bewegung zu ermöglichen, können die beiden Ritzel 22 und 24 Lager, Buchsen oder Beschichtungen zwischen den beiden Ritzeln 22 und 24 der Welle 26 und/oder der innenseitigen Wandung der inneren Kammer 14 des Trägers 12 aufweisen. Dementsprechend sind die beiden Ritzel 22 und 24 unabhängig voneinander um die Achse B-B drehbar, die durch die Welle 26 definiert wird, und können darüber hinaus zusammen mit dem Träger 12 um die Abtriebsachse A-A umlaufen, wenn der Träger 12 auf der Abtriebsachse A-A rotiert.
Wie am besten in 2 zu sehen ist, sind die beiden seitlichen Zahnräder 18 und 20 in der Differentialgetriebeanordnung 10 separat mit den beiden Ritzeln 22 und 24 verzahnt. Auf einer Seite der Ritzel 22 und 24 kämmt das seitliche Zahnrad 18 getrennt mit den beiden Ritzeln 22 und 24. Auf der entgegengesetzten Seite der Ritzel 22 und 24 kämmt das seitliche Zahnrad 20 ebenfalls separat mit den beiden Ritzeln 22 und 24. Mit diesem Aufbau der Differentialgetriebeanordnung 10 wird durch diese Verzahnung der beiden seitlichen Zahnräder 18 und 20 und der beiden Ritzel 22 und 24 eine verteilte Kraftübertragung von dem Träger 12 auf die zwei an den beiden seitlichen Zahnrädern 18 und 20 befestigten seitlichen Wellen ermöglicht.
Im regulären Betrieb, wenn der Träger 12 durch Empfang eines Krafteintrags von dem Übersetzungsgetriebe rotiert, bewegen sich die beiden Ritzel 22 und 24 zusammen mit dem Träger 12, wobei sie um die Abtriebsachse A-A umlaufen. Die beiden Ritzel 22 und 24 kämmen mit den beiden seitlichen Zahnrädern 18 und 20, um diese und die daran befestigten seitlichen Wellen anzutreiben, während der Träger 12 rotiert. In Abhängigkeit von den speziellen Kraftschlussbedingungen wie auch dem Aufbau der restlichen Differentialgetriebeanordnung 10 können die beiden Ritzel 22 und 24 die beiden seitlichen Zahnräder 18 und 20 unterschiedlich antreiben, so dass die Kraft präferenziert auf die seitlichen Wellen verteilt wird. Wenn beide seitlichen Wellen gleich angetrieben werden, werden die Ritzel 22 und 24 um die Abtriebsachse A-A umlaufen, aber nicht um die Achse B-B rotieren. Wenn die seitlichen Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden, dann umkreisen die Ritzel 22 und 24 die Abtriebsachse A-A und rotieren um die Achse B-B (die sich mit dem Träger 12 drehen wird), um den Differentialantrieb der beiden seitlichen Wellen bereitzustellen.
Es ist zu beachten, dass der Satz miteinander kämmender Zahnräder 16 einen Kugeldurchmesser bildet. Im vorliegenden Kontext bezieht sich der Kugeldurchmesser auf eine Kugel mit einem Durchmesser, in dem sämtliche Zähne der beiden Ritzel 22 und 24 aufgenommen sind. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform entspricht der Kugeldurchmesser außerdem der konvexen Kugeloberfläche 56 auf der Rückseite der Ritzel 22 und 24, die gleich der konkaven Kugeloberfläche an dem Träger 12 ist, die mit der konvexen Fläche 56 gepaart ist.
Es sollte erkannt werden, dass, obgleich in der gezeigten Ausführungsform einige der Wandungen, welche die innere Kammer 14 bilden, dem Kugeldurchmesser entsprechen, die innere Kammer 14 nicht vollständig kugelförmig zu sein braucht, sondern andere Ausdehnungen aufweisen kann, die benötigt werden, um die Zahnräder und zugehörigen Merkmale der Anordnung aufzunehmen. Da der Träger 12 nur um die Abtriebsachse A-A rotiert, kann die innere Kammer 14 in dem Bereich seitlich auswärts der seitlichen Zahnräder 18 und 20 gestutzt sein, um die Gesamtbaugröße der Differentialgetriebeanordnung 10 zu reduzieren. Ein solches Stutzen könnte ohne Beeinträchtigung der Funktionalität der Differentialgetriebeanordnung 10 erfolgen.
In jedem Fall wird sich, wenn die Größe der Zahnräder reduziert wird, der Kugeldurchmesser verringern. Wenn der Kugeldurchmesser reduziert wird, kann dementsprechend die Gesamtgröße des Trägers 12 und der Differentialgetriebeanordnung 10 verringert werden. Dies wird allgemein als vorteilhaft erachtet, da sich durch eine kleinere Differentialgetriebeanordnung das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert und ferner das durch die Differentialgetriebeanordnung eingenommene Volumen in dem Fahrzeug reduziert wird. Dieses gewonnene Volumen könnte entweder genutzt werden, um die Gesamtgröße des Antriebszuges zu reduzieren, oder um eine Vergrößerung anderer Antriebsstrangkomponenten (z. B. des Übersetzungsgetriebes) zu ermöglichen.
Mit verringerter Größe der Zahnräder und der Differentialgetriebeanordnung muss die Differentialgetriebeanordnung jedoch, um einen gleichen Kraftbetrag über die Differentialgetriebeanordnung zu übertragen, in der Lage sein, Übertragungen mit höherer Leistungsdichte zu unterstützen. Unter anderem bedeutet dies, dass die Zahnräder eine Übertragung mit hoher Leistungsdichte ermöglichen müssen und unter diesen konzentrierten Belastungen nicht versagen dürfen. Nachstehend werden verbesserte Zahnräder offenbart, die in der Lage sind, Belastungen mit hoher Leistungsdichte zu übertragen, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Zahnräder.
Nehmen wir nun zusätzlich auf die 2 bis 5 Bezug, so sind in diesen einige der miteinander kämmenden Zahnräder getrennt von der Differentialgetriebeanordnung 10 gezeigt, um den Aufbau und die Form der Zahnräder besser zu veranschaulichen. Sämtliche der in den 2 bis 5 gezeigten Zahnräder können aus Pulvermetall ausgebildet werden, und zwar unter Verwendung eines Prozesses, der nachstehend detaillierter mit Bezug auf die 6 bis 9 beschrieben wird.
Wenngleich es auch einige Unterschiede zwischen diesen Zahnrädern gibt, haben sie viele gemeinsame Merkmale. Jedes der Zahnräder weist einen Korpus 28 mit einer Rotationsachse auf. Der Korpus 28 wird durch Schmieden eines Vorformlings aus eisenhaltigem Pulvermetallmaterial ausgebildet und kann in vielen Fällen bereits aufgekohlt sein. Da das Pulvermetallmaterial geschmiedet wird, wird es nahezu seine volle Dichte erreichen.
An dem äußeren Umfangsrand des Korpus 28 einiger der Zahnräder, beispielsweise des seitlichen Zahnrades 20 in den 3 und 4, die unfertig sind, ist eine Bogenstruktur 30 eingeformt. An den anderen Zahnrädern (beispielsweise dem in 2 gezeigtem seitlichem Zahnrad 18 und den Ritzel 22 und 24) können möglicherweise auch irgendwann Bogenstrukturen ausgebildet gewesen sein; jedoch wurden diese Bogenstrukturen nach dem Schmieden maschinell entfernt, so dass eine Oberfläche 29 zurückbleibt, die kugelstupfförmig oder kegelstumpfförmig sein kann. Wie nachfolgend noch detaillierter in Bezug auf das Verfahren beschrieben wird, spielen diese Bogenstrukturen 30 eine wichtige Rolle bei der Ausrichtung des Vorformlings des Zahnrades in dem Schmiedewerkzeug.
Ein sich axial erstreckendes Loch 32 ist in dem Korpus 28 ausgebildet. Wie bereits erwähnt, kann das axial verlaufende Loch 32 genutzt werden, um die Zahnräder auf einer entsprechenden Welle zu befestigen (entweder der Welle 26 im Falle der beiden Ritzel 22 und 24 oder einer seitlichen Welle wie im Falle der beiden seitlichen Zahnräder 18 und 20).
In der gezeigten Ausführungsform, und wie am besten in den 3 und 5 dargestellt ist, weist das seitliche Zahnrad 20 jedoch ein Loch 32 auf, in das verschiedene Merkmale eingeformt sind. Speziell auf die 3 und 5 Bezug nehmend, sind in dem Loch 32 an dem seitlichen Zahnrad 20 eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Keilprofilen 34 sowie eine umfängliche Haltenut 36 eingeformt. Angesichts der detaillierten Beschaffenheit dieser Merkmale können diese während des Schmiedeprozesses in das Loch 32 eingeschmiedet werden. Die sich axial erstreckenden Keilprofile 34 an den seitlichen Zahnrädern 18 und 20 können genutzt werden, um mit Keilprofilen an den seitlichen Wellen gepaart zu werden, um eine Drehung der seitlichen Zahnräder 18 und 20 auf den entsprechenden Halbwellen zu sperren. Die Haltenut 36 kann genutzt werden, um eine axiale Verschiebung der seitlichen Wellen relativ zu den seitlichen Zahnrädern 18 und 20 zu verhindern, und darüber hinaus, um die Anzahl der Bestandteile und die Komplexität der Montage der seitlichen Wellen an den seitlichen Zahnrädern 18 und 20 zu reduzieren.
In dem Korpus 28 ist eine Mehrzahl von Zähnen 38 ausgebildet. Wie durch die Bezugszeichen in 3 angegeben, weisen die mehreren Zähne 38 Spitzenabschnitte 40 auf, die allgemein senkrecht zur Rotationsachse und in der Nähe der vorderen Hälfte der Zahnräder angeordnet sind, schräge Abschnitte 42, die in Bezug auf die Rotationsachse der Zahnräder geneigt sind, sowie Kantenabschnitte 44, die am äußeren Umfangsrand 46 der Zahnräder zu finden sind. Da die mehreren Zähne 38 in dieser Weise ausgebildet sind, stellen die Zahnräder per Definition Kegelräder dar, was bedeutet, dass die Zähne der Zahnräder in einem Winkel miteinander kämmen können. Wie in den 1 bis 4 dargestellt, kämmen dementsprechend die Zähne der seitlichen Zahnräder 18 und 20 mit den Zähnen der Ritzel 22 und 24, wenngleich die Rotationsachsen der seitlichen Zahnräder 18 und 20 senkrecht zu den Rotationsachsen der Ritzel 22 und 24 liegen.
Bemerkenswert ist, dass durch die Art und Weise, in der die Zahnräder ausgebildet sind, was später noch detaillierter beschrieben wird, die Zähne derart geschmiedet werden können, dass während des Kämmens oder des Kontakts zwischen den seitlichen Zahnrädern 18 und 20 und den Ritzeln 22 und 24 ein größerer Teil der Flanken der Zähne 38 zur Verfügung steht.
Unter anderem können die durch das nachfolgend beschriebene Verfahren geschmiedeten Zahnräder auch Zahnspitzen-Eckradien von weniger als 0,8 mm aufweisen, wodurch ein höheres Kontaktverhältnis zwischen den kämmenden Zähnen ermöglicht wird. Es ist außerdem zu beachten, dass die typische Untergrenze für herkömmliches Schmieden von Spitzen-Eckradien derzeit 0,8 mm beträgt. Die unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellten geschmiedeten Pulvermetall-Kegelräder können Spitzen-Eckradien von weniger als der derzeit typischen Untergrenze aufweisen und bis zu 0,2 mm reichen, und zwar wegen der Ausbildung des Vorformlings und der verwendeten Schmiedetechniken.
Wie am besten in 4 zu sehen ist, erstreckt sich ein Kontaktbereich 48 zwischen kämmenden Zähnen in einem bestimmten Rotationswinkel von einem Bereich nahe der Oberseite des Spitzenabschnitts 40 zu einem Bereich nahe des Kantenabschnitts 44. Der Kontaktbereich verschiebt sich während der Rotation des Zahnradsatzes entlang der Flanke der Zähne 38. Vorzugsweise wird durch den Kontaktbereich 48 im Betriebszustand die Last gleichmäßig auf den Spitzenabschnitt 40 und den Kantenabschnitt 44 der Flanke der Zähne 38 verteilt. Im Zusammenhang mit dem optimierten Kontaktbereich 48 führt der sich durch die kleineren Zahnspitzen-Eckradien ergebende vergrößerte Kontaktbereich zu einer besseren Lastverteilung und Lastübertragung zwischen den kämmenden Zahnrädern während des Betriebs des Differentialgetriebes.
Durch Reduzieren der Zahnspitzen-Eckradien und Optimieren der Struktur des Kontaktbereichs in Verbindung mit den Vorteilen der variablen Aufkohlungstiefe (was später noch beschrieben wird) kann die Gestalt des Zahnradsatzes derart angepasst werden, dass eine höhere Kontaktbeanspruchung der Zahnräder ermöglicht wird, wodurch sich das Verhältnis von Biegebeanspruchung zu Kontaktbeanspruchung verringert, was insgesamt zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Differentialgetriebes führt. Durch diese Verbesserungen an der Form der Zahnradzähne kann das Verhältnis von Biegebeanspruchung zu Kontaktbeanspruchung in einen Bereich zwischen 0,55 und 0,85 gebracht werden. Für Zahnräder, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden, liegt dieses Verhältnis typischerweise näher bei 1,0. Dementsprechend ergeben sich durch das kleinere Verhältnis von Biegebeanspruchung zu Kontaktbeanspruchung kleinere maximale Biegebeanspruchungen, was zu weniger Zahnbrüchen führt.
Wenngleich in den 2 bis 5 nicht zu sehen, weisen die mehreren Zähne 38 außerdem eine aufgekohlte Oberflächenschicht auf. Wie später noch detaillierter beschrieben wird, wird diese aufgekohlte Oberflächenschicht durch variables Schmieden oder Formen einer aufgekohlten Schicht von zunächst einheitlicher Dicke während der Ausbildung des Kegelrades derart ausgebildet, dass die Zähne ein Profil ähnlich dem in 9 gezeigten Profil aufweisen.
Da die Oberfläche der Zähne aufgekohlt ist, können die Zähne eine Oberflächenhärte von 50 HRC bis 60 HRC oder mehr aufweisen, während die Kernhärte des Kegelrades im Bereich von ungefähr 20 HRC bis 50 HRC liegt.
In Abhängigkeit vom speziellen Typ des Zahnrades wie auch dem Aufbau der speziellen Differentialgetriebeanordnung können auch weitere Merkmale in den Zahnrädern ausgebildet sein. Wenngleich nicht gezeigt, können beispielsweise an den seitlichen Zahnrädern Kupplungsverzahnungen zur Verwendung in einem System mit Differentialsperre ausgebildet sein. Als weiteres Beispiel für ein Merkmal, das an einigen Zahnrädern zu finden sein kann, weisen die Ritzel 22 und 24 eine halbkugelförmige Rückseite 56 auf, die an den Wänden der inneren Kammer 14 anliegt. Natürlich können diese und weitere Merkmale an andere Entwurfsüberlegungen für das Differentialgetriebe gebunden sein und sollten in keiner Weise als einschränkend betrachtet werden.
Wenden wir uns nun der 6 zu, so ist in dieser ein Verfahren zur Herstellung derartiger Kegelräder dargestellt. Zunächst wird eine Endgestalt für das Kegelrad ausgewählt oder festgelegt, einschließlich des endgültigen aufgekohlten Profils an den mehreren Zähnen des Kegelrades, entsprechend Schritt 58. Mit dieser endgültigen Form im Hinterkopf, wird auf Basis der endgültigen Gestalt des Kegelrades die Gestalt eines Vorformlings abgeleitet, entsprechend Schritt 60. Gemäß Schritt 62 wird ein Pulvermetallmaterial verdichtet und entsprechend Schritt 63 zur Gestalt des Vorformlings gesintert. Der Vorformling wird aufgekohlt, entweder gleichzeitig mit dem Sintern (nicht dargestellt, was aber eine Kombination der Schritte 63 und 64 bedeuten würde) oder nach dem Sintern, entsprechend Schritt 64, und zwar mit einer im Wesentlichen konstanten oder einheitlichen Aufkohlungstiefe. Bevorzugt erfolgen die Schritte des Sinterns und Aufkohlens gleichzeitig, um zusätzliche Prozessschritte zu vermeiden und die Kosten zu reduzieren. Der gesinterte und aufgekohlte Vorformling wird danach in einer Schmiede platziert, um aus der Gestalt des Vorformlings die Endgestalt des Kegelrades zu schmieden, entsprechend Schritt 66. Wenngleich in 6 nicht angegeben, kann der Prozess ferner eine maschinelle Bearbeitung nach dem Schmieden umfassen, um beispielsweise von dem Zahnrad eine Wellenstruktur am Umfangsrand zu entfernen oder um weitere Merkmale zu verfeinern oder zu dimensionieren.
Zusätzlich auf die 7 bis 9 Bezug nehmend, ist in diesen zur Veranschaulichung eine spezielle Realisierung dieses Verfahrens gezeigt. Diese Realisierung soll nun detaillierter beschrieben werden, um die spezielle Art und Weise zu erläutern, in der die Verfahrensschritte ausgeführt werden können, und auch um die verschiedenen Vorteile des Verfahrens zu unterstreichen.
Entsprechend Schritt 58 muss zunächst die endgültige Gestalt des Kegelrades festgelegt werden. Dieser Schritt kann nicht nur das Bestimmen der Endgestalt des Kegelrades umfassen, sondern auch das Bestimmen des Profils der aufgekohlten Schicht an der Oberfläche des Zahnrades. 9 stellt ein besonders vorteilhaftes Profil dar, bei dem die Aufkohlung an den Spitzen der Zähne am dicksten ist, die Dicke am Sockel der Zähne reduziert ist, und zwischen der Spitze und dem Sockel, z. B. am Flankendurchmesser, eine mittlere Dicke gegeben ist. Angesichts dieser speziellen Geometrie des Kegelrades wird leicht zu erkennen sein, dass das Aufkohlungsprofil der Zähne im Querschnitt in Abhängigkeit von dem Abstand von der Rotationsachse variieren kann. Durch dieses vorteilhafte, variabel aufgekohlte Profil können die Zahnräder höheren Kontaktbeanspruchungen am Flankendurchmesser standhalten, wo die Aufkohlung dicker ist, während eine Sprödigkeit am Sockel vermieden wird, wo die Biegebeanspruchungen typischerweise höher sind. Im Gegensatz dazu lässt sich dieser Vorteil bei herkömmlich geschmiedeten und aufgekohlten Zahnrädern, bei denen die Aufkohlungstiefe an der Flankenlinie und am Sockeldurchmesser aufgrund der Grenzen des Diffusionsprozesses ähnlich ist, praktisch nicht erzielen.
Mit dieser endgültigen Gestalt des Kegelrades und dem Aufkohlungsprofil im Hinterkopf wird dann entsprechend Schritt 60 die Gestalt eines Vorformlings abgeleitet. Aus der Vorgabe der endgültigen Sollgestalt des Kegelrades, dem Aufkohlungsprofil an den Zähnen des endgültigen Kegelrades und der Tatsache, dass der Vorformling vor dem Schmieden auf eine im Wesentlichen einheitliche oder konstante Dicke aufgekohlt wird, kann die Gestalt eines Vorformlings abgeleitet werden, aus der sich nach dem Schmieden die gewünschte Gestalt des fertigen Teils ergibt. Diese Ableitung erfolgt idealerweise mithilfe von Modellierungssoftware, könnte aber auch durch ausführliche manuelle Berechnungen erfolgen. Wenn diese Gestalt des Vorformlings abgeleitet ist, wird ein Werkzeugsatz ausgebildet, der einen Vorformling mit dieser Gestalt ermöglicht (oder durch den sich, genauer gesagt, ein Pulverpressling ergibt, der nach dem Sintern die Sollgestalt des Vorformlings aufweist).
Zur Veranschaulichung ist in 7 ein Vorformling 68 für ein Kegelrad gezeigt, und in 8 ist ein Querschnitt durch einen Abschnitt des Vorformlings 68 gezeigt. Der Vorformling 68 weist einen Korpus 70 mit einem sich axial erstreckenden Loch 72 auf. Eine Mehrzahl von vorgeformten Zähnen 74 ist in einem schrägen Winkel in Bezug auf die Achse des Vorformlings 68 ausgebildet. Die mehreren vorgeformten Zähne 74 weisen vorgeformte Spitzen 76 und vorgeformte Sockel 78 auf. Es ist zu beachten, dass das Profil der mehreren vorgeformten Zähne 74 nicht dem Endprofil der Zähne des geschmiedeten Zahnrades entspricht. Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass in 7 ein äußerer Umfangsrand 80 des Vorformlings 68 eine eingeformte Bogenstruktur 82 aufweist, die mit der Winkelposition der mehreren vorgeformten Zähne 74 korreliert.
Wenn der Vorformling 68 verdichtet ist, wird er entweder nacheinander gesintert und aufgekohlt, wie in 6 gezeigt, oder gleichzeitig, durch Kombination der Schritte 63 und 64. Die Linie der Aufkohlungstiefe ist in 8 mit dem Bezugszeichen 84 bezeichnet. Es sei erwähnt, dass die Aufkohlungstiefe, da es sich bei der Aufkohlung um einen Diffusionsprozess handelt, nicht so diskret ist wie gezeigt. Vielmehr soll mit dieser Linie eine wirksame Aufkohlungstiefe veranschaulicht werden.
Nach dem Sintern und Aufkohlen des Vorformlings 68 wird der Vorformling gemäß Schritt 66 geschmiedet. Wenn der Vorformling 68 in die Schmiede eingefügt wird, richtet sich der Vorformling 68 durch die Bogenstruktur 82 an dem äußeren Umfangsrand 80 des Vorformlings 68 in dem Schmiedewerkzeug aus (sehr wahrscheinlich in der Matrize der Schmiede). Durch die Anordnung der Bogenstruktur 82 wird der Vorformling 68 in dem Schmiedewerkzeug derart ausgerichtet, dass die vorgeformten Zähne 74 in der gewünschten Weise durch das Schmiedewerkzeug geformt werden können. Die Kontaktfläche des Schmiedewerkzeugs wird ein zu der in 9 gezeigten endgültigen Gestalt des Zahnes invertiertes Profil aufweisen, und die Bogenstruktur 82 hilft sicherzustellen, dass die vorgeformten Zähne 74 winkelmäßig exakt mit den Kontaktflächen des Schmiedewerkezeugs ausgerichtet werden.
Während des Schmiedens wird der Vorformling 68 in die Endgestalt des Kegelrades geschmiedet, wobei dessen Zähne im Querschnitt in 9 gezeigt sind. Wie anhand eines Vergleichs der Querschnitte aus den 8 und 9 zu erkennen ist, entsteht während des Schmiedens eine Mehrzahl von vollständig entwickelten Zähnen 86 mit Spitzen 88 und Sockeln 90 mit einem endgültigen Aufkohlungsprofil 92 variabler Dicke. Die Dicke des variablen Aufkohlungsprofils an den verschiedenen Punkten ist von der speziellen Art und Weise abhängig, in der die einheitliche Aufkohlungsschicht während des Schmiedens variabel geformt wird.
Es sollte verstanden werden, dass das Ausbilden eines Kegelrades mit der beschriebenen Leistungsfähigkeit mit bekannten Pulvermetallverfahren nicht möglich war. Zu beachten ist, dass, würde ein gesinterter Vorformling einen einheitlichen Kohlenstoffgehalt aufweisen, der benötigt wird, um die Anforderung hinsichtlich der Oberflächenhärte zu erfüllen, es aufgrund zu starker Werkzeugbeanspruchung zu schwer wäre, diesen Vorformling mit dieser Art von komplexer Geometrie zu schmieden. Ohne einen Vorformling 68 mit einer Mehrzahl vorgeformter Zähne 74 hätte der gesinterte Vorformrohling eine kegelstumpfförmige Oberfläche, in den die Zähne geschmiedet werden müssten. Das Herbeiführen eines Fließens einer aufgekohlten Schicht zum Formen von Zähnen würde eine beträchtliche Verschiebung oder Bewegung des aufgekohlten Materials von der ursprünglich kegelstumpfförmigen Oberfläche erfordern, was eine starke Beanspruchung der Schmiedewerkzeuge bedeuten und häufig zum Ausfall der Werkzeuge führen würde. Dies würde außerdem starke Einschränkungen hinsichtlich der Form der Aufkohlungsschicht mit sich bringen. Auch könnte, würde man ein nicht aufgekohltes Teil schmieden und danach aufkohlen, wegen der Grenzen des rein diffusiven Aufkohlungsprozesses nicht das herkömmliche Gas-Aufkohlungsverfahren verwendet werden, um das offenbarte variable Profil auszubilden.
Durch Erzeugen eines Vorformlings 68 mit einer Mehrzahl von vorgeformten Zähnen 74 und dem Ausrichten der vorgeformten Zähne 74 relativ zu dem invertierten Zahnprofil an dem Schmiedewerkzeug vor dem Schmieden kann das endgültige Zahnprofil geformt werden, ohne das Material der aufgekohlten Schicht derart weit zu verschieben als wenn die vorgeformte Zahnoberfläche kegelstumpfförmig wäre. Da das aufgekohlte Material nicht so weit verschoben zu werden braucht, können feinere Merkmale ausgebildet werden, darunter die bereits erwähnten verminderten Zahnspitzen-Eckradien, die verbesserte Zahnradformen ermöglichen, welche eine verbesserte Leistungsfähigkeit ermöglichen.
Weil darüber hinaus die Endabmessungen des Teils in dem Schmiedeschritt festgelegt werden, kann das Aufkohlen vor dem Schmieden bei einer höheren Temperatur erfolgen als wenn das Aufkohlen nach dem Schmieden durchgeführt würde. Würde ein geschmiedetes Teil nachträglich aufgekohlt werden, müsste die Temperatur, bei der die Aufkohlung erfolgt, relativ niedrig gehalten werden, um eine Verzerrung der Endabmessungen des Teils oder ein Absacken von Abschnitten des Teils zu vermeiden. Weil die Gas-Aufkohlung einen Diffusionsprozess darstellt und hochgradig temperaturabhängig ist, ist für ein Aufkohlen bei niedrigeren Temperaturen eine längere Zeit erforderlich.
Der beschriebene Prozess ermöglicht hingegen ein Aufkohlen des Vorformlings vor dem Schmieden, zu welchem Zeitpunkt das Beibehalten von exakten Dimensionen in dem Vorformling weniger bedeutsam ist. Das Aufkohlen kann bei höheren Temperaturen erfolgen, und das Aufkohlen bis auf eine vorgegebene Tiefe kann schneller erreicht werden. Außerdem kann, wenn das Teil gleichzeitig gesintert und aufgekohlt wird, durch die anfängliche Porosität des Teils die Geschwindigkeit und Tiefe des Eindringens während des Aufkohlungsprozesses weiter verbessert werden. Da die Enddimensionen des durch den beschriebenen Prozess hergestellten Zahnrades während des Schmiedens bestimmt werden, wird das endgültige Pulvermetall-Kegelrad dennoch eine hervorragende Dimensionsgenauigkeit aufweisen.
Dementsprechend kann aus einem aufgekohlten Vorformling ein Kegelrad mit einem exakt kontrollierten Aufkohlungsprofil und einer exakt kontrollierten Zahnrad-Endgestalt ausgebildet werden. Bisher bestanden, da das Aufkohlen erst nach dem Schmieden erfolgen konnte, Einschränkungen hinsichtlich der Gestalt des Endprofils der aufgekohlten Schicht.
Die unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellten Zahnräder wurden in Differentialgetriebeanordnungen ähnlich der Differentialgetriebeanordnung 10 getestet, mit einer bisher ungekannten Leistungsfähigkeit. Schauen wir uns nun 10 an, so wurden mithilfe des vorstehenden Verfahrens ausgebildete Zahnräder in einer Differentialgetriebeanordnung platziert und einem beschleunigten Haltbarkeitstest für die Differentialgetriebeanordnung unterzogen, bei dem Betriebsbedingungen simuliert wurden. Dieser Test wird in einer Mehrachsenmaschine ausgeführt, die ein Eingangsdrehmoment für das Differentialgetriebe liefert und die Geschwindigkeitsdifferenz (typischerweise im Bereich von 5 bis 20 Umdrehungen pro Minute) sowie die Drehmomentdifferenz (typischerweise im Bereich von 20 bis 50%) zwischen den beiden seitlichen Wellen kontrolliert. Der beschleunigte Haltbarkeitstest kann mit dem Differentialgehäuse an Ort und Stelle arretiert und bei niedrigen Geschwindigkeiten ausgeführt werden (d. h. bei niedrigeren Geschwindigkeiten als der vollen Geschwindigkeit, aber Geschwindigkeiten, die ausreichen, um die gewünschte Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden seitlichen Wellen zu erzeugen). Außerdem werden reale Schmierbedingungen simuliert, indem der Test unter entsprechenden Bedingungen in einem Bad mit einem geeigneten Öl durchgeführt wird. Auf diese Weise können Betriebsbedingungen mit härtestmöglichem Beanspruchungspotential simuliert werden, um das Differentialgetriebe maximalen Beanspruchungsbedingungen auszusetzen, die durch konstantes Differenzieren des Differentialgetriebes bewirkt werden, um z. B. ein aggressives Fahren eines Fahrzeugs in engem Kreis in einschränkendem Schlamm zu simulieren.
Um die graphische Darstellung aus 10 zu erzeugen, wurden Differentialgetriebeanordnungen verschiedener Größe mit unterschiedlichen Kugeldurchmessern und unterschiedlichen Anwendungsanforderungen bewertet. Wie bereits erwähnt, stellt der Kugeldurchmesser diejenige Kugel dar, innerhalb der sämtliche Zähne der Ritzel angeordnet sind. Die Differentialgetriebeanordnungen wurden untersucht, um die Größe des differenziellen Eingangsdrehmoments zu bestimmen, dass die Anordnungen mit verschiedenen Kugeldurchmessern zuverlässig übertragen konnten. Um zuverlässig bei diesen Bedingungen arbeiten zu können, mussten die Zahnräder der Differentialgetriebeanordnung in der Lage sein, zumindest eine Stunde lang unter den extremsten simulierten Bedingungen des Haltbarkeitstests wie zuvor beschrieben zu arbeiten. Es sollte verstanden werden, dass im tatsächlichen Einsatz die extremsten Bedingungen lediglich periodisch und kurzzeitig auftreten können. Ein beschleunigter Test dieser Art ist also dafür bestimmt, die Leistungsfähigkeit des Differentialgetriebes zu bewerten, ist jedoch nicht typisch für den tatsächlichen Einsatz.
Die Parameter aus der Untersuchung der Differentialgetriebe unterschiedlicher Größe sind in der nachstehenden Tabelle I zu finden. Tabelle I

Kugeldurchmesser (mm) Differential-Eingangsdrehmoment (N·m)

74 3.000

79 3.500

81 3.800

85 4.500

126 10.600
Diese Daten sind in der graphischen Darstellung aus 10 aufgetragen, und aus diesen fünf Datenpunkten wurde eine Regressionsgerade Y = 0,0068·X + 55 berechnet, um eine Beziehung zwischen dem Kugeldurchmesser und dem Differential-Eingangsdrehmoment zu finden. Wie in 10 angegeben, legt eine zweite, verschobene Linie Y = 0,0068·x + 60 den zuverlässigen Betrieb fest (d. h. eine Linie die den Betrieb innerhalb ungefähr 10% der Regressionsgeraden darstellt), für einen Kugeldurchmesser von Y N·m für ein Differential-Eingangsdrehmoment von X N·m. Alle Werte links dieser Linie sind als Übertragungen mit niedriger Leistungsdichte definiert, und die Werte rechts dieser Linie sind als Übertragungen mit hoher Leistungsdichte definiert.
Es wurden somit Kegelräder für eine Differentialgetriebeanordnung offenbart, die Übertragungen mit hoher Leistungsdichte ermöglichen. Diese Kegelräder werden mithilfe von Verfahren hergestellt, durch welche die Gesamtleistungsfähigkeit der Zahnräder erhöht wird und eine Reduzierung der Größe derselben ermöglicht wird. Dementsprechend kann die Größe der Zahnräder reduziert werden, ohne dass notwendigerweise die Fähigkeit der Zahnräder zur Übertragung von Kraft über das Differentialgetriebe reduziert wird. Dementsprechend können der Kugeldurchmesser der Zahnräder und die Gesamtgröße der Differentialgetriebeanordnung reduziert werden, um eine Differentialgetriebeanordnung mit einer kleineren Baugröße zu erzeugen, ohne die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs zu beeinträchtigen.
Es sollte verstanden werden, dass verschiedene weitere Modifikationen und Varianten der bevorzugten Ausführungsformen im Rahmen des erfinderischen Gedankens und des Schutzumfangs der Erfindung realisiert werden können. Die Erfindung soll daher nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein. Zur Bewertung des vollen Schutzumfangs der Erfindung sind die folgenden Ansprüche heranzuziehen.

Claims

Differentialgetriebeanordnung (10) zur Kraftübertragung in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, umfassend: einen Träger (12), der um eine Abtriebsachse drehbar ist, die sich durch den Träger hindurch erstreckt, wobei in dem Träger Raum mit einem Kugeldurchmesser vorhanden ist; einen Satz miteinander kämmender Zahnräder (16), die durch den Träger gehalten werden, umfassend zwei voneinander beabstandete und koaxiale seitliche Zahnräder (18, 20), die jeweils einzeln mit zwei voneinander beabstandeten und koaxialen Ritzeln (22, 24) kämmen, wobei ein seitliches Zahnrad an der einen Seite der Ritzel mit den Ritzeln kämmt und das andere seitliche Zahnrad an der gegenüberliegenden Seite der Ritzel mit den Ritzeln kämmt, wobei die beiden seitlichen Zahnräder derart gelagert sind, dass sie um die Abtriebsachse drehbar sind, und die beiden Ritzel derart gelagert sind, dass sie um eine zu der Abtriebsachse senkrechte Achse drehbar sind und dass sie die Abtriebsachse umkreisen können, wodurch eine differentielle Kraftübertragung von einem Krafteingang zu dem Träger, übertragen über die Ritzel auf die seitlichen Zahnräder bereitgestellt wird, wobei die Zahnräder des Satzes miteinander kämmender Zahnräder Pulvermetall-Kegelräder sind, welche umfassen: einen Korpus (28) mit einer Rotationsachse, ein in dem Korpus ausgebildetes, sich axial erstreckendes Loch (32), und eine Mehrzahl von in dem Korpus ausgebildeten Zähnen (38), wobei die mehreren Zähne Abschnitte (42) aufweisen, die in Bezug auf die Rotationsachse geneigt sind; wobei sich die Zähne der Ritzel vollständig innerhalb des durch den Kugeldurchmesser definierten Raumes befinden; und wobei die Ritzel und die seitlichen Zahnräder Zahnprofile aufweisen, durch die an den mehreren Zähnen ein Verhältnis von Biegebeanspruchung zu Kontaktbeanspruchung zwischen 0,55 und 0,85 aufrechterhalten wird, das jeweilige Pulvermetall-Kegelrad ein pulvergeschmiedetes Zahnrad ist, welches aus einer gesinterten und aufgekohlten Vorform hergestellt ist, wobei das jeweilige Pulvermetall-Kegelrad eisenhaltig ist und an den mehreren Zähnen eine aufgekohlte Oberflächenschicht aufweist, wobei die aufgekohlte Oberflächenschicht um einen Umfang der Zähne herum eine variable Tiefe aufweist, wobei die aufgekohlte Oberflächenschicht während des Schmiedens variabel geformt ist, so dass eine Aufkohlung an den Spitzen am dicksten, an einem Sockel der Zähne im Vergleich dazu reduziert und am Flankendurchmesser der Zähne eine mittlere Aufkohlung in Bezug auf eine Aufkohlung an Spitze und Sockel aufweist, wobei das Pulvermetall-Kegelrad eine Kernhärte von 20 HRC bis 50 HRC und eine Oberflächenhärte an den mehreren Zähnen von mehr als 50 HRC aufweist und das Pulvermetall-Kegelrad Zahnspitzen-Eckradien von weniger als 0,8 mm aufweist, wobei an einem äußeren Umfangsrand des Korpus des Pulvermetall-Kegelrades eine Bogenstruktur (30) ausgebildet ist, wobei eine Winkelposition der an dem Pulvermetall-Kegelrad (20) ausgebildeten Bogenstruktur (30) einer Winkelposition der an einem Vorformpressling (68) ausgebildeten Bogenstruktur (82) entspricht, der geschmiedet wird, um das Kegelrad auszubilden, wodurch der Vorformpressling während des Schmiedens winkelmäßig in Bezug auf ein Schmiedewerkzeug ausgerichtet wird.
Differentialgetriebeanordnung nach Anspruch 1, wobei das sich axial erstreckende Loch eine Mehrzahl von darin eingeschmiedeten, sich axial erstreckenden Keilprofilen (34) aufweist.
Differentialgetriebeanordnung nach Anspruch 2, wobei das sich axial erstreckende Loch ferner eine darin eingeschmiedete Haltenut (36) aufweist.
Pulvermetall-Kegelrad einer Differentialgetriebeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Satz von aus Pulvermetall geschmiedeten Kegelrädern einer Differentialgetriebeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.