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Die
Erfindung geht aus von einer Betätigungseinrichtung
für eine
schaltbare Kupplung, insbesondere für ein Sperrdifferentialgetriebe
für ein Kraftfahrzeug,
mit einem Linearantrieb und einem Zapfen zum Einrücken und
Ausrücken
der schaltbaren Kupplung, wobei der Linearantrieb ein Gehäuse und
ein Betätigungsglied
aufweist.
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Differentialgetriebe,
auch als Ausgleichsgetriebe bekannt, gehören seit langem zum Stand der Technik
in Kraftfahrzeugen. Sie dienen dazu, die bei Kurvenfahrt des Fahrzeugs
unterschiedlichen Abrollgeschwindigkeiten des kurvenäußeren Rades
und des kurveninneren Rades auszugleichen.
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Bei
der Fahrt abseits befestigter Straßen oder beim Fahren auf Untergründen mit
unterschiedlichen Haftreibungswerten haben Differentialgetriebe die
nachteilige Eigenschaft, dass, sobald ein Rad die Haftung verliert,
das auf das andere Rad übertragbare
Drehmoment stark zurückgeht.
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Um
diesen Nachteil auszugleichen, ist es ebenfalls seit langem bekannt,
eine sogenannte Differentialsperre vorzusehen. Solche schaltbaren
Differentialsperren blockieren die Ausgleichsfunktion des Differentialgetriebes,
so dass beide Räder
einer Achse stets mit der gleichen Drehzahl rotieren. Dadurch kann
auch abseits der Straßen
und bei Untergründen
mit unterschiedlichen Haftreibungskoeffizienten eine hohes Drehmoment
von den Rädern
auf den Untergrund übertragen
werden.
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Unter
dem Namen "Offrotec
Locker" werden von
der Gebrauchsmusterinhaberin solche Differentialsperren seit vielen
Jahren für
verschiedenste Fahrzeuge hergestellt und entweder ab Werk oder nachträglich eingebaut.
Betätigt
wird die "Offrotec
Locker"-Differentialsperre
durch einen pneumatischen Arbeitszylinder. Dieser pneumatische Arbeitszylinder,
welcher im Zusammenhang mit der Erfindung auch als Linearantrieb
bezeichnet wird, wird vom Unterdruck im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine
angetrieben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiter verbesserte Betätigungseinrichtung
für eine
schaltbare Kupplung, insbesondere für ein Sperrdifferentialgetriebe
eines Kraftfahrzeugs, bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Betätigungseinrichtung
für eine
schaltbare Kupplung, insbesondere für ein Sperrdifferentialgetriebe
eines Kraftfahrzeugs, mit einem Linearantrieb und einem Zapfen zum
Einrücken
und Ausrücken
der schaltbaren Kupplung, wobei der Linearantrieb ein Gehäuse und ein
Betätigungsglied
aufweist, dadurch gelöst,
dass das Betätigungsglied
und der Zapfen durch mindestens ein erstes Federelement miteinander
gekoppelt sind.
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Dadurch,
dass das Betätigungsglied
des Linearantriebs und der Zapfen, welcher die schaltbare Kupplung
des Sperrdifferentialgetriebes ein- und ausrückt, durch ein erstes Federelement
miteinander gekoppelt sind, kann das Betätigungsglied eine Stellbewegung
ausführen,
ohne dass der Zapfen dieser Stellbewegung unmittelbar folgen muss.
Es baut sich vielmehr zwischen Betätigungsglied und Zapfen eine Federkraft
auf, welche dazu führt,
dass die schaltbare Kupplung genau dann einrückt, wenn die miteinander in
Eingriff zu bringenden Teile der schaltbaren Kupplung so zueinander
angeordnet sind, dass die Kupplung geschaltet werden kann. Dadurch
wird einerseits ein schnelles und verschleißarmes Betätigen der schaltbaren Kupplung
gewährleistet
und andererseits wird der Linearantrieb nicht überlastet, wenn während der
Stellbewegung die schaltbare Kupplung nicht sofort ein- oder ausrücken kann.
Dadurch wird der Linearantrieb insgesamt entlastet und dessen Lebensdauer
erhöht.
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Um
das Einrücken
und das Ausrücken
der schaltbaren Kupplung weiter zu verbessern, ist vorgesehen, dass
der Zapfen in einer Führungshülse gelagert
ist. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist
die Bewegungsrichtung des Zapfens koaxial zur Bewegungsrichtung
des Linearantriebs. Dadurch ist eine sehr einfache und verschleißarme Übertragung
der Stellbewegung des Linearantriebs auf den Zapfen möglich.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Führungshülse an dem
Zapfen oder an dem Gehäuse
des Linearantriebs mindestens mittelbar befestigt sein. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn zwischen der Führungshülse und dem Zapfen oder dem
Gehäuse
des Linearantriebs ein Schutzrohr vorgesehen ist, welches zum einen
die Verschmutzung der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung vermeidet
und andererseits eine mittelbare Befestigung der Führungshülse mit
dem Zapfen oder dem Gehäuse
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass der Linearantrieb einen Elektromotor, insbesondere einen
Gleichstrommotor mit einem Lineargetriebe aufweist. Durch diese
Art des Linearantriebs kann eine große Betätigungskraft auf die schaltbare
Kupplung ausgeübt
werden, was das schnelle und sichere Schalten der Kupplung unterstützt. Durch
die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung
ist jedoch gleichzeitig gewährleistet,
dass der Elektromotor nicht überlastet
wird. Derartige Linearantriebe sind frei auf dem Markt erhältliche
käufliche
Großserienprodukte,
die noch dazu sehr kostengünstig
und bei gleichzeitig sehr hoher Qualität und mit sehr großer Stellkraft
erhältlich
sind.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich das erste Federelement
einenends gegen das Betätigungsglied
und anderenends gegen den Zapfen abstützt. Dadurch ist die gewünschte erfindungsgemäße Kopplung
des Betätigungsglieds
mit dem Zapfen über
ein erstes Federelement auf einfache Weise möglich. Wenn ausschließlich ein
erstes Federelement vorhanden ist, dann muss dieses erste Federelement
sowohl Zug- als auch Druckkräfte
zwischen dem Betätigungsglied
und dem Zapfen übertragen
können.
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Alternativ
kann auch ein zweites Federelement vorgesehen sein, welches sich
einenends gegen den Zapfen und anderenends gegen die Führungshülse abstützt. In
diesem Fall ist es ausreichend, wenn das erste Federelement und
das zweite Federelement Druckkräfte
zwischen Betätigungsglied
und Zapfen beziehungsweise zwischen Zapfen und Führungshülse übertragen kann. Durch eine
geeignete Abstimmung der Federraten und der Vorspannung des ersten
Federelements und des zweiten Federelements kann sichergestellt
werden, dass die zum Schalten der schaltbaren Kupplung erforderlichen
Stellkräfte
sowohl beim Einrücken
als auch beim Ausrücken
der schaltbaren Kupplung vom Linearantrieb auf den Zapfen übertragen
werden können.
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Um
eine sichere Aufnahme des ersten und/oder des zweiten Federelements
an dem Zapfen zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, wenn der Zapfen einen Federteller aufweist,
auf dem sich das erste und/oder das zweite Federelement abstützen.
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Um
die schaltbare Kupplung des Sperrdifferentials zu betätigen, ist
es vorteilhaft, wenn an den Zapfen eine Schaltgabel befestigt ist,
die zum Einrücken
und Ausrücken
der Differentialsperre beziehungsweise der schaltbaren Kupplung
dient.
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Das
erste und das zweite Federelement können als Spiralfeder ausgebildet
sein, so dass auf einfache, zuverlässige und kostengünstige Weise
die gewünschte
Kopplung zwischen Betätigungsglied, Zapfen
und Führungshülse hergestellt
werden kann.
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Die
eingangs gelöste
Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch ein Differentialgetriebe mit einem drehbar gelagerten Differentialkorb
mit mindestens einem in dem Differentialkorb drehbar gelagerten
Ausgleichskegelrad, mit zwei Achskegelrädern, wobei sich das mindestens
eine Ausgleichskegelrad und die Achskegelräder im Eingriff befinden, und
mit einer schaltbaren Kupplung zwischen dem Differentialkorb und
dem mindestens einen Ausgleichskegelrad dadurch, dass die schaltbare
Kupplung mit einer Betätigungseinrichtung
nach einem der vorhergehenden Ansprüche betätigt wird.
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Bei
diesem Differentialgetriebe sind die gesamten erfindungsgemäßen Vorteile
der beanspruchten Betätigungseinrichtung
realisiert, so dass deren Vorteile auch bei dem beanspruchten Differentialgetriebe
voll zum Tragen kommen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale
können
sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 eine Ansicht von oben
auf eine Starrachse mit einem Differentialgetriebe und einer Antriebswelle;
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2 eine Ansicht von vorne
auf einen erfindungsgemäßen Linearantrieb
mit einem nur teilweise dargestellten Differentialgetriebe; und
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3 ein erfindungsgemäßer Linearantrieb in
einem Schnitt entlang der Line B – B aus 2.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Hinterradachse 1 mit
zwei Radnaben 3 und einem Differentialgetriebe 5 in
einer Ansicht von oben dargestellt. Eine Kardanwelle 7 treibt
die Radnaben 3 über
das Differentialgetriebe 5 in an sich bekannter Weise an.
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Das
Differentialgetriebe 5 hat die Aufgabe, die während der
Kurvenfahrt auftretenden Drehzahlunterschiede zwischen der kurvenäußeren Radnabe und
der kurveninneren Radnabe 3 auszugleichen. Diese Ausgleichsfunktion
ist jedoch dann unerwünscht,
wenn das nicht dargestellte Fahrzeug sich abseits befestigter Straßen auf
rutschigen Untergründen
bewegt und die von den beiden Rädern übertragbare
Leistung verschieden ist. Dann nämlich
führt die Ausgleichsfunktion
des Differentialgetriebes 5 dazu, dass auf beide Radnaben
nur ein sehr geringes Antriebsmoment übertragen werden kann und das Fahrzeug
deshalb möglicherweise
nicht mehr vorankommt.
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Um
diesen unerwünschten
Effekt eines Differentialgetriebes 5 zu vermeiden, sind
vor allem bei Geländefahrzeugen
die Differentialgetriebe als Sperrdifferentiale ausgeführt. Dies
bedeutet, dass die Ausgleichsfunktion des Differentialgetriebes
5 vom Fahrer, beispielsweise durch die Betätigung eines Schalters, ein-
oder ausgeschaltet werden kann. Diese Differentiale werden im Zusammenhang
mit der Erfindung als Sperrdifferentiale bezeichnet, wobei deren
Sperrwirkung 100 beträgt.
Dazu ist eine schaltbare Kupplung (nicht dargestellt in 1) erforderlich, welche
von einem Linearantrieb 9 betätigt wird.
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In
der 2 ist eine Ansicht
auf den Linearantrieb 9 und das Differentialgetriebe 5 in
Richtung der in 1 eingezeichneten
Pfeile 11 dargestellt. Nicht dargestellt in der Ansicht
gemäß 2 sind das Gehäuse des
Differentialgetriebes 5 und die Achse 1. Von dem
Differentialgetriebe 5 ist lediglich ein Differentialkorb 13 sowie
andeutungsweise eine schaltbare Kupplung 15, zum Betätigen der
in 2 nicht vollständig dargestellten
Differentialsperre 15 sichtbar.
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Die
Funktion eines Differentialgetriebes und einer schaltbaren Differentialsperre
wird im Folgenden als bekannt vorausgesetzt, da beide seit langem zum
Stand der Technik gehören.
Im Kraftfahrzeugtechnischen Taschenbuch, 23. Auflage, der Robert Bosch
GmbH ist auf Seite 604 ein Differentialgetriebe beschrieben. Auf
diese Beschreibung wird im Folgenden Bezug genommen und nur die
für das
Verständnis
der Erfindung notwendigen Bauteile des Differentialgetriebes 5 nachfolgend
näher erläutert.
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An
dem Differentialkorb 13 ist ein Flansch 17 vorgesehen,
an dem ein in 2 nicht
dargestelltes Tellerrad angeflanscht wird. Die in 2 ebenfalls nicht dargestellten Abtriebswellen,
welche das Differentialgetriebe 5 mit den Naber 3 verbinden,
werden an den Ausgängen 19 des
Differentialkorbs 13 in das Differentialgetriebe 5 eingeführt. Die
schaltbare Kupplung 15 ist auf der in 2 linken Seite des Differentialkorbs
angeordnet.
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Gesperrt
wird ein Differentialgetriebe 5, wie aus dem Stand der
Technik bekannt, dadurch, dass ein innerhalb des Differentialkorbs 13 angeordnetes in
diesem drehbar gelagertes Ausgleichskegelrad (nicht dargestellt)
drehfest mit dem Differentialkorb 13 verbunden wird. Im
vorliegenden Fall wird diese drehfeste Verbindung zwischen Differentialkorb 13 und
dem nicht dargestellten Ausgleichskegelrad durch Zapfen 21,
die in einer Kupplungsscheibe 23 befestigt sind und im
Differentialkorb 13 geführt
werden, hergestellt.
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In
dem nicht dargestellten Ausgleichskegelrad sind Bohrungen vorhanden,
die in Zahl und Anordnung den Zapfen 21 (siehe die Ansicht
von links) des Differentialkorbs 13 in 2) entsprechen. Dies bedeutet, dass wenn
die Kupplungsscheibe 23 in Richtung des Differentialkorbs 13 bewegt
wird, sich die Stifte 21 in Richtung des nicht dargestellten
Ausgleichskegelrads bewegen und in die Bohrungen des nicht dargestellten
Ausgleichkegelrads einrasten. Wenn die Stifte 21 in das
Ausgleichskegelrad eingerastet sind, ist das Differentialgetriebe 5 gesperrt
und die Naben 3 drehen sich stets mit gleicher Drehzahl. Damit
ist eine hochbelastbare drehfeste Verbindung zwischen dem Differentialkorb 13 und
dem nicht dargestellten Ausgleichskegelrad geschaffen.
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In
der Kupplungsscheibe 23 ist eine Umfangsnut 25 eingearbeitet,
in die eine Schaltgabel 27 eingreift. Die Schaltgabel 27 ist
wiederum mit dem Linearantrieb 9 verbunden und wird von
diesem bewegt. Dies bedeutet, dass durch Ansteuern des Linearantriebs 9 die
schaltbare Kupplung 15 des Differentialgetriebes 5 betätigt werden
kann. Die Betätigung der
Schaltgabel 27 durch den Linearantrieb 9 wird nachfolgend
anhand der 3, welche
einen Schnitt entlang der Linie B – B aus 2 darstellt, näher erläutert.
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Der
Linearantrieb 9 ist ein handelsüblicher elektrischer Aktuator,
welcher im Wesentlichen aus einem Elektromotor 29 und einem
Lineargetriebe 31 besteht. Zwischen dem Linearantrieb 9 und
der Schaltgabel 27 ist ein Schutzrohr 33 angeordnet.
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Anhand
der 3 wird zunächst die
Funktion des Differentialgetriebes 5 kursorisch erläutert. In dem
Differentialkorb 13 sind zwei einander gegenüberliegend
angeordnete Ausgleichskegelräder 35 drehbar
gelagert. Die Ausgleichskegelräder 35 Kämmen mit
zwei ebenfalls einander gegenüberliegend angeordneten
Achskegelrädern 37.
Die Achskegelräder 37 weisen
eine Innenverzahnung 39 auf, in die nicht dargestellte
Abtriebswellen formschlüssig
eingeführt
werden können.
Dies bedeutet, dass die Achskegelräder und die Abtriebswellen
(nicht dargestellt) drehfest miteinander verbunden sind. In dem linken
Achskegelrad 37 sind Löcher 41 vorgesehen, die
den gleichen Durchmesser wie die Stifte 21 aufweisen und
auf dem gleichen Lochkreisdurchmesser wie die Stifte 21 angeordnet
sind. Die Stifte 21 sind durch einen Vorsprung 43 formschlüssig mit
der Kupplungsscheibe 23 verbunden. Außerdem werden die Stifte 21 in
dem Differentialkorb 13 geführt.
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Durch
die formschlüssige
Verbindung zwischen Kupplungsscheibe 23 und Stiften 21 wird
die Stellbewegung der Kupplungsscheibe 13, welche in der 3 in waagerechter Richtung
nach rechts verläuft,
ebenfalls von den Stiften 21 ausgeführt. Wenn nun die Stifte 21 in 3 nach rechts bewegt werden,
rasten sie in die Löcher 41 des
linken Achskegelrads 37 ein und stellen somit eine drehfeste
Verbindung zwischen dem Differentialkorb 13 und dem Achskegelrad 37 her.
Das Differentialgetriebe 5 ist somit gesperrt.
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Wie
aus 3 ersichtlich, ist
die Schaltgabel 27 durch eine nur andeutungsweise dargestellte Schraube 45 mit
dem Linearantrieb 9 verbunden. Der Linearantrieb 9 besteht
aus einem Elektromotor 29 und einem Lineargetriebe, welches
die Rotationsbewegung des Elektromotors 29 in eine lineare
Bewegung eines Betätigungsglieds 47 umsetzt.
Das Betätigungsglied 47 ist
in einem Gehäuse 49 des
Linearantriebs 9 axial geführt.
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Mit
dem Betätigungsglied 47 ist
das Schutzrohr 33 fest verbunden. Am anderen Ende des Schutzrohrs 33 ist
eine Führungshülse 51 mit
dem Schutzrohr 33 verbunden. Die Führungshülse 51 wiederum nimmt
einen Zapfen 53 axial verschiebbar auf. Die Schaltgabel 27 ist
mit dem Zapfen 53 durch eine Schraube 45 fest
verbunden. An dem der Schaltgabel 47 entgegengesetzten
Ende des Zapfens 53 weist dieser einen Federteller 55 auf,
der ebenfalls durch eine Schraube 45 mit dem Zapfen 53 verbunden
ist.
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Zwischen
dem Betätigungsglied 47 des
Linearantriebs 9 und dem Federteller 55 ist ein
erstes Federelement, welches als Spiralfeder 57 ausgebildet ist,
eingespannt. Zwischen dem Federteller 55 und der Führungshülse 51 ist
ein zweites Federelement 59, welches ebenfalls als Spiralfeder
ausgeführt
ist, eingespannt. Wenn nun das Betätigungsglied 47 von dem
Lineargetriebe in 3 nach
rechts bewegt wird, dann bewegen sich wegen der starren Kopplung
zwischen Betätigungsglied 47,
Schutzrohr 33 und Führungshülse 51 auch
das Schutzrohr 33 und die Führungshülse 51 nach rechts.
Diese Bewegung des Betätigungsglieds 47 führt nicht
zwangsläufig
zu einer Schaltbewegung des Zapfens 53 beziehungsweise
der Kupplungsscheibe 27, da die Bewegung des Betätigungsglieds 47 über das
erste Federelement 57 auf den Zapfen 53 übertragen
wird. Wenn sich die Stifte 21 zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs nicht
in Deckung mit den Löchern 41 in
dem Achskegelrad 37 befinden, kann die Schaltgabel 27 keine Bewegung
nach rechts in 3 ausführen. Dies
bedeutet, dass das erste Federelement 57 zusammengedrückt wird
und eine den Federraten und der Vorspannung des ersten Federelements 57 und
des zweiten Federelements 59 entsprechende Anpresskraft
von der Schaltgabel 27 auf die Kupplungsscheibe 23 und
damit auch auf die Stifte 21 übertragen wird.
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Sobald
die Löcher 41 in
Deckung mit den Stiften 21 gelangen, werden die Stifte 21 in
die Löcher 41 des
Achskegelrades 37 gedrückt
und die gewünschte
formschlüssige
Verbindung zwischen Differentialkorb 13 und Achskegelrad 37 wird
hergestellt. In anderen Worten: Das Differentialgetriebe 5 sperrt.
Die Löcher 41 in
Deckung mit den Stiften 21 gelangen, wenn das Fahrzeug
eine Kurve fährt
oder ein Rad durchdreht.
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Wenn
die Differentialsperre wieder außer Betrieb genommen werden
soll, das heißt
wenn die schaltbare Kupplung geöffnet
werden soll, wird das Betätigungsglied 47 des
Linearantriebs 9 in 3 nach
links bewegt, so dass das erste Federelement 57 entspannt
wird. Wegen der in dieser Position vorhandenen Vorspannung des zweiten
Federelements 59 wirkt auf den Zapfen 53 eine
resultierende Kraft, welche den Zapfen 53 und damit auch
die Kupplungsscheibe 23 in 3 nach
links bewegen will. Sobald nun die Stifte 21 kein Drehmoment
zwischen Differentialkorb 13 und Achskegelrad 37 übertragen müssen, reicht
die von dem zweiten Federelement 59 auf den Zapfen 53 übertragene
Vorspannkraft aus, um die Stifte 21 aus den Löchern 41 zu
ziehen und somit die schaltbare Kupplung zu öffnen.
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Dadurch,
dass in erfindungsgemäßer Weise die
Bewegung des Betätigungsglieds 47 und
die Bewegung des Zapfens 53 beziehungsweise der Kupplungsscheibe 23 teilweise
entkoppelt ist, kann erstens ein effektives und verschleißarmes Schalten
der schaltbaren Kupplung gewährleistet
werden, ohne dass der Linearantrieb 9 überlastet wird. Dadurch ist eine
große
Zuverlässigkeit
der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung
unter allen denkbaren Betriebsbedingungen möglich bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten.
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Um
die Zentrierung des ersten Federelements in dem Betätigungsglied 47 zu
verbessern, kann ein Zentrierring 61 vorgesehen werden,
welcher das erste Federelement 57 aufnimmt.
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Wie
sich aus der Darstellung des Details D in 3 ergibt, ist der Außendurchmesser des Federtellers 55 so
bemessen, dass er nur wenig kleiner als der Innendurchmesser des
Schutzrohres 33 ist. Deshalb trägt der Federteller 55 auch
zur radialen Führung
des Zapfens 53 bei.