DE2313194C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schlupfbegrenztes Differential mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 zur Antriebskraftübertragung auf zwei Abtriebswellen.

Diese gattungsgemäße, aus der US-PS 36 06 803 bekannte Differential enthält zur Schlupfbegrenzung zwischen dem Differentialkorb und einem der Seiten- oder Abtriebszahnräder eine Lamellenkupplung mit zwei Sätzen einander abwechselnder Reibscheiben. Hierbei ist der eine Satz von Reibscheiben drehfest und axial verschieblich mit dem Differentialkorb und der andere Satz drehfest und axial verschieblich mit dem zugehörigen Abtriebszahnrad gekuppelt. Die hiervon der Rückseite des Abtriebszahnrades am nächsten liegende Reibscheibe gehört zu dem mit dem Differentialkorb drehfest verbundenen Satz.

Zur Betätigung der Lamellenkupplung ist zwischen dieser Reibscheibe und der Rückseite des Abtriebszahnrades ein ringförmiges Kurvenglied angeordnet, das auf seiner der Reibscheibe benachbarten Stirnseite eine Reibfläche und auf seiner der Rückseite des Abtriebszahnrades zugekehrten Stirnseite eine aus Keilflächen zusammengesetzte Nockenfläche trägt. Diese Keilflächen wirken mit entsprechenden komplementären Keilflächen an der Rückseite des Abtriebszahnrades zusammen und sind so gestaltet, daß bei einer Relativdrehung zwischen dem Kurvenglied und dem Abtriebszahnrad eine Axialbewegung des Kurvenglieds bezüglich des Abtriebszahnrades zustandekommt. Die Axialverschiebung des Kurvengliedes in Richtung auf die Lamellenkupplung bewirkt ein Aufeinanderpressen der Reibscheiben der Lamellenkupplung.

Aktiviert wird die Bewegung des Kurvengliedes durch eine Betätigungsvorrichtung, die in dem Differentialkorb achsparallel gelagert ist und mit ihrem Stirnzahnrad in die außenliegende Stirnverzahnung des Kurvengliedes eingreift.

Sobald bei einem Kraftfahrzeug, das mit einem Differential ausgerüstet ist, eines der beiden über das Differential angetriebenen Räder durchzudrehen beginnt, entsteht eine entsprechende große Drehzahldifferenz zwischen dem Differentialkorb und dem der Lamellenkupplung benachbarten Abtriebszahnrad sowie dem an der Rückseite dieses Abtriebszahnrades anliegenden Kurvenglied. Die in dem Differentialkorb gelagerte Betätigungsvorrichtung ist bestrebt, die Drehzahldifferenz zu mindern und verstellt hierbei das Kurvenglied gegenüber dem Abtriebszahnrad, wodurch wegen der aufeinandergleitenden Keilflächen sich auch das Kurvenglied in Richtung auf die Lamellenkupplung axial bewegt. Die Reibscheiben der Lamellenkupplung werden hierdurch aufeinandergepreßt und übertragen dadurch ein zusätzliches Drehmoment von dem Differentialkorb auf das entsprechende Abtriebszahnrad bzw. umgekehrt. Der Reibschluß zwischen der äußersten Reibscheibe, die mit dem Differentialkorb drehfest verbunden ist, und dem Kurvenglied unterstützt bei eingerückter Lamellenkupplung zusätzlich die Verstellung des Kurvengliedes gegenüber dem Abtriebszahnrad und erhöht dadurch die Anpreßkraft, mit der die Reibscheiben aufeinandergepreßt werden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei diesem Differential die Aktivierung der Lamellenkupplung und damit das Verschwinden der Ausgleichswirkung verhältnismäßig hart erfolgen, was zu Schlägen und Stoßbeanspruchungen im gesamten Antriebsstrang führt. Auch Flatterschwingungen innerhalb der Lamellenkupplung können auftreten, wenn die Lamellenkupplung in kurzen Zeitabständen hintereinander eingekuppelt und wieder gelöst wird, entsprechend dem nach dem Ansprechen der Kupplung sich ändernden Haftbedingungen für die angetriebenen Räder.

Aus der US-PS 30 73 424 ist nur bekannt, welche Oberflächenstruktur und welche Materialien bei Lamellenkupplungen miteinander zu paaren sind, um bestimmte dynamische Reibkoeffizienten zu erzielen.

Ausgehend von der US-PS 36 06 803 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein schlupfbegrenztes Differential zu schaffen, bei dem die die Schlupfbegrenzung bewirkende Kupplung weich aktivierbar ist, so daß Stöße auf die Zahnräder vermieden werden und eine hierdurch zustandekommende unerwünschte Beanspruchung des Differentials und der mit ihm verbundenen Teile unterbleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Differential mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.

Weiterbildungen des Differentials sind Gegenstand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Differentialgetriebe gemäß der Erfindung in einem waagerechten axialen Schnitt,

Fig. 2 das Differentialgetriebe in einem Schnitt gemäß der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 ein Seitenrad des Differentialgetriebes in einem axialen Schnitt,

Fig. 4 ein Kurvenglied des Differentialgetriebes in einer Draufsicht,

Fig. 5 das Kurvenglied in einem Schnitt gemäß der Linie 5-5 der Fig. 4,

Fig. 6 die Kupplungsflächen des Kurvengliedes und des Seitenrades in einer Seitenansicht und in einer vergrößerten Teildarstellung und

Fig. 7 ein Diagramm, aus dem sich die Änderung des dynamischen Reibungskoeffizienten einer Kupplung eines Differentialgetriebes gemäß der Erfindung ergibt.

Das Differentialgetriebe 10 weist einen an einem drehbaren Planetenradträger 14 befestigen Eingangszahnkranz 12, ein Rädergetriebe 15 sowie eine regenerative selbsterregende Kupplung 30 auf. Das Differentialgetriebe 10 ist von einem nicht dargestellten Gehäuse umschlosssen, das wie üblich zumindest teilweise mit Schmierflüssigkeit, z. B. Öl, gefüllt ist, welche die verschiedenen Teile des Differentialgetriebes bedeckt.

Der Planetenradträger 14 weist zwei in den Lagern einer Lageranordnung gehaltene Lagerteile auf, z. B. ein nicht dargestelltes Achsgehäuse, in dem der Planetenträger 14 drehbar gelagert ist. Der Planetenträger 14 weist weiterhin zwei mit den oben erwähnten Lagerteilen ein Stück bildende und miteinander durch Schrauben 11 (von denen nur eine gezeichnet ist) verbundene Bauteile 17, 19 auf. Diese bilden eine Kammer 21, in der das Rädergetriebe 15 und die regenerative selbsterregende Kupplung 30 angeordnet ist. Die Lagerteile weisen axiale Bohrungen 23 und 25 auf, die in die Kammer 21 übergehen und die Abtriebswelle 22 bzw. 20 aufnehmen. Diese sind an ihren Außenenden mit nicht dargestellten Antriebsrädern oder dergl. verbunden, während sie an ihren inneren Enden oder in der Nähe von diesen mit dem Rädergetriebe 15 verkeilt sind.

Der Eingangszahnkranz 12 des Differentialgetriebes 10 ist außen an dem Planetenradträger 14 an einem Flansch mittels Schrauben 27 befestigt. Ein geeignetes, nicht dargestelltes Antriebszahnrad steht im Eingriff mit dem Eingangszahnkranz 12 und leitet die ihm zugeführte Leistung an das Differentialgetriebe 10 weiter.

Das Rädergetriebe 15 kann die Drehbewegung des Planetenradträgers 14 auf die Abtriebswellen 20, 22 übertragen. Das Rädergetriebe 15 besteht aus zwei Achskegelrädern 16 und 18 und einer Anzahl dazwischen angeordneter Planetenkegelräder 24 und 26, die im Eingriff mit den Achskegelrädern 16 und 18 stehen und diese antreiben. Durch einen Druckring 11 und Gegendruckzwischenlegscheiben 13 und 13 a werden die Kegelräder 16 und 18 an einer Verschiebung nach außen gehindert. Die Planetenkegelräder 24 und 26 sind an dem Planetenradträger 14 mittels einer durch die Kammer 21 hindurchgehende Welle 28 drehbar gelagert.

Die Kegelräder 16 und 18 und die Planetenkegelräder24 und 26 sind bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel insgesamt Kegelräder herkömmlicher Konstruktion, sowei es die Verzahnung betrifft. Auch die Zahnprofile weisen eine übliche Gestalt auf, wobei die Eingriffswinkel im üblichen Bereich liegen. Die Kegelräder 16 und 18 sind mit den Antriebswellen 20 und 22 diese antreibend mittels einer entsprechenden Keilverzahnung verbunden.

Die selbsterregende Kupplung 30 ist von der Art einer Reibscheibenkupplung und kann aus einer unwirksamen Stellung, in der die Antriebswellen 20 und 22 frei gegeneinander drehbar sind, in eine wirksame Stellung überführt werden, in der die Kupplung 30 die Abtriebswellen 20 und 22 über den Planetenradträger 14 und die Kegelräder 16 und 18 verbindet, um die relative Drehbewegung zwischen diesen zu verzögern.

Bei dem bevorzugten, in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Kupplung 30 zwei deutlich getrennte Kupplungsteile auf. Ein Teil ist "aktiv", und dient der Erzeugung der regenerativen, sich selbst einstellenden Kraft zum vollständigen Betätigen des Kupplungsmechanismus. Der andere Abschnitt ist "inaktiv" und läßt lediglich nach der Betätigung die gesamte Drehkraftausbringung anwachsen.

Der erste Teil 31 ist ein regenerativer selbsterregender Teil, der ein Kurvenglied 32 und eine Anzahl mit diesem verbundener abwechseln dazwischenliegender Reibscheiben 33 und 34 aufweist. Zur zwangsläufigen Drehbewegung mit dem Planetenradträger 14 greifen die Reibscheiben 33 in Ausnehmungen 14 a von diesem mit Nasen 35 ein, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Diese besondere Anordnung ist in der US-PS 30 52 137 deutlicher gezeigt. Zur zwangsläufigen Drehbewegung mit dem Kurvenglied 32 ist die Reibscheibe 34 mit diesem durch beidseitig angeordnete Keile 36 und 37 verbunden. Dieser Kupplungsteil kann als "aktiv" bezeichnet werden, da er die regenerative Kraft erregt, die gewährleistet, daß die Kupplung völlig in die wirksame Stellung überführt wird.

Mit dem zweiten Teil 38 der Kupplung 30 wird die Größe des von der Kupplung 30 in voll ausgekuppelter Stellung auszubringenden Drehmomentes gesteigert. Der zweite Teil 38 weist ebenfalls eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Reibscheiben 33 a und 39 auf. Im Aufbau und in der Art der Befestigung sind die Reibscheiben 33 a identisch mit den Reibscheiben 33 des ersten Teils und sind ebenfalls zur zwangsläufigen Drehbewegung mit dem Planetenträger 14 angeordnet. Die Reibscheiben 39 weisen zur zwangsläufigen Drehbewegung mit dem Kegelrad 16 Keilzähne 39 a auf, die in entsprechende Keilzähne des Kegelrads 16 eingreifen. Um ein stoßfreies Wirksamwerden der Kupplung 30 zu erreichen, sollte die Zahl der Reibscheiben in dem "aktiven" Teil größer als zwei und weniger als zehn sein, worauf später ausführlicher eingegangen werden wird.

Wenn sich die Kupplung 30 in der unwirksamen Stellung befindet, haben die Reibflächen der Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 einen axialen Abstand voneinander. Dieser axiale Abstand gibt dem Planetenradträger 14 die Möglichkeit, relativ zu dem Kegelrad 16 oder dem Kegelrad 18 eine freie Drehbewegung auszuführen.

Die Verbindung zwischen dem "aktiven" und "inaktiven" Teil der Kupplung 30 erfolgt dadurch, daß eine Reibscheibe 33 sich gegen eine Reibscheibe 33 a anlegt, die beide mit dem Planetenradträger 14 verbunden sind. Hierbei ist ein ausreichender Zwischenraum gegeben, durch den ein vollkommenes Zusammendrücken der wellenförmigen Feder 44 bei einer Betätigung der Kupplung 30 verhindert wird.

Um das Differentialgetriebe 10 zu sperren, wird durch eine Betätigung der Kupplung 30 erreicht, daß das Kegelrad 16 und der Planetenträger 14 miteinander verbunden sind. Das Kurvenglied 32 der Kupplung 30 ist mit dem Kegelrad 16 über an dem Kurvenglied 32 bzw. an dem Kegelrad 16 ausgebildete Kurvenflächen 40 und 41 antriebsverbunden. Mit den Kurvenflächen 40 und 41 können die Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 zum Anliegen aneinander gebracht werden, wenn auf eine später zu beschreibende Weise eine relative Drehbewegung zwischen dem Kegelrad 16 und dem Kurvenglied 32 bewirkt wird. Wenn die Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 sich in voll eingekuppelter Stellung befinden, wird durch die zwischen den aneinander anliegenden Flächen der Reibscheiben wirkende Reibung eine relative Drehung verhindert.

Um zu verhindern, daß kleine abgeleitete oder Trägheitskräfte eine Relativbewegung zwischen den Kurvenflächen 40 und 41 und damit eine Betätigung der Kupplung 30 bewirken, sind an dem Kurvenglied 32 kleine kegelstumpfförmige Vorsprünge 42 vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen 43 des Kegelrades 16 eingreifen (Fig. 3 und 4). Die Vorsprünge 42 sind um einen kleinen Betrag höher als die Tiefe der Ausnehmungen 43 beträgt, so daß die Kurvenflächen 40 und 41 um einen kleinen Betrag auseinanderstehen, wenn die Kupplung 30 sich in der völlig unwirksamen Stellung befindet.

Durch die wellenförmige Feder 44, die zwischen einer der "inaktiven" Reibscheiben und dem Kurvenglied 32 angeordnet ist, wird dieses entgegengesetzt im Sinne der Betätigung nach rechts gedrückt (Fig. 1). Hierdurch bleiben die Vorsprünge 42 in den Ausnehmungen 43. Daher laufen das Kurvenglied 32 und das Kegelrad 16 mit der gleichen Drehgeschwindigkeit um, wenn sich die Kupplung 30 in der unwirksamen Stellung befindet.

Wenn sich die Kupplung 30 in der völlig unwirksamen Stellung befindet, kann durch sie eine Drehbewegung zwischen dem Planetenradträger 14 und den Kegelrädern 16 und 18 nicht verhindert werden. Es müssen daher Mittel vorgesehen werden, durch die bei Eintritt eines vorbestimmten Grades von Schlupf zwischen dem Planetenradträger 14 und den Kegelrädern 16 und 18 eine Bewegung des Kurvengliedes 32 relativ zum Kegelrad 16 hervorgerufen wird. Durch diese Mittel muß eine auf das Kurvenglied 32 wirkende Kraft erzeugt werden, die groß genug ist, um die durch die Vorsprünge 42 und die Ausnehmungen 43 gebildete Kupplung zu lösen und somit eine Relativbewegung zwischen dem Kurvenglied 32 und dem Kegelrad 16 zu erzeugen, so daß die Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 aufeinander zu bewegt werden. Sobald die Berührung zwischen den Reibscheiben ein bestimmtes Maß erreicht hat, verursacht die bremsende, zwischen den Reibscheiben des "aktiven" Teils durch Reibung erzeugte Verzögerungskraft die regenerative selbstkuppelnde Wirkung, die von einem geeigneten Kurvensteigungswinkel, einem maximalen dynamischen Reibungskoeffizienten der Oberfläche der Reibscheiben von mindestens 0,09 und der Anzahl der "aktiven" Reibscheiben abhängt, so daß eine weiche Wirkungsweise der Kupplung bis zur Endstellung erreicht wird.

Um eine Drehbewegung zwischen dem Kurvenglied 32 und dem Kegelrad 16 bei Erreichen eines vorbestimmten Maßes von relativem Schlupf zwischen dem Planetenträger 14 und einem der Kegelräder 16 oder 18 zu erreichen, trägt das Kurvenglied 32 auf seinem Umfang eine Verzahnung 48. Eine Betätigungsvorrichtung 50 weist eine Welle 52 mit einer Verzahnung auf, die mit der Verzahnung 48 in Eingriff steht. Die Betätigungsvorrichtung 50 dreht sich gemeinsam mit dem Planetenträger 14, an dem sie befestigt ist. Sie wird bei einem vorbestimmten Maß der relativen Drehbewegung zwischen dem Planetenträger 14 und den Kegelrädern 16 oder 18 wirksam, um die Drehbewegung des Kurvengliedes 32 relativ zu dem Kegelrad 16 zu verzögern. Der Aufbau der Betätigungsvorrichtung 50 ist ausführlicher in der US-PS 36 06 803 beschrieben.

Bei einem vorbestimmten Maß des Schlupfes zwischen dem Planetenradträger 14 und den Kegelrädern 16 oder 18 wird, wie gesagt, die Betätigungsvorrichtung 50 wirksam, um das Kurvenglied 32 relativ zu dem Kegelrad 16 leicht zu verzögern, wodurch die Kupplung 30 betätigt wird.

Aus dem obigen geht hervor, daß, wenn sich die regenerative Kupplung 30 in der ausgekuppelten Stellung befindet, völlig ungehindert die Wirkungsweise eines normalen Differentialgetriebes eintritt, da bis zum Zeitpunkt des Eingriffes der Kupplung keine Kräfte zum Sperren des Differentials auftreten, ausgenommen viskose Schub-Widerstandskräfte zwischen den Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 sowie Reibungs- und Trägheitskräfte in der Betätigungsvorrichtung 50 und anderen angetriebenen Teilen. Die wellenförmige Feder 44 und die Ausnehmungen 43 stellen sicher, daß das Kurvenglied 32 nicht über die Kurvenflächen 40 und 41 axial verstellt wird, die aufgrund der Trägheit des Kurvengliedes 32 einwirken, sowie ebenfalls nicht durch die Trägheit oder Reibungskräfte, die durch die Betätigungsvorrichtung 50 entstehen, die durch das Kurvenglied 32 angetrieben wird, während das Differentialgetriebe wirksam ist.

Wenn die Differentialwirkung ein bestimmtes Maß erreicht hat, was ein Durchdrehen eines Antriebsrades anzeigt, führt die eine Verzahnung tragende Welle 52 der Betätigungsvorrichtung 50 eine leichte Verzögerung des Kurvengliedes 32 im Verhältnis zum Kegelrad 16 herbei.

Auf diese Weise wird durch die Betätigungsvorrichtung 50 eine Anfangsbetätigungskraft erzeugt, die, obwohl sie relativ klein ist, doch ausreicht, um die Drehbewegung des Kurvengliedes 32 relativ zu dem Kegelrad 16 mittels des Eingriffs zwischen den Verzahnungen 48 und 52 zu verzögern. Durch diese Anfangsbetätigungskraft wird eine relative Drehbewegung zwischen dem Kurvenglied 32 und dem Kegelrad 16 erzeugt, wodurch die Vorsprünge 42 des Kurvengliedes 32 aus den Ausnehmungen 43 des Kegelrades 16 ausgehoben werden. Die auf dem Kurvenglied 32 vorgesehene Kurvenflächen 40 (Fig. 6) werden durch die von der Betätigungsvorrichtung 50 ausgeübte Anfangsbetätigungskraft zum Anliegen gebracht.

Durch das Anliegen der geneigten Teile der Kurvenfläche 40 des Kurvengliedes 32 gegen ähnlich geneigte Teile der Kurvenfläche 41 des Kegelrades 26 wird eine axial gerichtete Kraft auf das Kurvenglied 32 erzeugt. Diese axial gerichtete Kraft bewegt die Reibflächen der Reibscheiben 34 und 39 gegen die Reibflächen der mit dem Planetenradträger 14 verbundenen Reibscheiben 33 bzw. 33 a (Fig. 1).

Die von der Betätigungsvorrichtung 50 ausgeübte Anfangsbetätigungskraft reicht für sich allein nicht aus, um die Kupplung 30 aus der unwirksamen Stellung in die völlig wirksame Stellung zu überführen. Daher würde die Kupplung 30 ohne die selbsterregenden Charakteristiken in einer Zwischenstellung zwischen der unwirksamen und der völlig wirksamen Stellung verbleiben und wäre nicht in der Lage, einen Ausgleichsvorgang durch das Differentialgetriebe 10 zu verhindern.

Die selbsterregenden Charakteristiken der Kupplung 30 erzeugen eine selbsterregende Kraft, durch die das Umschalten der Kupplung 30 in die völlig wirksame Stellung vollendet wird, nachdem die Kupplung 30 durch die Betätigungsvorrichtung 50 in eine Zwischenstellung überführt worden ist. Diese Selbsterregung kommt durch zwischen den Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 von dem Schmieröl in dem Differentialgehäuse erzeugte Widerstandskräfte zustande. Naturgemäß nehmen diese viskosen Widerstandskräfte zu, wenn die Reibscheiben während der Überführung der Kupplung 30 aus der unwirksamen Stellung in die Zwischenstellung unter Einwirkung der Betätigungsvorrichtung 50 aufeinander zu bewegt werden. Wenn die Kupplung 30 sich in der Zwischenstellung befindet, werden Erhebungen, Wölbungen und sonstige Ungleichförmigkeiten auf den Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 zusätzlich beginnen, sich gegenseitig zu berühren, wodurch ein mechanischer Reibungswiderstand entsteht.

Die Widerstandskräfte zwischen den Reibscheiben 33 und 34 des "aktiven" Kupplungsteiles 31 wirken als selbsterregende Kräfte auf die Kupplung 30, indem sie die relative Drehbewegung zwischen dem Kurvenglied 32 und dem Planetenradträger oder -gehäuse 14 verzögern und damit eine relative Drehbewegung zwischen dem Kurvenglied 32 und dem Kegelrad 16 erzeugen. Unter der Einwirkung der Kurvenflächen 41 und 40 auf dem Kegelrad 16 bzw. dem Kurvenglied 32 wird durch diese relative Drehung eine Axialverschiebung des Kurvengliedes 32 erzeugt, wodurch die auf die Kupplung 30 wirkenden Druckkräfte ständig zunehmen und wodurch die Kupplung 30 aus der Zwischenstellung in die völlig wirksame Stellung überführt wird.

Eine weiter Besonderheit des Differentialgetriebes ist ein weich verlaufender Sperrvorgang, der bei bestimmten Fahrbedingungen erforderlich sein kann. Um dieses zu erreichen, weisen die Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit auf, wodurch ein hoher dynamischer Reibungskoeffizient erreicht werden kann, so daß der oben erwähnte weiche Kupplungsvorgang gewährleistet ist. In der US-PS 30 73 424 ist eine Möglichkeit, diese Oberflächen zu gestalten, gezeigt.

Die Reibflächen der Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 sind in einem Abstand voneinander angeordnet und übertragen lediglich recht geringe viskose Schubkräfte, wenn sich die Kupplung in der unwirksamen Stellung befindet. Wenn das Kurvenglied 30 axial bewegt wird, um die Kupplung 30 durch Inberührungbringen der Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 in die völlig wirksame Stellung zu überführen, erfolgt eine relative Drehbewegung zwischen den Reibscheiben. In diesem Stadium ist die Schließkraft anfangs recht niedrig, da nur viskose Schubkräfte zwischen den im Abstand voneinander befindlichen Reibscheiben vorliegen. Wenn die Reibscheiben aufeinander zu bewegt werden, nimmt der dynamische Reibungskoeffizient der Kupplung ständig zu, so daß eine ständig zunehmende Verzögerung erzeugt wird, um die Abtriebswellen 20 und 22 und damit auch die Räder des Fahrzeuges weich zusammenschließen. Wenn der Zusammenschluß vollzogen ist, ist die relative Drehbewegung zwischen den Antriebswellen 20, 22 vorher unter dem Einfluß der dynamischen Reibungskräfte zwischen den Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 verzögert worden.

Dieses allmähliche Zunehmen der Verzögerungskraft vor dem Zusammenschließen wird durch ein recht hohes Maß an dynamischer Reibung erreicht und hat die Wirkung, daß der Zusammenschließvorgang gedämpft und die Stoßenergie aufgezehrt wird.

Dieses recht hohe Maß an dynamischer Reibung wird durch die Beschaffenheit der wirksamen Flächen der Kupplungsreibscheiben sowie durch eine stetige Vergrößerung des axial wirkenden, durch die Kurvenflächen 40 und 41 erzeugten Druckes erreicht.

Es hat sich gezeigt, daß aufgrund verschiedener Betriebs- und Auslegungsparameter ein kritischer Wert des dynamischen Reibungskoeffizienten besteht, oberhalb dessen ein weiches Schließen der Kupplung gewährleistet ist. Als Beispiel für eine solche Auslegungsart ist in Fig. 1 eine Kupplung 30 dargestellt, bei der eine Reibscheibe 34 mit dem Kurvenglied 32 durch eine Keilverzahnung verbunden ist und zwei Reibscheiben 33 mittels Nasen 35 durch den Planetenradträger 14 angetrieben sind, wodurch ausreichende regenerative Kräfte zum vollständigen Wirksammachen der Kupplung 30 gewährleistet sind. Zusätzliche Reibflächen für die Kupplung besitzen die weiteren Reibscheiben 33 a und 39, die mit dem Kegelrad bzw. dem Planenradträger verbunden sind, so daß bei völlig wirksamer Stellung ein Drehmoment von etwa 2761 Nm bei Vorliegen eines maximalen dynamischen Reibungskoeffizienten von mindestens 0,09 erzeugt wird. Liegt der maximale dynamische Reibungskoeffizient unter dem Wert von 0,09, so erfolgt der Zusammenschließvorgang plötzlicher und erzeugt einen unerwünschten Stoß im Antriebsstrang.

Normalerweise werden die dynamischen Reibungskoeffizienten als nicht veränderlich betrachtet. Jedoch wird bei der selbsterregenden Kupplung gemäß der Erfindung während der Überführung der Kupplung aus der unwirksamen in die wirksame Stellung in der folgenden Reihenfolge ein Drehmoment übertragen, um ein weiches Schließen der Kupplung zu erreichen:

• 1. Die Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 stehen nicht in Berührung miteinander, wenn die Kupplung sich in der unwirksamen Stellung befindet, und es werden viskose Schubwiderstandskräfte durch das Öl zwischen den Randscheiben übertragen. Die Betätigungsvorrichtung 50 wird ein Betrieb gesetzt, um die Kupplung 30 in die Zwischenstellung zu überführen, so daß die Bewegung der Reibscheiben aufeinander zu beginnt, wobei der an den Reibscheiben wirkende viskose Widerstand zunimmt.
• 2. Die weitere Bewegung der Reibscheiben aufeinander zu unter dem Einfluß der selbsterregenden Kräfte bewirkt, daß Erhebungen, Wölbungen und andere Ungleichförmigkeiten auf den Reibscheiben beginnen, miteinander in Berührung zu kommen, wodurch ein gewisses Maß an mechanischer Reibung entsteht und ein größeres Drehmoment übertragen wird.
• 3. Diese Reibungskraft und der viskose Widerstand erzeugen selbsterregende Kräfte, wodurch eine weitere Bewegung der Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 aufeinander zu bewirkt und die relative Drehbewegung zwischen den Abtriebswellen 20 und 22 mit ständig zunehmender Kraft verzögert wird.
• 4. Zwischen den sich relativ zueinander drehenden Reibscheiben nimmt die mechanische Berührung weiter zu; deshalb läßt der "aktive" Kupplungsteil 31 die selbsterregenden Kräfte weiter wachsen, wodurch die Reibscheiben miteinander in Eingriff gebracht werden, während gleichzeitig die die relative Drehbewegung zwischen den Abtriebswellen 20 und 22 verzögernden Kräfte zunehmen.
• 5. Die Flächen der Reibscheiben liegen voll gegeneinander an und werden durch die Reibung gegen Drehung relativ zueinander gehalten. Damit ist die Kupplung voll wirksam und das Differentialgetriebe ist zusammengeschlossen.

In dem in Fig. 7 gezeigten Diagramm ist ein Beispiel dafür gegeben, wie der dynamische Reibungskoeffizient für die oben beschriebene Kupplung zunimmt, wenn die Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 sich während des weichen Schließens der Kupplung aufeinander zu bewegen. Die selbsterregende Kupplung 30 besitzt einen maximalen dynamischen Reibungskoeffizienten von mindestens 0,09. Das Diagramm zeigt, daß nur verhältnismäßig geringe viskose Schubkräfte zwischen den voneinander im Abstand angeordneten Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 übertragen werden, wenn sich die Kupplung 30 in der unwirksamen Stellung befindet. Daher ist der dynamische Reibungskoeffizient für die in der unwirksamen Stellung befindliche Kupplung sehr klein, und das verzögernde oder verschließende, durch die Kupplung übertragene Drehmoment ist sehr gering. Die regenerative selbsterregende Kupplung 30 bewirkt, daß eine ständig zunehmende Drehmomentgröße übertragen wird, wenn die Reibscheiben mit progressiv zunehmender Kraft aufeinander zu bewegt werden. Die Kupplung ist fest geschlossen, nachdem die Reibscheiben dicht aufeinandergedrückt im Reibschluß stehen. Somit hängt die Größe des Schließdrehmoments beim Betätigen der Kupplung von der Größe des dynamischen Reibungskoeffizienten der Kupplung ab. Unmittelbar vor dem Zustandekommen des Reibschlusses der Reibscheiben der Kupplung nimmt der dynamische Reibungskoeffizient einen Wert an, der dem Punkt der Kurve entspricht, an dem die Kurve im wesentlichen asymptotisch zu einer vertikalen Linie verläuft, also etwa 0,09. Wenn der dynamische Reibungskoeffizient der Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 0,09 oder mehr beträgt, ist ein weiches Zusammenschließen des Differentialgetriebes gewährleistet.

Wenn der Maximalwert des dynamischen Reibungskoeffizienten der Kupplung 30 0,09 oder mehr beträgt, verläuft der das Verhalten des dynamischen Reibungskoeffizienten darstellende Kurvenzug in der schraffiert dargestellten Fläche rechts von der Kurve. Der Schließvorgang der Kupplung wird daher weich verlaufen, da eine Zunahme des dynamischen Reibungskoeffizienten während der Betätigung der Kupplung dazu ausreicht, den Schließvorgang zu dämpfen. Beträgt jedoch der maximale dynamische Reibungskoeffizient für eine Kupplung weniger als 0,09, so wird diese Kurve in dem Gebiet des plötzlichen Schließens verlaufen.

Nachdem die regenerative selbsterregende Kupplung 30 zunächst durch die Betätigungsvorrichtung 50 erregt wurde, arbeitet die Kupplung in einer regenerativen, selbsterregenden Weise, indem die verzögernde Reibkraft selbsttätig zunimmt, bis zwischen den Kegelrädern 16 und 18 und dem Planetenradträger 14 keine relative Drehbewegung stattfindet oder die relative Drehbewegung unter ein vorbestimmtes Maß absinkt. Die anfängliche auf das Kurvenglied 32 ausgeübte Verzögerungskraft erlaubt, daß das Kegelrad 16 das Kurvenglied 32 relativ zu ihm antreibt. Diese Antriebskraft bewirkt, daß die Kurvenflächen 40 und 41 zur Anlage kommen, und aufgrund der relativen Drehbewegung des Kegelrads 16 und des Kurvenglieds 32 wird eine axiale Verschiebung des Kurvenglieds 32 bewirkt.

Wenn das Kurvenglied 32 axial in Richtung auf den Planetenradträger 14 bewegt wird, nimmt die zwischen den Oberflächen des Kurvenglieds 32 des "aktiven" Kupplungsteils und dem Planetenradträger 14 wirkende, verzögernde Reibkraft zu. Diese verzögernde Reibkraft bewirkt ein Verzögern des Kurvenglieds 32, wodurch dieses auf das Kegelrad 16 einwirkt. Die Kurvenflächen 40 und 41 sind so ausgelegt, daß durch das gegenseitige Einwirken des Kegelrades 16 und des Kurvenglieds 32 eine weitere axiale Verschiebung des Kurvenglieds 32 zustandekommt und damit eine weitere Zunahme der verzögernden Reibkraft erreicht wird. Diese regenerative selbsterregende Wirkung wird fortgesetzt, bis zwischen den antreibenden und angetriebenen Elementen ein Geschwindigkeits- Drehmomentsausgleich sich von selbst einstellt.

Dieses Verfahren, bei dem sich selbsttätig ein Geschwindigkeits- Drehmoment-Verhältnis zwischen dem Planetenradträger 14 und den Kegelrädern 16 und 18 und dementsprechend auch mit den Antriebswellen 20 und 22 einstellt, hat eine selbsterregende Wirkung, da die zum Ausüben einer Axialkraft auf das Kurvenglied 32 aufzubringende Energie aus dem den entsprechenden Bauteilen innewohnenden Moment entnommen wird. Die Wirkung ist auch kumulativ, da das zunächst von der Betätigungsvorrichtung 50 übertragene Drehmoment oder die übertragene "simulierte Reibungskraft" auf das Kurvenglied 32 und das Kegelrad 16 wirkt und damit eine relative Drehbewegung zwischen diesen bewirkt und die Kurvenflächen 40 und 41 wirksam machen. Durch diese relative Drehbewegung wird eine axiale Verschiebung des Kurvengliedes 32 bewirkt, wodurch die Reibung zwischen dem Planetenradträger 14 und dem Kurvenglied 32 vergrößert wird. Diese Zunahme der Verzögerungskraft bewirkt, daß sich die Kurvenflächen 40 und 41 noch weiter realtiv zueinander verdrehen und damit eine weitere axiale Verschiebung des Kurvengliedes 32 zustandekommt, wodurch anschließend die Verzögerungskraft zunimmt usw.

Die Abtriebswelle 20 ist über das Rädergetriebe 15 mit dem Kegelrad 16 und dem Planetenradträger 14 (Fig. 1) verbunden. Das Kegelrad 18 ist dagegen direkt mit der Abtriebswelle 22 verbunden. Wenn sich daher die Abtriebswelle 20 relativ zu der Abtriebswelle 22 drehen sollte, und die Kupplung 30 sich in der wirksamen Stellung befindet, wirken die Kurvenflächen 40 und 41 (Fig. 3) gegenseitig aufeinander ein, wodurch die auf dem Kurvenglied 32 und dem Kegelrad 16 angeordneten Reibscheiben 34 und 39 in einen festeren Reibschluß mit den auf dem Planetenradträger 14 angeordneten Reibscheiben 33 und 33 a gedrückt werden. Dieses verstärkt die drehungsverzögernde oder festhaltende Wirkung der wirksamen Kupplung 30 und verhindert damit eine relative Drehung zwischen den Abtriebswellen 20 und 22.

Der Neigungswinkel der Kurvenflächen 40 und 41 bestimmt das Maß der axialen Verschiebung des Kurvenglieds 32 bei einer bestimmten Winkelbewegung des Kegelrades 16 gegenüber dem Kurvenglied 32. Um eine regenerative selbsterregende Kupplung 30 zu schaffen, weist der Neigungswinkel der Kurvenfläche eine bestimmte Größe auf, bei der eine axiale Verschiebung des Kurvengliedes 32 mittels der von dem Kegelrad 16 auf das Kurvenglied 32 übertragenen Energie zustandekommt.

Die Größe der Winkel, welche die Kurvenflächen im Einzelfall besitzen, und die Zahl der "aktiven" und die Zahl der "inaktiven" Reibscheiben der Kupplung werden naturgemäß durch die Bedingungen bestimmt, für welche die Kupplung ausgelegt und unter denen sie betrieben wird. Zieht man alle diese Parameter in Betracht, so gibt es einen kritischen Neigungswinkel der Kurvenflächen, oberhalb dessen kein mechanischer Vorteil zu erreichen ist. Unterhalb des kritischen Neigungswinkels der Kurvenflächen ist ein mechanischer Vorteil gegeben, wie oben gezeigt wurde, der darin liegt, daß eine regenerative selbsterregende Kupplung zustandekommt.

Der Neigungswinkel der Kurvenflächen 40 nimmt an den Stellen, die von dem äußeren Umfang der Kurvenfläche nach innen und in Richtung auf die gemeinsamen Drehachsen des Kurvengliedes 32 und des Kegelrades 16 liegen, zu. Eine derartige Änderung des Neigungswinkels der Kurvenfläche ist aufgrund der Abnahme des Abstandes vom Außenumfang erforderlich. So ist z. B. an einem Innendurchmesser der Kurvenfläche 40 ein Neigungswinkel von etwa 12,5°, für eine weiter am Außenumfang liegende Stelle ein Neigungswinkel von etwa 10° zweckmäßig.

Die Kurvenfläche 41 des Kegelrades 16 ist in ähnlicher Weise ausgebildet wie die Kurvenfläche 40 des Kurvengliedes 32. Es können auch andere Neigungswinkel für verschiedene Auslegungen und Betriebsparameter angewendet werden.

Die Kurvenflächen 40 und 41 sind derart ausgebildet, daß die Kupplung wirksam wird, ohne Rücksicht darauf, welches Rad durchdreht. Wenn z. B. das mit der Abtriebswelle 20 verbundene Rad durchdreht und den Reibungsschluß mit der Straße verliert, dreht sich das Kegelrad 16 mit einer größeren Geschwindigkeit als der Planetenradträger 14 und das Kegelrad 18. Wenn diese relative Drehbewegung über ein vorbestimmtes Maß hinausgeht, wird durch die Betätigungsvorrichtung 50 die selbsterregende Kupplung 30 in einer Richtung wirksam, um diese relative Drehbewegung zu verzögern. Wenn andererseits das mit der Abtriebswelle 22 verbundene Rad durchdreht, laufen das Kegelrad 18 und der Eingangszahnkranz 12 mit einer größeren Geschwindigkeit um als das Kegelrad 16. Wenn diese relative Drehbewegung über ein vorbestimmtes Maß hinausgeht, wird über die Betätigungsvorrichtung 50 die selbsterregende Kupplung 30 in der anderen Richtung wirksam, um die relative Drehbewegung zu verzögern. Die Kurvenflächen 40 und 41 besitzen Kurvenwinkel an jeder Seite der vorspringenden Teile, die ein Wirksamkeit der Kupplung 30 in beiden Drehrichtungen gewährleisten.

Dieser Vorgang spielt sich stoßfrei und ohne Rupfen oder Rattern ab, da die auf das Kurvenglied 32 wirkende Verzögerungskraft durch den mit beschränktem Drehmoment wirkenden Antrieb der Betätigungsvorrichtung 50 begrenzt wird. Die ausgleichende Wirkung des Differentialgetriebes ist bei einem geringen Maß der Ausgleichswirkung völlig unbehindert, während sie bei einem größeren Maß infolge der besonderen charakteristischen Merkmale des Kupplungsbetätigungsmechanismus völlig verhindert wird.

Wenn die Kupplung 30 in die wirksame Stellung überführt ist, befindet sich die wellenförmige Feder 44 in einem zusammengepreßten Zustand. Diese Druckkraft wirkt auf die Kupplung 30 in Richtung auf ihre unwirksame Stellung ein. Wenn die relative Drehbewegung zwischen dem Kegelrad 16 und dem Planetenradträger 14 aufgehört hat, kehrt die wellenförmige Feder 44 die vorherige relative Drehbewegung zwischen dem Kegelrad 16 und dem Kurvenglied 32 um, um die Kupplung 30 in die unwirksame Stellung zu überführen. Dann dreht sich das Kurvenglied 32 zusammen mit dem Kegelrad 16 relativ zu dem Planetenradträger 14 und wird unter der Wirkung der wellenförmigen Feder 44 axial um einen kleinen Betrag nach außen bewegt.

Die regenerative selbsterregende Kupplung 30 kann demgemäß aus einer unwirksamen Stellung, in welcher der Planetenradträger 14 und das Kegelrad 16 gegeneinander frei drehbar sind, in eine wirksame Stellung überführt werden, in der die Kupplung 30 den Planetenträger 14 und das Kegelrad 16 verbindet und die relative Drehbewegung zwischen diesen beiden Teilen verzögert wird. Beim Auftreten einer vorbestimmten Geschwindigkeit der relativen Drehbewegung zwischen dem Kegelrad 16 und dem Planetenträger 14 verdreht die Betätigungsvorrichtung 50 das Kurvenglied 32 relativ zu dem Kegelrad 16, um damit die Kupplung 30 in die wirksame Stellung zu überführen. In der wirksamen Stellung liegt die Kurvenfläche 40 des Kurvengliedes 32 gegen die Kurvenfläche 41 an, um eine weitere relative Drehung zwischen dem Kegel des Kegelrades 16 und dem Kurvenglied 32 zu verhindern und auf das Kurvenglied 32 einen axialen Druck auszuüben. Der auf das Kurvenglied 32 wirkende axiale Druck bringt die Reibscheiben 33, 34, 33 a und 39 zum Aneinanderliegen und damit zum festen Reibschluß miteinander. Dieser Reibschluß wird durch die regenerative, selbsterregende Kupplung 30 selbsttätig gesteigert, bis das Kegelrad 60 und der Planetenradträger 14 durch das Kurvenglied 32 verbunden sind.

In einigen Fällen kann der zweite Teil 38 der Kupplung 30 weggelassen werden und sämtliche Reibscheiben werden "aktiv" gemacht. Jedoch hat es sich bei den in üblichen Automobilen oder leichten Lastwagen verwendeten Differentialgetrieben, wie sie der Erfindung zugrundeliegen, gezeigt, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform lediglich ein Teil der Scheiben "aktiv" sein sollte, der Rest dagegen "inaktiv". Das hat folgenden Grund: Wenn alle Reibscheiben zur Übertragung des berechneten Drehmomentes des Differentialgetriebes "aktiv" sind, ist ein sehr steiler Neigungswinkel der Kurvenflächen erforderlich, um den Maximalwert des dynamischen Reibungskoeffizienten vor dem Endstadium des Zusammenschließvorgangs des Differentialgetriebes zu erreichen. Tatsächlich bietet der Neigungswinkel der Kurvenflächen in mechanischer Hinsicht einen Vorteil für den "aktiven" Teil der Kupplung, der das Maß des Zusammenschließens bei einem gegebenen Schlupf und einer gegebenen Zahl von "aktiven" Reibscheiben bestimmt.

So können z. B. bei in gewöhnlichen Automobilen oder leichten Lastwagen verwendeten Differentialgetrieben zufriedenstellende Ergebnisse der Zusammenschließ- bzw. Schlupfcharakteristiken durch die Verwendung der Werte der folgenden Tabelle erreicht werden:

Die vorstehende Tabelle wurde zusammengestellt, indem 1,6 mm starke Reibscheiben aus Stahl mit charakteristischen Reibflächen gemäß der US-PS 30 73 424 verwendet wurden. Wenn stärkere Reibscheiben für die Kupplung verwendet werden, kann die Gesamtzahl der zur Übertragung des Drehmoments erforderlichen Kupplungsflächen geringer sein. Jedoch sollte die Zahl der Kupplungsflächen an den Kurven annähernd den in der Tabelle angegebenen Werten entsprechen.

Es können für die Kupplung auch Reibscheiben aus anderen Materialien oder mit anderen charakteristischen Flächen benutzt werden, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten. In diesem Fall sollten die Zahl, die Durchmesser und die Anordnung der Kupplungsflächen zur Anpassung an die besonderen Reibungscharakteristiken und die Drehmomentübertragungsfähigkeit der verwendeten Kupplungsreibscheiben entsprechend geändert werden.

Claims (5)

1. Schlupfbegrenztes Differential zur Antriebskraftübertragung auf zwei Abtriebswellen (20, 22), mit einem Ausgleichsgehäuse, das sowohl zwei mit den Abtriebswellen gekuppelte Abtriebszahnräder (16, 18) als auch im Gehäuse gelagerte und mit den Abtriebszahnrädern kämmende Ausgleichszahnräder enthält, mit einer koaxiale Reibscheiben aufweisenden Lamellenkupplungen (30), deren erster Satz (33) von Reibscheiben drehfest mit dem Ausgleichsgehäuse und deren zweiter Satz (38) drehfest mit einem der Abtriebszahnräder gekuppelt ist, sowie einer die Kupplung betätigenden, ein Kurvenglied (32) enthaltenden Nockeneinrichtung, mit der eine Betätigungsvorrichtung (50) in Verbindung steht, die abhängig von einer Relativdrehzahl zwischen einem der Abtriebszahnräder und dem Ausgleichsgehäuse, den Kupplungsvorgang durch die Verschiebung zweier Keilflächen gegeneinander bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (30) wenigstens eine weitere Reibscheibe (34) enthält, die drehfest mit dem Kurvenglied (32) gekuppelt ist und sich zwischen Reibscheiben (33) des ersten Satzes befindet.

2. Schlupfbegrenztes Differential nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (30) eine wellenförmige Feder (44) zwischen dem Kurvenglied (32) und einer Reibscheibe (39) des zweiten Satzes (38) aufweist.

3. Schlupfbegrenztes Differential nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilflächen (40) des Kurvengliedes (32) am Umfang eine Neigung von 10° und am Innendurchmesser eine Neigung von 12,5° aufweisen.

4. Schlupfbegrenztes Differential nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Reibscheiben (33) des ersten Satzes und der weiteren mit dem Kurvenglied (32) gekuppelten Reibscheiben (34) zwischen drei und sieben liegt.

5. Schlupfbegrenztes Differential nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (30) einen dynamischen Reibbeiwert von wenigstens 0.09 aufweist.