DE2358794A1 - Selbsttaetig sperrendes differentialgetriebe fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Alcticngcsellsciiatt
Stuttgart-Untertürkheitn

2ο. November 2973 Daim 996

Selbsttätig sperrendes Differentialgetriebe für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung betrifft ein selbsttätig sperrendes Differentialgetriebe für Kraftfahrzeuge, mit einem drehbar gelagerten wenigstens ein Planetenzahnrad tragendes von einer Kraftquelle aus antreibbaren Planetenradträger sowie mit zwei spiegelbildlich und gleichachsig zueinander und konzentrisch zur Drehachse des Planetenradträgcrs angeordneten mit dem Planetenzahnrad in Zahneingriff stehenden axial beweglichen mit je einer Abtriebswelle wenigstens mittelbar in Verbindung stehenden Zentral-Zahnrädern, wobei aufgrund der Art der Ausbildung und/oder der Anordnung der Verzahnung zwischen dem oder den Planetenzahnrädern und den Zentralzahnrädern ein der Drehmoment enübertragung am Zahneingriff proportionaler in Richtung auf die zugehörige Abtriebswelle weisender Axialdruck an dem entsprechenden Zentralzahnrad erzeugt wird, ferner mit einer reibschlüssigen im Schließsinne unter axialer Federvorspannung stehenden Lamellenkupplung zwischen wenigstens einem der Zentralräder und dem Planetenradträger, wobei das oder jedes Lamellenpaket axial auf der einen Seite abgestützt . /

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und andererseits durcli den von einer Belastung des ZaImeingriffes herrührenden Axialdruck des zugehörigen Zeiitralzahnrades im Schließsimio bcaufschlagbar ist und mit einer anderen bei Drehnioraontbeanspruclmng eine die Kupplungshälfton mit einer dem Drehmoment proportionalen Axialkraft (Abwoiskraft) zu spreizen trachtenden forinschliissigen Kupplung (Abweiskupplung) zwischen jedem mit einer Lamellenkupplung versehenen Zentralrad und der zugehörigen Abtriebswelle, wobei die eine Kupplungshälfte der Abweiskupplung axial abgestützt ist und die andere Kupplungshälfte fest mit dem zugehörigen Zentrnlzahnrad verbunden ist und wobei die Abweiskrnft im üffnungssinne für die zugehörige Lamellenkupplung wirkt.

Differentialgetriebe für Treibachsen von Fahrzeugen haben grundsätzlich die Aufgabe, bei unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten nn den Antriebsrädern rechts und links die Antriebsdrehnioniente gleichmäßig auf die Antriebsräder zu verteilen. Die selbsttätige Sperrung der Differentialgetriebe dient dabei dem Zweck, die Antriebskraft auch dann an die Antriebsrader und auf die Fahrbahn weiterzuleiten, wenn die Haftung der Antriebsräder rechts und links stark unterschiedlich ist und eines der Antriebsräder durchzurutschen droht. Dei Differentialgetrieben ohne Sperrung ist die maximal übertragbare Antriebskraft wegen der Drehmonientongleichheit durch das Antriebsdrehmoment des Hades mit der geringeren Bodenhaftung bestimmt.

Selbsttätig sperrende Kegelrad-Differentialgetriebe sind in den verschiedensten Konstruktionen bekannt, das oben genannte Differentialgetriebe z.I3. aus der US-PS 3 36^

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Es gibt auch Differentialgetriebe fibr Kraftfahrzeugtreibaehsen, bei denen sind die beiden vom· Differentialgetriebe aus angetriebenen zu je einem Antriebsrad führenden Treibwellenhälften wenigstens mittelbar über ständig wirksame reibschlüssige Kupplungen verbunden. Dieser Reibschluß zwischen den Treibwe.11 on erlaubt ein gewisses Haß-"an" Drehmomentenunter schied ( Sper.rdrehmoment) an den auf der Fahrbahn aufliegenden Antriebsrädern, ohne daß der ganze Antrieb außer Funktion gerat,, d.h. das geringer belastete Antriebsrad durchzudrehen beginnt. Zwar wird „durch dieses Sperr'drehmoment bei Kurvenfahrt auf normaler griffiger Straße ein gewisser Zwang auf die Räder ausgeübt, der den Keifenschlupf in der Kurve und somit den Reifenverschleiß erhöht und auch den Grcnzbereieh der Seitenführung namentlich auf weniger griffigen Fahrbahnen herabsetzt. Diese Nachteile werden ober in Kauf genommen· Es sind auch schon Differentialgetriebe bekannt, bed denen dieses Sperrdrehmoment lastabhängig verändert wird, und zvmr l'crait man Sperrdifferentinlgetriebe , bei denen cVns. Sj^errdrehmoment in unbelasteten) Zustand sehr hoch iet. und welches lastabhängig selbsttätig z.B. durch Abweiskupplungen gesenkt wird oder es gibt andere Sperrdiffcrentielgetriebe, bei denen ist das Sperrdrehmoment in unbelastetem Zustand weniger hoch, aber es wird lastabhängig z.B. durch den Zahndruck zwischen den Planeten- und den Zentralrädern erhöht. Daneben gibt es auch Differentialgetriebe mit Sperrung, bei denen das Sperrdrehmoment selbsttätig bewegungsabhängig, d.h. durch eine starke Relativbewegung einer TreibweHe gegenüber dem Planetenträger verändert wird.

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Die bisher bekennten Differentialgetriebe haben aber den Nachteili daß sie in funktioneller Hinsicht nicht allen in dieser Hinsicht einschlägigen Betriebsbedingungen bzwt Fahrzuständen voll gerecht werden; diese Fahrzustände sind:

Anfahren am Berg mit mehr oder weniger starker Steigung, wobei ein Antriebsrad nur sehr geringe Haftung hat,

Geradeausfahrt unter Last auf stellenweise glatter Fahrbahn,

Kurvenfahrt auf normal griffiger Straße mit angemessener Geschwindigkeit (evtl. unter Last),

Kurvwnfahrt auf teilweise vereister Fahrbahn (ein evtl. Verzwängen der beiden gegenüberliegenden Treibräder leitet eine Kutschbewegung ein) und

Kurvenfahrt auf mehr oder weniger griffiger Fahrbahn im Grenzbereich (das kurveninnere Rad droht abzuheben).

Bei Gcradenusfahrt unter Last auf teilweise vereister Straße ist bei einem Differentialgetriebe ohne Sperrung wegen der Beschleunigung des auf Eis auflaufenden Antriebsrades und dessen Massenträgheit am anderen noch auf griffigem Grund rollenden Rad ein niedrigeres aber dennoch ausreichendes Uestnioment vorhanden. Das auf Eis rollende Antriebsrad wird beschleunigt und die Boschleu-

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nigiingsdrehmomente geben für das andere Antriebsrad ein noch ausreichendes Stützmoment her. Beim späteren Wiederauflaufen des nunmehr zu schnell drehenden Rades auf griffigen Grund vrird. es plötzlich verzögert und gibt die gespeicherte kinetische Energie in Form eines Stosses an den Wagen ab. Bei einem Fahrzeug mit Differenz tialgetriebe ohne Sperrung werden also bei Fahrt unter Last auf teilweise vereister Straße beim einseitigen Auflaufen eines Hades von einer Eisfläche auf griffigen Grund auf den W'agen unsymmetrische Vortriebsstöße ausgeübt, die ein Schleudern des Wagens einleiten können. Diese Stöße können durch eine Sperrung des Differentialgetriebes vermieden werden. Zum Anfahren iJnd zum Geradeausfahreri auf teilweise vereister Fahrbahn bzw. Steigung ist demnach eine möglichst hohe Sperrung nötig.

Bei Kurvenfahrt auf griffiger Straße.soll möglichst gar keine Sperrung vorhanden sein, damit die Antriebsräder nicht zusätzlich durch das (rechts und links gegensinnig, d.h. insgesamt blind wirksame) Sperrdrehmoment belastet und gegenseitig verzwiingt werden und somit unnötiger Schlupf und Reifen verschleiß an den Rädern erzeugt werden; außerdem würde, durch eine unnötig hohe Sperrung des.Differentialgetriebes bei Kurvenfahrt ein Durch- oder Wegrutschen der Räder begünstigt.

Bei Kurvenfahrt im Grenzberoich unter Last (Steigung oder Beschleunigung) verliert das kurveninnere Rad aufgrund der Querkräfte an Bodenhaftung. Hier ist das rafehe Einsetzen einer kräftigen der Vortriebskraft und ,der Restbodenhaftung des kurveninnereiv Rados entsprechenden Sperrung des Differentialgetriebes erwünscht.

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Diese Aufstellung von widersprüchlichen Anforderungen läßt sich bisher nicht in jeder Hinsicht erfüllen. Kompromisse in der einen wie in der anderen Hinsicht waren bei jedem Sperrdifferentialgetriebe nötig. Teilweise brauchbare Fahrergebnisee konnten mit einem Sperrdifferentialgotriebe der eingangs genannten Art erzielt werden, jedoch befriedigte es in anderer Hinsicht nicht.

Das eingangs erwähnte Sperrdifferentialgetriebe hat eine federbelastete, also teilweise lostunabhängige Sperrung, die lastabhängig durch den Zahndruck verstärkt·und umgekehrt lastabhängig durch die Abweiskupplung gesenkt werden kann. Es bietet aufgrund dieser konstruktiven Gegebenheiten eine gute Ausgangsbasis in konstruktiver Hinsicht für eine Verbesserung. Trotz einer sehr starken Fodervorspanmmg der Sperrkupplungen bei dem Differentialgetriebe der eingangs genannten Art war es in vereisten Kurven praktisch unwirksam, es war also in funktioneller Hinsicht unvollkommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte Sperrdifferentialgetriebe in funktioneller Hinsicht so zu verbessern, daß gute Fahrergebnisse mit ihm in allen oben erwähnten Fahrzuständen erzielbar sind. Diese Aufgabe wird durch eine ganz bestimmte Auslegung so\v'ohl der Lamellenkupplung als auch der Abweiskupplung gelbst. Und zwar wird die' Abweiskupplunp so ausgelegt, daß bei irgendeinem Abtriebsdrehmoment die Abweiskräfto dem Detrag nach wenigstens angenähert gleich oder kleiner sind als der von einer Delastung des Zahneingriffes zwischen PIanetenzahnrnd und Zentralzahnrad herrührenden, dem erwähnten Abtriebsdrehmoment entsprechenden Axialdruck auf

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dos Zentralrad, d.h. Abweiskräfte und Axialkomponente der Zahnkräfte sind bei gleichem Drehmoment ausgeglichen bzw. die Axialkornponente· der Zahnkräfte überwiegt . Dies entspricht einer relativ schwachen Auslegung der Abweiskupplung im Hinblick auf die durch sie ejrzielbaron Axial- oder Spreizkräfte. Die schwache höchstens zohnkraftgleiclie Abweisung bedeutet, daß hoho Drehmomente an der Abweiskupplung auftreten müssen, um eine Spreizung der liälften der Abweiskupplung zu bewirken. Die Flanken der Abweiszähne oder -niuXden sind sehr .steil.. Das VerUältnis von Abweiskraft zu dem|o nt sprechend en durch die Abweiskupplung hindurchfließenden Drehmoment ist relativ klein. Dieser erwähnte Kräfte aus gleich .zwischen Abweisung xmd Zahndruclv ist das Kriterium für die erfindungsgemäße .furtktionelle Auslegung acT Abweiskupi>lung.

Gleichzeitig wird die Lamellenlajpplu;ng in dem eingangs genannten Sxjerrdifferentialgeitriebe so ausgelegt, daß der von einer Belastung des Zahneingri'ffes "herrührende auf das Zentralrad einwirkende und auf das Lamellenpfiket weitergeleitete Axialdruck an der Lamellenkupplung ein höheres Drehmoment hervorruft .als das derselben Zahnoingriffbelastung entsprechende am Zentralrad be%virlcte Zahnraddrehinoment. Der Axialdruck auf das Zentralrad ist stets proportional der Verzahnungsumfangskraft, wobei der Troportionalitätsfaktor (Axialkraftfaktor, dimensionslos) von den Winkeln der Verzahnungsgeometric, d.h. vom Zahneingriffs-, vom Kegelwinkel und gegebenenfalls vorir Schrägung swinkel abhängig ist. Das' Kupplungsdrehmoment ist stets proportional dem auf die Roiblameilen ausgeübten Axialdruck; der Proportionalitätsfaktor bzw. der Reibwert (Dimension:Längeneinheit) ist hierbei gleich dem

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Produkt axis dem mittleren effektiven Hoibf lächenradius, dem 2'eibungskoef f izienten der Lnitiellcn - din im übrigen auch als Konuslamellon ausgebildet sein können - und dor Reibflnchenanzahl. Unter Beachtung dieser Gosotzniüßir·- keiton kann das erfindungsgemäße Auslegimgskriteriuw für die Lamellenkupplung auch anders formuliert worden, nämlich: Der Reibwert der Lamellenkupplung soll größer sein als das Verhältnis aus wirksamem Wälzradrus am Zentral-Kegelzalmrad und dessen Axialkraftfaktor. Gemäß dieser Auslegung, die in erster Linie durch eine Erhöhung der Lamellenzahl bewirkt werden kann, wird die Lamellenkupplung sehr griffig. Die übertragbare Utnfangskraft ist größer als die entsprechende axiale Anpressung der Lamellen. Dieser Auslegungszustand ist mit dem Zustand der Selbsthemmung vergleichbar. Vorzugsweise erfolgt die Auslegung der Lamellenkupplung so, daß das Kupplungsdrehmoment etwa dem 1,25-"bis dem 2-fachen des Zahnraddrehmomentes entspricht.

Dank dieser erfindungsgemäßen Auslegung des Spcrrdiffcrontialgetriebes mit einer überstark griffigen qur.si eelbsthemmenden Sperrkupplung und mit einer relativ schwachen zahnkraftgleichen Abweiskupplung; wird eine funktioneile Verbesserung des Sperrdifferentinlgetricbes erreicht. Es würde einer zu vordergründigen Betrachtung entsprechen, wenn man in dieser Auslegung lediglich eine quantitative Voränderung eines bekannten Sporrdifferentialgetriebes erblicken würde; vielmehr wird hierdurch eine neue Qualität eines Sperrdifferentialgetriebes erzielt.

Um die durch die Erfindung bewirkte funlrtionolle Verbesserung des Sporrdifferentialgetriebos vorständlich zti nia-

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chon, sei zuvor auf folgendos hingewiesen: Der Kraftfluß fur die Traktion (Tral.tionskraftflüß) des Pahrzeuges ver-■läuf-t. innerhalb eines jeden Differentialgetriebes in der iiichtuns von Flanetenrrdträger zu den Abtriebswelle'n. Hierbei wirken die Planetenräder wie ein Waagebalken; d.h. die Flankendrücke an den Zähnen der Ilanotenräder sind in den einander gegenüberliegendeii Zahneingriffen - abgesehen von liier vernachlässigbaren Schwingungen oder Heibungseiii-"flüssen" - stets gleich groß. Der Fluß der eine ungleiche Winkelgeschwindigkeit der beteiligten Einzelteile in ein Differentialgetriebe einleitenden Kräfte (Differentiall.raftfluß) läuft aber dem oben erwähnten Traktionskraftf.l\iF-entgegen, er geht nämlich von den Treibrädern, also ■von -elen Abtrxebswellen des Differentialgetriebes aus in Richtung auf die rinnctonräder. Hierbei muß hervorgehoben werden, daß der Differentxalkraftfluß nur dann belastet. ist, wenn die Vreibräder der beiden Seiten des Fahrzeuges sich ungleich schnell drehen, Wenn nan die beiden von|je einem Treibrad auf jeder Fahrzoiigscite herrührenden einander entgegenarbeitenden Differontinlkraftflüsse betrachtet, ließe sich auch sagen, dieser aus den beiden einzelnen Differentialkraftflüssen zusammengesetzte ^csai.it-bif fcrentialkraf tfluß läuft von dem Treibrad der einen Fahrzeugseite quer durch das Sporrdifferentialgetriebe hindurch zu dom anderen Treibrad hin. Abgesehen von einer gewissen Erhöhung des ROllreibungswiderStandes ist die in diesem Gesamt-Differentialkfaftfluß übertragbare Leistung blind} gleichwohl können die Momente in diesem Kraftfluß spürbar^ zum Teil sogar sehr beträchtlich und vor allem für die Steuerung des Sperrdifferentialgetriebes verwertbar sdn. .

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Es sind also zwei verschiedene einander entgegeiigerichtete Kraftflüsse in einem Antriebssystem eines Fahrzeuges mit Differentialgetriebe zu unterscheiden, nämlich der bei Fahrt ständig belastete Traktionskraftfluß vom Motor zu den Treibrädern und der lediglich bei Goschwindigkeitsdifferenz an den beiden Treibrädern belastete Differentialkraftfluß von den Treibrädern zum Differentialgetriebe.

Für das Verständnis der Erfindung ist es ferner noch wichtig, daß das Ausmaß der Kräfte in den beiden erwähnten einander entgegenlaufenden Kraftflüssen sich nach unterschiedlichen Kriterien bestimmt. Der vom Antriebsmotor herkommende zu den Treibrädern gerichtete Traktionskrnftfluß ist in erster Linie von' der vom Fahrer bestimmten Größe der Traktionskraft belastet. Der andere entgegengesetzt gerichtete Differentialkraftfluß ist hingegen hinsichtlich der Höhe seiner Belastung im allgemeinen der Willkür des Fahrers entzogen; die Belastung des Differentialkraftflusses bzw. die in ihm aufbringbaren Drehmomente bestimmen sich in erster Linie nach der Güte der Bodenhaftung der Treibräder. Ist d~ie Bodenhaftung gut, so sind die im Differentialkraftfluß aufbringbaren Drehmomente ebenfalls hoch und zwar sind sie bei griffiger Straße sehr viel höher als die axich bei starkor Traktion auftretenden Antriebsdrehmomente. Diese Feststellung entspricht einer der wesentlichen Erkenntnisse, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben. Ist die Bodenhaftung eines der Treibräder schlecht, so sind auch die in dem entsprechenden Differentialkraftfluß auftretenden Drehmomente entsprechend gering. Wegen des symmetrischen Aufbaues des Sperrdifferentialgetriebes und dem Grundsatz von actio = reactio ist auch bei einer einseitig guten Bodenhaftung das Differentialmoment in den beiden

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Differentialkraftflüssen der beiden Achshälften gleich

Ferner sei zum Verständnis der Erfindung noch darauf hingewiesen, daß in dem gattungsmäßigen wie auch in dem erfindungsgeniüßen Spcrrdifferentialgetriebe außer an dem Planetenrad noch in jedem der davon ausgehenden Kraftwege eine weitere Gabelungsstelle des Kraftflusses angeordnet ist. Und zwar gabelt sich der Kraftfluß an jedem Zentral-kegelrad. Einer dieser "sich hier teilenden Kraftwege geht vom Zentralkegelräd über die Abweiskupplung in die Abtriebswelle und der andere Kraftweg geht vom Zentralkegoiratl über die Lamellenkupplung in den Planetenradträger. Im Hinblick auf die Erfindung und die erfindungsgemäße Wirkungsweise des Sperrdifferentialgetriebes ist es nun wichtig i'.u wissen, daß für den Traktionsfluß die Abweiskupplung hinter dem Gabolungspunl.t dieses Kraftweges liegt --d.lv* es kann ein Teil der ganzen dem Zahndruck am Planetenrad entsprechenden Kraft vor der Abweiskupplting vorbei in den Planetenradträger fließen. Andererseits liegt aber - was noch \iriehtiger ist - hinsichtlich des Differentinlkraftflusses der Gabelungspunkt hinter der Abwoiskupplunr;, d.h. die den Differentialkraftfluß entsprechenden Kräfte laufen loo-?£ig durch die Abweiskupplung hindurch. Hierbei ist festzuhalten, daß die Abweis-Icupp'lunjr" im belasteten Zustand öffnend auf die das Different inlgetriobe sperrende Lamellenkupplung (Sperrkupplung) also entsftrrend wirkt und daß eine Belastung des Zahneingriffes'zwischen Planeten- und Zenträlradversperrend wirkt. In joden der Kraftflüsse ist also vor dor GaLcliinfsstelle ?es Kraftflusses eine bei I3cla--s.tung. auf den Versperi-unrszvi stand der -"Sperr kupplung; EinfluP nehmende IViebverbindung angeordnet.

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Zusammenfassend ist also festzuhalten: Zunächst: Es sind in dem Sperrdifferentialgetriebe zwei in ihrer Richtung einander entgegengesetzte Kraftflüsse - der Tral.tionskraftfluß und der Differentialkraftfluß - zu beobachten. Ferner: Das Ausmaß der Kräfte in diesen Flüssen bestimmt sich nach recht unterschiedlichen Gesichtspunkten, nänlich nach der willkürlich beeinflußbaren Traktionskraft bzw. nach der einer Einflußnahme entzogenen Bodenhaftung der Treibräder. Schließlich: Es"ist in jeder Achshälfte ein Gabelungspunkt für die beiden erwähnten Krnftfliisse angeordnet; dieser Gabelungspunkt liegt zwischen zwei unterschiedlichen Triebverbindungselcmentcn, von denen jeweils eines in jedem der beiden Kraftflüsso zuvorderst angeordnet ist und bei Belastung des entsprechenden Kraftflussos als erstes vor einer Beanspruchung der Gabelungsstolle beansprucht wird. Dabei wirkt eine Belastung des Differentialkraftflusses entsperrend und eine Belastung des Traktionskraftflusses versperrend auf das Sperrdifferentialgetriebe.

Diese ganzen zum großen Teil neuen Überlegtingen mußten angestellt werden, um auf die erfindungsgemäße Getriebeauslegung zu gelangen, die die qualitative Verbesserung des Getriebes in funktioneller Hinsicht brachte bzw. um für die Erfindung das Verständnis zu ermöglichen.

Aufgrund eines wenigstens angenähert geometrischen Ausgleiches zwischen entsperrender Abweisung und den versperrenden Verzahnungskräften verbleibt wenigstens ein Instunabhängiger von der Federvorspnnnuiig herrührender Rest an Axialkraft, der die überstark griffige Sperrkupplung ein wenig vorspannt (initiale Versperrung). Bei unbelastetem

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Dif ferentiälkraftfluß lieben sich zunächst die lnstabhangigen entsperrenden und versperrenden Axinlkräfte gerade puf, nber es kotanit aufgrund dieser initialen Sperrung des Differontirilgetriebes zu einer Aufgabelnng des Kraftflusses in den Plnnotenradtriiger bzw. in die Abtriebswelle. Ls wird also lediglich ein Teil der Traktionskräfte über die Abweisung in die Abtriebswelle geleitet, ein anderer Teil geht über die Sperrkupplung in den I?länetenradtrüger. Dei unbelastetem Differcntialkraftfluß überwiegen dabei trotz des geometrischen Ausgleiches der ent- und der vorsperrenden Kräfte die-versperrenden Kräfte, eingeleitet durch die initiale Versperning aufgrund der Federvorspan-

Bei einer gleichstarken Belastung der Differerttialkraftfliisse beider Treibachshälfton - z.B. bei einer Kurvenfahrt auf griffigem Untergrund - werden von den Treibrädern her zunächst die Abweiskupplungen und somit die Sperrkupplungen geöffnet, da die blind in dem Differentialgetriebe seitens der Abtriebswellen her wirksamen Differentialmoniente die Tralctionsniomente bei griffigem Untergrund bei weitem übersteigen. Trotz der initialen Versperrung und der quasi selbsthemmend ausgelegten Sperrkupplung wird vonjrückwärts her aufgrund der symmetrisch wirkenden Differentialmomente die Sperrung aufgehoben und das Sperrdifferentialgetriebe wirkt wie ein normales Differentialgetriebe,ohne Sperrung.

Bei stark unterschiedlicher, d.h. einseitig geringer Bodenhaftung sinken in den Differentialkraftflüssen beider Achshälften die Pifferentialmomente und aufgrund der erfiridungsgeniäßen schwachen Auslegung der Abweiskupplung gelangt das Differentialmoment unter den Wert, der erforder-

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lieh träre, um entgegen der versperrend wirkenden ZaImkrnft. und der Federvorspannung die Starrkupplung mittels der Abweiskupplung zu öffnen. Man muß hierbei berücksichtigen, daß selbst auf den schlüpfrigsten bekannten Falir*- bahnoberfläclien (bewässertes Glatteis) der lleibwert zwischen Keifen- und Fahrbahnoberfläche immer noch o,l beträgt; das Differentialraoinent ist daher - vom Fall des Trcibwellenbruches einmal abgesehen -> mindestens ο,Ι χ Radlast χ Kollradius; dieses Produkt liegt ungefähr im Dereich von etwa h - C mlqi. Das Dif ferentialniöment ist also selbst

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im/Extremfall immer noch relativ groß. Dank der erfindungsgeriäßen schwachen Auslegung der Abweiskupplung sind clie entsperrenden Abweisl.räf ten aber auch bei hofieren Kaftvor- ■fcn als dem eben erwähnten i<ert immer noch klein gemtf··, dafsie von den zalmkrpftbedingten versperrenden Kräften wenigstens ein venig überwunden werden können. Dieser kleine Überschuß der versperrenden Kräfte genügt p.ber danl. der quasi selbsthernrviend ausgelegten Sperrkupplung, uri diese sich selbst festboiHen zu lassen. Iiin bißchen Sdiupf in der Kupplung genügt näi.ilich, um die Znhnkräfte und somit die Axinlkraft ansteigen zu lassen, die ein Schließen der Kupplung bewirkt· Dank der quasi selbsthemmenden Auslegung der Sperrlrupplung sind Zvischenzustände wie z.B. Schlupf nicht möglich. Entweder es überwiegen die entsperrenden Differentialmomente bzw. Abweiskräfte gegenüber den 7,-.I>nkräften eindeutig, dann sind die Sperrkupplungen ganz offen oder es überwiegen die versperrenden Zahnkräfte aufgrund einer ungleichmäßigen Belastung der Differentialkraftflüsse, dann beißt sich din Kupplung dank ihrer erfindungsgemäßen griffigen Auslegung sofort selber fest. Zwischenwerte sind praktisch nicht möglich. Zu dieser Ein/Aus-Charakteristik der reibschlüssigen Sperrkupplung träj-t im übrigen, auch der relr- tiv hohe Unterschied zwischen dem Gleit- und dem Reibungs koeffizienten mit bei.

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Dank der- crfindungsgemäßen schwachen Auslegung dor AL-veiskupplunir wird also die Ansprechsclwollc dos Sperrens des Sperrdifferentialgetriebes auf höhere Reibworte, als die Kindestwerte verlegt (hohe Ansprechschwellwerte der Iiadhaf tung) . Dank der erf in du ng B ge ma Pv starken Auslegung der Sperrkupplung spricht auch bei einem geringen Unterschreiten, des Differentialmoments unter den Schwellwert die Sperrung sofort und mit voller Wirksamkeit an (sofortige und volle Sperrung bei unterschiedlicher Bodenhaftung) .

Dank dieser auslegungsbedingten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Sperrdifforentialgetriebes können die weiter oben erwähnten Fahrzustände alle in befriedigender Weise erfüllt werden. Dei Geradeausfahrt (unbelastete Differentialkraftflüsse) liegt eine Sperrung vor, so daß auch ruckfrei über teilweise vereiste Strecken gefahren werden kann. Dei griffigen Kurven tritt aufgrund des völligen Trennens der Sperrkupplungen keine gegenseitige Vorzwängung der Treibräder beider Fahrzeugseiten ein, so daß kein unnötiger Ileifenverschleiß und kein initialer Reifenschlupf auftritt.. Bei einseitig nachlassender, wie auch immer und wann auch immer (bei Kurven- oder Geradeausfahrt) verursachter Bodenhaftung, bei der ein bestimmter relativ hoch liegender Schwellwer-t unterschritten wird, setzt sofort und übergangslbs die volle Wirkung, der Sperrung ein, so daß der Wogen gewissermaßen mit starr verkuppelten Treibrädern angetrieben wird und die Bodenhaftung des besser haftenden Treibrades zum Vortrieb noch voll zur Vorfügung steht.

Dank der quasi selbsthemmend ausgelegten Sporrkupplung und der schwachen Auslegung der·Abweisung kann die Federvor-

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spannung dor Sperrkupplung sehr gering sein, wodurch das Sperrdifferontialgetriebe vereinfacht wird und leichter gebaut werden kann. Um aber in allen Fällen - abgesehen von der gevrollten Entsporrung - eine eindeutige Vorspannung der Sperrkupplung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn die die Vorspannung der Kupplungslamelle!! bewirkenden Federn so sclmach ausgelegt sind, daß auch in den DetriebsKuständen, in denen die im Offnungssinne wirksame Abweiskraft der Abweiskupplung sich im zeitlichen Mittel gegen den im Schließsinne wirksamen von der Zahneingriffsbelastung herrührenden Axialdruck auf dns Zentrnlrad aufhebt (Geradeausfahrt), die Kupplunfslnmelloii unter Berücksichtigung der im Differentialgetriebe bzw. seinen Einzelteilen während dos De triebe s auftretenden Drelinionientenschwingungen od. dgl. stets gerade noch mit Sicherheit unter einer eindeutigen Anpressung stehen.

Um die Abweiskupplung möglichst gleichmäßig ansprechen zu lassen und Störeinflüs.se wie z.D. unterschiedliche Reibung, weitgehend auszuschalten, empfiehlt es sich, an der Abweis— kupplung in an sich bekannter Weise Rollkörper vorzusehen.

die Znhnkräfte auf ein unnachgiebig unterstütztos Lanellenpakot einwirken und sich voll auswirken können, ist es erforderlich, daß die die Fcdcrvorspannung der Kupplungslamcllcn bewirkenden Federn von derselben Seite nuf das Lamellenpaket einwirken wie der dxirch eine Zahneingriffbelnstmig hervorgerufene Axialdruck.

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Allsführungsbeispieles im folgenden näher erläutert; es zeigen:

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Fig. 1 einen achsparallclen Schnitt durch das In

nere eines erfindunjrsgeniäßen Sperrdifferentialgetriebes und

Fig. 2 einen Teil eines abgewickelten Zylinder

schnittes durch die Abweiskupplung in vergrößerter". Darstellung.

Das in der Fig. 1 ■ dargestellte umlaufende Sperrdifferentialgetriebe ist in eitienv nicht dargestellten stillstehenden äuP>aren Gehäuse in bekannter Weise drehbar gelagert, ebenfalls in diesem äußeren Gehäuse ist ein·auch nicht mehr dargestelltes vom Antriebsmotor- des Fahrzeuges aus antreibbares Kegelritzel gelagert, welches mit dem großen Kegelrad 11 des Differentialgetriebes in Eingriff steht. Dieses sogenannte Tellerrad ist an dem den Plnnotenradträger Io des Differentialgetriebes bildenden inneren umlaufenden Gohäuse des Umlaufgetriebes befestigt. Die Abtriebswellen 8 Lind 9 sind ebenfalls in dem äußeren Gohäiisegelagert.

Das eigentliche umlaufende Differentialgetriebe ist als symmetrisches Kngelzalmrad-Flanetengetriebe ausgebildet mit dem bereits erwähnten Planetenradträger Io, zu dorn · noch der Planetenträgerstern 12 gehört, ferner mit dem I'l aneten-Keirelzahnrädern 13 und mit den beiden zueinander spiegelbildlich angeordneten, mit den PlanetenrH^dorn in Eingriff stehenden Zentrnlrädem lk und 15··" Die i'lnnetenriider 13 sind senkrecht zur Umlaufachse des Getriebes auf c'on von dem Hing l3 getragenen Zapfen des Planotehträger- oder ?Sapfensterns 12 spielfrei gelagert. Die Zentralräder sind praktisch frei gelagert und können innerhalb gewisser Grenzen entsprechend den auf sie einwirkenden Kräften sich

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in

frei bewegen und/die jeweilige Gleichgewichtsposition wandern. In radialer Hinsicht ist diese Gleichgewichtsposition durch eine gleichmäßige Belastung der Zahneingriffe mit den Planetenrädern bestimmt. In axialer Hinsicht stützen sich die normalerweise jeweils unter einem nach nußen gerichteten Axialdruck stehenden Zentralräder über die Lamellenpakete 23/22 der weiter \inten behandelten Sperrkupplungen 21 am Gehäuse Io ab. Das über die Planetenräder in die Zentrnlräder eingeleitete Drehmoment wird über die Abweiskupplung 2o in die Abtriebswellen 8 bzw. weitorgeleitet. Die beiden Zcntralrädor l4 und 15 stehen außer unter den Zahnlcräften noch unter der ebenfalls nach außen gerichteten Kraft eines Stapels von Tollerfedern 17, die im Innern des Hinges l8 angeordnet sind. Aufgrund der Vielzahl der 'feilerfedern 17 ist die Federkraft lediglich klein, was bei der erfindungsgemüßen Gntriebeauslegung zulässig ist. Die Federn haben lediglich die Aufgabe, auch unter Schwingungen od. dgl. stets eine geringe Mindestvorspannung der Kupplmigslamellen sicherzustellen.

Die beiden Sperrkupplungen 21 sind im Kraftfluß zwischen dem Planetenträgergehäuse Io und dem jeweiligen Zentralrad angeordnet. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Paket von abwechselnd in einem Gohäxise- bzw. einem Zahnradnutenkranz eingehängten Kupplungslamellen 23 bzw. 22, die sich über die radiale Erstreckung B berühren und deren wirksemor mittlerer Reibradius (durch die strichpunktierte Linie angedeutet) LL beträgt. Die Sperrkupplung wird durch die Vorspannfeder 17 und durch die in Richtung der Abtriebswellen fallende Axialkomponente der Kegelzahnexngriffskräfte im Schließsinne belastet. Diese Axialkomponente ist direkt proportional der Umfangskraft dns Zahnrades 13 und hängt lediglich von der Geometrie der Vcr-

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zahnung ab; und zwar ist der ■" Axial druck"'faktor bei geradverzahnten Kegelrädern Z = taiicA^ . sin (90™ ei )

a .

( Ox, - Flankenwinkel des Verzahnungsgruiidprof iles) und liegt praktisch im Bereich von 3° bis 35 ^* -Mit. die sein Prozentsatz, der Umfangskraft des Zentrnlrades zuzüglich der Federvorspannkraft wird die Sperrkupplung 21 im Scliließsinne beaufschlagt. Die Sperrkupplung ist insbesondere aufgrund einer entsprechend großen Lamollonzahl so "ausgelegt, daß diese Axialanpressung genügt, um mit ihr ein größeres Drehmoment übertragen zu können, als- der Umfangskraft an der Verzahnung entspricht, (quasi se'lbsthoimnende Auslegung)

Im Kraftfluß zwischen je einem Zentralrad l'l bzw. 15 und der zugehörigen Abtriebswelle 8 bzw. 9 ist eine Abweiskupplung 2o angeordnet. Diese besteht aus zwei Hälften, deren eine praktisch Bestandteil des zugehörigen Zontralrades ist und in das Zentralrad eingearbeitete.ini Zylinderschnitt (Fig. 2) V-förmige Kugeltaschen 29 aufweist und deren andere Hälfte Zh gegen Verdrehen formschlüssig aber axial beweglich (Steckverbindung 25) mit;der zugehörigen Abtriebswelle verbunden ist und ebenfalls gleiche Ivugeltaschen 28 aufweist. Durch in die einander zugekehrten Kugeltaschen eingelegte Kugeln 3o ist zwischen den beiden Kupplungshälften eine formschlüssige Verbindung hergestellt. Aufgrund der V-Form der Kugeltaschen wird bei Drehmomenttaiastung der Abweiskupplung eine Spreizkraft auf die beiden Kupplungshälften ausgeübt, die der "Steilheit der Flanken der Kugeltaschen entspricht. Und zwar ist das Verhältnis von Abweiskraft zu an den Kugeln übertragenen Umfangskraft gleich dem Tangens des Winkels ρ der Flonkenneigtmg gegenüber der Achsrichtung, d.h. Tangens p ist ginich dem Abweisfaktor der Abweiskupplung. Die Flankensteilheit dor V-förmigen Kugeltaschen ist so gewählt, daß bei irjrtmdeinem bestimm-

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ten an der Abweiskupplung übertragbaren Drehmoment die auf das zugehörige Zentralrad ausgeübte Abweislcraft dem Bftrag nach gleich ist dem entgcgeugerichteten von einer drehniomentmäßig gleich hohen BelastLing des Zahneingriffes herrührenden Axialdruck auf das Zentralrad. Hieraus folgt, daß der Abweisfaktor der Abweiskupplung (= Tangens ß) gleich dem Produkt aus dem oben erwähnten Axial-

kraftfaktor Z des Zahne ingr iff es und dem Radienverhulta

nis aus Teilkreisradius der Abweisloipplungen (r ) zu effektivem Välzkreisradius der Verzahnung bezogen auf die Zentralradaclise (r ) ist. Bei einer Axialbelastung der Abweiskupplung stützt sich der axinlbewegliche Teil 2k der Abweiskupplung über ein Nadellager 26 mit seiner Rückseite am Gehäuse Io ab. Dae axiale Unters, tu tsaing 26 der Abweiskupplung ist an einer solchen Stolle z.B. mittels der auf bestimmte Starke geschliffenen Lagerscheiben 27 angeordnet, daß bei strammer Auflage des Zentralrndes auf den KupplungsiameIlen und spielfreiem Lauf des Nadellagers 26 ein Spiel 3I am Grunde der im beweglichen Toil 2k der Abweiskupplung eingearbeiteten Kugeltaschen 2δ sich befindet. Dieses Spiel ist das zulässige Verschleißmaß der Sperrkupplung 21.

In dem Antriebssystem einer Kraftfahrzeugtreibachse mit einem Differentialgetriebe lassen sich - wie weiter oben erläutert - zwei verschiedene einander entgegengerichtetc Kraftwege unterscheiden; und zwar der vom Motor in Richtung auf die Abtriobswellen gerichtete strichlicrt eingezeichnete Traktionskraftfluß und der von den Treibrädern in Richtung auf das Planetenrad gerichtete strichpunktiert angedeutete Differentialkraftfluß. Die im Differentialkraftfluß blind auftretenden Momente sind im wesentlichen durch die Güte der Bodenhaftung der Treibräder bestimmt

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und sind in der Regel wesentlich höher als die in entgegengesetzter Richtung durch das Differentialgetriebe hindurchgeleiteten Traktionsmomente.

Vie der Fig. 1 zu entnehmen ist, kommt es im Traktionskraft fluß in jeder Achshälfte noch einmal zu einer Aufspaltung und zwar im Zentrolrad; der Kraftfluß teilt sich auf die beiden anschließenden Kupplungen 21 bzw. 2o, deren eine (die Sperrkupplung 21-) das Zontralrad an das Gehäuse zu kuppeln und somit die Differcntialwirkung des Getriebes a\ifzuheben vermag und deren andere (Abweisk\ipplung 2o) das Zontralrad formschlüssig mit der zugehörigen Abtriebswelle verbindet. In jedem Kraftfluß ist ein auf die AxialbeJ.astung der SperrkuppIung lastabhängig einflußnehmendes Element angeordnet, welches in der jeweiligen Kraftflußrichtuug Vor der Sperrkupplung angeordnet ist, und zwar ist im Traktionskraftfluß die lastabhängig versperrend wirkende Verzahnung und im Differentialkraftflußdie lastabhängig entsporrcnd wirkende Abweislaipplung vorgesehen. Je nachdem, in welchem Kraftfluß die Drehmomente größer sind, überwiegt die Wirkung des^ versperrenden bzw. des entsperrenden Elementes.

Bei Geradeaus fahrt auf durchgehend griffiger Fahrbahn ist der Differentialkraftfluß unbelastet. Aufgrund der Aufgabelung des Traktionskraftflusses im Zontralrad ist die Helastung des Zahneingriffes zumindest unter der Annahme eines geringen Sehlupfes der vorgespannten Kupplung großer als die Belastung der Abweiskupplung. Die eine Versperrung bewirkenden Kräfte sind also zumindest aufgrund der Fodcrvorspannung im I liergewicht.

Sollte nun z.Ii. aufgrund einer plötzlich einsetzenden einseitigen Vereisung der Fahrbahn das übertragbare Abtriebes-

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drehmoment einseitig plötzlich absinken, so sinkt dementsprechend auch einseitig die Abweiskraft. Durch einen initialen Schlupf des Rades auf dem Untergrund bei vermindertem Abtriebsmoment kommt es zum Schlupf in der Sperrkupplung und zu einer echten KraftflußaufSpaltung

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im Zentral/rad in der angedeuteten Weise. Aufgrund des Schlupfes der vorgespannten Kupplung ist die Zahneingriff sbelastung hoher als die Belastung der Abweiskupplung, wodurch die Verspannung der Sperrkupplung zunimmt; aufgrund der quasi selbsthonunondoii Auslegung beißt sich in diesem Foil die Sperrkxipplung sehr rasch fest, noch ehe das auf glatten Untergrund aufgerollte Treibrad nennenswert zum Schleudern lconu.ien konnte.

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ltird hingegen den Treibwellen aufgrund einer Kurvenfahrt auf griffigem Untergrund eine Differenzgeschwindigkeit aufgezwungen, so ist die Belastbarkeit des Differentialkraftflusses entsprechend der guten Bodenhaftung sehr hoch. Die blind wirksamen Differontialtnoniente werden daher entgegen den versperrend !wirkenden Zahnkräften - auch wenn diese etwa durch das Einleiten eines Festbeif'eiis der Sperrkupplung sehr hoch worden sollten - eine Spreizung der Abweiskupplung und somit eine Öffnung der Starrkupplung erzxiingen. iirst wenn in der Kurvenfahrt - aus welchen Gründen auch immer (einseitig Eis, Abheben des hirveninneren Rades) - ein Antriebsrad nennenswert an Dodenhaftung verlieren sollte, kann der Punkt eintreten, nn dem die die Spcrrkupplung entsperrendon Kräfte die versperrenden nicht mehr zu ,überwinden vermögen. Die Sperrkuj> plunjr beiP-t sich dann wieder schlagartig fest und die Traktion erfolgt, über dns eine Treibrad mit noch guter Bodenhaftung, wobei i'cm anderen Rad atifgrtmd der Sperrung des Differentialgetriebes die gleiche Umfangsgesclwindirkeit wie dem des einen Rades auf gezwungenjwird. Sollte das

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Rad wieder an Bodenhaftung gewinnen, so wird der entsperrende Difrerentialkraftfluß wieder belastbar und die Differentialsperre wieder gelöst.

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Claims (5)

1. - 2358734

   Ansprüche

   Selbsttätig sperrendes Differentialgetriebe für Kraftfahrzeuge, mit einem drehbar gelagerten wenigstens ein Planetenzahnrad tragendes von einer Kraftquelle aus antreibbaren Planetenradträger sowie mit zwei spiegelbildlich und gleichachsig zueinander und konzentrisch zur Drehachse des Flanetenradträgers angeordneten mit dem Planetenzahnrad in Zahneingriff stehenden axial beweglichen mit je einer Abtriebswelle wenigstens mittelbar in Verbindung stehenden Zentralzahnrädern, wobei aufgrund der Art der Ausbildung und/oder der Anordnung der Verzahnung zwischen dem oder den Planetenzahnrädern und den Zentralzahnrädern ein der Drehmomentenübertragüng am Zahneingriff proportionaler in Richtung auf die zugehörige Abtriebswelle weisender Axialdruck an dem entsprechenden Zentralzahnrad erzeugt wird, ferner mit einer reibschlüssigen im Schließsinne unter axialer Federvorspannung stehenden Lamellenkupplung zwischen wenigstens einem der Zentralzahnräder und dem Planetenradträger, wobei das oder jedes Lnmellenpaket axial auf der einen Seite abgestützt und andererseits durch den von einer Belastung des Zahneingriffes herrührenden Axiyldruck des zugehörigen Zentralzahnrades im Schließsinne beaufschlagbar ist und mit einer anderen bei Drehmomentbeanspruchung eine die Kupplungshälften mit einer dem Drehmoment proportionalen Axialkraft (Abweiskraft) zu spreizen trachtenden formschlüssigen Kupplung (Abweiskupplung) zwischen jedem mit einer Lamellenkupplung versehenen Zentralzahnrad und der zugehörigen Abtriebswelle, wobei die eine Kupplungshälfte der Abweiskupplung axial abgestützt ist und die andere Kupplungshälfte fest mit dem zugehörigen Zentralzahnrad verbunden ist und wobei die Abweislcraft im Öffnungssinne für die zugehörige Lamellenkupplung wirkt, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anwendung folgender Merkmale:

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   ■■-■ 25 -■

   a) Die Abweiskupplung (2o) ist so ausgelegt, daß bei irgendeinem Abtriebsdrehmoment die Abweiskräfte dem Betrag nach wenigstens angenähert gleich oder kleiner sind als der von einer Belastung des Zahneingriffes (13/14 bzw. 13/15) zwisehen Plane tenzahnrad (13) und Zentralzahnrad .(.'14- bzw. 15) herrührenden, dem erwähnten Abtriebsdrehraotncnt entsprechenden Axialdruck auf das Zentralzahnrad;

   b) die Lamellenkupplung (2l) ist so ausgelegt, daß der von einer Belastung des Zahneingriffes (l3/l4 bzw. Ϊ3/15) herrührende auf das Zentralzahnrad (.14 bzw. 15) einwirkende und auf das Lamellenpaket (22/23) weitergeleitete Axialdruck an der Lamellenkupplung (2l) ein höheres Drehmoment hervorruft als das derselben Zahneingriff sbelastung entsprechende am Zentralzahnrad (l4 bzw. 15) bewirkte Zahnraddrehmotnent.
2. 2. Differentialgetriebe nach Anspruch !,dadurch g e k e η η ζ e ich η e t , daß die Auslegung der Lamellenkupplung (2l) so ist, daß das Kupplungsdrehmoment etwa dem 1,25- bis 2-fachen des Zahnraddrehmonientes entspricht.
3. 3· Differentialgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, da durch g ο k e η η ζ e i c h net, daß/aie Vorspannung der Kupplungslamellen (22/23) bewirkende(n) FederXn-) (17) so schwach ausgelegt ist (sind) , daß auch in den üetriebszuständen, in denen die ini Üffnungssinne v/irksanie Abweiskraft der Abweiskupplung (2o) sich im zeitlichen Mittel gegen den im Schließsinne wirksamen von der Zahneingriffbelastüng herrührenden Axialdruck auf das Zehtralzahnrad (l4 bzw. 15) aufhebt(Geradeaus-

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   fahrt), die Kupplungslaraellen (22/23) unter Berücksichtigung der im Differentialgetriebe bzw. seinen Einzelteilen wahrend des Betriebes auftretenden Drehmomentschwingungen od. dgl. stets gerade noch mit Sicherheit unter einer eindeutigen Anpressung stehen.
4. 4. Differentialgetriebe nach Anspruch 1, 2 oder 3 ι dadurch gekennzeichnet , daß die Abweislcupplung (2o) in an sich bekannter Weise Rollkörper (30) aufweist.
5. 5. Differentialgetriebe nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die die Federvorspannung der Kupplungslamellen (22/23) bewirkendein) Feder(n) (l7) von derselben Seite auf das Lamollenpaket (22/23) einwirkt wie der durch eine Zahneingriff belastung hervorgerufene Axialdruck.

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