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Sperrdifferential
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Differential- bzw.
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Ausgleichgetriebe und betrifft insbesondere ein verbessertes Sperrdifferential
zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen.
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Seit der Einführung der brennkraftmaschinengetriebenen Landfahrzeuge,
d.h. der Automobile, werden in den Kraftübertragungssys temen derartiger Fahrzeuge
Aus gle ichgetriebemechanis -men verwendet, die eine Differentialbewegung der antreibenden
Laufräder auf beiden Seiten des Fahrzeugs zulassen, insbesondere wenn das Fahrzeug
einen Bogen oder eine Kurve durchfährt.
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Das übliche, allgemein bei Kraftfahrzeugen verwendete Ausgleichgetriebe
umfaßt einen Satz von Kegelrädern (üblicherweise vier Kegelräder für Einsatz unter
leichter Belastung oder mehr als vier Kegelräder für stärkere Belastung). Am Ausgleichgehäuse
sind zwei oder mehr Ausgleichräder mit einem Tellerrad angebracht, das durch ein
mit der Antriebswelle verbundenes Antriebsritzel angetrieben wird, und zwei Achswellenräder
sind mit den beiden Antriebsrädern über die Achswellen verbunden.
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Ein solches Ausgleichgetriebe besitzt aufgrund seiner Konstruktion
einen hohen Wirkungsgrad von etwa 90%.
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Dieser hohe Wirkungsgrad ist jedoch unter bestimmten Bedingungen unvorteilhaft.
Ein bekanntes Problem ftir den Fahrzeuglenker ist der Fall, in welchem sich ein
Antriebsrad auf Eis oder Schlamm, einer verölten Fahrbahnfläche oder einer anderen,
eine mangelhafte Traktion bietenden Fläche befindet, während sich das andere Rad
auf trockenem Grund bzw. einer Fläche mit besserer Traktion beiindet. Dabei bleibt
das eine gute Traktion, d.h. einen guten Kraftschluß, findende Rad stehen, während
das Rad mit schlechter Traktion unter Vergeudung der Maschinenleistung durchdreht.
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Obgleich es zahlreiche Vorrichtungen zur Überwindung dieser Schwierigkeit
gibt, hat sich keine davon als so eriolgreich erwiesen wie das normale Ausgleichgetrieb,
was entweder auf die höheren Kosten, mangelnde Betriebslebensdauer, sperrige Bauweise
oder störungsanfälligen oder geräuschvollen Betrieb und dgl. zurUckzu£Uhren ist.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilderten
Nachteile durch Schaffung eines verbesserten Sperr differentials zu vermeiden, das
ein Durchdrehen eines Antriebsrads begrenzt und eine Halbsperrwirkung bei begrenztes
Schlupf gewährleistet.
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Dieses Sperrdifferential soll dabei mindestens ein Spiralzahn-Ausgleichkegelrad
und zwei damit in GleitberUhrung miteinander stehende Achswellenkegelräder aufweisen,
wodurch Reibung erzeugt und die Übertragung einer minimalen Rotationsantris bsleistung
auf die beiden Abtriebs- bzw. achswellen gewährleistet wird, um dadurch ein ungehindertes
Durcbdrehen der einen Achswelle bei stillstehender zweiter Achswelle zu verhindern.
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Zudem soll dieses Sperrdifferential wirtschaftlich herzustellen, vergleichsweise
wartungsfrei und zuverllfg im Betrieb sein.
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Weiterhin soll dieses Sperrdifferential einfach und zweckmäßig ausgebildet
sein und keine besonders weitgehende Änderung der Konstruktion eines herkömmlichen
Ausgleichgetriebes zur Gewährleistung einer vorbestimmten Durchdrehbegrenzung beider
Abtriebs- oder Achswellen erfordern.
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Die genannte Aufgabe wird durch die im beigefügten Patentanspruch
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine zur Veranschaulichung
der Achswellenzahnräder und der Kegelräder im Teilschnitt dargestellte Vorderansicht
eines Sperrdifferentials mit Merkmalen nach der Erfindung und Fig. 2 eine Längsschnittansicht
der Vorrichtung gemäß Fig. 1.
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Allgemein gesagt, ähnelt das erfindungsgemäße Sperrdifferential einem
bisher üblichen Ausgleichgetriebe, nur mit dem Unterschied, daß anstelle der weitgehend
in Abwälzberührung miteinander stehenden geradverzahnten Kegelräder bei der erfindungsgemäßen
Konstruktion spiralverzahnte Kegelräder vorgesehen sind, die in Gleitberürung miteinander
stehen.
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Zahnräder werden als in gegenseitiger Abroll- oder AbwälzberUhrung
stehend bezeichnet, wenn Jeder Punkt auf einem Zahnrad, der innerhalb der BerUhrungslinie
liegt, dieselbe Geschwindigkeit besitzt wie der Deckungapunkt auf dem anderen Zahnrad.
Wenn die Deckungepunkte auf der BerUhrgslinie nicht dieselbe Geschwindigkeit besitzen,
stehen die Zahnräder in Schlupf- bzw.
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Gleitberührung miteinander, woraus sich ein niedrigerer Wirkungsgrad
infolge der Reibungsverluste zwischen den zueinander gleitenden Flächen ergibt.
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Fig. 1 veranschaulicht ein allgemein mit 10 bezeichnetes Sperrdifferential
gemäß der Erfindung, das ein Auagleichgehäuse 11 aufweist, welches an seinen beiden
Enden in Lagern 12 eines Differential-Getriebegehäuses 13 drehbar gelagert ist.
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An einem Flansch 15 des Ausgleichgehäuses 11 ist mit Hilfe von Schrauben
16 ein Tellerrad 14 befestigt, das mit dem Eingangs-Antriebsritzel oder -kegelrad
17 kämmt, um das Ausgleichgehäuse 11 bei der Drehung des Antriebskegelrads um seine
Achse in Drehung zu versetzen. An den beiden Enden des Ausgleichgehäuses sind zwei
koaxial angeordnete Achswi lenräder 18 vom Spiral zahnkegelradtyp angebracht, mit
denen auf übliche Weise eine rechte und eine linke Abtriebs- bzw. Achswelle 19R
bzw. 19L verbunden sind.
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Zwei Ausgleich-Kegelräder 20, die drehbar auf einer entsprechenden
Achse bzw. Welle 21 sitzen, stehen mit den Achswellenrädern in Eingriff und vervollständigen
dadurch den Ausgleichgetriebe-Zahnradsatz. Die Kegelradwelle 21 ist mit Hilfe eines
Paßstifts 22 starr im Ausgleichgehäuse 11 montiert und daher mit letzterem mitdrehbar.
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Wenn bei einem bisher üblichen Ausgleichgetriebe mit geradverzahnten
Zahn- bzw. Kegelrädern eine Ausgleichwirkung eriorderlich ist, beispielsweise wenn
das Fahrzeug wendet oder eine Kurve durchfährt oder der Kraftschluß an einem der
Antriebsräder herabgesetzt ist, laufen die Ausgleichkegelräder nicht nur um die
Abtriebs- bzw. Achswellen und sondern drehen sich auch noch um ihre Welle, so daß
eine Relativorehung zwischen den Achswellenrädern und mithin eine Relativdrehung
zwischen den Achswellen möglich ist. Es gibt Jedoch Fälle, in denen die den Achswellen
erteilte Relativdrehung eher nachteilig als vorteilhaft ist. Wie eingangs erwähnt,
ja t ein auf einer rutschigen Oberfläche stehendes Rad bestrebt, aufgrund des geringen
Kraftschlusses durchzudrehen, während ein auf
trockenem, festem
Boden stehendes Rad stehenbleibt. Zur Uberwindung dieser den üblichen Ausgleichgetrieben
eigenen Charakteristik sind die Achswellenräder und die Ausgleichkegelräder erfindungsgemäß
als spiralverzahnte Kegelräder ausgebildet, deren Zähne so ausgelegt sind, daß sie
in Schlupf- bzw. Gleitberührung miteinander stehen und dadurch eine bessere Steuerung
der Reibungsverluste ermöglichen. Wenn dabei ein Rad infolge eines mangelhaften
Kraftschlusses auf einer rutschigen Fläche durchzudrehen bestrebt ist, erzeugt die
Gleitberührung der spiralverzahnten Kegelräder an der Seite des betreffenden Rads
einen Reibungswiderstand. Hierdurch wird das freie Durchdrehen des Rades mit geringerem
Kraftschluß vermindert bzw.
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gesteuert.
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Ein Sperrdifferential der beschriebenen Art ist als durchdrehbegrenzendes,
halbsperrendes, einen begrenzten Schlupf zulassendes oder wirkungsarmes Ausgleichgetriebe
zu bezeichnen. Es ähnelt den gewöhnlichen Ausgleichgetrieben mit dem Unterschied,
daß anstelle von geradverzahnten Kegelrädern, die hauptsEchlich in Abwälzberührung
miteinander stehen, Kegelräder vorgesehen sind, die in Gleitberührung miteinander
stehen, deren Wirkung eingangs bereits dargelegt worden ist.
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Kegelräder wurden bisher stets für Betrieb mit großem Wirkungsgrad
ausgelegt. Dies ist auch der Grund dafür, weshalb Kegelräder im allgemeinen aus
Evolventen-, Zykloiden- oder kombinierten Kurven geschnitten werden und das Verhältnis
ihrer Winkelgeschwindigkeiten ihren Durchmessern ungefähr umgekehrt proportional
ist. Bei Anwendung von konjugierten Kurven ist das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten
der Kegelräder von deren Durchmessern unabhängig, wobei die Kegelräder in Gleitberührung
miteinander stehen.
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Bei den in Gleitberürung miteinander stehenden Kegelrädern kann es
sich um gerade (straight) Kegelräder, "Zerol"-, Spiral-
Hypoid-Kegelräder
oder Jede beliebige andere Kegelradart handeln. Infolge der Flächenabwälzung (contact
carry-over) ihrer Zähne bieten spiralverzahnte bzw. Spiral-Kegeiräder im allgemeinen
eine bessere Steuerung der Reibungsverluste und damit der Unwirksamkeit" des Auagleiehgetriebes
als gerade Kegeiräder, die in Gleitberehrung miteinander stehen.
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Im folgenden sind kurz die theoretischen Überlegungen erläutert, die
zur Entwicklung der Erfindung fUhrta; Wenn man ein Ausgleichgetriebe als Kraftübertragungsvorrichtung
mit einem Wirkungsgrad E betrachtet und das Drehmoment an der linken Seite mit T7
bzw. das Drehmoment an der rechten Seite mit T2 bezeichnet, dann ergibt sich bei
durchdrehendem linken Antriebes rad die Beziehung TI - ET2 (1) Wenn mit F die Gesamtvortriebskreft
des Fahrzeugs und mit R der Radius der Antriebsräder bezeichnet wird, 8o ergibt
sich
Aus obiger Gleichung (2) geht hervor, daß Ausgleichgetriebe mit einem Wirkungsgrad
von 90% oder mehr eine Gesamt-Traktionskraft liefern, die nur geringtugig mehr beträgt
als das Doppelte der Traktionskraft des durchdrehenden Rads.
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Wenn der Wirkungsgrad nur 50% beträgt, wird Gleichung (2) zu
entsprechend einer Verbesserung von etwa 50«.
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Wichtig mag dar Hinweis darauf sein, daß das erfindungßgemäße Sperrdifferential
mit in Gleitberührung miteinander stehenden
Kegelrädern, obgleich
es einen niedrigen Wirkungsgrad besitzt, beim Durchfahren von Kurven Antriebsleistung
in nennenswertem Maß weder verliert noch vernichtet. Schätzungsweise beträgt der
Leistungsverlust bei Kurvenfahrt infolge des geringen Unterschied in der Relativbewegung
zwischen den Zahnrädern nicht mehr als 596.
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L e e r s e i t e