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Patent-Beschrcibung
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Die Erfindung betrifft eine automatische reibungsfreie Differentialsperre,
welche die Höchstdifferenz der Umdrehungezahlen von zwei durch ein Differential
angetriebener und infolge verschieden großer Widerstände verschieden schnell laufender
Räder oder Radgruppen begrenzt.
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Diese Sperre ist hier nur für ein Kraftfahrzeug mit hinterer Antriebsachse
dargestellt und wirkt erst dann, und sowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsfahrt
in gleicher Weise, wenn sonst, ohne Differentialsperre jeglicher Art beim Schleudern
oder Durchdrehen eines Antriebsrades die Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten
der Antriebsräder größer wäre als beim Befahren des für das Fahrzeug kleinsten Wendekreises
ohne Schlupf gegen die Pahrbahn, wobei die Sperrwirkung ohne Mitwirkung von Reibungskupplungslamellen
oder sonstiger die Antriebskraft hemmender Konstruktionsteile erfolgt, die Sperre
unterhalb vorgenannter Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten Jedoch ohne jede Wirkung
ist.
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Schon bei Fahrzeugen ohne jegliche Differentialaperre haben die gelenkten
Räder seitlich auf sie wirkenden und die Neigung zum Abweichen von der Spur verursachenden
Kräften zu widerstehen. Diese Kräfte können entstehen z. B. durch kurvenbedingte
Zentrifugalwirkung, vorher meist nicht erkennbaren Seitenwind und Querneigung der
Fahrbahn, wobei der Seitenwiderstand der gelenkten Räder gegen Abweichen von der
Spur noch dadurch gemindert sein kann, daß sie beim Beschleunigen und Fahren in
Steigungen entlastet werden oder plötzlich und meist nicht vorhersehbar, wenn auch
nur auf einige Meter Strecke auf eine durch z. B. auagelaufenes bl, Eisbidung, Schmutz,
verwehten Sand oder Schnee schlüpfrig gewordene und dadurch die Reibungehaftung
stark vermindernde Fahrbahnstelle treffen.
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Bei einer bekannten, vom Platz des Fahrers ein- und ausschaltbarcn
Differentialsperre wird beim Einschalten die Achse eines Antriebsrade durch eine
Klauenkupplung mit
dem Differentlalkorb oder dessen Tellerrad drehfest
verbunden, wodurch die Antriebsräder infolge ifferentialwirkung starr gekuppelt
und beim Ausschalten entkuppelt werden. Diese Sperre hat bei versehentlich oder
absichtlich unterlassenem Ausschalten zusätzlich zu vorgenannten, bei jedem Fahrzeug
ohne Differentialsperre möglichen, in allen Kurven folgende Nachteile: 1) Erhöhte
Neigung zum Ausbrechen aus der Spur, da die starr gekuppelten Antriebsräder wegen
gleicher 1mfaiBgeschwindigkeiten das Bestreben haben, das Pahrzeug in Geradeaus-Fahrt
zu halten, und zwar um so stärker, je griffiger die von den Antriebsrädern jeweils
befahrene Fahrbahnstelle und Je schlüpfriger diejenige der gelenkten ist, je enger
die Kurven und je stärker die Antriebsräder belastet sind durch die Ladung, beim
Beschleunigen und in Steigungen.
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2) Mehrverbrauch an Reifen und Energie bei griffiger Fahrbahn durch
stärkere Reifenabnutzung wegen Haftreibung gegen die Fahrbahn und Schlupf.
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3) Mehraufwand an Konstruktionsmaterial für das Differential wegen
höherer Beanspruchung desselben.
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Bei einer anderen bekannten, jedoch automatischen Differentialsperre
werden die Antriebsräder durch mehrere im Differentialkorb befindliche und durch
Nuten gehfest abwechselnd mit Korb und Antriebsachsen verbundene Eupplungslamellen
um so fester miteinander gekuppelt, je stärker die Lamellen durch Erhöhung des von
der Kardanwelle auf das Differential übertragene Drehmoment gegeneinander gepreßt
werden.
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Diese Sperre hat gegenüber vorgenannten, bei jedem Fahrzeug ohne Differentialsperre
möglichen keine zusätzllchen Nachteile, wenn die Antriebsräder durch die Kardanwelle
weder angetrieben noch gebremst werden, das Getriebe also entweder rechtzeitig auf
Leerlauf geschaltet oder die Kupplung betätigt wird, wobei eine etwa notwendige
Bremeung durch Fu- oder Handbremse eriolgen könnte.
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Ein wesentlicher Nachteil gegenüber vorbeschriebener ausschaltbarer
Sperre ist jedoch die Schwierigkeit, bei schlechter Bodenhaftung anzufahren, selbst
wenn dabei ein Antriebsrad auf griffiger Fahrbahnstelle steht, wenn das andere nur
schwache Bodenhaftung hat, da dann die Antriebsräder wegen Schlupf eines Rades infolge
zu geringer Drehmomentübertragung von der Kardanwelle auf das Differential ggf'.
zu schwach gekuppelt werden, das Anfahren dann also nur möglich ist durch wiederholtes
schnelles Gast-eben zur Beschleunigung des Schlupfradee unter Ausnutzung der Trägheit
desselben und dadurch bewirkte stärkere Kupplung der Antriebsräder infolge größerer
Drehmomentautnahme.
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Dieser Nachteil kann wohl durch axiale Vorspannung der Lamellen, also
Erhöhung des Sperrwerts des Differentials verringert werden, wobei jedoch alle durch
die Sperre selbst ohnehin schon bewirkten zusätzlichen Nachteile, die aus der Neigung,
das Fahrzeug in Geradeaus-Fahrt zu halten, entstehen, mit steigender Höhe dieser
Torspannung entsprechend größer stn werden, obwohl insgesamt gesehen die Nachteile
dieser Sperre geringer als bei der ausschaltbaren sein dürften.
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Bereits ohne vorgenannte axiale Vorspannung hat diese automatische
Sperre zusätzlich zu weiter vorn genannten, bei jedem Fahrzeug ohne Differentialsperre
möglichen, in allen Kurven folgende Nachteile: 1) Erhöhte Neigung zum Ausbrechen
aus der Spur, die um so größer ist, je stärker das Fahrzeug durch Kardan angetrieben
oder gebremst wird, die Antriebsräder also in gleichem Maße fester miteinander gekuppelt
werden, deren Bestreben, das Fahrzeug in Geradeaus-Pahrt zu halten, also größer
wird und dies um so mehr, je griffiger die von den Antriebsrädern und Je schlUpfriger
die von den gelenkten Rädern jeweils befahrene Fahrbahnstelle ist, Je enger die,
Kurven und je stärker die Antriebsräder belastet sind durch die Ladung, beim beschleunigen
und in Steigungen
2) Mehrverbrauch an Reifen und Energie bei griffiger
Fahrbahn durch stärkere Reifenabnutsung wegen Haftreibung gegen die Fahrbahn und
Schlupf.
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3) Mehraufwand an Material durch höhere Beanspruchung des Differentials
und aufwendigere Konstruktion wegen der Abhängigkeit der Wirksamkeit der Kupplung
lamellen von der Größe der von der Kardanwelle bertragenden Kräfte.
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4) Mehraufwand an Unterhaltung wegen Abnutzung der Kupplungslamellen.
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Weiter bestehen bezüglich der Gangschaltung bei den dblichen reinen
Zahnradgetrieben die Nachteile, daß: 1) bei fehlender Sicherung gegen fehlerhaftes
Schalten des Rückwärtsganges statt des ersten oder zweiten Vorwärtsganges, die zum
Beispiel durch den Zwang zum Herabdrücken des Ganghebels vor dem RUokwCrtsschalten
möglich ist, beim Anfahren mit fehlerhaftem Schalten ein Zusammenstoß mit hinter
dem Fahrzeug befindlichen Personen oder Fahrzeugen möglich ist, 2) beim Schalten
vom ersten oder zweiten Vorwärts- auf den Rückwärtsgang drei oder vier Bewegungsrichtungen
des Ganghebels notwendig sind, und zwar zunächst in Längsrichtung auf Leerlauf,
dann ggf. Herabdrücken des Ganghebels, dann seitwärts und anschließend wieder in
Längsrichtung, sowie etwa entsprechend bei entgegengesetzter Schaltrichtung.
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Bei der hier vorliegenden Erfindung entfallen alle vorstehend sowohl
bei den zwei Arten von Differentialsperren als atich bei der Gangschaltung aufeführten
Nachteile.
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Alle bezüglich der Gangschaltung genannten Nachteile entfallen dadurch,
daß ein Getriebe ohne Rückwärtsgang verwendet wird, die Getriebeaustrittswelle also
stets gleiche Drehrichtung hat, sodaß der Ganghebel keinen Rückwärtsgang zu schalten
brauoht, und daß neben oder hinter dem Ganghebel ein hier Richtungshebel genannter
kurzer Kniehebel mit nur zwei Stellungen, also für Vor- und Rückwärtsfahrt
angeordnet
ist, sodaß beim Schalten auf die Gegenrichtung anstatt sonst drei oder vier nur
eine Bewegungsrichtung des Richtungshebels genügt, und der Ganghebel dabei in jedem
Gang, praktisch wohl nur im ersten oder zweiten stehen bleiben kann. Im übrigen
ist Rückwärts£ahrt in allen Gängen möglich.
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Alle bei den zwei Arten von Differentialeperren aufgeführten Nachteile
entfallen bei nachstehend besehrieberzer Konstruktion. Dabei sind in allen Abbildungen
alle Wer mit einer einstelligen und alle Räder und Schaltgestånge mit einer zweistelligen
Zahl bezeichnet, deren erste Ziffer bei den Rädern die Bezeichnung der zugehörigen
Wolle ist.
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Die in den Abbildungen über den Rädern und quer über deren Wellen
angebrachten Pfeile geben nur diejenige Drehrichtung an, in welcher diese Räder
Kräfte übertragen, wobei die Pfeile mit ausgezogenem Schaft für Vorwärts- und diejenigen
mit gestricheltem Schaft für in allen Gängen mögliche Rückwärtsfahrt gelten, während
beim Schaltgestänge die Pfeile die Schaltrichtung für die entsprechende Fahrtrichtung
angeben.
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Die Abb. 1 bis 6 stellen eine Konstruktion dar, bei der die Fahrgeschwindigkeit
rückwärts, wie üblich geringer ist als im gleichen Gang vorwärts, während die Abb.
7 bis 9 eine Konstruktion zeigen, bei der in beiden Fahrtrichtungen bei gleichem
Gang die Geschwindigkeiten gleich sind und die durch Einsparung von zwei Zahnrädern
weniger aufwendig ist.
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Die in den Abb. 1 bis 6 dargestellte Sperre hat insgesamt vier in
den Abb, 3 und 4 im Querschnitt gezeigte Wellen und zwar die weitergeführte Getriebeaustrittswelle
1, die wegen fehlenden Rückwärtsganges stetsgleiche Drehrichtung hat, darüber die
von dieser mit geringerer Drehzahl gemäß Abb. 6 über Festräder 11 der Getriebeaustrittswelle
1 und 21 der Begrenzungswelle 2 direkt und daher gegenläufig angetriebene' hier
Begrenzungswelle 2 genannte Welle, links dieser Wellen die linke Kardanwelle 3,
die über Ritzelrad
33 und Tellerrad 34 der Abb. 1 das linke Hinterrad
des Fahrzeugs antreibt und rechte entsprechend die Kardanwelle 4 für den Antrieb
des rechten Hinterrades.
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Abb. 1 zeigt einen schrägen Längsschnitt D-E-F durch beide Kardanwellen
3 und 4 und Begrenzungswelle 2 mit Knick in deren Achse in "E" und Abb. 2 daeselbe,
jedoch A-B-C durch Getriebeaustrittswelle 1 mit Knick in deren Achse in "B", sowie
Abb.5 einen vertikalen Längsschnitt G-H durch Wellen 1 und 2.
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Jede Kardanwelle hat zwei in Abb. 1 und 2 gezeigte, gegenläufige Losräder,
und zwar ein Vorwärts- 52 und 41 und ein Rückwärtsrad 31 und 42, von denen eines
dauernd mit einem Zahnrad 14 und 15 der Getriebeaustrittswelle 1 und das andere
ebenso mit einem Zahnrad 22 und 23 der zur Welle 1 gegenläufigen Begrenzungswelle
2 in Eingriff ist, wobei die zwischen beiden Losrädern angeordnete Schiebemuffe
entsprechend ihrem Eingriff die Kardanwelle vor- oder rückwärts antreibt.
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Die Schiebemuffen der Kardanwellen werden zugleich durch einen neben
dem üblichen Ganghebel angeordneten, hier Richtungshebel genannten kurzen Kniehebel
mit nur zwei Stellungen, also für Vor- und Rückwärtsfahrt über das in Abb.1 dargestellte
Gestänge 50 bis 55 geschaltet, wobei der Ganghebel in jedem Gang stehen bleiben
darf, da Rückwärtsfahrt in allen Gängen möglich ist.
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Während, wie vorstehend bereits angegeben die Getriebeaustrittswelle
1 mit Festrad 11 der Abb. 2 und 6 die Begrenzungswelle 2 antreibt, werden von ihr
durch ein weiteres, nicht als Zahnrad, sondern als Planetenachsen-Träger des Differentials
ausgebildetes Festrad mit seinen Planetenrädern die zugleich kegel- und stirnverzahnten
Ddfferential-Außenränder der Abb. 2 und 5 über ihre Kegelverzahnung angetrieben,
während eie, die Räder 12 und 13 Uber ihre Stirnverzahnung gemäß Abb.5 mit den Frcilaufrädern
24 und 25 der langsameren Begrenzungswelle 2 verbunden sind und
bei
zu großem Schlupf der Antriebsräder des Fahrzeugs von diesen Freilaufrädern durch
Mitnehmerwirkung angetrieben werden, wodurch die Mindestdrehzahl der stets in gleicher
Richtung drehenden Differentialaußenräder 12 und 13, sowie der mit Rad 13 gekuppelten
Räder 14 und 15 der Abb. 2, wie ohnehin schon der mit dem Freilaufrad 24 gekuppelten
wider 22 und 23 der Begrenzungewelle 2 der Abb. 1 begrenzt wird.
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Diese Begrenzung der Mindestdrehzahl wird, und zwar sowohl für Gor-
als auch für Rückwärtsfahrt eo bemessen, daB sie erst einsetzt, wenn das langsamere
Antriebsrad im Verhältnis zum anderen langsamer läuft als bei kleinstem Wendekreis
ohne Schlupf als bogeninneres Rad, die Sperre bis dahin also vollkommen unwirksam
ist. Wenn bei Schlupf eines Antriebsrades das andere ohne Sperre jedoch langsamer
laufen würde, wird durch Mitnehmerwirkung der Freilaufräder 24 oder 25 dieses Rad
über die Begrenzungswelle 2 mit der entsprechenden Mindestdrehzahl angetrieben,
wobei die Höchstdrehzahl des zum Schlupf neigenden Antriebsrades durch Differentialwirkung
begrenzt wird.
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Insgesamt werden danach angetrieben bei: 1. Vorwärtsfahrt 1.t. ohne
Schlupf der Antriebsräder, wobei also die Mitnehmerwirkung der Freilaufräder nicht
eintritt, 1.1.1. die linke Kardanwelle 3 von Diff.-Außenrad 13 über das damit gekuppelte
Rad 14 und Rad 32, 1.1.2. die rechte Kardanwelle 4 von Diff,-Außenrad 12 über Rad
24 der Begrenzungswelle, das damit gekuppelte Rad 23 und Rad 41, 1.2. bei Schlupf
des rechten Antriebsrades, wenn dabei dessen Drehzahl als bogenäußeres Rad ohne
Sperre größer wäre als bei kleinstem Wendekreis ohne Schlupf, t.2.1. die linke Kardanwelle
3 mit der Mindestdrehzahl von Rad 11 der Getriebeaustrittswelle über Rad 21 der
Begrenzungswelle, Mitnehmer
(1.2.1.)Zitnehmer des Freilaufrades
25, Diff.-Außenrad 13, das damit gekuppelte Rad 14 und Rad 32, 1.2.2. die rechte
Kardanwelle 4 mit der Höchstdrehzahl von dem durch Differentialwirkung gegenüber
Diff.-Außenrad 13 in der llechatdrehzahl begrenzten Diff.-Außenrad 12 über Freilaufrad
24, das damit gekuppelte Rad 23 und Rad 41, 1,3, bei Schlupf des linken Antriebsradea,
sonst entsprechend 1.2., 1.3.1. die rechte Kardanwelle 4 mit der Mindestdrehzahl
von Rad 11 der Getriebeaustrittswelle über Rad 21, Mitnehmer des Freilaufrades 24,
das damit gekuppelte Rad 23 und Rad 41, 1.3.2. die linke Kardanwelle 3 mit der Höchstdrehzahl
durch Differentialwirkung gegenüber dem Diff.-Außenrad 12, welches durch Mitnehmer
des Freilaufrades 24 mit der Mindestdrehzahl angetrieben wird, von Diff¢-Außenrad
13 über das damit gekuppelte Rad 14 und Rad 32, 2. Rückwärtsfahrt die Kardanwellen
nach gleichem Grundsatz wie bei Vorwärtsfahrt, sodaß also die Schiebemuffen nur
mit den Rückwärtsrädern 31 und 42 der Kardanwellen in Eingriff stehen, und nur diejenigen
Räder Kräfte übertragen, deren Drehsinn in den Abb. durch Pfeile mit gestricheltem
Schaft angegeben ist.
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Das Ubersetzungaverhiltnis zwischen den Wellen 1 und 2 ist nur abhängig
vom kleinstmöglichen Wendekreis und der Spurweite der Antriebsräder und soll in
folgendem Beispiel zur besseren tibersichtlichkeit mit möglichst runden Zahlenwerten
berechnet werden.
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Wenn z. B. die Spurweite der Antriebsräder als Abstand der Reifenmitten
eineinhalb Meter beträgt und der Halbmesser
des vom bogeninneren
Antriebsrad gefahrenen kleinstmUglkien Kreises die gleiche Größe hat, dann bewegt
sich das bogenäußere Antriebsrad mit der doppelten, der Schnittpunkt der Fahrzeug-Längsachse
mit der Antriebsachse also mit der eineinhalbfachen Geschwindigkeit des langsamerenRades,
sodaß sich der Weg des langsameren Rades zu dem des vorgenannten Schnittpunktes,
der also bei Geradeaus-Fahrt gleich dem Weg beider Antriebsräder wäre, wie zwei
zu drei verhakt und zugleich das Verhältnis des Durchmessers des Festrades 11 der
Getriebeaustrittewelle zu dem des Festrades 21 der Begrenzungswelle ist, wenn alle
vier Räder, und zwar die Diff.-Außenräder 12 und 13 und die mit diesen in -Eingriff
stehenden Freilaufräder 24 und 25 der Begrenzungswelle gleiche Durchmesser haben.
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Für dieses Beispiel sind alle maßgebenden Konstruktionsteile in allen
Abb. maßstäblich richtig dargestellt.
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In vorstehendem Beispiel mit einem Wendekreis-Halbmesser des bogenäußeren
Antriebsrades gleich der doppelten und der bogenäußeren vorderen Fahrzeugecke, je
nach Abstand der Vorderräder von der Hinterachse möglicherweise gleich der zweidreiviertelfachen
Spurweite von eineinhalb Meter, also rund 4,10 m wäre der Durchmesser des Wendekreises
rund 8,20 m, während er bei den meisten Fahrzeugen größer, das Ubersetzungsverhältnis
also nicht Zweidrittel, sondern näher dem Wert"Eins" ist.
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Die hier oberhalb der Getriebeaustrittswelle dargestellte Begrenzungswelle
kann bei gleicher Wirkungsweise auch unterhalb derselben angeordnet werden.
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Die allgemein übliche geringere Fahrgeschwindigkeit bei Rückwärts-
als bei Vorwärtsfahrt im ersten Gang wird durch entsprechende Durchmesser-Verhältnisse
zwischen den RUckwärtsrädern 22 der Welle 2 und 31 der Welle 3, sowie 15 der Welle
1 und 42 der Welle 4 erreicht und gilt fur alle Gänge. In den Abb. 1 bis 6 ist die
Konstruktion für eine Rückwärtsgeschwindigkeit von Zweidrittel der Vorwärtsge-
schwindigkeit
maßstäblich richtig dargestellt.
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Die Vorwärtsräder 14 und 32, sowie 23 und 41 sind der Einfachheit
wegen gleich groß dargestellt, wodurch die Kardanwellen bei Vorwärtsfahrt gleiche
Umdrehungszahlen wie ihre Antriebswellen 1 und 2 haben, während zur Materiales sparnis
und auch zur geringeren Abnutzung der die Tellerräder der Antriebsachsen antreibenden
Ritzel der Durchmesser-Unterschied zwischen Ritzel und Tellerrad kleiner seiX könnte,
wenn alle Kardanräder 31, 32, 41 und 42 größer und die sie antreibenden Räder 14,
15, 22 und 23 entsprechend kleiner ausgeführt würden.
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Wegen Fortfall des sonst üblichen Rückwärtsganges im Ganggetriebe
besteht die Möglichkeit, in dessen Schaltebene einen weiteren Gang oder auch zwei
solche, und zwar höhere Gänge anzuordnen, wobei alle anderen für geringere Geschwindigkeit
ausgelegt werden könnten und dann das Anfahren bei Vorwärtsfahrt im zweiten oder
sogar dritten Gang erfolgen könnte.
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In vorgenanntem Fall, oder auch, wenn ohne zusätzliche Gänge grundsätzlich
auf geringere Rückwärtsgeschwindigkeit wrzichtet werden soll, können in den Abb.
1 bis 6 die Rückwärtsräder 15 und 22 entfallen und deren Aufgabe von den unmittelbar
daneben angeordneten, bisher nur vorwärts wirksamen 14 und 23 übernommen werden,
wobei Rad 14 zusätzlich zu Kardan-Vorwärtsrad 32 auch Kardan-Rückwärtsrad 42 und
Rad 23 zusätzlich zu Kardan-Vorwärtsrad 41 auch Kardan-RUckwSrtsrad 31 antreiben
würde, wobei diese Kardn-RUckwErtsräder 42 und 31 einen kleineren Durchmesser erhalten
mUbten und etwas seitlich zu verschieben wären.
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Vorbeschriebener Zustand ist in den Abb. 7 bis 9 mit geänderten Nummern
der Einzelteile maßstäblich richtig dargestellt, wobei Abb. 7 mit Getriebeaustrittswelle
6 und 3egrenzungswelle 7 analog zu Abb. 5 mit den entsprechenden Wellen einen Vertikal-Längsschnitt
durch diese zeigt, während Abb. 8 mit dem Schnitt durch Kardanwellen 8 und 9 und
Begrenzu;welle
7 der Abb. 1 mit Schnitt durch die entsprechenden Wellen und ebenso Abb. 9 mit Schnitt
durch beide Kardanwellen und Getriebeaustrittswelle 6 der Abb. 2 entspricht.
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Der Kraft fluß ergibt sich sinngemäß wie für die Konstruktion nach
den Abb. 1 bis 6, indem hier begrenzungswelle 7 über Räder 61 der Getriebeaustrittswelle
6 und 71 der egrenzungswelle 7 angetrieben wird, die Diff.-Außenrader 62 und 63
in die Freilaufräder 73 und 74 eingreifen, das mit Diff.-AuXenrad 63 gekuppelte
Rad 64 im Gegensatæ zu den Abb. 1 bis 6 hier zugleich sowohl Vorwärternd 82 als
auch Rückwärtsrad 92 der Kardanwellen antreibt und entsprechend das mit Freilaufrad
73 gekuppelte Rad 72 zugleich Rückwärtsrad 81 und Vorwärtsrad 91 der Kardanwellen.