DE3828922A1 - Kraftfahrzeug mit einem hydrostatischen differentialgetriebe im antriebsstrang eines automatisch zuschaltenden vierradantriebs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit Vierradantrieb, bei dem die Räder einer Achse ständig angetrieben sind und die Räder der zweiten Achse bei einer Differenzgeschwindigkeit zur ersten Achse über einen Vierradantriebsstrang automatisch antriebsmäßig zugeschaltet sind, in dem ein mit beiden Radwellen der zweiten Achse verbundenes, als deren selbstsperrendes Achs­ differential und als Kupplung und Mittendifferential im Vierrad­ antriebsstrang wirkendes Differentialgetriebe liegt.

Ein derartiges Kraftfahrzeug ist aus der DE-OS 31 45 279 be­ kannt. Es hat einen ständigen Antrieb auf die Vorderräder und einen automatisch zuschaltenden Antrieb auf die Hinterräder. Der Antriebsstrang zur Hinterachse ist über ein Hinterachsdiffe­ rentialgetriebe geführt, das zwei je einer Radwelle zugeordnete Viskosekupplungen enthält. Diese auch als Torque-Splitter be­ zeichneten geteilten Viskosekupplungen haben die Funktion einer den Hinterradantrieb bei Vorderradschlupf zuschaltenden Kupp­ lung, eines das Antriebsmoment zwischen Vorder- und Hinterachse verteilenden Mittendifferentials im Vierradantriebsstrang und eines selbstsperrenden Achsdifferentials der angetriebenen Hinterachse.

Viskosekupplungen haben einen aufwendigen Aufbau, mit dem hohe Produktkosten einhergehen. Das übertragbare Drehmoment ist aufgrund des begrenzten Bauraums vorhandener Hinterachsgehäuse limitiert. Bei Überbeanspruchung blockieren die Viskosekupplun­ gen (Hump-Situation). Das hohe Haftmoment der Viskosekupplungen kann die Lenkbarkeit und das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs nachteilig beeinflussen. Schließlich haben Viskosekupplungen auch eine ungünstige Kennlinie des Sperrmoments über der Dreh­ zahldifferenz. Das bei niedrigen Drehzahldifferenzen wirkende Sperrmoment ist zu hoch.

Als Hinterachs-Differentialsperre eines vierradgetriebenen Kraftfahrzeugs mit Hauptantrieb auf die Vorderräder sind auch Reibungskupplungen insbesondere in Form von Lamellenkupplungen bekannt. Derartige Lamellen-Differentialsperren sind ebenfalls aufwendig im Aufbau und entsprechend kostenträchtig. Sie erfor­ dern eine elektronische Steuerung und haben bei Ausfall der Steuerung ein ungünstig hohes Haftmoment. Die Kennlinie des Sperrmoments über der Drehzahldifferenz ist auch bei Lamellen- Differentialsperren nicht optimal. Das Sperrmoment bei niedriger Differenzdrehzahl ist zu hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art mit einem unaufwendigen, nicht blockierenden und bei gleichem zur Verfügung stehendem Bauraum die Übertragung eines höheren Drehmoments ermöglichendem Differentialgetriebe mit einer günstigen Kennlinie des Sperrmoments über der Dreh­ zahldifferenz anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genann­ ten Art durch ein hydrostatisches Differentialgetriebe mit zwei je einer Radwelle zugeordneten Planetengetrieben gelöst, die als Getriebeöl fördernde Zahnradpumpen wirken, wobei das Pumpenantriebsmoment als Sperrmoment ausgenutzt ist.

Aus der DE-OS 35 42 184 ist ein selbstsperrendes hydrostatisches Planeten-Differentialgetriebe bekannt, bei dem wenigstens ein Zentralrad - das Sonnenrad oder das Hohlrad oder beide - und die Planetenräder als das Getriebeöl fördernde Zahnradpumpe ausgebildet sind. Das Getriebeöl fließt gedrosselt durch die Spalte zwischen den die Zahnradpumpe bildenden Rädern und dem Planetenträger, wodurch ein Druckaufbau bewirkt wird, der ein mit der Drehzahldifferenz der beiden Zentralräder ansteigendes Sperrmoment ergibt. Erfindungsgemäß wird eine Doppelanordnung derartiger hydrostatischer Planeten-Differentialgetriebe als Differentialsperre im Achsgehäuse eines Kraftfahrzeugs mit zuschaltbarem Vierradantrieb eingesetzt. Damit wird eine Vier­ rad-Differentialsperre geschaffen, die von den bekannten Vis­ kose- und Lamellendifferentialsperren völlig bauartverschieden und in der konstruktiven Ausführungsform einer Doppelanordnung von Planetengetrieben durch den Stand der Technik nicht vorge­ zeichnet ist. Das erfindungsgemäße hydrostatische Differential­ getriebe ist unaufwendiger, als eine Anordnung geteilter Visko­ sekupplungen. Es kennt keine Hump-Situation und zeichnet sich durch eine günstige Sperrmomentkennlinie aus.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Differentialkorb des Differentialgetriebes durch eine mittige radiale Zwischen­ scheibe unterteilt, auf deren beiden Seiten sich die Planeten­ getriebe befinden. Die Zwischenscheibe kann in vorteilhafter Weise als Lager für Getriebelemente der Planetengetriebe sowie zur Ausbildung von Drosselspalten für den Ölstrom dienen.

Die Planetengetriebe weisen vorzugsweise einen mit je einer Radwelle starr verbundenes Sonnenrad und eine Anzahl an je einem Planetenträger sitzender Planetenräder auf, die als Pum­ penräder ausgebildet sind, d. h. durch ihre in die Gegenverzah­ nung eines anderen Getriebelements der Planetengetriebe eingrei­ fende Verzahnung als Zahnradpumpe wirken. Die Sonnenräder können an der Zwischenscheibe gelagert sein.

In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen hydrostatischen Differentialgetriebes bildet der Differentialkorb ein angetrie­ benes gemeinsames Hohlrad der beiden Planetengetriebe, während die Planetenträger weder Antrieb noch Abtrieb haben und frei laufen. Die Sonnenräder sind, wie schon gesagt, mit je einer Radwelle starr verbunden. Im normalen Geradeausfahrbetrieb ohne Radschlupf drehen sich das Hohlrad und die Sonnenräder synchron. Die Planetenräder stehen, und der Planetenträger dreht sich synchron mit. Treten nun durch Radschlupf oder Kur­ venfahrt Differenzdrehzahlen zwischen dem Hohlrad und den Son­ nenrädern auf, so werden die Planetenräder als Ausgleichsräder wirksam, und man erhält durch die mit ihrer Drehung einherge­ hende Pumpenwirkung das gewünschte Sperrmoment.

Die Planetenräder können Öl vom Sonnenrad hin zum Hohlrad pum­ pen. Hierzu sind in einer bevorzugten Bauform die Planetenträger im Bereich des Sonnenrads mit Ölzulaufbohrungen versehen, wäh­ rend zwischen den Zahnflanken, zwischen den Planetenträgern und dem Hohlrad sowie zwischen den Planetenträgern und den Stirnseiten der Planetenräder Drosselspalte ausgebildet sind.

Die Planetenräder können aber auch Öl vom Hohlrad zum Sonnenrad pumpen. In einer bevorzugten Bauform sind dazu Ölzulaufbohrungen an der Hohlradverzahnung vorgesehen, während zwischen den Zahn­ flanken und zwischen den Planetenträgern und den Stirnseiten der Sonnenräder Drosselspalte ausgebildet sind.

In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen hydrostatischen Differentialgetriebes bildet der Differentialkorb einen ange­ triebenen gemeinsamen Planetenträger der Planetengetriebe. Der Differentialkorb hat also keine Innenverzahnung. Die Plane­ tenräder kämmen lediglich mit dem Sonnenrad. Die Pumpenwirkung geht von der miteinander in Eingriff stehenden Verzahnung der Planetenräder und des Sonnenrads aus, und es sind Drosselspalte zwischen den Zahnflanken und zwischen den Stirnseiten der Plane­ tenräder und dem Differentialkorb bzw. der Zwischenscheibe ausgebildet.

Die erfindungsgemäße hydrostatische Differentialsperre ist in erster Linie für ein Kraftfahrzeug gedacht, bei dem die Räder der Vorderachse ständig angetrieben, und die Räder der Hinterachse antriebsmäßig zugeschaltet sind. Das Differentialge­ triebe ist entsprechend im Hinterachsdifferentialgehäuse unter­ gebracht. Es ist aber auch möglich, ein Kraftfahrzeug mit einem ständigen Antrieb auf die Hinterräder und einem zuschaltbaren Vorderradantrieb mit einem entsprechenden Differentialgetriebe auszurüsten, das dann im Vorderachsdifferentialgehäuse unterge­ bracht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Antriebsschema eines Kraftfahrzeugs mit Hauptan­ trieb auf die Vorderräder und einem zuschaltbaren Antrieb auf die Hinterräder;

Fig. 2 das Getriebeschema einer ersten Variante eines in der Kraftfahrzeughinterachse liegenden hydrostatischen Differentialgetriebes;

Fig. 3 eine Draufsicht des Differentialgetriebes gemäß Fig. 2 bei teilweise weggebrochenem Hinterachsgehäuse;

Fig. 4 das Getriebeschema einer zweiten Variante des hydrosta­ tischen Differentialgetriebes; und

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Differentialgetriebe gemäß Fig. 4 bei teilweise weggebrochenem Hinterachsgehäuse.

Das in Fig. 1 gezeigte Kraftfahrzeug hat eine Brennkraftmaschine 10, von der ein Antriebsstrang über ein Schaltgetriebe 12 an ein Vorderachsdifferentialgetriebe 14 führt, mit dem die Radwel­ len 16 der ständig angetriebenen Vorderräder 18 in Getriebever­ bindung stehen. Von dem Allradgetriebe 52 geht ein Antriebsstrang 20 zu einem hydrostatischen Hinterachsdif­ ferentialgetriebe 22 ab, das mit den Radwellen 24 der Hinter­ räder 26 in Getriebeverbindung steht. Mit dem Hinterachsdif­ ferentialgetriebe 22 wird ein zu dem permanenten Antrieb auf die Vorderräder 18 bei Bedarf zuschaltender Antrieb auf die Hinterräder 26 des dann vierradgetriebenen Kraftfahrzeugs reali­ siert.

Wie Fig. 2 zu entnehmen, hat das Hinterachsdifferentialgetriebe 22 ein karosseriefestes Hinterachsgehäuse 28, das zwei hydrosta­ tische Planetengetriebe umschließt. In dem Hinterachsgehäuse 28 ist um eine Achse, die in Verlängerung der Hinterradwellen 24 liegt, ein Differentialkorb 30 gelagert, der das gemeinsame Hohlrad der beiden Planetengetriebe bildet. Der Differentialkorb 30 ist über ein Kegelgetriebe 32 von dem Vierradantriebsstrang 20 angetrieben. Er ist durch eine radiale Zwischenscheibe 34 mittig unterteilt und schließt auf beiden Halbseiten jeweils das Sonnenrad 36, den Planetenträger 38 und eine Anzahl darauf sitzender Planetenräder 40 eines Planetengetriebes ein. Die Sonnenräder 36 sind mit den Radwellen 24 der Hinterräder 26 starr verbunden und an dem Differentialkorb 30 und der Zwischen­ scheibe 34 gleichermaßen gelagert. Die Planetenräder 40 kämmen in üblicher Weise zugleich mit dem zugehörigen Sonnenrad 36 und dem als innenverzahntes Hohlrad ausgebildeten Differential­ korb 30. Der Planetenträger 38 ist frei, d. h. er hat weder einen Antrieb noch einen Abtrieb. Die gesamte Getriebeeinheit läuft in Öl.

Die Planetengetriebe arbeiten nach dem hydrostatischen Prinzip zugleich als Zahnradpumpen, mit denen das Getriebeöl in einem geschlossenen Kreis gefördert wird. Die Planetenräder 40 sind als Pumpenräder ausgebildet. Bei angetriebener Drehung pumpen sie Öl vom Sonnenrad 36 hin zu dem als Hohlrad ausgebildeten Differentialkorb 30. Der Planetenträger 38 ist auf Höhe der miteinander kämmenden Verzahnungen von Sonnenrad 36 und Plane­ tenrädern 40 an beiden Stirnseiten mit Ölzulaufbohrungen 42 versehen, durch die ein im wesentlichen ungedrosselter Ölzutritt möglich ist. An dem als Hohlrad ausgebildeten Differentialkorb 30 sind hingegen Drosselspalte vorgesehen, und zwar zwischen den Zahnflanken der miteinander kämmenden Verzahnungen der Planetenräder 40 und des Differentialkorbs 30, zwischen dem Planetenträger 38 und dem Differentialkorb 30 sowie zwischen dem Planetenträger 38 und den Stirnseiten der Planetenräder 40. Durch diese Drosselspalte kann eine Teilölmenge gedrosselt entweichen. Je nach Drehzahl der Planetenräder 40 ergibt sich so ein mehr oder weniger hoher Druckaufbau zwischen den Planeten­ rädern 40 und dem Differentialkorb 30 und ein entsprechend er­ höhtes, unmittelbar als Sperrmoment ausgenutztes Antriebsmo­ ment für das als Zahnradpumpe wirkende Planetengetriebe.

Im normalen Fahrbetrieb geht der Antrieb des Kraftfahrzeugs auf die Vorderräder 18, und die Hinterräder 26 laufen mit. Der Differentialkorb 30 wird durch den Vierradantriebsstrang angetrieben, wobei die Getriebeübersetzung so gewählt ist, daß der Differentialkorb 30 synchron mit den an den Radwellen 24 der Hinterräder 26 sitzenden Sonnenrädern 36 läuft. Die Planetenräder 40 vollführen also keine Drehung um die eigene Achse, und der Planetenträger 38 läuft synchron mit dem Sonnen­ rad 36 und dem Differentialkorb 30 mit. Tritt nun ein Vorderrad­ schlupf auf, so ergibt sich eine Differenzdrehzahl zwischen dem Differentialkorb 30 und den Sonnenrädern 36, aufgrund derer die Planetenräder 40 als Ausgleichsräder zu drehen beginnen. so daß die Zahnradpumpenwirkung einsetzt. Hierdurch wird ein Sperrmoment aufgebaut, aufgrund dessen ein Drehmoment auf die Radwellen 24 der Hinterräder 26 übertragen wird. Der Hinterrad­ antrieb schaltet also zu, wobei das hydrostatische Differential­ getriebe 22 die Funktion einer Antriebsstranglängssperre und Kupplung erfüllt.

Das hydrostatische Differentialgetriebe 22 wirkt zugleich als selbstsperrendes Achsdifferential der Hinterachse. Kleine Dreh­ zahldifferenzen zwischen den Radwellen 24 der Hinterräder 26, wie sie in Kurvenfahrten auftreten, werden nach Art eines her­ kömmlichen Achsdifferential ausgeglichen. Große Drehzahldiffe­ renzen, die bei Hinterradschlupf unter Vierradantrieb auftreten, lassen hingegen die als Pumpenräder wirkenden Planetenräder 40 so schnell drehen, daß durch das hohe Sperrmoment die Differen­ tialgetriebewirkung aufgehoben wird. Das Hinterachsdifferential­ getriebe 22 wird dadurch zur Achsquersperre, und man hat eine im wesentlichen starre Kopplung der Hinterradwellen 24.

Das in Fig. 3 dargestellte Hinterachsdifferentialgetriebe 22 entspricht in seinem Aufbau dem Getriebeplan Fig. 2. Statt Öl von den Sonnenrädern 36 zu dem als Hohlrad ausgebildeten Differentialkorb 30 zu pumpen, wird hier von den wiederum als Pumpenräder wirkenden Planetenrädern 40 ein Ölstrom in umgekehr­ ter Richtung, also vom Hohlrad hin zu den Sonnenrädern 36 be­ wirkt. Es sind Ölzulaufbohrungen 44 an der Hohlradverzahnung vorgesehen, so daß Öl im wesentlichen ungedrosselt an die als Zahnradpumpe wirkende kämmende Verzahnung zwischen den Planeten­ rädern 40 und dem Differentialkorb 30 zugeführt wird. Drossel­ spalte befinden sich zwischen den Zahnflanken der Sonnenräder 36 und der Planetenräder 40 sowie zwischen den Planetenträgern 38 und den Stirnseiten der Sonnenräder 36. Bei auftretenden Differenzdrehzahlen hat man einen Druckaufbau an den Sonnenrä­ dern und dadurch das gewünschte Sperrmoment.

Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Variante des erfindungsgemäßen hydrostatischen Differentialgetriebes mit zwei Planetengetrie­ ben. Hier ist in dem karosseriefesten Hinterachsgehäuse 28 ein als Planetenträger dienender Differentialkorb 46 drehbar gelagert. Die Drehachse des Differentialkorbs 46 fällt mit den Hinterradwellen 24 zusammen. Der Differentialkorb 46 hat zwei parallele Seitenwände 48, und er ist durch eine mittige, radiale Zwischenscheibe 34 unterteilt, die zugleich mit den Seitenwänden 48 eine Anzahl durchgehender Achsen 50 für die Planetenräder 40 abstützt. Die Hinterradwellen 24 sind durch die Seitenwände 48 des Differentialkorbs 46 hindurchgeführt und mit je einem Sonnenrad 36 starr verbunden, das an der Zwi­ schenscheibe 34 gelagert ist. Der Differentialkorb 46 hat keine Innenverzahnung. Die von ihm getragenen Planetenräder 40 kämmen lediglich mit den Sonnenrädern 36, wobei die miteinander in Eingriff stehenden Verzahnungen wiederum als Zahnradpumpe wir­ ken. Der Differentialkorb 46 ist geschlossen und mit einem Öl hoher Viskosität gefüllt. Drosselspalte sind das Zahnflanken­ spiel sowie die Spalte, die zwischen den Stirnseiten der Plane­ tenräder 40 und den Seitenwänden 48 bzw. der Zwischenscheibe 34 des Differentialkorbs 46 gebildet sind.

Der Antrieb geht von dem Vierradantriebsstrang 20 über ein Kegelgetriebe 32 auf den Differentialkorb 46. Bei normalem Fahrbetrieb mit Vorderradantrieb herrscht Gleichlauf zwischen dem Differentialkorb 46 und den Sonnenrädern 36. Vorderrad­ schlupf führt zu Differenzdrehzahlen, aufgrund derer die Plane­ tenräder 40 als Ausgleichsräder drehen und durch ihre Pumpen­ wirkung ein Sperrmoment aufbauen, durch das der Hinterantrieb zugeschaltet wird. Erhebliche Drehzahldifferenzen zwischen den Hinterrädern haben den Aufbau eines Sperrmoments zur Folge, aufgrund dessen das Differentialgetriebe die Funktion einer Differentialquersperre erfüllt.

Vorstehend wurde ein Kraftfahrzeug mit einem Hauptantrieb auf die Vorderräder und einem automatisch zuschaltenden Hinterrad­ antrieb beschrieben. Ein hydrostatisches Differentialgetriebe mit zwei Planetengetrieben kann aber auch für ein Fahrzeug mit Hauptantrieb auf die Hinterräder und automatisch zuschalten­ dem Antrieb auf die Vorderräder Verwendung finden; es ist dann bei im übrigen gleichem Aufbau im Vorderachsgehäuse des Kraft­ fahrzeugs untergebracht.

Liste der Bezugszeichen:

10 Brennkraftmaschine
12 Schaltgetriebe
14 Vorderachsdifferentialgetriebe
16 Radwelle
18 Vorderrad
20 Vierradantriebstrang
22 hydrostatisches Differentialgetriebe
24 Radwelle
26 Hinterrad
28 Hinterachsgehäuse
30 Differentialkorb
32 Kegelgetriebe
34 Zwischenscheibe
36 Sonnenrad
38 Planetenträger
40 Planetenrad
42 Ölzulaufbohrung
44 Ölzulaufbohrung
46 Differentialkorb
48 Seitenwand
50 Achse
52 Allradgetriebe

Claims (10)

1. Kraftfahrzeug mit Vierradantrieb, bei dem die Räder einer Achse ständig angetrieben sind und die Räder der zweiten Achse bei einer Differenzgeschwindigkeit zur ersten Achse über einen Vierradantriebsstrang automatisch antriebsmäßig zugeschaltet sind, in dem ein mit beiden Radwellen der zwei­ ten Achse verbundenes, als deren selbstsperrendes Achsdif­ ferential und als Kupplung und Mittendifferential im Vierrad­ antriebsstrang wirkendes Differentialgetriebe liegt, ge­ kennzeichnet durch ein hydrostatisches Differen­ tialgetriebe (22) mit zwei je einer Radwelle (24) zugeordne­ ten Planetengetrieben, die als Getriebeöl fördernde Zahnrad­ pumpen wirkt, wobei das Pumpenantriebsmoment als Sperrmoment ausgenutzt ist.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Differentialkorb (30, 46) des Differential­ getriebes durch eine mittige radiale Zwischenscheibe (34) unterteilt ist, und daß sich die Planetengetriebe auf beiden Seiten der Zwischenscheibe (34) befinden.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Planetengetriebe ein mit je einer Radwelle starr verbundenes Sonnenrad (36) und eine Anzahl an je einem Planetenträger (38, 46) sitzender Planetenräder (40) aufweisen, die als Pumpenräder ausgebildet sind.

4. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenräder (36) an der Zwischenscheibe (34) gelagert sind.

5. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialkorb (30) ein angetriebenes gemeinsames Hohlrad der Planetengetriebe bildet und die Planetenträger (38) frei laufen.

6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenträger (38) im Bereich der Sonnenräder (36) mit Ölzulaufbohrungen (42) versehen sind, und daß zwischen den Zahnflanken, zwischen den Planetenträgern (38) und dem Hohlrad, und zwischen den Planetenträgern (38) und den Stirnseiten der Planetenräder (40) Drosselspalte ausgebildet sind.

7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich Ölzulaufbohrungen (44) an der Hohlradverzahnung befinden, und daß zwischen den Zahnflanken und zwischen den Planetenträgern (38) und den Stirnseiten der Sonnenräder (36) Drosselspalte ausgebil­ det sind.

8. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialkorb (46) einen angetriebenen gemeinsamen Planetenträger der Planeten­ getriebe bildet.

9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen den Zahnflanken und zwischen den Stirn­ seiten der Planetenräder (40) und dem Differentialkorb (46) bzw. der Zwischenscheibe (34) Drosselspalte ausgebildet sind.

10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder (18) der Vorder­ achse ständig angetrieben, und die Räder (26) der Hinterachse antriebsmäßig zugeschaltet sind.