DE4217313A1

DE4217313A1 - Umschaltbares Differentialgetriebe

Info

Publication number: DE4217313A1
Application number: DE4217313A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl Ing Bensinger; John Dr Botterill; Karl-Heinz Huelsebusch
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1993-12-02
Also published as: FR2691778B1; GB9310420D0; FR2691778A1; GB2267322A; US5352164A; GB2267322B; JPH06109086A

Description

Die Erfindung betrifft ein umschaltbares Differentialge triebe vorzugsweise für einen Kraftfahrzeugantrieb.

Aus der EP 0 347 165 A2 ist ein umschaltbares Differen tialgetriebe bekannt, das als Mittendifferential eines Allradfahrzeuges Verwendung findet und bei dem eine un gleiche Drehmomentverteilung zu den Antriebswellen in zwei verschiedenen Abstufungen darstellbar ist. Das Differen tial hat hierzu drei Abtriebswellen, von denen jeweils eine von zwei koaxial zueinanderliegenden freigegeben und die andere mit einem Achsantrieb verbunden wird. Dabei findet in nachteiliger Weise eine Drehrichtungsumkehr statt.

Das Anwendungsgebiet des vorliegenden Differentials sind von einem Elektromotor angetriebene Kraftfahrzeuge mit nur einer von diesem Motor angetriebenen Achse. Hierbei kann der Elektromotor die ausschließliche Antriebsquelle des Fahrzeuges sein; es kann sich jedoch auch um ein Fahrzeug mit Hybridantrieb handeln, bei dem für innerstädtischen Verkehr der Elektromotor und bei Überlandfahrt ein Ver brennungsmotor zum Einsatz kommt. Der Verbrennungsmotor kann dabei entweder das genannte Differential bei abge koppeltem Elektromotor oder die zweite Achse des Fahr zeuges über ein anderes Differential üblicher Bauart an treiben.

Der nutzbare Drehzahlbereich eines Elektromotors ist für den Geschwindigkeitsbereich von Personenwagen, selbst wenn diese vorwiegend für den innerstädtischen Verkehr vorge sehen sind, bei starrer Kopplung des Elektroinotors mit dem Differential nicht ausreichend. Umschaltbare Steuerungen des Elektromotors, die dies verbessern könnten, sind kostenaufwendig und nicht immer technisch befriedigend.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, ein umschaltbares Differentialgetriebe bereitzu stellen, mit dem zwei Gangstufen mit unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis dargestellt werden können. Eine weiterführende Aufgabe besteht darin, hierfür geeignete Kupplungsmittel bereitzustellen.

Die grundsätzliche Lösung hierfür besteht in einem um schaltbaren Differentialgetriebe für einen Fahrzeugantrieb mittels eines Elektromotors, mit einem Differentialge triebegehäuse, einem darin drehbar gelagerten, antreib baren Differentialkorb, zwei darin gelagerten, mit aus dem Differentialkorb austretenden Ausgangswellen verbundenen Achswellenrädern, die über Ausgleichräder miteinander gekoppelt sind, wobei eine erste Ausgangswelle unmittelbar als Achswelle ausgebildet ist und eine zweite Ausgangs welle koaxial in der Achswelle gelagert ist, mit zwei Schaltkupplungen, die koaxial zur letztgenannten Achswelle angeordnet sind, wobei zur Darstellung einer ersten Gang stufe - mit Zweiradantrieb - die erste Schaltkupplung einrückbar ist und so die Ausgangswelle mit der Achswelle drehfest verbindet, während die zweite Schaltkupplung offen ist und zur Darstellung einer zweiten Gangstufe - mit Einradantrieb - die zweite Schaltkupplung einrückbar ist und so die genannte Ausgangswelle mit dem Differen tialgetriebegehäuse drehfest verbindet, während die andere Schaltkupplung offen ist. Hiermit wird ein Differentialge triebe bereitgestellt, das in einfacher Art ein Schaltge triebe mit einem Übersetzungsverhältnis der beiden Gang stufen von 1 : 2 darstellt. Für die niedrigere Gangstufe, die für den reinen Stadtverkehr, das Rangieren und das Fahren an Steigungen vorgesehen ist, steht dabei die Differentialwirkung zur Verfügung. Die zweite Gangstufe, die für die Fahrt auf Schnellstraßen und bei Überlandver kehr bevorzugt vorgesehen ist, steht nur ein Einradantrieb zur Verfügung, wobei dies jedoch bei diesen Fahrzuständen und der begrenzten Höchstgeschwindigkeit von Stadtfahr zeugen keine besonderen Nachteile hat. Dies gilt jeden falls soweit der Antrieb an der ungelenkten Hinterachse stattfindet.

Die Lösung der weitergehenden Aufgabenstellung besteht darin, daß die beiden Schaltkupplungen als Lamellenrei bungskupplungen ausgebildet sind. Eine geeignete und vor eilhafte Betätigung der beiden Reibungskupplungen kann jeweils über eine Paarung von koaxial zu den Wellen und Kupplungen liegenden Verstellscheiben und Druckscheiben erfolgen, von denen die Verstellscheibe im Differentialge triebegehäuse um einen Winkel von bis zu 180° drehend antreibbar ist, während die Druckscheibe im Differential gehäuse nicht drehend entlang der Wellen verschiebbar ist. Hierbei weisen die Scheiben in den einander zugewandten Flächen jeweils zumindest drei Kugelrillen mit sich ver ändernder Tiefe und paarweise darin geführten Lagerkugeln auf. Ein Verdrehen der Verstellscheibe über einen elektro motorischen Stellantrieb führt zu einem axialen Verschie ben der Druckscheibe, die über entsprechende Lagermittel auf das Lamellenpaket einer Lamellenkupplung einwirkt.

Es ist möglich, für jede der beiden Schaltkupplungen eine eigene Einheit mit Verstellscheibe und Druckscheibe vorzusehen, die jeweils von einem liegenden Elektromotor angetrieben werden. Diese können vorzugsweise so betätigt werden, daß das Öffnen der einen und das Schließen der anderen mit sich zeitlich überdeckendem Schlupf an den beiden Kupplungen erfolgt, so daß keine Zugkraftunter brechung erfolgt und ein Hochdrehen des elektrischen An triebsmotors beim Schalten vermieden wird.

In einer anderen Ausgestaltung wird eine Verstellanordnung vorgesehen, die zwischen den beiden Schaltkupplungen liegt, wobei eine einzige Verstellscheibe zwischen zwei Druckscheiben liegt, die dann auf die jeweiligen Kupplungen wirken. Hierbei weist die Verstellscheibe auf beiden Seiten Kugelrillen auf, die entsprechende Lager kugeln führen. Hierbei müssen die Kugelrillen dann jeweils Umfangsbereiche aufweisen, die keine Änderung der Tiefe haben, so daß keine weitere Verstellung einer der Kupplungen stattfindet. Die Stellung der einzelnen Ver stellscheibe und damit die Stellung der Kupplungen ist über kontaktlose Fühler am Umfang der Verstellscheibe abzutasten, damit eine neutrale Stellung mit beidseitig ausgerückten Kupplungen eingestellt werden kann. Der An triebsmotor ist hierbei in seiner Last beim Schalten zu rückzunehmen.

Die Schaltvorgänge können manuell eingeleitet oder ge schwindigkeits- und lastabhängig automatisch gesteuert werden. Je nach dem gesamten Geschwindigkeitsbereich ist auch ein Anfahren in der zweiten Gangstufe möglich. Kommt es hierbei zu Schlupf an dem einzelnen angetriebenen Rad, kann die Kupplung für diesen Gang teilweise ausgerückt werden, um das Antriebsmoment zu verringern. Führt dies nicht zum Erfolg, ist ein Umschalten auf die erste Gang stufe durchzuführen.

Da eine neutrale Schaltstellung "N", d. h. mit Abkopplung der Antriebsachse vom Antriebsmotor in jedem Fall erfor derlich ist, muß bei einer Verstellvorrichtung der obenge nannten Art mit nur einer Verstellscheibe eine Stellung vorgesehen sein, in der beide Schaltkupplungen ausgerückt sind. Sind jeweils gesonderte Verstellvorrichtungen vorge sehen, die auch gesonderte verstellende Elektromotoren haben, ist sowohl die Darstellung einer neutralen Stellung als auch bei anderer Steuerung ein Schalten zwischen den Gängen ohne Lastunterbrechung möglich.

Die verstellenden Elektromotoren sind bevorzugt jeweils mit einer Bremse zu versehen, die bei eingerückter Schalt kupplung betätigt wird, damit die jeweils verstellte Ver stellscheibe nach Erreichen ihrer Position bei stromlosen elektrischem Verstellmotor gehalten wird.

Weitere bevorzugte Ausführungen sind in den Unteran sprüchen genannt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen erläutert, die bevorzugte Ausführungsbeispiele wiedergeben.

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug mit erfindungsgemäßem Antrieb in einer ersten Ausführung in Prinzipdarstellung;

Fig. 2 zeigt ein Fahrzeug mit erfindungsgemäßem Antrieb in einer zweiten Ausführung in Prinzipdarstellung;

Fig. 3 zeigt einen Antrieb mit einem erfindungsgemäßen Differential im Schnitt durch die Achswellen mit von einem einzigen Elektromotor betätigten Kupp lungen;

Fig. 4 zeigt einen Antrieb mit einem erfindungsgemäßen Differential im Schnitt durch die Achswellen mit von getrennten Elektromotoren betätigten Kupp lungen;

Fig. 5 zeigt eine Verstellscheibe gemäß Fig. 3 in axialer Ansicht;

Fig. 6 zeigt eine Druckscheibe gemäß Fig. 3 in axialer Ansicht;

Fig. 7 zeigt eine Verstellscheibe im Schnitt A-A nach Fig. 5;

Fig. 8 zeigt eine Verstellscheibe im Schnitt B-B nach Fig. 7;

Fig. 9 zeigt eine Verstellscheibe gemäß Fig. 4 in axialer Ansicht;

Fig. 10 zeigt eine Druckscheibe gemäß Fig. 4 in axialer Ansicht.

In Fig. 1 ist ein Fahrzeug 1 in seinen Umrissen in Drauf sicht gezeigt. Dieses weist nicht angetriebene lenkbare Vorderräder 2, 3 auf. Hinterräder 4, 5 sind über Gelenk wellen 6, 7 mit einem erfindungsgemäßen Differential 8 verbunden. An diesem ist ein elektrischer Antriebsmotor 9 und ein elektrischer Verstellmotor 10 jeweils angeflanscht erkennbar.

In Fig. 2 ist ein Fahrzeug 11 in seinen Umrissen erkenn bar. Die lenkbaren Vorderräder 12, 13 sind über Gelenk wellen 22, 23 mit einem Differential 24 verbunden. Dieses wird über ein Getriebe 25 von einem Verbrennungsmotor 26 insbesondere bei Überlandfahrt angetrieben. Das Fahrzeug weist weiterhin angetriebene Hinterräder 14, 15 auf, die über Gelenkwellen 16, 17 mit einem erfindungsgemäßen Differential 18 verbunden sind. Dieses wird von dem ange flanschten Elektromotor 19 angetrieben, insbesondere bei Stadtfahrt. Weiterhin ist außen der angeflanschte Ver stellmotor 20 erkennbar.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Differential 28, einen dieses antreibenden Elektromotor 29 und einen ange flanschten Verstellmotor 30. Das Differential weist ein Gehäuse 31 auf, in dem in üblicher und nicht näher er läuterter Weise ein Differentialkorb 32 drehbar gelagert ist. Am Differentialkorb 32 ist ein Stirnrad 33 ange flanscht, das mit einem Antriebsritzel 34 kämmt. Dieses ist auf einer Zwischenwelle befestigt, die nur durch ihre Mittellinie dargestellt ist. Auf dieser Zwischenwelle ist ein weiteres Antriebsritzel 54 befestigt, das mit einem dritten Antriebsritzel 55 kämmt. Dieses ist auf der Antriebswelle 35 des antreibenden Elektromotors 29 befestigt, die nur durch ihre Mittellinie dargestellt ist.

Das Differential ist als Kegelraddifferential ausgeführt. Im Differentialkorb ist ein erstes Ausgangsrad 36 und ein zweites Ausgangsrad 37 erkennbar. Diese sind über Aus gleichsräder 38, 39 miteinander gekoppelt. Das Ausgangsrad 36 ist auf einer Ausgangswelle 40 befestigt, die aus dem Differentialkorb austritt und zugleich eine mit einem Flansch versehene Achswelle darstellt.

Das Ausgangsrad 37 sitzt auf einer als Hohlwelle ausge führten Ausgangswelle 41. In dieser ist koaxial eine mit einem Flansch versehene Achswelle 42 gelagert. Koaxial zu diesen Wellen sind zwei schaltbare Lamellenreibungs kupplungen 43, 44 angeordnet, zwischen denen ebenfalls koaxial eine Verstellvorrichtung 45 sitzt. Die Außen lamellen der ersten Schaltkupplung 43 sitzen auf einem Träger 46 drehfest im Differentialgetriebegehäuse 31. Die Innenlamellen der Schaltkupplung 43 sitzen drehfest auf der Ausgangswelle 41. Die Außenlamellen der Schaltkupplung 44 sitzen drehfest in einem Ringgehäuse 47, das drehfest mit der Achswelle 42 verbunden ist. Die Innenlamellen der zweiten Schaltkupplung 44 sitzen drehfest auf der hohlen Ausgangswelle 41. Die Betätigungsanordnung der Verstell vorrichtung 45 umfaßt eine vom Verstellmotor 30 über ein Untersetzungsgetriebe 48 drehbar angetriebene Verstell scheibe 49, sowie jeweils benachbart dazu liegende Druck scheiben 50, 51. Alle drei Scheiben sind drehbar gegenüber der darin rotierenden Welle 41 gelagert. Die Verstell scheibe 49 ist im Getriebegehäuse 31 über den Antrieb verdrehbar. Die Druckscheiben 50, 51 dagegen sind unver drehbar axial verschiebbar im Getriebegehäuse 31 gehalten. Zwischen der Druckscheibe und den Verstellscheiben sind jeweils in Rillen laufende Lagerkugeln 52, 53 vorgesehen.

Wenn die erste Schaltkupplung 43 ausgerückt ist und die zweite Schaltkupplung 44 eingerückt ist, sind Ausgangs welle 41 und Achswelle 42 drehfest miteinander verbunden. Das Differentialgetriebe hat seine übliche Funktion der Drehmomentverteilung zwischen den Achswellen 40, 42.

Wenn die erste Schaltkupplung 43 eingerückt und die zweite Schaltkupplung 44 ausgerückt ist, wird die Achswelle 42 freilaufend, so daß sie keine Momente überträgt. Die Aus gangswelle 41 wird im Gehäuse 31 festgehalten, so daß nach bekannten Gesetzmäßigkeiten die Achswelle 40 mit doppelter Drehzahl des Differentialkorbes relativ zum Getriebege häuse angetrieben wird.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Differential 28, einen dieses antreibenden Elektromotor 29 und einen ange flanschten Verstellmotor 30. Die Einzelheiten entsprechen im wesentlichen denen der Fig. 3, wobei im weiteren nur auf Unterschiede eingegangen wird. Auch hier sind koaxial zu den Wellen zwei schaltbare Lamellenreibungskupplungen 43, 44 angeordnet, zwischen denen hier zwei voneinander unabhängige Verstellvorrichtungen 56, 57 sitzen. Die Be tätigungsanordnung der Verstellvorrichtung 56 ist voll ständig dargestellt und umfaßt einen Verstellmotor 30 und ein Untersetzungsgetriebe 48. Die Verstellvorrichtung umfaßt eine drehbar angetriebene Verstellscheibe 58 Sowie eine benachbart dazu liegende Druckscheibe 60. Von der in einer anderen Ebene liegenden Betätigungsanordnung der Verstellvorrichtung 57 ist nur ein Ritzel erkennbar. Die Verstellvorrichtung umfaßt eine drehbar angetriebene Verstellscheibe 59 sowie eine benachbart dazu liegende Druck scheibe 61. Alle vier Scheiben 58-61 sind drehbar gegen über der daran rotierenden Welle 41 gelagert. Die Verstellscheiben 58, 59 sind im Getriebegehäuse 31 über die Antriebe verdrehbar. Die Druckscheiben 60, 61 dagegen sind unverdrehbar axial verschiebbar im Getriebegehäuse 51 gehalten. Zwischen den Druckscheiben und den Verstell scheiben sind jeweils in Rillen laufende Lagerkugeln 62, 63 vorgesehen.

Die Fig. 5 und 6, die nachfolgend gemeinsam beschrieben werden, zeigen die Verstellscheibe 49 und eine Druckscheibe 50 gemäß Fig. 3. Die Verstellscheibe 49 hat eine Außenverzahnung 54 zum Antrieb durch den Verstellmotor. Die Druckscheibe hat eine Führungsnut 55 zum Führungsein griff in einem gehäusefesten Teil. Beide Scheiben haben jeweils drei umfangsverteilte Kugelbahnen 56, 57 mit einem Verstellbereich 56a, 57a mit zum Ende hin abnehmender Bahntiefe sowie einem Neutralbereich 56b, 57b größerer, nicht abnehmender Bahntiefe. Werden die Scheiben aufein andergelegt, so verhalten sich die Bahnen gegensinnig. Jeweils in zwei aufeinanderliegenden Bahnen wird eine Lagerkugel aufgenommen. Befinden sich die Kugeln in den Verstellbereichen 57, so wird die Druckscheibe 50 von der Verstellscheibe 49 durch die Kugeln auf dem Weg zum Ende der Kugelbahn hin weggedrückt. Die Kupplung wird hierbei eingerückt. Bei entgegengesetzter Bewegung wird bis zu Erreichen der Neutralposition 58, 59 die Kupplung ausge rückt. Der weitere Verdrehweg, während dem sich die Kugeln in den Neutralbereichen 56b, 57b befinden, kann bei einer Verstellscheibe in der Ausführung nach Fig. 3 für einen Verstellweg auf der Gegenseite der Verstellscheibe und der entsprechenden zugeordneten Druckscheibe ausgenutzt wer den. In Fig. 4 ist ein Fühler 60 am Außenumfang erkennbar.

In den Fig. 7 und 8, die nachstehend gemeinsam be schrieben werden, ist sichtbar, daß der Fühler 60 mit einem an der Verstellscheibe 49 ausgebildeten Geberring 61 zusammenwirkt, der eine Sprungfunktion erzeugt, die die Position anzeigt, in der die Neutralstellung 58, 59 der Scheiben übereinstimmt.

Die Fig. 9 und 10, die nachfolgend gemeinsam beschrie ben werden, zeigen eine Verstellscheibe 58 und eine Druck scheibe 60. Die Verstellscheibe 58 hat eine Außenver zahnung 64 zum Antrieb durch den Verstellmotor. Die Druck scheibe 60 hat eine Führungsnut 65 zum Führungseingriff in einem gehäusefesten Teil. Beide Scheiben haben jeweils drei umfangsverteilte Kugelbahnen 66, 67, mit über der ganzen Umfangslänge sich verändernder Bahntiefe. Werden die Scheiben aufeinandergelegt, so verhalten sich die Bahnen gegensinnig. Jeweils in zwei aufeinanderliegenden Bahnen wird eine Lagerkugel aufgenommen. Durch Verdrehen der Verstellscheibe 58 wird die Druckscheibe 60 durch die Kugeln auf dem Weg zum flachen Ende hin axial weggedrückt. Die Kupplung wird hierbei eingerückt. Bei entgegenge setzter Bewegung wird beim Erreichen der tiefsten Position am entgegengesetzten Bahnende die Neutralstellung er reicht, d. h. die Kupplung wird ausgerückt. Die ent sprechend ausgebildeten Verstellscheibe und Druckscheibe der zweiten Verdrehanordnung können synchron dazu oder im Anschluß daran gegensinnig verstellt werden. Im ersten Fall erfolgt ein Schalten ohne Zugkraftunterbrechung, im zweiten Fall wird zunächst eine Neutralposition, d. h. ein Ausrücken beider Kupplungen bewirkt.

Claims

1. Umschaltbares Differentialgetriebe vorzugsweise für einen Fahrzeugantrieb mittels eines Elektromotors, mit einem Differentialgetriebegehäuse, einem darin drehbar gelagerten, antreibbaren Differentialkorb, zwei darin gelagerten, mit aus dem Differentialkorb austretenden Ausgangswellen verbundenen Achswellenrädern, die über Ausgleichräder miteinander gekoppelt sind, wobei eine erste Ausgangswelle unmittelbar als Achswelle ausge bildet ist und eine zweite Ausgangswelle koaxial in der Achswelle gelagert ist, mit zwei Schaltkupplungen, die koaxial zur letztgenannten Achswelle angeordnet sind, wobei zur Darstellung einer ersten Gangstufe die erste Schaltkupplung einrückbar ist und so die Aus gangswelle mit der Achswelle drehfest verbindet, während die zweite Schaltkupplung offen ist, und zur Darstellung einer zweiten Gangstufe (mit Einradan trieb) die zweite Schaltkupplung einrückbar ist und so die genannte Ausgangswelle mit dem Differentialge triebegehäuse drehfest verbindet, während die andere Schaltkupplung offen ist.

2. Differentialgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe ein Kegelraddifferential ist.

3. Differentialgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe ein Stirnraddifferential ist.

4. Differentialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Betätigungsanordnungen der Schaltkupplungen jeweils einen ersten verdrehbaren und axial im Ge triebegehäuse festen Verstellring und einen zweiten im Getriebegehäuse drehfesten und axial verschiebbaren Druckring aufweisen, die um einen begrenzten Winkel betrag gegeneinander verdrehbar angeordnet sind,
daß in den einander gegenüberliegenden Stirnflächen von Verstellring und Druckring in Umfangsrichtung verlaufende Rillenpaare für mindestens drei Wälzkörper mit jeweils gegensinnig veränderlicher Tiefe vorge sehen sind, und
daß der Druckring jeweils über ein Axialdrucklager auf eine Schaltkupplung einwirkt und der Verstellring über eine Verdrehvorrichtung verdrehbar ist, wobei der Druckring über die Wälzkörper und Rillenpaare gegen über dem abgestützten Verstellring spreizbar ist.

5. Differentialgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsanordnungen zwischen den Schalt kupplungen liegen und ein gemeinsamer Verstellring für die beiden Druckringe vorgesehen ist.

6. Differentialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein elektrischer Verstellmotor für die Verdrehanordnungen des Verstellringes der beiden Schaltkupplungen vorgesehen ist, wobei die Anordnungen jeweils Bremsvorrichtungen aufweisen, die nur bei Betätigung des elektrischen Verstellmotors freige stellt werden.

7. Differentialgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Verstellmotor für die Verdrehan ordnung des gemeinsamen Verstellrings vorgesehen ist, wobei die Anordnung eine Bremsvorrichtung aufweist, die nur bei Betätigung des elektrischen Verstellmotors freigestellt wird.