DE3810169A1 - Selbstsperrendes differentialgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Differentialgetriebe zur Verteilung eines Eingangsdrehmomentes auf zwei Abtriebswellen mit einer eingebauten Sperreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1. Derartige Differentialgetriebe werden z.B. in Kraft­ fahrzeugen eingesetzt zur Übertragung des Antriebsdrehmomentes auf die beiden Räder einer Antriebsachse oder auch in einem Antriebsstrang zwischen mehreren angetriebenen Achsen.

Die Erfindung geht aus von einem aus der DE-OS 35 42 184 be­ kannten Differentialgetriebe mit einer hydrostatischen Selbst­ sperreinrichtung. Bei dieser bekannten Bauart handelt es sich um ein Differentialgetriebe, dessen Planeten einerseits mit einem innenverzahnten Hohlrad und andererseits mit einem außen­ verzahnten Sonnenrad kämmen, wobei alle Räder in einer Ebene angeordnet sind. Das auf die beiden Abtriebswellen abgegebene Drehmoment ist unterschiedlich groß. Die Sperrwirkung beruht darauf, daß die Planeten-Stirnräder mit dem inneren Sonnenrad bei relativer Drehung der beiden Abtriebswellen, also bei Kur­ venfahrt oder bei Durchdrehen der mit einer der Abtriebswellen verbundenen Räder, als Zahnradpumpen wirken. Dabei wird das innerhalb des Differentialgetriebes befindliche und radial nach außen gedrängte Druckmedium, im allgemeinen Schmieröl, von der Verzahnung der Planetenräder erfaßt und radial nach innen ge­ fördert. Dabei ist der Planetenträger als ein die Planetenräder und das innere Sonnenrad dicht umschließendes Pumpengehäuse ausgebildet. Das Sperrmoment entsteht durch den Aufbau eines hydrostatischen Druckes, der durch Spalte zwischen der Verzah­ nung und dem Gehäuse sowie durch Axialspalte aufgebaut wird. Je dichter die Planeten im eng umschließenden Gehäuse anliegen, desto höher ist das Sperrmoment. Die Planeten haben somit die Tendenz, die relative Drehung zwischen dem inneren und dem äu­ ßeren Sonnenrad zu hemmen.

Das bekannte Stirnrad-Differential hat die Eigenschaft, daß sich das eingeleitete Drehmoment nur im Verhältnis der Radien des inneren bzw. äußeren Sonnenrades auf die beiden Abtriebs­ wellen verteilt. Eine Aufteilung des Drehmomentes je zur Hälfte auf die beiden Abtriebswellen ist nicht möglich. Bei einem Sperrdifferential der beschriebenen Art wird in der Sperr­ situation aufgrund der kraftschlüssigen Bauweise auch das Sperrmoment im selben Verhältnis wie das Antriebsdrehmoment verteilt.

Für Antriebe, bei denen ein gleich hohes Drehmoment auf beiden Abtriebswellen gewünscht wird, sind Differentialgetriebe aus dem Fachbuch "Zahnradgetriebe" (Johannes Looman, Konstruktions­ bücher Band 26, Springer-Verlag) Seite 218, 219 bekannt. Für Kegelraddifferentiale nach Bild 7.20, die vor allem zwischen den beiden Rädern einer Antriebsachse verwendet werden, sind ferner Sperreinrichtungen jener Art bekannt, bei der die resul­ tierende Axialkraft aus der Verzahnung zum Betätigen einer Rei­ bungsbremse verwendet wird. Bekannt ist aus der DE-OS 23 00 343 außerdem eine Sperreinrichtung, bei der die beiden Abtriebswel­ len mit den beiden Hälften einer Viskosekupplung verbunden sind, so daß zwischen den beiden Abtriebswellen ein dauernder Kraftschluß gegeben ist.

Insbesondere für Schwerfahrzeuge sind mechanische formschlüssi­ ge und extern gesteuerte hydraulische Sperreinrichtungen zu aufwendig und unzuverlässig, Viskose-Sperreinrichtungen bean­ spruchen darüber hinaus einen zu großen Bauraum.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Stirnrad-Differen­ tialgetriebe zu schaffen, das auf die beiden Abtriebswellen jeweils ein gleich hohes Drehmoment überträgt, mit einer Sperr­ einrichtung, die auf einfache Weise ein hohes Sperrmoment ent­ wickelt, verzögerungs- und stoßfrei einsetzt und dennoch schlupffähig ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspru­ ches 1 dadurch gelöst, daß das zweite und dritte Getriebeglied als gleich große Stirnräder ausgebildet sind, wie es für sich allein aus dem eingangs erwähnten Fachbuch in den Abbildungen 7.17 und 7.19 bekannt ist. Das mit dem Antrieb verbundene erste Getriebeglied umfaßt miteinander kämmende Ritzelpaare, die in einem gemeinsamen Gehäuse so angeordnet sind, daß von jedem Paar das eine Ritzel mit dem Stirnrad des zweiten und das ande­ re Ritzel mit dem Stirnrad des dritten Getriebegliedes in Ein­ griff steht. Die Stirnräder des zweiten und dritten Getriebe­ gliedes sind gemeinsam mit den Ritzeln des ersten Getriebeglie­ des dicht umschlossen und bilden gemeinsam Zahnradpumpen, wobei zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse Kopf- und Seitenspalt­ kanäle vorgesehen sind.

Es ist gemäß der Erfindung ferner vorgesehen, daß das erste Getriebeglied eine gerade Anzahl von Ritzelpaaren aufweist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß in Umfangsrichtung der Stirnräder gesehen, die Ritzelpaare wechselweise so angeordnet sind, daß das eine Ritzel mit dem Stirnrad des zweiten Getrie­ begliedes und das andere Ritzel mit dem Stirnrad des dritten Getriebegliedes in Eingriff steht, während beim nächst folgen­ den Ritzelpaar zuerst das andere Ritzel mit dem Stirnrad des dritten Getriebegliedes kämmt, gefolgt vom einen Ritzel mit Eingriff in das Stirnrad des zweiten Getriebegliedes.

Mit dieser Anordnung werden folgende Vorteile erzielt:

Die spezielle Bauart als zweiebeniges Stirnräderdifferential mit unter sich gleichen Sonnenrädern gewährleistet eine Dreh­ momentverteilung jeweils zur Hälfte auf die beiden Abtriebswel­ len, wobei die Sperrwirkung, wie im Prinzip für sich allein bekannt, dadurch erzielt wird, daß die Ritzel mit den Stirnrä­ dern Zahnradpumpen bilden, sobald während einer Drehzahldiffe­ renz zwischen den beiden Abtriebswellen eine Relativdrehung zwischen den Ritzeln und den Stirnrädern eintritt. Das dabei durch den hydrostatischen Gegendruck entstehende Pumpenmoment wird unmittelbar als Sperrmoment für das Differentialgetriebe genutzt. Das Pumpenmoment entsteht, wie aus der OE-OS 35 42 184 im Prinzip bekannt, dadurch, daß die Spalte zwischen den Zahn­ rädern und dem sie umgebenden Gehäuse so dimensioniert sind, daß das Druckmedium vor dem Zahneingriff Stirnrad-Ritzel stirn­ seitig und über die Zahnköpfe in genau bemessener Weise gedros­ selt entgegen der Förderrichtung verdrängt werden muß. Bei ei­ nem derartigen hydrostatisch selbstsperrenden Stirnraddifferen­ tialgetriebe ergibt sich aufgrund der Spaltdrosselung des Druckmediums selbsttätig ein vorteilhafter linearer Zusammen­ hang zwischen der Differenzdrehzahl der Abtriebswellen und der Höhe des Sperrmomentes. Aufgrund der in den Merkmalen d) und e) beschriebenen speziellen Anordnung und Anzahl der Ritzelpaare wird erreicht, daß - trotz der Verwendung eines zweiebenigen Getriebes - das gleiche Sperrmoment in beiden Drehrichtungen entsteht, jeweils bei derselben Drehzahldifferenz. Ein ent­ scheidender Vorteil des hydrostatisch selbstsperrenden Dif­ ferentialgetriebes ist ferner, daß Gleitvorgängen, z.B. bei Kraftfahrzeugen, verzögerungsfrei entgegengewirkt wird. Dassel­ be betrifft auch Schienenfahrzeuge mit geteilten Achsen und Antrieb über Differentialgetriebe.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte konstruktive Weiter­ bildungen der Erfindung. Gemäß Anspruch 2 werden die Stirnräder des zweiten und dritten Getriebegliedes vorzugsweise als außen­ verzahnte Stirnräder ausgebildet. Gemäß Anspruch 3 ist vorgese­ hen, die Werkstoffpaarung zwischen den die Zahnradpumpen bil­ enden Ritzel und Stirnräder in Bezug auf das sie umgebende Gehäuse so zu wählen, daß auch bei höherer Temperatur des Druckmediums die Spalte zwischen den Rädern und dem Gehäuse so beeinflußt werden, daß dasselbe Sperrmoment entsteht wie bei niedrigerer Temperatur. Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, daß die Ritzel jeweils untereinander Zahnradpumpen bilden. Gemäß den Ansprüchen 6 bis 8 ist vorgesehen, das Gehäuse mit den Ritzeln mit einer Kapselung zu versehen, die gegenüber dem In­ nenraum des übrigen Getriebes abgedichtet sein kann und mit einer Zu- und Ablaufleitung versehen ist. Dadurch wird nicht nur die Ansaugung des zu fördernden Druckmediums im Bereich der Ritzel positiv beeinflußt, sondern die Trennung des Innenraums des Differentialgetriebes vom übrigen Getriebe reduziert lei­ stungsverzehrende Planschverluste.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Differen­ tialgetriebe entlang der Schnittlinie II-II von Fig. 2;

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ritzel in Umfangs­ richtung.

Fig. 4 eine Stirnansicht auf die Ritzel gemäß Fig. 3.

Fig. 5 eine Darstellung eines Ritzelpaares innerhalb des Ge­ häuses.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Differentialgetriebe um­ faßt eine mit der Antriebsmaschine verbundene Antriebswelle 1 und zwei Abtriebswellen 2 und 3. Mit der Antriebswelle 1 ist ein Kegelritzel 4 verbunden, das mit einem Kegelrad 5 in Ein­ griff steht. Das Differentialgetriebe umfaßt ferner ein erstes Getriebeglied 11, das mit dem Kegelrad 5 verbunden ist, und ein zweites und drittes Getriebeglied 12, 13, die den Abtriebswel­ len 2, 3 zugeordnet sind. Zum ersten Getriebeglied 11 gehört ein Gehäuse 14, in dem Ritzel 21 a, 21 b achsparallel zu den Ab­ triebswellen gelagert sind und mit Stirnrädern 22, 23 in Ein­ griff stehen. Die Stirnräder 22, 23 sind dem zweiten und drit­ ten Getriebeglied 12, 13 zugeordnet, wobei die Anordnung, wie im Prinzip bekannt, so getroffen ist, daß das Ritzel 21 a mit dem Stirnrad 22, das Ritzel 21 b mit dem Stirnrad 23 in Eingriff steht und daß die Ritzel 21 a und 21 b so breit ausgebildet und eng benachbart im Gehäuse 14 gelagert sind, daß sie miteinander kämmen.

Die Stirnräder 22, 23 sind koaxial angeordnet und stehen somit nur über die Ritzel 21 a, 21 b miteinander in Verbindung. Bei Drehzahlgleichheit der Abtriebswellen 2, 3 erfolgt keine Rela­ tivrotation der Ritzel um deren eigene Achse. Bei Drehzahl­ differenz jedoch drehen sich die Ritzel 21 a, 21 b, und zwar mit unterschiedlicher Drehrichtung, je nachdem, welche der Ab­ triebswellen 2, 3 schneller oder langsamer rotiert.

Zur Erzielung einer selbsttätigen Sperrwirkung ist, wie für sich allein bekannt, vorgesehen, die Stirnräder 22, 23 und die Ritzel 21 a, 21 b als Zahnradpumpen auszubilden, wobei das ent­ wickelte Pumpenmoment direkt das Sperrmoment zwischen den bei­ den Abtriebswellen darstellt. Dazu ist das Gehäuse 14 so ausge­ bildet, daß es die Ritzel 21 a, 21 b und Stirnräder 22, 23 so eng umschließt, daß zwischen den Zahnköpfen und dem Gehäuse Kopf­ spalte 7 von exakt festgelegter Weite verbleiben. Das Gehäuse 14 ist beidseitig von Seitenteilen 15 umgeben, in denen sich auch die Lagerung der Ritzel befindet. Zwischen den Ritzeln 21 a, 21 b bzw. Stirnrädern 22, 23 und den Seitenteilen 15 befin­ den sich ferner festgelegte Stirnspalte 8, 9. Im Eingriffsbe­ reich zwischen den Ritzeln und den Stirnrädern befinden sich Druckräume 6, die mit den Kopfspalten 7 und den Stirnspalten 8, 9 in Druckverbindung stehen.

Üblicherweise ist ein solches Differentialgetriebe in einem mit Schmiermittel gefüllten Gehäuse untergebracht, so daß das Schmiermittel als Druckmedium für die Zahnradpumpen dient. Taucht das Gehäuse in das Medium ein, so fördern die Ritzel 21 a, 21 b Medium von radial außen zum jeweiligen Stirnrad hin. Der aufgebaute hydrostatische Druck wird sodann direkt durch gedrosseltes Abspritzen aus den beschriebenen Spalten 7, 8, 9 wieder abgebaut. Weitere Steuerungsmaßnahmen werden nicht be­ nötigt. Es ergibt sich in vorteilhafter Weise eine sanft und stoßfrei einsetzende Sperrwirkung schon bei kleiner Relativ­ drehzahl mit etwa linear ansteigender Kennlinie. Das absolute Maß für die Höhe des Sperrmomentes kann, abhängig vom jeweili­ gen Bedarfsfall, durch Bemessung der Spalte variiert werden.

Wie schon erwähnt, rotieren die Ritzel 21 a, 21 b je nach Drehzu­ stand der Abtriebswellen 2, 3 in beiden Drehrichtungen. Dabei aber entwickeln die als Zahnradpumpen wirkenden Ritzel unter­ schiedliche Wirkung, weil der Druckraum 6 für ein bestimmtes Ritzel nur in einer bestimmten Drehrichtung voll wirksam ist. In der anderen Drehrichtung ist aufgrund der Gehäuseausbildung im Bereich des Zahneingriffes mit dem benachbarten Ritzel kein vollwertiger hydrostatischer Druckaufbau möglich.

Damit das Differentialgetriebe dennoch in beiden Relativ-Dreh­ richtungen der Abtriebswellen 2, 3 ein gleich hohes Sperrmoment entwickelt, ist gemäß den Fig. 3 und 4 nach der Erfindung eine gerade Anzahl von Ritzelpaaren 21 a, 21 b vorgesehen, wobei die Ritzelpaare wechselweise über den Umfang angeordnet sind. Kämmt beispielsweise, in Pfeilrichtung nach Fig. 3 gesehen, das Stirnrad 22 zuerst mit Ritzel 21 a, dahinter Ritzel 21 b mit Stirnrad 23, so ist das nächste Ritzelpaar so angeordnet, daß zuerst das Ritzel 21 b in Stirnrad 23 eingreift, gefolgt vom Ritzel 21 a in Stirnrad 22. Aus Fig. 4 wird deutlich, daß durch diese Reihenfolge, die nur bei gerader Anzahl von Ritzelpaaren möglich ist, bei jeder Relativ-Drehrichtung dieselbe Anzahl von Druckräumen 6 voll wirksam ist. Dies trifft dann zu, wenn die Ritzel das Druckmedium jeweils entlang dem Wandbereich 10 zu den Stirnrädern fördern. Dies wiederum wird erst durch die spe­ zielle versetzte Anordnung nach Fig. 3 erreicht.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Differentialge­ triebe, bei dem die Stirnräder 22, 23 des zweiten und dritten Getriebegliedes Außenverzahnung aufweisen. In gleicher Weise wäre auch die Ausbildung als innenverzahnte Hohlräder denkbar.

Um die Sperrwirkung, die ja nur durch Drosselung des Stromes aus Druckmedium in den Spalten entsteht, in einem großen Tempe­ raturbereich möglichst konstant zu halten, wird gemäß der Er­ findung eine spezielle Materialwahl für die Zahnradpumpen vor­ geschlagen. Vorteilhaft ist es, das Gehäuse (nicht dargestellt) zumindest im Bereich der Wandung 10, also im Bereich der Spalte 7, 8, 9, aus einem Material herzustellen, dessen Wärmeausdeh­ nungskoeffizient kleiner ist als der betreffende Wert des Werk­ stoffes für die Stirnräder 22, 23 und die Ritzel 21 a, 21 b. Da­ durch wird erreicht, daß sich die Spalte 7, 8, 9 bei steigender Temperatur verringern, was zu einer Kompensation der Sperrwir­ kung führt bei nachlassender Viskosität des Druckmediums.

Vorteilhaft ist ferner, das Gehäuse 14 mit einer Kapselung 16 zu versehen, in das, unabhängig vom Schmiermittelinhalt des übrigen Getriebegehäuses, Druckmittel durch eine Zuleitung 19 zugeführt wird. Dadurch können Leistungsverluste durch Plan­ schen im Ölsumpf verringert werden. Da es sich nur um den Aus­ gleich von Leckverlusten handelt, kann das Druckmedium bei­ spielsweise durch den Bereich des Lagers 18 zugeführt werden, wobei ferner eine Dichtung 17 und eine Ableitung 18 zweckmäßig ist.

Die Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Eingriffsbereich zweier benachbarter Ritzel 21 a und 21 b und deren Anordnung in­ nerhalb des sie umschließenden Gehäuses 14. Dieser Bereich liegt also in einer Mittelebene zwischen den beiden Stirnrädern 22 bzw. 23, in dem keines der beiden Ritzel mit dem zugehörigen Stirnrad in Eingriff steht. Das Gehäuse 14 umschließt demzufol­ ge die beiden Ritzel in einem gegenüber der übrigen Eingriffs­ situation sehr großen Umfangsbereich. Das von den Zähnen bei entsprechender Drehrichtung entlang der Kopfspalte 7 geförderte Medium wird zu einem Druckraum 6 a gefördert, in dem sich ein besonders hoher Druck aufbauen kann. Dieser Druck kann über die erwähnten Kopfspalte 7, die schon beschriebenen Stirnspalte 8 und 9 sowie die Zahnlücken wieder entweichen. Es ist somit zu erkennen, daß die Ritzel 21 a und 21 b auf ihrer vollen Breite - vorausgesetzt ist die entsprechende Drehrichtung - zu einem Druckaufbau und zur Bildung eines Sperrmomentes beitragen.

Claims (8)

1. Differentialgetriebe zur Verteilung eines Drehmomentes auf zwei Abtriebswellen (2, 3), mit einem einer Eingangswelle (1) zugeordneten ersten Getriebeglied (11), das in dauern­ der Drehverbindung mit zwei weiteren, den Abtriebswellen (2, 3) zugeordneten Getriebegliedern (12, 13) steht, ferner mit einer hydraulischen Selbstsperreinrichtung mittels Ritzeln (21 a, 21 b), die dem ersten Getriebeglied (11) zuge­ ordnet, in einem Gehäuse (14) dicht umschlossen sind und mit den zweiten und/oder dritten Getriebegliedern als Zahn­ radpumpe mit Drosselspalten (7, 8, 9) wirken, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden weiteren Merkmale:

• a) die den Abtriebswellen (2, 3) zugeordneten zweiten und dritten Getriebeglieder (12, 13) sind als gleich große Zahnräder (22, 23) mit Stirnverzahnung ausgebildet;
• b) das der Eingangswelle (1) zugeordnete erste Getriebe­ glied (11) umfaßt wenigstens zwei Paare von miteinan­ der in Eingriff befindlichen Ritzeln (21 a, 21 b), die in dem gemeinsamen Gehäuse (14) gelagert sind, wobei von jedem Ritzelpaar das eine Ritzel (21 a) mit dem Stirnrad (22) des zweiten Getriebegliedes (12) und das andere Ritzel (21 b) mit dem Stirnrad (23) des dritten Getriebegliedes (13) in Eingriff steht;
• c) die Stirnräder (22, 23) des zweiten und dritten Ge­ triebegliedes (12, 13) sind gemeinsam mit den Ritzeln (21 a, 21 b) des ersten Getriebegliedes (11) dicht um­ schlossen unter Bildung von Kopfspaltkanälen (7) und Seitenspaltkanälen (8, 9);
• d) das erste Getriebeglied (11) weist eine gerade Anzahl von Ritzelpaaren (21 a, 21 b) auf;
• e) in einer bestimmten Umfangsrichtung gesehen kämmt,
  ein erstes Ritzel (21 a) mit dem einen Stirnrad (22),
  ein zweites Ritzel (21 b) mit dem anderen Stirnrad (23),
  ein drittes Ritzel (21 b) mit dem anderen Stirnrad (23),
  ein viertes Ritzel (21 a) mit dem einen Stirnrad (22).

2. Differentialgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stirnräder (22, 23) des zweiten und dritten Getriebegliedes (12, 13) Außenverzahnung aufweisen und von radial außen her mit den Ritzeln (21 a, 21 b) des ersten Ge­ triebegliedes (11) in Eingriff stehen.

3. Differentialgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Kompensation der nachlassenden Sperr­ wirkung bei höherer Temperatur des Druckmediums die Ritzel (21 a, 21 b) des ersten Getriebegliedes (11) und Stirnräder (22, 23) des zweiten und dritten Getriebegliedes (12, 13) aus anderem Werkstoff bestehen als das Gehäuse (14), wobei der Werkstoff der Ritzel (21 a, 21 b) und Stirnräder (22, 23) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist als der Werkstoff des Gehäuses (14).

4. Differentialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Getriebeglied (11) vier Ritzelpaare (21 a, 21 b) aufweist.

5. Differentialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ritzel (21 a, 21 b) eines Ritzelpaares in ihrem gemeinsamen Eingriffsbereich vom Ge­ häuse (14) derart umschlossen sind, daß sie in diesem zu­ sätzliche Druckräume (6 a) bilden.

6. Differentialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge­ kennzeichnet durch eine das Gehäuse (14) flüssigkeitsdicht umgebende Kapselung (16).

7. Differentialgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kapselung (16) in deren radial innerem Bereich gegen Austritt von Druckmedium abgedichtet ist und mit einer Zuführleitung (19) für Druckmedium ins Innere der Kapselung in Verbindung steht.

8. Differentialgetriebe nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Abflußleitung (20) für Druck­ medium aus dem Innenraum der Kapselung (16).