Kegelraddifferential für ein Fahrzeug Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Kegelraddifferential mit einem Außenrad, mit einem Differenzialkorb, wobei der Differenzialkorb über mindestens einen Verbindungsbereich mit dem Außenrad fest verbunden ist, wobei der Differenzialkorb mindestens einen Stegbereich aufweist, an dem ein Ausgleichsrad angeordnet ist, wobei die Drehachse des Ausgleichsrads in einer axialen Draufsicht auf das Kegelraddifferential eine Ausgleichsachsrichtung definiert.

Kegelraddifferentiale werden in Fahrzeugen oftmals eingesetzt, um ein Antriebsdrehmoment auf zwei Abtriebswellen zu verteilen. Das Kegelraddifferential erlaubt durch Ausgleichszahnräder, dass die beiden Abtriebswellen gegeneinander verdreht werden können, um auf diese Weise z. B. unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten bei Kurvenfahrten von Fahrzeugen ausgleichen zu können. In der Druckschrift EP 1472475 B1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, ist ein derartiges Kegelraddifferential gezeigt. Das Kegelraddifferential umfasst ein Differenzialgehäuse, das über einen mit dem Gehäuse fest verbundenen Zahnkranz angetrieben werden kann sowie Ausgleichsräder, die in dem Differenzialgehäuse drehbar gelagert sind, und ergänzend zwei Planetenräder, die ebenfalls im Differenzialgehäuse drehbar gelagert sind, mit denen die Ausgleichsrädern kämmen und auf diese Weise die Abtriebe des Kegelraddifferentials bilden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kegelraddifferential bekannter Bauart weiterzubilden. Diese Aufgabe wird durch ein Kegelraddifferential mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.

Im Rahmen der Erfindung wird ein Kegelraddifferential vorgeschlagen, welches für den Einsatz in einem Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Kegelraddifferential kann zum einen als ein Längsdifferenzial ausgebildet sein, mit dem ein Antriebsdrehmoment auf zwei Achsen des Fahrzeugs verteilt werden kann. Bevorzugt ist das Kegelraddifferential jedoch als ein Querdifferenzial oder Achsdifferenzial ausgebildet, wobei ein Antriebsdrehmoment auf zwei Abtriebswellen einer Achse verteilt wird. In alternativen Ausführungsformen kann das Kegelraddifferential auch zur Zusammenführung oder Verteilung von Antriebsdrehmomenten eingesetzt sein.

Das Kegelraddifferential umfasst ein Außenrad, welches besonders bevorzugt als ein stirnseitig umlaufend verzahntes Zahnrad oder als ein Zahnkranz ausgebildet ist. Die Zähne der Verzahnung des Außenrads verlaufen vorzugsweise parallel zu einer Hauptdrehachse, die durch das Außenrad definiert ist. Bevorzugt bildet das Außenrad einen Eingang oder ein Antriebsrad des Kegel raddifferentials. Das Kegelraddifferential umfasst ferner einen Differenzialkorb - auch Differenzialgehäuse genannt -, wobei der Differenzialkorb über mindestens einen Verbindungsbereich mit dem Außenrad fest verbunden ist. Der Differenzialkorb ist in der Form besonders bevorzugt glockenförmig oder kuppeiförmig ausgebildet. Der Differenzialkorb bildet einen Innenraum aus, wobei in dem Innenraum Ausgleichsräder und Abtriebsräder angeordnet sind, welche gemeinsam einen Ausgleichsmechanismus bilden.

Insbesondere weist das Kegelraddifferential zwei derartige Abtriebsräder auf, welche drehfest mit Abtriebswellen gekoppelt und/oder koppelbar sind. Das Kegelraddifferential umfasst bevorzugt mindestens ein derartiges Ausgleichsrad, wobei das Ausgleichsrad mit den beiden Abtriebsrädern kämmt. Ausgleichsrad bzw. -räder und Abtriebsräder sind besonders bevorzugt als Kegelräder ausgebildet. Insbesondere ist die Grundform der Kegelräder jeweils ein Kegelstumpf, dessen Mantelfläche verzahnt ist.

Der Differenzialkorb weist mindestens einen Stegbereich auf, an dem das Ausgleichsrad angeordnet ist. Vorzugsweise trägt der Stegbereich einen Bolzen, auf dem das Ausgleichsrad drehbar gelagert ist.

Zum Zwecke der Definition wird festgelegt, dass in einer axialen Draufsicht in Richtung der Hauptdrehachse des Außenrads auf das Kegelraddifferential die Drehachse des Ausgleichsrads eine Ausgleichsachsrichtung definiert.

Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der gleichen axialen Draufsicht ein Ausgleichswinkelbereich von mindestens +/- 20 Grad um die Ausgleichsachsrichtung von dem mindestens einen Verbindungsbereich freigestellt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Kegelraddifferential wird somit beansprucht, dass die Verbindungsbereiche nicht in einem Winkelsegment des Stegbereichs angeordnet sind, sondern außerhalb dieses Winkelsegments angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass über die Stegbereiche die axialen Belastungen und auch Kippmomentbelastungen von dem Differenzialkorb in Richtung des Außenrads abgetragen werden. Jedoch ist der Differenzialkorb im Stegbereich konstruktiv sehr steif ausgebildet, sodass eine Abstützung in dem Winkelsegment des Stegbereichs an dem Außenrad nicht zwingend erforderlich ist. Dagegen werden die Differenzial körbe oftmals in dem zu den Stegbereichen komplementären Bereichen mit Aussparungen versehen, wobei die Differenzial körbe in diesen Bereichen eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen. Bei der Erfindung werden diese Vorüberlegungen zugrunde gelegt und es wird vorgeschlagen, die Verbindungsbereiche von den ohnehin sehr steifen Stegbereichen in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse zu verschieben und zu den Stegbereichen beabstandet anzuordnen. Es hat sich dabei gezeigt, dass ein Ausgleichswinkelbereich von mindestens +/- 20 Grad, vorzugsweise von mindestens +/- 30 Grad von Verbindungsbereichen freigestellt verbleiben kann, ohne die Steifigkeit der Baugruppe "Außenrad-Differenzialkorb" negativ zu beeinflussen. Besonders bevorzugt ist der Ausgleichswinkelbereich kleiner als +/- 90°, um den Anbindungsquerschnitt in Umlaufrichtung nicht zu massiv einzuschränken.

Im Ergebnis können durch die Erfindung Verbindungsbereiche eingespart werden, indem auf "Angstverbindungen" in den Stegbereichen verzichtet wird. Die Erfindung verringert somit die Fertigungskosten des Kegelraddifferentials, indem Arbeitsschritte und Verbindungskomponenten eingespart werden können.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Differenzialkorb mindestens einen Fensterbereich auf. Ein derartiger Fensterbereich liegt in Umlaufrichtung benachbart zu dem mindestens einen Stegbereich und erlaubt eine Gewichtsreduzierung des Differenzialkorbs. In axialer Draufsicht kann dem Fensterbereich eine Mittellinie zugeordnet werden, die den Fensterbereich z.B. hinsichtlich der Ausdehnung in Umlaufrichtung und/oder hinsichtlich der Öffnungsfläche in zwei symmetrische Teile teilt. Die Mittellinie wird als eine Fensterrichtung festgelegt. Um die Fensterrichtung kann ein Fensterwinkelbereich von mindestens +/- 20 Grad definiert werden, wobei die Verbindungsbereiche in dem mindestens einen Fensterwinkelbereich angeordnet sind. Sind mehrere Fensterbereiche in dem Differential korb vorgesehen, so werden mehrere Fensterwinkelbereiche definiert, wobei die Verbindungsbereiche auf die Fensterwinkelbereiche verteilt sind. Alternativ kann die Mittellinie als Senkrechte zu der Ausgleichsrichtung definiert werden. Insbesondere sind die Ausgleichswinkelbereiche und die Fensterwinkelbereiche in Umlaufrichtung nebeneinander, wahlweise beabstandet oder unmittelbar aneinander angrenzend, und/oder nicht- überlappend zueinander angeordnet

Mit dieser bevorzugten Ausgestaltung wird unterstrichen, dass die Verbindungsbereiche in Umlaufrichtung aus den Ausgleichswinkelbereichen in die Fensterwinkelbereiche verschoben werden sollen. Damit wird ausgenutzt, dass die Steifigkeit der Baugruppe "Außenrad-Differenzialkorb" bezüglich der Abdrängung in Achsrichtung in Richtung Stegbereich größer als in Richtung Fensterbereich ist. Bei der konstruktiven Auslegung ist jedoch nur die nachgiebigere Seite, also der Fensterbereich, entscheidend, sodass die Verbindungsbereiche in den nachgiebigeren Bereich gelegt werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Differenzialkorb einen um die Hauptdrehachse des Außenrads geschlossen, umlaufenden Ringabschnitt auf. Durch diesen Ringabschnitt wird sichergestellt, dass die Stegbereiche über die in Umlaufrichtung versetzten Verbindungsbereiche axiale Belastungen und Kippbelastungen abführen können.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Ringabschnitt mindestens einen Flanschbereich, der sich in einer Radialebene senkrecht zu der Hauptdrehachse des Außenrads erstreckt, sowie mindestens ein Befestigungselement auf, wobei der mindestens eine Flanschbereich in Umlaufrichtung betrachtet in dem mindestens einen Fensterwinkelbereich angeordnet ist und/oder außerhalb des Ausgleichswinkelbereichs positioniert ist. Der mindestens eine Flanschbereich liegt auf dem Außenrad auf und ist mit diesem über das mindestens eine Befestigungselement verbunden. Durch die Verbindung wird der mindestens eine Verbindungsbereich gebildet. Es ist besonders bevorzugt, dass das Außenrad mindestens einen Aussparungsbereich aufweist, wobei der Aussparungsbereich mit dem mindestens einen Ausgleichswinkelbereich überlappt und auf dem gleichen Teilkreis oder Durchmesser wie die Verbindungsbereiche angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass zum einen Material eingespart und zum anderen Gewicht reduziert werden kann. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass Bereiche in dem Außenrad in dem Winkelsegment der Stegbereiche aufgrund der Verlegung der Verbindungsbereiche in die Fensterwinkelbereiche bzw. aus den Ausgleichswinkelbereichen heraus nicht mehr notwendig sind und dadurch eingespart werden können. Diese Maßnahme führt zu einer (weiteren) Gewichtsreduzierung und somit zu einer Trägheitsreduzierung.

Es ist sogar besonders bevorzugt, dass sich der Aussparungsbereich in Umlaufrichtung über den gesamten Ausgleichswinkelbereich erstreckt. Somit erstreckt sich der Aussparungsbereich mindestens über +/- 20 Grad um die Ausgleichsachsrichtung. Es ist weiterhin bevorzugt, dass sich der Aussparungsbereich in radialer Richtung zur Hauptdrehachse weiter als der mindestens eine Verbindungsbereich und/oder weiter als der mindestens eine Flanschbereich erstreckt. Auf diese Weise ist es umgesetzt, dass ein großer Flächenbereich des Außenrads frei bleiben kann.

Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Differenzialkorb zwei Stegbereiche und zwei Fensterbereiche, welche in Umlaufrichtung abwechselnd zueinander angeordnet sind. Jedem Stegbereich ist ein Ausgleichsrad zugeordnet. Insbesondere befindet sich in jedem Stegbereich ein Bolzen zur drehbaren Lagerung des Ausgleichsrads. In dieser Ausgestaltung sind zwei Ausgleichswinkelbereiche definiert, welche sich jeweils um mindestens +/- 20 Grad um die zugeordnete Ausgleichsachsrichtung erstrecken bzw. zwei Fensterwinkelbereiche definiert, welche sich jeweils um +/- 20 Grad um die Fensterrichtung erstrecken. In dieser Ausgestaltung ist das Kegelraddifferential als eine leichte und damit trägheitsreduzierte Baueinheit ausgebildet. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Außenrad eine zentrale, insbesondere abschnittsweise kreisrunde Aussparung, in der der Differenzialkorb eingesetzt ist, sowie zwei Flankenaussparungen auf, die mit dem Fensterwinkelbereich überlappend angeordnet sind, sich an die zentrale Aussparung anschließen und mit dieser einen gemeinsamen Aussparungsbereich bzw. den Aussparungsbereich bilden.

Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist das Außenrad einen umlaufenden Verzahnungsring oder Verzahnungsträger sowie einen planen Innenbereich auf, wobei mindestens 60 % der Fläche des planen Innenbereichs als der Aussparungsbereich ausgebildet ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

Figur 1 ein Kegelraddifferential in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung;

Figur 2 das Kegelrad in der Figur 1 in einer schematischen Ansicht von der Seite;

Figur 3 das Kegelraddifferential in den Figuren 1 und 2 in einer axialen Draufsicht von der Rückseite.

Die Figur 1 zeigt in einer schematischen, dreidimensionalen Darstellung ein Kegelraddifferential 1 , welches für ein Fahrzeug ausgebildet ist. Insbesondere dient das Kegelraddifferential 1 dazu, ein Antriebsdrehmoment auf zwei Abtriebswellen (nicht gezeigt) zu verteilen.

Das Kegelraddifferential 1 weist ein Außenrad 2 auf, welches als ein umlaufend, stirnseitig verzahntes Zahnrad bzw. als ein Zahnkranz ausgebildet ist. Das Außenrad 2 umfasst einen verzahnten Außenring 3 sowie einen plattenförmigen Innenbereich 4. Der plattenförmige Innenbereich 4 ist als planer oder ebener Bereich ausgebildet. Auf dem Außenrad 2 ist ein Differenzialkorb 5 aufgesetzt, wobei der Differenzialkorb 5 als ein glockenförmiges oder kuppeiförmiges Gussteil ausgebildet ist. Der Differenzialkorb 5 umfasst zwei Stegbereiche 6 a, b sowie zwei Fensterbereiche 7a, b. Die Stegbereiche 6 a, b sind durch Gehäusebereiche des Differenzialkorbs 5 gebildet. Die Stegbereiche 6 a, b wechseln sich in Umlaufrichtung mit den Fensterbereichen 7 a, b ab.

Der Differenzialkorb 5 umfasst einen umlaufenden Ringabschnitt 8, wobei der Ringabschnitt 8 die Stegbereiche 6 a, b umlaufend auch über die Fensterbereiche 7 a, b verbindet. Die Fensterbereiche 7 a, b sind somit in Umlaufrichtung durch die angrenzenden Stegbereiche 6 a, b und in axialer Richtung von dem Ringabschnitt 8 und von einem Dachbereich des Differential korbs 5 begrenzt oder gebildet.

Wie sich insbesondere aus der Figur 2 ergibt, sind in einem Innenraum des Differenzialkorbs 5 zwei Abtriebsräder 9 a, b sowie zwei Ausgleichsräder 10 a, b angeordnet. Die Abtriebsräder 9 a, b liegen koaxial zu einer Hauptdrehachse 1 1 des Außenrads 2 und sind jeweils mit einer der nicht gezeigten Abtriebswellen verbunden. Die Abtriebsräder 9 a, b sind drehbar in dem Differenzialkorb 5 angeordnet. Jedes der Ausgleichsräder 10 a, b kämmt mit beiden Abtriebsrädern 9 a, b, sodass ein Ausgleichs- oder Differenzialmechanismus geschaffen ist. Die Ausgleichsräder 10 a, b sind über nicht dargestellte Bolzen, welche in den Stegbereichen 6 a, b festgelegt sind, in dem Differenzialkorb 5 drehbar gelagert. Die Rotationen der Ausgleichsräder 10 a, b definieren Drehachsen 12 a, b, welche senkrecht zu der Hauptdrehachse 1 1 ausgerichtet sind und in einer gemeinsamen Linie liegen.

Wie sich insbesondere aus der Figur 3 ergibt, die das Kegelraddifferential 1 in Bezug auf die Hauptdrehachse 1 1 in einer axialen Draufsicht von der Rückseite zeigt, definieren die Drehachsen 12 a, b Ausgleichsrichtungen. Die Ausgleichsrichtungen 13 a, b liegen auf einer gemeinsamen Linie, die senkrecht zu der Hauptdrehachse 1 1 angeordnet ist. Die Fensterbereiche 7a, b können mittig unterteilt werden, sodass in axialer Draufsicht jeweils eine Mittellinie 13a,b zugeordnet werden kann, welche eine Fensterrichtung definiert. Alternativ zu der Definition der Fensterrichtungen können auch Senkrechte zu den Drehachsen 12 a, b als Mittellinie und damit als Fensterrichtungen definiert werden.

Betrachtet man das Außenrad 2 in der Figur 3, so kann das Außenrad 2 in Umlaufrichtung in zwei Ausgleichswinkelbereiche 14 a, b sowie in zwei Fensterwinkelbereiche 15 a, b unterteilt werden. Die Fensterwinkelbereiche erstrecken sich in einem Winkelbereich von +/- 40 Grad um die Ausgleichsachsrichtung 13a,b. Die Fensterwinkelbereiche 15 a, b erstrecken sich dagegen in einem Winkelbereich von +/- 50 Grad um die Fensterrichtung 13 a, b, so dass sich die Ausgleichswinkelbereiche 14 a, b und die Fensterwinkelbereiche 15 a, b zu 360° ergänzen. Wie sich wieder aus der Figur 1 ergibt, weist der Differenzialkorb 5 Flanschbereiche 16 a, b auf, welche über Befestigungselemente 17, in diesem Beispiel Nieten, mit dem Außenrad 2 verbunden sind und auf diese Weise Verbindungsbereiche 18 a, b bilden. Es wurde erkannt, dass der Differenzialkorb 5 in den Stegbereichen 6 a, b wesentlich steifer ausgebildet ist, als in den Fensterbereichen 7 a, b. Aufgrund dieser Erkenntnis wurde die Anbindung des Differenzialkorbs 5 an das Außenrad 2 hinsichtlich der (Biege-)Steifigkeit bezüglich der axialen Abdrängung des Außenrads 2 durch Verkippung angepasst. Dabei wurde berücksichtigt, dass bei der Auslegung nur oder im wesentlichen die nachgiebigere Seite, nämlich die Fensterseite, entscheidend ist. Aufbauend auf diesen Überlegungen wurden Materialeinsparungen auf Kosten der Verringerung der Steifigkeit des Kegelraddifferentials 1 in Stegrichtung durchgeführt, indem eine Materialwegnahme am Differenzialkorb 5 und eine Materialwegnahme an dem Außenrad 2 erfolgt sind. Ferner wurden Verbindungselemente (Schrauben, Nieten, etc.) im Bereich des weggenommenen Materials eingespart.

Betrachtet man das Kegelraddifferenzial 1 in einer Zusammenschau der Figuren 1 und 3, so ist zu erkennen, dass die Befestigungselemente 17 und damit die Verbindungsbereiche 18 a, b in Umlaufrichtung um die Hauptdrehachse 1 1 außerhalb der Ausgleichswinkelbereiche 14 a, b angeordnet sind. Insbesondere sind die Befestigungselemente 17 in einem noch kleineren Winkelsegment um die Ausgleichsachsrichtung 13 a, b, nämlich in einem Winkelsegment von +/- 30 Grad um die Ausgleichsachsrichtung 13 a, b angeordnet. Das Außenrad 2 weist im plattenförmigen Innenbereich 4 einen zusammenhängenden Aussparungsbereich 19 auf, welcher neben einer zentralen Lochaussparung 20 zur formschlüssigen Aufnahme eines Kragens 21 des Differenzialkorbs 5 zwei sich in radialer Richtung zu der Hauptdrehachse 1 1 erstreckende Nebenbereiche 22 a, b umfasst. Die Nebenbereiche 22 a, b erstrecken sich im Teilkreisdurchmesser des Ringabschnitts 8 vor Beginn der Flanschbereiche 16 a, b über das gesamte Winkelsegment des Ausgleichswinkelbereichs 14a,b. Im weiteren radialen Verlauf erstrecken sich die Nebenbereiche 22 a, b im Teilkreisdurchmesser der Befestigungselemente 17 über ein Winkelsegment von +/- 35 Grad um die Drehachsen 12 a, b. Im weiteren radialen Verlauf erstrecken sich die Nebenbereiche 22 a, b weiter als der Außendurchmesser, der durch die Befestigungselemente 17 oder die Flanschbereiche 16 a, b definiert ist. Durch die Aussparung 19 kann somit eine deutliche Materialwegnahme am Außenrad 2 und damit verbunden eine Gewichtseinsparung bzw. Trägheitsreduzierung des Kegelraddifferenzials 1 erreicht werden.

Auch die Flanschbereiche 16 a, b sind in Umlaufrichtung nur abschnittsweise realisiert, sodass auch am Differenzialkorb 5 eine Materialwegnahme erfolgt ist. Insbesondere sind die Flanschbereiche 5 außerhalb der Ausgleichswinkelbereiche 14 a, b und/oder innerhalb der Fensterwinkelbereiche 15 a, b angeordnet.

Bezugszeichenliste

1 Kegelraddifferential

2 Außenrad

3 Außenring

4 plattenförmiger Innenbereich

5 Differential korb

6 a, b Stegbereiche

7 a, b Fensterbereiche

8 Ringabschnitt

9 a, b Abtriebsräder

10 a, b Ausgleichsräder

1 1 Hauptdrehachse

12 a, b Drehachsen

13 a, b Mittellinie der Fensterbereiche

14 a, b Ausgleichswinkelbereiche

15 a, b Fensterwinkelbereiche

16 a, b Flanschbereiche

17 Befestigungselemente

18 a, b Verbindungsbereiche

19 Aussparungsbereich

20 Lochaussparung

21 Kragen

22 a, b Nebenbereiche