Die Erfindung betrifft ein zur Verwendung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ge eignetes Kegelraddifferential nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Kegelraddifferential ist beispielsweise aus der EP 0 510 457 B1 bekannt. Das bekannte Kegelraddifferential kann als Achsdifferential ausgebildet sein, wobei es zum Antrieb einer linken Halbachse und einer rechten Halbachse vorgese hen ist. Der Antrieb einer Halbachse ist mittels einer formschlüssig arbeitenden Kupp lung zuschaltbar und abschaltbar. Die Betätigung der Kupplung erfolgt mit Hilfe einer Schiebemuffe, welche auf der Halbachse verschiebbar ist.

Zur Betätigung der Kupplung nach der EP 0 510 457 B1 soll ein in der DE 103 34 450 A1 beschriebenes Einrückglied geeignet sein, welches als doppelt wirkender, durch ein Fluid beaufschlagbarer Betätigungszylinder ausgestaltet ist.

Eine weitere Bauform eines Kegelraddifferentials für ein Fahrzeug ist in der DE 10 2012 213 405 A1 beschrieben. Dieses Kegelraddifferential kann entweder als Längs differential oder als Querdifferential ausgebildet sein. Durch ein Längsdifferential wird ein Antriebsdrehmoment auf zwei Achsen eines Fahrzeugs verteilt. Durch ein Querdif ferential, das heißt Achsdifferential, wird ein Antriebsdrehmoment auf zwei Wellen ei ner Achse verteilt.

Aus der DE 10 2009 002 761 A1 ist eine Getriebeanordnung mit einem Differentialge triebe bekannt, welche reibschlüssige Schaltelemente umfasst. Die reibschlüssigen Schaltelemente sind für eine variable Verteilung eines Drehmoments zwischen den Antriebsrädern einer Fahrzeugachse vorgesehen. Die DE 10 2016 213 527 B4 beschreibt einen für ein Fahrzeug mit Allradantrieb vor gesehenen Antriebsstrang. Der Antriebsstrang umfasst eine vordere und eine hintere Trennstelle, wobei im Fall der hinteren Trennstelle eine formschlüssige Kopplungsein richtung vorgesehen ist.

Ein weiterer für ein Fahrzeug mit Allradantrieb ausgebildeter Antriebsstrang mit einer vorderen und einer hinteren Trennstelle ist in der DE 10 2016 214 421 A1 offenbart. Auch in diesem Fall ist an der hintern Trennstelle eine formschlüssige Kopplungsein richtung vorgesehen. Diese Kopplungseinrichtung ist als Klauenkupplung ausgebildet, welche in ein Differential integriert und mit Hilfe eines Aktors betätigbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik wei terentwickeltes Kegelraddifferential mit zu- und abschaltbarem Abtrieb anzugeben, welches sich durch einen besonders kompakten und fertigungstechnisch günstigen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kegelraddifferential mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Kegelraddifferential umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen als Ganzes drehbaren Differentialkorb, in welchem mindes tens ein Differential-Kegelrad, dessen Rotationsache senkrecht zur Drehachse des Differentialkorbes ausgerichtet ist, mit zwei Abtriebs-Kegelrädern kämmt, welche je weils zur drehfesten Verbindung mit einer Abtriebswelle vorgesehen sind, wobei min destens eine formschlüssige Kupplung zum Zu- und Abschalten einer der Abtriebswel len beziehungsweise beider Abtriebswellen vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß ist die Kupplung unmittelbar zwischen dem Differential-Kegelrad und dem Abtriebs-Kegelrad gebildet, wobei das Abtriebs-Kegelrad gegenüber dem Differential korb in Längsrichtung der Abtriebswelle, das heißt in Axialrichtung der Drehachse des Differentialkorbes, verschiebbar gelagert ist. lm Sinne von Kupplungselementen formschlüssig ineinander greifende Teile sind so mit durch Elemente gebildet, welche beim Kegelraddifferential ohnehin vorhanden sind. Im Vergleich zu einem nicht schaltbaren Kegelraddifferential ist der Bauraum des erfindungsgemäßen Kegelraddifferentials, dessen Kupplungselemente in Form des Abtriebs-Kegelrads und mindestens eines Differential-Kegelrades vorliegen, moderat erhöht. Im Vergleich zu Anordnungen, welche ein herkömmliches Differential und eine zusätzliche Kupplung umfassen, ist eine deutliche Bauraumeinsparung gegeben.

Das Kegelraddifferential kann eine Kupplung entweder an einem der Abtriebs- Kegelräder oder an beiden Abtriebs-Kegelrädern aufweisen. Im offenen Zustand der Kupplung wird kein Drehmoment auf die jeweilige Abtriebswelle übertragen. Auf die andere, zweite Abtriebswelle kann bei offener Kupplung Antriebsleistung übertragen werden, sofern gesonderte Mittel zur Herstellung einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen dem Differentialkorb und der zweiten Abtriebswelle vorhanden sind.

Zur Betätigung der Kupplung, das heißt zur Verschiebung des Abtriebs-Kegelrads, ist vorzugsweise eine Schiebehülse vorgesehen, welche die Abtriebswelle umgibt. Die Schiebehülse kann in einem Gehäuse angeordnet sein, in welchem sich auch Lage rungen des Differential korbs sowie der Abtriebswelle befinden.

Prinzipiell sind Bauformen realisierbar, in welchen die Schiebehülse direkt, das heißt getriebelos, auf das zu verschiebende Abtriebs-Kegelrad wirkt. In bevorzugten, kine matisch aufwendigeren Ausgestaltungen ist zwischen die Schiebehülse und das ver schiebbare Abtriebs-Kegelrad ein Getriebe geschaltet, welches die Verschiebege schwindigkeit der Schiebehülse in eine andere, insbesondere geringere, Verschiebe geschwindigkeit des Abtriebs-Kegelrads umsetzt. Hierbei wird eine vorgegebene kon stante Verschiebegeschwindigkeit der Schiebehülse vorzugsweise in eine nicht kon stante Verschiebegeschwindigkeit des Abtriebs-Kegelrads umgesetzt. Das Linear- Linear-Getriebe, welches zwischen die Schiebehülse und das Abtriebs-Kegelrad ge schaltet ist, weist somit eine nicht-lineare Kennlinie auf. Hierbei kann das Linear- Linear-Getriebe über den gesamten Verschiebebereich als Untersetzungsgetriebe ausgebildet sein. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, in welchen das Linear- Linear-Getriebe innerhalb eines ersten Abschnitts des Verschiebebereichs als Über setzungsgetriebe und innerhalb eines zweiten Abschnitts des Verschiebebereichs als Untersetzungsgetriebe ausgelegt ist. Hierbei stellt die geöffnete Stellung der Kupplung einen Endpunkt des Übersetzungsbereichs und die geschlossene Stellung der Kupp lung einen Endpunkt des Untersetzungsbereichs dar.

In bevorzugter Ausgestaltung umfasst das zwischen die Schiebehülse und das Ab triebs-Kegelrad als Teil der Kupplungsaktorik geschaltete Getriebe mindestens ein schwenkbares Nockensegment, vorzugsweise eine Mehrzahl solcher Nockensegmen te. Die Schwenkachsen der Nockensegmente schneiden hierbei weder die Rotations achse der Abtriebswelle noch die hierzu orthogonale Rotationsachse des Differential- Kegelrads. Die Schiebehülse wirkt vorzugsweise über ein als Wälzlager ausgebildetes Entkopplungslager mit dem Nockensegment oder mit der Anordnung aus mehreren Nockensegmenten zusammen.

Ist die Kupplung eingerückt, so liegt ein definierter Angriffspunkt eines jeden Nocken segments entweder unmittelbar am Differentialkorb oder an einem gesonderten Ele ment, welches zur Übertragung einer Axialkraft auf das Abtriebs-Kegelrad vorgesehen ist, an. Der Angriffspunkt des Nockensegments ist vorzugsweise weiter von der Dreh achse der Abtriebswelle entfernt als die Schwenkachse des Nockensegmentes. Im Fall mehrerer schwenkbarer Nockensegmente liegen die Angriffspunkte auf einem Kreis, welcher die Rotationsachse der Abtriebswelle konzentrisch umgibt. Der Radius dieses Kreises ist dementsprechend größer als der Abstand zwischen der Schwenk achse eines jeden Nockensegmentes und der Rotationsachse der Abtriebswelle.

Diese Ausgestaltung ermöglicht es, durch eine Feder, welche als Druckfeder zwi schen den Differential korb und das Abtriebs-Kegelrad gespannt ist, die Kupplung selbsttätig zu öffnen. Voraussetzung hierfür ist, dass sich die Schiebehülse oder ein sonstiges Element mit gleicher Funktion nicht in der Geschlossen-Stellung befindet. Der Verschiebeweg des Abtriebs-Kegelrades und der nutzbare Federweg der das Ab triebs-Kegelrad mit einer Axialkraft beaufschlagenden Feder sind vorzugsweise derart bemessen, dass das durch Federkraft ausgerückte Abtriebs-Kegelrad vollständig von dem mindestens einen Differential-Kegelrad abgehoben ist, wobei zwischen der Ver zahnung des Differential-Kegelrads einerseits und der Verzahnung des Abtriebs- Kegelrads andererseits ein freier Weg im Sinne eines Lüftweges gebildet ist. Solange der Aktor zur Betätigung der Schiebehülse oder eines vergleichbaren Betätigungs elementes nicht aktiviert wird, verbleibt die Kupplung durch Federkraft in der geöffne ten Position.

Zum Schließen der Kupplung ist vorzugsweise ein Linearaktor vorgesehen, welcher beispielsweise als elektromechanischer Aktor ausgebildet ist. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Aktor um einen Aktor mit Gewindetrieb, insbesondere Kugelgewinde trieb. Die beschriebene selbsttätige, allein durch Federkraft bewirkte Öffnung der Kupplung setzt voraus, dass die gesamte zur Verschiebung des Abtriebs-Kegelrades vorgesehene, den Aktor einschließende Getriebeanordnung nicht selbsthemmend ausgelegt ist.

Das Getriebe, welches die Verlagerung eines durch den Aktor bewegten Elementes, insbesondere in Form einer Schiebehülse, in eine Verschiebung des als Kupplungs element fungierenden Abtriebs-Kegelrades umsetzt, ist vorzugsweise in seinem End bereich, in welchem der geschlossene Zustand der Kupplung erreicht wird, als infini tesimales Getriebe ausgelegt. Dies bedeutet, dass in diesem Bereich eine zusätzliche Verlagerung der Schiebehülse nach dem Erreichen der Geschlossen-Stellung der Kupplung nicht mehr in eine weitere Verlagerung des Abtriebs-Kegelrads umgesetzt wird. Anders ausgedrückt: Es existiert in der geschlossenen Endstellung der Kupplung ein Leerhub der Schiebehülse. Dieser Leerhub ist ausnutzbar, um die Schiebehülse stabil in der Geschlossen-Stellung zu halten. Eine Bestromung oder sonstige Energie versorgung des Aktors ist in dieser Stellung zur Beibehaltung der Stellung der Kupp lung, das heißt zum Geschlossenhalten der Kupplung, nicht erforderlich. Somit ist we der im geschlossenen Zustand der Kupplung noch im offenen Zustand der Kupplung eine Energieversorgung des Aktors erforderlich. Die Kupplung stellt damit ein bistabi les System dar.

Was die unmittelbar zusammenwirkenden Kupplungselemente, das heißt das Ab triebs-Kegelrad und die damit kämmenden Differential-Kegelräder, betrifft, ist die Kupplung des Kegelraddifferentials extrem teilesparend aufgebaut. Dagegen ist zur Betätigung der Kupplung, das heißt Verschiebung des Abtriebs-Kegelrads, eine Ge triebekette vorgesehen, welche vorzugsweise ein Rotativ-Linear-Getriebe, insbeson dere in Form ein Wälzgewindetriebs, und ein nachgeschaltetes Linear-Linear-Getriebe umfasst. Durch die Hintereinanderschaltung dieser Getriebestufen, wobei das zweite Getriebe eine ausgeprägt nicht lineare Charakteristik aufweist, sind trotz geringer Ak tuatorleistung bei geöffneter Kupplung hohe Betätigungsgeschwindigkeiten und bei geschlossener Kupplung hohe Stellkräfte erzielbar.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung nä her erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein Kegelraddifferential mit formschlüssiger Kupplung in geöffnetem Zu stand,

Fig. 2 das Kegelraddifferential nach Figur 1 mit geschlossener Kupplung.

Ein Kegelraddifferential 1 kommt in einem nicht weiter dargestellten Antriebsstrang ei nes Kraftfahrzeugs zum Einsatz. Das Kegelraddifferential 1 umfasst einen Differential korb 2, welcher als Ganzes um eine Drehachse RA2 drehbar ist. Ein Flansch 3 am Differential korb 2 ermöglicht dessen Verbindung mit einem nicht dargestellten An triebselement.

In den Differential korb 2 ist eine Steckachse 4 eingesteckt, welche mit einem Siche rungselement 5 gegen Herausrutschen aus dem Differentialkorb 2 gesichert ist. Durch die Steckachse 4 ist eine Rotationsachse RA4 festgelegt, um welche Differential- Kegelräder 6, 7 drehbar sind, welche auf der Steckachse 4 gelagert sind. Die Rotati onsachse RA4 schneidet die Drehachse RA2 im rechten Winkel. Die Ebene, welche durch die beiden Achsen RA2, RA4 aufgespannt ist, rotiert beim Betrieb des Kegel raddifferentials 1 mit der Drehzahl des Differentialkorbs 2.

Die Differentialkegelräder 6, 7 kämmen mit zwei Abtriebs-Kegelrädern 8, 9, welche im Differentialkorb 2 gelagert sind. Die Rotationsachsen der Abtriebs-Kegelräder 8, 9 fal len mit der Drehachse RA2 zusammen. Das erste Abtriebs-Kegelrad 8 ist zur Kopp lung mit einer ersten Abtriebswelle 10 vorgesehen. Eine zweite, mit dem Kegelrad 9 zu verbindende Abtriebswelle ist in den Figuren nicht dargestellt. Der gesamte Diffe rentialkorb 2 ist unter anderem mit Hilfe eines Differentialkorblagers 11 in einem Ge häuse 12 gelagert. Ferner ist in dem Gehäuse 12 die Abtriebswelle 10 mit Hilfe eines Lagers 13 gelagert. Bei den Lagern 11 , 13 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Kugellager.

Die Abtriebswelle 10 ist mit Hilfe einer Kupplung 14, welche in das Kegelraddifferential 1 integriert ist, wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar. Als Kupplungselemente der Kupplung 14 fungieren einerseits das Abtriebs-Kegelrad 8 und andererseits die Diffe rential-Kegelräder 6, 7. Das Ein- und Auskuppeln geschieht durch Linearverschiebung des Abtriebs-Kegelrads 8 in Längsrichtung der Drehachse RA2. Eine Aktoranordnung, auf welche im Folgenden noch näher eingegangen wird, wirkt hierbei auf ein ringför miges Druckstück 15, welches auf das Abtriebs-Kegelrad 8 aufgesetzt ist.

Die Aktorik zur Verschiebung des Abtriebs-Kegelrads 8 umfasst einen Linearaktor 16 und ein Linear-Linear-Getriebe 17. Unter einem Linear-Linear-Getriebe wird allgemein ein Getriebe verstanden, welches eine lineare Bewegung eines eingangsseitigen Elementes in eine hiervon abweichende lineare Bewegung eines ausgangsseitigen Elementes umsetzt.

Der Linearaktor 16 umfasst im vorliegenden Fall einen Elektromotor 18 und einen durch diesen betätigten Gewindetrieb 19 in Form eines Kugelgewindetriebs. Hierbei stellt die mit 20 bezeichnete elektrisch angetriebene Gewindespindel ein eingangssei tiges Element des Kugelgewindetriebs 19 dar. Auf der Gewindespindel 20 ist eine Spindelmutter 21 verschiebbar geführt. Die Spindelmutter 21 ist in einer Mutterauf- nahme 22 angeordnet, welche im dargestellten Fall in ein Verbindungsstück 23 über geht. Das Verbindungsstück 23 ragt in das Gehäuse 12 hinein und ist dort mit einer Schiebehülse 24 verbunden. Die Verbindungsstelle zwischen der Schiebehülse 24 und dem Verbindungsstück 23 ist mit 25 bezeichnet.

Bei der Schiebehülse 24 handelt es sich ebenso wie bei dem Gehäuse 12 um ein nicht drehbares Teil. Über ein Entkopplungslager 26 ist die Schiebehülse 24 mit einem Innenteil 27 derart gekoppelt, dass Längsbewegungen der Schiebehülse 24 auf das Innenteil 27 übertragen werden. Das Innenteil 27 ist drehtest, jedoch verschiebbar mit der Abtriebswelle 10 gekoppelt. Bei dem Innenteil 27 handelt es sich um ein ein gangsseitiges Element des Linear-Linear-Getriebes 17. Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, kontaktiert ein mit 28 bezeichneter Ringabschnitt des Innenteils 27 ein mit 29 bezeichnetes Nockensegment. Das Nockensegment 29 ist um eine Schwenkachse SWA begrenzt schwenkbar. Die Schwenkachse SWA befindet sich in fester örtlicher Relation zur Abtriebswelle 10.

Zusätzlich zu dem in den Figuren sichtbaren Nockensegment 29 existieren weitere Nockensegmente 29, die jeweils eine eigene Schwenkachse SWA aufweisen. Die Gesamtheit der Schwenkachsen SWA liegt in einer einzigen Ebene. Diese Ebene schließt mit der Ebene, welche durch die Achsen RA2, RA4 aufgespannt wird, einen rechten Winkel ein.

Der Ringabschnitt 28 kontaktiert eine im Ausführungsbeispiel ebene Betätigungsflä che 30 des Nockensegments 29. Der Betätigungsfläche 30 liegt eine gekrümmte No ckenfläche 31 des Nockensegments 29 gegenüber. Die Nockenfläche 31 kontaktiert das Druckstück 15, um dieses bei Verschwenkung des Nockensegments 29 zu ver schieben. Das den Ringabschnitt 28, den durch die insgesamt ringförmig um die Ab triebswelle 10 angeordneten Nockensegmente 29 gebildeten Übertragungsmecha nismus, sowie das Druckstück 15 umfassende Linear-Linear-Getriebe 17 ist als Ge triebe mit hochgradig nicht linearer Charakteristik ausgelegt.

Hierbei ist in der Anordnung nach Figur 1 , das heißt in der Offen-Stellung der Kupp lung 14, ein erstes extremes Übersetzungsverhältnis gegeben. In dieser Position wird eine Verschiebung der Schiebehülse 24 mit vorgegebener Geschwindigkeit in die ma- ximale Verschiebegeschwindigkeit des Druckstücks 15 und damit auch des Abtriebs- Kegelrads 8 umgesetzt.

Dagegen erfolgt in der Stellung nach Figur 2, das heißt der Geschlossen-Stellung der Kupplung 14, bei einer über diese Stellung hinausgehenden Verschiebung der Schie behülse 24 und damit auch des Innenteils 27 keine weitere Verschiebung des Druck stücks 15. In diesem Bereich fungiert das Linear-Linear-Getriebe 17 somit als infinite simales Getriebe. Damit bleibt die Kupplung 14 auch ohne Bestromung des Elektro motors 18 in der geschlossenen Stellung.

Im geschlossenen Zustand der Kupplung 14 kontaktiert ein Angriffspunkt 32 innerhalb der Nockenfläche 31 die mit 33 bezeichnete Stirnfläche des Druckstücks 15. Die An griffspunkte 32 aller Nockensegmente 29 liegen auf einem gemeinsamen Kreis. Die ser Kreis hat einen Radius, welcher größer als der Abstand der Schwenkachse SWA von der Rotationsachse RA ist. Dies ist eine Voraussetzung dafür, dass die Kupplung 14 selbsttätig öffnen kann, sobald die Schiebehülse 24 durch den Linearaktor 16 aus der Geschlossen-Stellung entfernt wurde.

Das Öffnen der Kupplung 14 wird durch eine Feder 34 bewirkt, welche als Druckfeder in Form einer Schraubenfeder ausgebildet und zwischen den Differentialkorb 2 und das Abtriebs-Kegelrad 8 gespannt ist. Eine Betätigung des Elektromotors 18 wird nur zum Einleiten des Öffnungsvorgangs der Kupplung 14 benötigt. Sobald eine Ver schiebung des Abtriebs-Kegelrades 8 durch die Feder 34 erfolgt, wird der Öffnungs vorgang durch Federkraft weitergeführt, bis die in Figur 1 skizzierte Offen-Stellung der Kupplung 14 erreicht ist. Somit handelt es sich sowohl bei der geschlossenen Stellung als auch bei der offenen Stellung der Kupplung 14 um einen stabilen Zustand, welcher ohne Energiezufuhr zum Linearaktor 16 aufrechterhalten bleibt. Bezugszeichenliste

Kegelraddifferential

Differentialkorb

Flansch

Steckachse

Sicherungselement

Differential-Kegelrad

Differential-Kegelrad

Abtriebs-Kegelrad

Abtriebs-Kegelrad

Abtriebswelle

Differentialkorblager

Gehäuse

Lager

Kupplung

Druckstück

Linearaktor

Linear-Linear-Getriebe

Elektromotor

Gewindetrieb

Gewindespindel

Spindelmutter

Mutteraufnahme

Verbindungsstück 4 Schiebehülse

5 Verbindungsstelle

6 Entkopplungslager

7 Innenteil

8 Ringabschnitt

9 Nockensegment

30 Betätigungsfläche

31 Nockenfläche

32 Angriffspunkt

33 Stirnfläche

34 Feder

RA2 Drehachse des Differentialkorbes

RA4 Rotationsachse der Differential-Kegelräder

SWA Schwenkachse