DE10021145A1 - Gangschaltungsmechanismus - Google Patents

Abstract

In einem in einem Gehäuse (34) angeordneten Schaltmechanismus dreht sich ein erstes relativ rotierendes Element (38) um eine Achse. Ein zweites relativ rotierendes Element (48) kann selektiv mit dem ersten Element gekoppelt und hiervon getrennt werden. Eine Kupplungshülse (50) weist einen ersten Keilzahn mit einer ersten axialen Länge sowie einen zweiten Keilzahn mit einer zweiten axialen Länge, die länger als die des ersten Keilzahns ist, auf. Das Ende des zweiten Keilzahns ist kegelstumpfförmig ausgebildet. Das erste oder das zweite Element weist eine Mehrzahl von für einen Eingriff mit den Keilzähnen der Kupplungshülse ausgebildeten dritten Keilzähnen auf, die komplementär kegelstumpfförmig geformt sind. Zum wechselseitigen Verbinden und Trennen der Elemente wird die Kupplungshülse durch einen beweglichen Selektor (62) betätigt. Zwischen der Kupplungshülse und dem Selektor ist eine federnde Verbindung (56) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kraftübertragung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Gangschaltungsmechanismus zur antreibba­ ren Verbindung relativ zueinander rotierender Wellen im An­ triebsstrang eines Kraftfahrzeuges.

Um relativ zueinander rotierende Wellen in Drehverbindung zu bringen, wird üblicherweise ein mechanischer Synchronisierer verwendet, durch den die Drehzahlen der Wellen synchroni­ siert werden. Ein Beispiel hierfür ist aus der US 43 75 172 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung handelt es sich um einen verhältnismäßig effektiven Mechanismus, dessen Her­ stellungskosten jedoch hoch sind. Außerdem wird kein Ein­ griff über einen weiten Geschwindigkeitsbereich erzielt.

Der in der US'172 vorgeschlagene Mechanismus weist zur Ver­ besserung des Schaltbereiches eine blockierte federnde axia­ le Verbindung zwischen einer Klauenkupplungsanordnung und einer Hauptwelle 23 auf. Wie anhand der Fig. 8 und 9 der US'172 beschrieben, wird dabei ein hohes Maß an Spiel 208 in Kauf genommen, um eine adäquate anfängliche Durchdringung bzw. ein Ineinandergreifen 212 der Zähne sicher­ zustellen. Bei einem derartigen übermäßigen Spiel ist aber nachteilig, daß dadurch ein zusätzlicher Schlupf (slop) im System verursacht wird.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine nicht blockierte Eingriffsvorrichtung vorzuschlagen, um re­ lativ zueinander rotierende Wellen ineinander greifen zu lassen, und eine solche Vorrichtung in einem Getriebe einzu­ setzen.

Um die Schwierigkeiten und die hohen Kosten zu vermeiden, die mit der Entwicklung und Herstellung von Getrieben mit einer großen Anzahl von Vorwärtsgangverhältnissen verbunden sind und um die Kosten und die Leistungsfähigkeit einer Gangschaltungsvorrichtung zu verbessern, wird ein erfin­ dungsgemäß verbesserter Gangschaltungsmechanismus wie folgt vorgeschlagen:

In einem in einem Gehäuse angeordneten Gangschaltungsmecha­ nismus rotiert ein erstes relativ rotierendes Element um ei­ ne Achse. Ein zweites relativ rotierendes Element wird se­ lektiv mit dem ersten Element gekoppelt und entkoppelt. Die Kupplung (coupling) weist eine erste Keilzahnanordnung mit einer ersten axialen Länge und eine zweiten Keilzahnanord­ nung mit einer zweiten axialen Länge auf, welche größer ist als die des ersten Keilzahns (spline tooth). Die zweite Keilzahnanordnung weist ein kegelstumpfförmiges Ende auf. Das erste oder zweite Element weist eine Mehrzahl von drit­ ten Keilzähnen für den Eingriff mit den Keilzahnanordnungen der Kupplung auf. Die dritten Keilzähne haben eine komple­ mentäre kegelstumpfförmige Form. Ein Selektor ist beweglich, um die Kupplung zu betätigen und die Elemente wechselseitig zu verbinden und zu trennen. Zwischen der Kupplung und dem Selektor ist eine federnde Verbindung vorgesehen.

Eine derartige Gangschaltungsvorrichtung erlaubt einen Schaltvorgang während der Fahrt (on-the-go) auch dann, wenn die Eingangs- und Ausgangswellen keine vollständig synchro­ nisierte Drehzahl aufweisen. Ein solcher Gangschaltungsme­ chanismus ist in vielen Vorrichtungen nützlich, wie z. B. in Zweigangachsen (two-speed axles), Untergetrieben (subtrans­ missions) (wie zum Beispiel einem sekundären Getriebe oder einem Zweigang-Wechselgetrieben), Allradgangschaltmechanis­ men und Abtriebseinheiten (power take-off units). Der Gang­ schaltungsmechanismus kann mittels eines Computers koordi­ niert werden, um die Eingangs- und Ausgangsdrehzahlen zu synchronisieren und somit das Gangschaltungs-"feeling" zu verbessern.

Ein derartiger Mechanismus kann weiterhin durch Verwendung eines elektronischen Reglers verbessert werden, um die Ein­ gangs- und Ausgangsdrehzahlen einem synchronen Verhalten na­ hezubringen, wobei Motor-, Getriebe- und ABS-Regelungs­ merkmale in Verbindung mit einer adaptiven Regelung des Schaltmotors (adaptive shift motor controls) verwendet wer­ den können. Bei einer Gangschaltungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Schaltvorgang bei im wesent­ lichen synchronen Drehzahlen abgeschlossen, wobei vorzugs­ weise eine "Einschnapp"-Schaltvorrichtung (snap action shift device) verwendet wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispiel­ haft näher erläutert.

Fig. 1 stellt eine schematische Aufsicht eines Antriebs­ stranges (powertrain) eines Kraftfahrzeuges dar, welcher eine Mehrgang-Hinterachsanordnung auf­ weist, bei der eine beispielhafte erfindungsgemäße Schaltvorrichtung verwendet wird.

Fig. 2 stellt einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 dar.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teiles des Me­ chanismus gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine Teilschnittdarstellung der in Fig. 2 gezeigten Kupplung.

Fig. 5 ist eine Endansicht der in Fig. 4 gezeigten Kupp­ lung.

Fig. 6 ist eine teilweise Seitenansicht der Keilzähne der in Fig. 4 gezeigten Kupplung.

Fig. 7A veranschaulicht ein sekundäres Getriebe mit einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung in einer ers­ ten Position, in der das Sonnenrad und der Träger in einem Direktantriebsverhältnis drehbar mitein­ ander verbunden sind.

Fig. 7B zeigt das sekundäre Getriebe gemäß Fig. 7A in ei­ ner zweiten Position im Eingriff entsprechend ei­ ner Untersetzung.

Fig. 7C zeigt ein sekundäres Getriebe mit einer alternati­ ven erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung in einer ersten Position, in welcher das Sonnenrad und der Träger in einem Direktantriebsverhältnis drehbar miteinander verbunden sind.

Fig. 7D zeigt das sekundäre Getriebe von Fig. 7C in einer zweiten Position im Eingriff für eine Unterset­ zung.

Fig. 7E ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges mit einem sekundären Getriebe, z. B. gemäß den Fig. 7A-7D.

Fig. 8 zeigt ein Verteilergetriebe (transfer case) mit einem Schaltmechanismus gemäß der vorliegenden Er­ findung.

Fig. 9 zeigt ein repräsentatives Flussdiagramm der Syn­ chronisation von Drehgeschwindigkeiten bei Verwen­ dung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 10A und 10B zeigen eine teilweise geschnittene Seiten­ ansicht beziehungsweise Endansicht eines sekundä­ ren Getriebes mit einer weiteren alternativen er­ findungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Fig. 11A und 11B zeigen eine teilweise geschnittene Seiten­ ansicht beziehungsweise eine Endansicht eines se­ kundären Getriebes gemäß einer weiteren alternati­ ven erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Fig. 12A und 12B zeigen eine teilweise geschnittene Seiten­ ansicht beziehungsweise eine Endansicht eines se­ kundären Getriebes gemäß einer weiteren alternati­ ven erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Fig. 12C zeigt einen exzentrischen Nocken für die in den Fig. 12A-12B dargestellte Vorrichtung.

Ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit Hinterradantrieb weist gemäß Fig. 1 einen Motor 10, ein Getriebe 12, eine Hinterradantriebswelle 14, ein Hinterachsendifferential 18, linke und rechte Hinterachsenwellen 20, 22 sowie Hinterrä­ der 24, 26 auf. Die rechten und linken Vorderräder 28, 30 sind nicht angetrieben. Der Motor 10 ist antreibend mit ei­ nem Mehrganggetriebe 12 verbunden, welches wiederum antrei­ bend mit der Antriebswelle 14 verbunden ist, die ihrerseits mit der Eingangswelle eines Mehrgang-Achsenantriebs­ mechanismus 32 verbunden ist, welcher innerhalb einer Ver­ kleidung oder eines Gehäuses 34 angeordnet ist.

Die Antriebswelle 14 mit einem abgeschrägten Eingangsrit­ zel 36 verbunden (vgl. Fig. 2), welches antreibbar mit einem großen Tellerrad 38 (ring gear) einer Zweigangachse inner­ halb des Gehäuses 34 verbunden ist. Das große Tellerrad 38 ist drehbar in Lagern 40, 42 durch das Gehäuse 34 abge­ stützt. Das große Tellerrad 38 steht in kontinuierlichem Eingriff mit einer Mehrzahl planetarer Ritzel 44, welche zur Drehung durch einen Ritzelträger 46 gehalten werden. Der Träger 46 steht in kontinuierlichem antreibenden Eingriff mit einem Differential zwischen den Rädern (interwheel dif­ ferential), für das ein Beispiel in der US 53 16 106 gezeigt ist. Das Differential 18 treibt in bekannter Weise die Hin­ terräder 24, 26 über die Achsenwellen 20, 22 um eine Dreh­ achse 48 an.

Wie am besten anhand der Fig. 2 und 3 erkennbar, wird ei­ ne Kupplung bzw. Kupplungshülse 50 in der Achse 32 bereitge­ stellt, um die Ritzel 44 und den Träger 46 gegenseitig antreibbar zu verbinden bzw. zu trennen. Die Kupplung 50 enthält koaxial zur Achse 48 ein ringförmiges Hülsenelement (sleeve member). Die Kupplung 50 trägt ein Sonnenrad 52 in ineinandergreifender Zusammenwirkung mit den Ritzeln 44. Die Kupplung 50 trägt ferner ein zweites Zahnrad 54, welches ge­ genüber dem Sonnenrad 52 axial versetzt ist. Die Kupplung 50 ist in einer ersten Position an der rechten Seite der Ach­ se 48 gezeigt, in der die Kupplung 50 einen Untersetzungszu­ stand bereitstellt, bei dem die Ritzel 44 gegen eine Drehung in Bezug auf das Gehäuse 34 festgesetzt werden, wobei die Kupplung 50 am zweiten Zahnrad 54 in das Gehäuse 34 ein­ greift. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ein Planentengetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis be­ schrieben wird, kann in einer bevorzugten Ausgestaltung das Eingangsübersetzungsverhältnis (zum Beispiel das Verhältnis der abgeschrägten Ritzel) so angepasst sein, dass das so be­ zeichnete "Untersetzungsverhältnis" einem Direktantrieb ent­ spricht und das sogenannte "Direktantriebsverhältnis" einem Übersetzungsverhältnis entspricht.

In Fig. 2 ist die Kupplung 50 in einer zweiten Position am Ende der Achse 48 dargestellt. In dieser zweiten Position ist die Kupplung 50 axial in eine zweite Position bewegt, wobei das Zahnrad 54 aus dem Eingriff mit dem Gehäuse 34 heraus bewegt ist. In dieser zweiten Position verbleibt das Sonnenrad 52 in ineinandergreifender Zusammenwirkung mit den Ritzeln 44, wobei es gleichzeitig am Träger 46 eingreift, um den Träger 46 und die Ritzel 44 wechselseitig zu drehen, wo­ durch ein direktes Antriebsverhältnis erzeugt wird. Die Kupplung 50 wird vom Gehäuse 34 gelöst, bevor das Sonnen­ rad 52 antreibbar mit dem Träger 46 verbunden wird, da an­ dernfalls das gesamte Planetengetriebe gegenüber einer Rota­ tion sperren würde.

Wie weiterhin in Fig. 2 dargestellt, wird das Sonnenrad 52 durch die Kupplung 50 getragen und greift in den Unterset­ zungs- und Direktantriebspositionen antreibbar mit den Rit­ zeln 44 ein. Weiterhin ist ein Motor 60 an dem Gehäuse 34 vorgesehen. Der Motor 60 bewegt eine Schaltgabel 62 axial, um die Kupplung 50 in eine gewünschte Position zum Erreichen der richtigen Achsenverhältnisse zu bewegen. Eine bevorzugte Ausgestaltungsform des Motors 60 weist einen elektrischen Rotationsmotor auf, welcher koaxial drehbar mit einem Wel­ lennocken 63 über ein näherungsweise 58 : 1 Reduktions­ schneckengetriebe verbunden ist. Aufgrund der großen Getrie­ beuntersetzung durch das Schneckengetriebe wird nur ein kleiner elektrischer Motor benötigt. Der Wellennocken 63 weist eine spiralförmige Rille 67 auf, welche mit der Schaltgabel 62 zusammenwirkt. Wenn der Motor 60 den Wellen­ nocken 63 dreht, verschiebt die spiralförmige Rille 67 die Schaltgabel 62 in axialer Richtung. Die Schaltgabel 62 wird im Hinblick auf die axiale Bewegung von einem Zapfen 69 ge­ tragen, welcher seinerseits vom Gehäuse 34 getragen wird.

Wie ersichtlich, kann als Motor 60 alternativ auch ein e­ lektrischer Linearmotor, ein Vakuummotor oder irgendein äquivalenter Motor verwendet werden, mit dem eine derartige lineare Bewegung der Schaltgabel bewirkt werden kann. Alter­ nativ kann die axiale Bewegung der Schaltgabel 62 auch durch eine mechanische Verbindung bewirkt werden, wie zum Beispiel durch einen Bowdenkabelzug in einer dem Fachmann bekannten Weise.

Der Wellennocken 63 enthält vorzugsweise eine Arretierung (nicht dargestellt), welche vorzugsweise eine Arretierungs­ position (nicht dargestellt) in der spiralförmigen Rille 67 aufweist. Die Arretierung ist so positioniert, dass sie mit der Kupplungshülse 50 in einer "synchronisierenden" Position wie unten beschrieben korrespondiert. Die Spirale der Ril­ le 67 erstreckt sich schraubenlinienförmig um den Nocken 63 herum, so dass, wenn der Nocken 63 durch den Motor 60 ge­ dreht wird, die Schaltgabel 62 axial um etwa 4,5 mm über ei­ ne zentrierte Position bewegt wird, welche "Neutral" ent­ spricht. Die zentrierte "Neutral"-Position liegt dort, wo das zweite Zahnrad 54 nicht drehbar am Gehäuse 54 eingreift und das Sonnenrad 52 nicht am Träger 46 eingreift. Das zwei­ te Zahnrad 54 befindet sich in der neutralen Position vor­ zugsweise nahezu unmittelbar anschließend am Gehäuse 34, während das Sonnenrad 52 näherungsweise 2,0 mm von dem Ein­ griff mit dem Träger 46 entfernt ist.

Die Kupplung 50 kann sich von der zentrierten neutralen Po­ sition aus vorzugsweise axial 9 mm in jede Richtung bewegen, wobei die Synchronisierung mit dem Gehäuse 34 oder dem Trä­ ger 46 begonnen wird, wenn die Schaltgabel 62 näherungswei­ se 4,5 mm axial zur einen oder anderen Seite von der zent­ rierten neutralen Position aus bewegt wurde, wobei die 4,5 mm Position als "Synchronisierungs"-Position bezeichnet wird (alternativ auch "Neutral plus" genannt). In dieser "Synchronisierungs"-Position weist der Nocken in der Ril­ le 67 vorzugsweise eine Arretierung auf, umfassend einen Ab­ schnitt der Rille 67, welcher sich umfänglich senkrecht zur Rotationsachse des Nockens 63 (statt schraubenlinienförmig) erstreckt, so dass die Schaltgabel 62 in diesem Moment nicht weiter axial bewegt wird, wenn der Wellennocken 63 die Dre­ hung fortsetzt.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, greift während der Synchronisa­ tion ein Kugelschlossmechanismus 68 nicht in eine Rille 70 der Hülse ein, so dass die Hülse 50 sich nicht die gesamten 4,5 mm axial bewegt. Während sich die Schaltgabel 62 inner­ halb der Arretierung befindet, werden die Keilzähne der Hül­ se 50 wie oben beschrieben synchronisiert, während eine axi­ ale Feder eine axiale Kraft auf die Hülse 50 ausübt, um die Hülse in einen Eingriff zu zwingen. Während das zweite Zahn­ rad 54 mit dem Gehäuse 34 synchronisiert, zwingt die Fe­ der 66 die Hülse nach rechts, und das Kugelschloss 68 greift in die Rille 70 ein. Sobald der Nocken 63 über die Arretie­ rung hinaus gedreht ist, verläuft die Rille 67 schraubenli­ nienförmig weiter, so dass die Hülse 50 axial verschoben wird, um die Keilzähne wie oben beschrieben um weitere etwa 4,5 mm axial vollkommen ineinander greifen zu lassen. In dieser bevorzugten Ausgestaltung greifen daher die Keilzähne näherungsweise über 7-9 mm ineinander. Wie ersichtlich, sind diese Abstände jedoch anwendungsspezifisch und variie­ ren auf der Basis des übertragenen Drehmoments sowie der me­ chanischen Charakteristiken der Keilzähne und Zahnräder.

Die Arretierung kann alternativ dadurch realisiert werden, den Motor 60 an dem Punkt in der Drehung anzuhalten, an dem die Schaltgabel 62 innerhalb der Rille 67 axial etwa 4,5 mm bewegt wurde, so dass die Synchronisation eintreten kann, wenn synchrone Drehzahlen erreicht sind und der anfängliche Eingriff der Keilzähne wie oben beschrieben auftritt. Vor­ zugsweise erkennen Drehzahl-(RPM)Sensoren (nicht darge­ stellt) die Synchronisation, das heißt, wenn die Keilzähne anfänglich ineinander greifen, wird der Motor 60 wieder ge­ startet, um sich zu drehen, bis die Keilzähne vollständig ineinander greifen.

Zwischen der Schaltgabel 62 und der Kupplung 50 ist eine fe­ dernde Verbindung 56 vorgesehen, welche nachstehend detail­ lierter beschrieben wird, um sicherzustellen, dass während des Zusammenwirkens der verschiedenen Elemente 52, 44, 46, 54, 34 eine geeignete Kraft angewendet wird, um eine zufrie­ denstellende Synchronisation und ein glattes Ineinandergrei­ fen zu ermöglichen. Diese Anordnung gewährleistet ferner ein "Einschnapp"-Eingreifen (snap-action engagement) der Zähne, wenn die Drehzahlen synchronisiert sind. Darüber hinaus wird hierdurch eine Stoßabsorption realisiert, wenn die Elemente ineinander greifen. Die federnde Verbindung 56 ermöglicht es dem Motor 60, die Schaltgabel 62 in eine absolute axiale Po­ sition zu bewegen, während die Kupplung 50 nicht notwendi­ gerweise vollkommen eingreift und daher nicht genau axial in Bezug auf die Schaltgabel 62 ausgerichtet ist.

Alternativ kann auch eine äquivalente federnde Verbindung 56 zwischen dem Motor 60 und der Schaltgabel 62 oder an irgend­ einer Stelle zwischen dem Eingang zur Bewegung des Schalt­ ringes und der Welle, die das Element trägt, mit dem ein Eingriff erfolgen soll, vorgesehen sein (das heißt, das Zahnrad selbst könnte axial federnd vorgespannt sein). Ein Beispiel einer alternativen bevorzugten federnden Verbindung zwischen dem Motor und der Schaltgabel ist in der US 44 98 350, welche mit der diesbezüglich relevanten Offen­ barung in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird, bei 20, 20' gezeigt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, weist eine bevorzugte federnde Ver­ bindung 56 ein Paar von vorgespannten axialen Kompressions­ federn 64, 66 zwischen der Schaltgabel 62 und der Kupp­ lung 50 auf. Die Federn 64, 66 sind einander axial gegenü­ berliegend angeordnet, wobei jede eine axiale Kraft auf die Kupplung 50 ausübt, wenn die Schaltgabel 62 in Richtung der entsprechenden Feder 64, 66 bewegt wird. In Fig. 3 ist dar­ gestellt, wie die Schaltgabel 62 nach rechts bewegt und die Feder 66 zusammengedrückt wird, wodurch diese eine zusätzli­ che axiale Kraft auf die Kupplung 50 durch das Zahnrad 54 ausübt, bis die Zahnräder ineinander greifen und die Schalt­ gabel 62 und die Kupplung 50 ausgerichtet sind. Die Fe­ dern 64, 66 sind so ausgelegt, dass sie eine geeignete Kraft auf die Kupplung 50 bereit stellen, um eine ordnungsgemäße Synchronisation und ein vollständiges Eingreifen sicherzu­ stellen. Die Federn spannen die Kupplung in die gewünschte Richtung vor. Wenn durch die Zähne synchrone Geschwindigkei­ ten erreicht sind, greift die Kupplung schnell mit einem "Schnappeingriff" ein, wobei die Feder die Kupplung in die endgültige Position drängt und das Kugelschloss wieder ein­ greift. Weiterhin absorbieren die Federn während des anfäng­ lichen Eingreifens der Zähne Energie; so bewegt sich die Kupplung axial gegen die Federkraft, wenn die längeren Zähne anfänglich ineinander greifen, bis die Drehgeschwindigkeiten synchron sind, was der Kupplung erlaubt, sich axial in die gewünschte Richtung zu bewegen. Die Federn üben daher eine axiale Kraft auf die Kupplung 50 aus. Sobald die unten be­ schriebenen Keilzähne auf den verschiedenen Elementen 52, 44, 46, 54, 34, die ineinander greifen sollen, ausgerichtet sind, drängt die Federkraft die Kupplung dazu, in einen Ein­ griff mit dem jeweiligen Element einzuschnappen. Wenn die Schaltgabel 62 nach links bewegt wird, übt in ähnlicher Wei­ se die zweite Feder 64 über einen Anschlag 72 auf der Kupp­ lung 50 eine nach links gerichtete Kraft auf die Kupplung 50 aus, um wie oben beschrieben eine geeignete Synchronisati­ ons- und Eingriffskraft bereit zu stellen.

Die federnde Verbindung 56 enthält vorzugsweise ferner einen Kugelschlossmechanismus 68 an der Schaltgabel 62. Der Kugel­ schlossmechanismus 68 ist aus einer Eingriffsposition in der Rille 70 auf der Kupplung 50 radial verschiebbar. Wenn der Motor 60 rotiert und die Schaltgabel 62 axial bewegt, was die Kupplung 50 nach rechts drängt, um das Zahnrad 54 in Eingriff mit dem Gehäuse 34 zu bringen, und wenn die Keil­ zähne auf dem Zahnrad 54 und Gehäuse 34 nicht synchronisiert sind, stehen sich die Keilzähne an ihren kegelförmigen Ab­ schnitten einander axial gegenüber, wie weiter unten anhand von Fig. 4 beschrieben wird. Da der Motor 60 die Schaltga­ bel 62 nach rechts über die zentrierte "neutrale" Position hinaus bewegt, bevor die Drehgeschwindigkeiten synchroni­ siert sind, widersetzen sich die unsynchronisierten, gegenü­ berstehenden Keilzähne der axialen Bewegung der Kupplung 50. Dieser Widerstand lässt das Kugelschloss 68 aus dem Eingriff in der Rille 70 heraustreten, aber die axiale Feder 66 setzt die Ausübung einer axialen Kraft auf die Kupplung 50 fort, um das zweite Zahnrad 54 mit dem Gehäuse 34 in Eingriff zu bringen. Sobald die Drehgeschwindigkeiten synchronisiert sind, greifen die Keilzähne auf dem Zahnrad 54 an dem Gehäu­ se 34 ein, und die axiale Feder 66 zwingt die Kupplung 50 zur Bewegung nach rechts in einen Eingriff mit dem Gehäu­ se 34 und der Kugelschlossmechanismus 68 wird mit der Ril­ le 70 ausgerichtet und greift in diese ein. In ähnlicher Weise wird die Schaltgabel 62 nach links bewegt, wenn das Sonnenrad 52 an dem Träger 46 eingreift. Der Kugelschloss­ mechanismus 68 verlässt die Rille 70 nach links, und die zweite Feder 64 zwingt die Kupplung 50 nach links, bis die Kupplung 50 mit dem Träger 46 synchronisiert ist und in die­ sen eingreift, was der Kupplung 50 erlaubt, die Rille 70 mit dem Kugelschlossmechanismus 68 der Schaltgabel 62 auszurich­ ten.

Die Kupplung 50 ist in Fig. 3 in einer Position darge­ stellt, in der der Motor 60 die Schaltgabel 62 nach rechts bewegt und den Kugelschlossmechanismus 68 außer Eingriff ge­ bracht hat.

Da das zweite Zahnrad 54 nicht mit dem Gehäuse 34 synchroni­ siert ist, nimmt das zweite Zahnrad 54, wie in Fig. 3 ge­ zeigt, die links gelegene Position im Anschlag an das Gehäu­ se 34 ein. Wenn sich das zweite Zahnrad 54 mit dem Gehäu­ se 34 synchronisiert, bewegt sich das zweite Zahnrad 54 nach rechts, wie durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Wäh­ rend dieser nach rechts gerichteten Bewegung bewegt sich das Sonnenrad 52 ebenfalls vom Träger 46 weg nach rechts. Wie in Fig. 3 gezeigt, nimmt während der Synchronisation der Kupp­ lung 50 mit dem Gehäuse 34 das Sonnenrad 52 die zentrale Po­ sition ein, die im rechten Teil von Fig. 3 gezeigt ist. In dieser Position ist das Sonnenrad 52 axial ca. 2 mm vom Trä­ ger 46 entfernt und daher nicht mit dem Träger 46 in Ein­ griff, und der Antrieb befindet sich in einem "neutralen" Zustand. Wenn die Kupplung 50 nach rechts in die Unterset­ zungsposition, wie vorstehend beschrieben, oder nach links in die Direktantriebsposition, wie ebenfalls vorstehend be­ schrieben, bewegt wird, nimmt das Sonnenrad die entsprechen­ den gestrichelt dargestellten Positionen ein.

Das Ineinandergreifen der Elemente 52, 44, 46, 54, 34 wird durch eine Mehrzahl von umfänglich beabstandeten Keilzähnen gewährleistet. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist das Sonnen­ rad 52 vorzugsweise integral mit der Hülse 50 ausgebildet. Wie in der Endansicht von Fig. 5 gezeigt, enthält das Son­ nenrad 52 eine Mehrzahl von umfänglich beabstandeten Keil­ zähnen 51, 53. Die Zähne 51, 53 des Sonnenrades 52 haben flache Kontaktflächen für den Eingriff mit komplementären Zähnen, welche an den planetaren Ritzeln 44 und dem Trä­ ger 46 vorgesehen sind. Wie dem Fachmann bekannt ist, können die flachen Kontaktflächen der Zähne 51, 53 kleine spiral­ förmig geformte Rillen (nicht dargestellt) zur Förderung der Schmierung aufweisen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Zähne mecha­ nisch synchronisiert. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist vor­ zugsweise jeder zweite Zahn 51 axial gegenüber dem benach­ barten Zahn 53 zurückgezogen, so dass bei Synchronisations­ geschwindigkeiten die Blockierung leichter erreicht wird. Wenn die Drehzahlen, wie unten erläutert, elektronisch syn­ chronisiert werden, sind die zurückgezogenen Zähne von ge­ ringerer Notwendigkeit. Wie in Fig. 4 gezeigt, weisen die Zähne des Sonnenrades 52 einen kegelförmigen Winkel 57 auf, welcher für die Synchronisation mit einem komplementären Ke­ gelwinkel an den Zähnen des Trägers 46 optimiert ist. Die Zähne des Sonnenrades 52 weisen vorzugsweise weiterhin eine zugespitzte Oberfläche 59 an der Führungskante der Zähne 51, 53 auf, um das Zusammenwirken von Sonnenrad 52 und Träger 46 zu erleichtern. Der Keilzahnabstand ist in Hinblick auf ein minimales Spiel optimiert. Das zweite Paar von Zähnen 54 auf der Kupplung 50 ist ähnlich ausgebildet, um die Drehzahl der Kupplung 50 beim Eingreifen mit den Zähnen am Gehäuse 34 zu synchronisieren.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung werden die Dreh­ zahlen der Elemente 52, 44, 46, 54, 34 elektronisch unter Verwendung eines Motorreglers und/oder des Antiblockier­ bremssystems des Kraftfahrzeuges synchronisiert. Gemäß Fig. 1 sind Sensoren 73, 74 vorgesehen, um die Drehzahl des Eingangs und des Ausgangs des Differentials 18 zu messen. Die Eingangsdrehzahl wird vorzugsweise durch Bestimmung der Ausgangsdrehzahl des Getriebes 12 unter Verwendung der Sen­ soren 73, 74 in bekannter Weise gemessen. Gemäß Fig. 2 ist basierend auf der Untersetzung des Eingangsritzels 36 die Drehgeschwindigkeit des Tellerrades 38 bekannt. Die Drehzahl der planetaren Ritzel 44, des Sonnenrades 52 und des Trä­ gers 46 wird auf der Basis der Position der Kupplung berech­ net, welche wie oben beschrieben einige der Elemente 52, 44, 46, 54, 34 wechselseitig verbindet und trennt.

Die Ausgangsgeschwindigkeit des Differentials 18 wird vor­ zugsweise durch Messen der Drehgeschwindigkeit des Rades 24 unter Rückgriff auf ein Antiblockiersystem (ABS) ermittelt, wie dem Fachmann bekannt und hier nicht ausführlich be­ schrieben. In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das ABS-System einen ABS-Sensor, der als Sensor 74 dargestellt ist. Die Geschwindigkeit des Rades 24 kann verwendet werden, um die Drehzahl des Trägers 46 abzuschätzen, wenn keine Dif­ ferentialwirkung auftritt. Um somit die Synchronisation der Elemente 52, 44, 46, 54, 34 elektronisch zu regeln, können die Eingangsgeschwindigkeit des Eingangszahnrades 36 oder die Ausgangsgeschwindigkeit des Differentials 18 kontrol­ liert werden. Wie anhand der vorliegenden Beschreibung er­ sichtlich, können die Sensoren 73, 74 in verschiedenen Posi­ tionen angeordnet sein, um das die Eingangs- und Ausgangs­ drehzahlen anzeigende Signal bereit zu stellen.

Vorzugsweise senden die Sensoren 73, 74 ein Signal an einen Computer 76, wie zum Beispiel eine Motorkontrolleinheit (ECU). Der Computer 76 bestimmt dann auf der Basis der Dreh­ zahlen im Antriebsstrang, ob es angebracht ist, die Achse in einer Untersetzungs- oder in einer Direktantriebsposition zu betreiben. Nachdem diese Bestimmung durchgeführt worden ist, stellt der Computer 76 ein Signal bereit, um die Drehzahlen der Eingangs- oder Ausgangswelle zu regeln, damit die Dre­ hung der Elemente 52, 44, 46, 54, 34 durch Regelung der Mo­ tordrehzahl, der Antiblockierbremsen oder des Getriebes syn­ chronisiert wird. Die Drehzahlen werden so mittels der ECU zur Erhöhung oder Verminderung der Drehzahlen des Motors 10 oder des Getriebes 12 in bekannter Art synchronisiert, oder durch Verringerung der Ausgangsdrehzahl des Differentials 18 durch Verwendung des Antiblockiersystems (ABS) zum Aktivie­ ren einer Bremse an einem oder mehreren der Hinterräder 48, 26 in einer ebenfalls dem Fachmann bekannten Weise. Wenn die Drehzahlen entsprechend synchronisiert sind, wird der Mo­ tor 60 durch den Computer 76 angewiesen, die Schaltgabel 62 in die gewünschte Position zur Erzeugung des passenden Über­ setzungsverhältnisses zu bewegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein weiterer Sen­ sor 75 vorgesehen, um die Position der Schaltgabel 62 zu er­ fassen und um festzustellen, ob die Schaltgabel in der rich­ tigen Position und vorzugsweise innerhalb des richtigen "Synchronisationszeitfensters" ist, um einen glatten Ein­ griff und das gewünschte Übersetzungsverhältnis zu errei­ chen. Dieses "Zeitfenster" ist in der Periode vorgesehen, in welcher die Drehzahlen im wesentlichen synchron sind. In Fig. 2 ist der Sensor 75 schematisch dargestellt als ein am Motor 60 vorgesehener Kodierer; dieser könnte jedoch auch in das Gehäuse eingebaut sein, um die Stellung der Gabel oder der Kupplung oder eines anderen Teils des Mechanismus zu er­ fassen. Die Drehzahlsensoren 73, 74 messen in diesem Fall die Drehzahlen, und der Computer 76 berechnet, ob das rich­ tige Verhältnis tatsächlich eingestellt ist. Ein solcher Sensor 75 kann von bekannter Art sein, z. B. ein Kodierer (encoder), ein Linearpositionssensor, ein Halleffektsensor, ein Grenzschalter oder irgendeine andere bekannte Positions­ erfassungsvorrichtung.

Das vom Sensor 75 bereitgestellte Positionssignal wird vor­ zugsweise weiter verwendet, um den Regler in die Lage zu versetzen, die vom Motor 60 erzeugte axiale Verschiebungs­ geschwindigkeit anzupassen und hierdurch den Mechanismus in der passenden axialen Position zu positionieren, wenn die Drehzahlen synchronisiert werden. Das heißt, die Wellendreh­ zahlen werden innerhalb eines kurzen "Zeitfensters" synchro­ nisiert, in welchem die Vorrichtung vorzugsweise die Schalt­ gabel axial bewegt, um die Schalthärte abzumildern; der Mo­ tor 60 wird geregelt, um durch dieses "Zeitfenster", in wel­ chem die Drehzahlen im wesentlichen synchron sind, die Ver­ schiebung kontrolliert zu bewirken.

Die Auswahl des Untersetzungsverhältnisses kann automatisch ausgeführt werden, indem der Computer 76 wie oben beschrie­ ben eine Verschiebung im passenden Zeitpunkt befiehlt. Ande­ rerseits kann eine solche Verschiebung manuell durch die Be­ dienungsperson durch Bewegung eines Hebels oder eines Schal­ ters 78 in eine gewünschte Position befohlen werden, zum Beispiel durch Befehlen einer Untersetzungsposition. Vor­ zugsweise enthält der Schalter 78 eine digitale Anzeige, um das momentan aktive Verhältnis oder den Modus (wie Unterset­ zung oder Leistungsverhalten) anzuzeigen. Zum Beispiel kann ein Licht aufleuchten, wenn die Untersetzung wirksam ist. Alternativ kann auf dem Instrumentenbrett ein Indikator vor­ gesehen sein, um das Verhältnis anzuzeigen.

Eine Achse gemäß der vorliegenden Erfindung kann dazu ver­ wendet werden, die Anzahl der Übersetzungsverhältnisse in einem bestehenden Getriebe zu vervielfachen. In einer derar­ tigen Anordnung kann ein Schalten der Achse gleichzeitig während eines Schaltens des Ganges im Getriebe befohlen wer­ den, um das Übersetzungsverhältnis mittels der erfindungsge­ mäßen Achse zu multiplizieren und damit einen breiteren Übersetzungsbereich zu erhalten. Zum Beispiel kann der drit­ te Gang durch Verwendung der Achse reduziert werden, um ein resultierendes Antriebsverhältnis zwischen dem ersten und zweiten Getriebegang zu erzeugen. In einem solchen Fall wür­ de die Bewegung des Handschalthebels an eine Position, wel­ che zuvor die Position des zweiten Ganges war, das Einlegen des dritten Ganges verursachen und gleichzeitig das Schalten der Achse in eine Untersetzung. Auf die Bewegung des Schalt­ hebels in die ehemalige Position des dritten Ganges hin wür­ de der zweite Gang eingelegt und gleichzeitig die Achse in eine Direktantriebsposition geschaltet.

Obwohl die erfindungsgemäßen Konzepte hier mit Bezug auf ein Differential an einem Fahrzeug mit Hinterradantrieb be­ schrieben wurden, können diese auch bei anderen Antriebskon­ figuration angewendet werden. Zum Beispiel kann die vorlie­ gende Erfindung vor oder nach dem Getriebe entweder in einem Fahrzeug mit Frontradantrieb oder mit Hinterradantrieb hin­ zugefügt werden, um eine zusätzliche Gangreduktion oder eine Erhöhung der Anzahl der zur Verfügung gestellten Über­ setzungsverhältnisse zu erreichen. Ein Beispiel einer derar­ tigen Anwendung in einem Vorderradantrieb wird in der US 54 74 503 des Anmelders der vorliegenden Erfindung be­ schrieben, deren Offenbarung durch Bezugnahme in den vorlie­ genden Text aufgenommen wird. In einem solchen Fall umfasst der Eingang zu dem Planetengetriebe einen direkten Drehan­ trieb anstelle eines abgeschrägten Ritzels gemäß Fig. 1. Das sekundäre Getriebe (oder Zweigang-Wechselgetriebe) stellt eine zusätzliche Reduktion zur Verfügung, um die An­ zahl der verfügbaren Übersetzungsverhältnisse zu erhöhen. Eine Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Vorrichtung gemäß der US'503 vorgesehen sein, um den Ring mit der Einwegkupplung in Eingriff zu bringen, oder eine derartige Vorrichtung kann anstelle der Übertragungskupplung (transfer clutch) verwendet werden. Wie ersichtlich, kann mit der vorliegenden Erfindung die Anzahl der von einem der­ artigen Getriebe erzeugten Übersetzungsverhältnisse verdop­ pelt werden. Zum Beispiel kann ein Vierganggetriebe verwen­ det werden, um bis zu acht Vorwärtsübersetzungsverhältnisse unter Verwendung des sekundären Getriebes oder einer erfin­ dungsgemäßen Achse bereit zu stellen. Ein sekundäres Getrie­ be für den Hinterradantrieb (alternativ Untergetriebe (sub­ transmission) oder Zweigang-Wechselgetriebe (two-speed gear­ box) genannt) ist in den Fig. 7A-7D gezeigt. Die Fig. 7A und 7B zeigen eine erste Ausführungsform, während die Fig. 7C-7D eine zweite Ausführungsform darstellen. Die Bezugszeichen sind in den Fig. 7A-7D mit Ausnahme der unterschiedlich konstruierten Stellen gleich gewählt.

In einem sekundären Getriebe 712 gemäß der vorliegenden Er­ findung für ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb ist ein Schaltmechanismus 710 vorgesehen. Das sekundäre Getriebe 712 ist hinter dem primären Getriebe 12 gemäß Fig. 1 angeord­ net. Vorzugsweise enthält das Getriebe 12 einen Flansch am rückwärtigen Ende. Optional kann das sekundäre Getriebe 712 wahlweise bei 713 an diesem angebracht werden, um zusätzli­ che Gangbereiche oder ein optionales Übersetzungssystem (overdrive system) bereitzustellen. Die Schaltvorrich­ tung 710 ist in vielerlei Hinsicht der zuvor anhand der Fig. 2-6 beschriebenen Vorrichtung ähnlich, jedoch ist die Schaltgabel dieser Vorrichtung durch einen Hebel er­ setzt, welcher an einem Kugelumlaufspindelantrieb 716 ange­ bracht ist. Wenn sich der Motor 720 dreht, wird der Kugelum­ laufspindelantrieb 716 axial bewegt. Hierdurch verschiebt sich das Ende des damit verbundenen Hebels 714.

Der Hebel 714 schwenkt um ein Gelenk 718, um das gegenüber­ liegende Ende des Hebels 714 um eine proportionale Distanz zu verschieben (der Hebel 714 bewegt sich natürlich auf ei­ nem Bogen, jedoch ist in diesem Fall nur der lineare Vektor von Interesse). Der Hebel 714 enthält ein zweigeteiltes En­ de 722 (aus Gründen der Klarheit ist ein Ende in dem teil­ weisen Schnitt gestrichelt dargestellt), welches in eine ringförmige Rille 724 auf einer Hülse 726 eingreift, die in eine Kupplung 750 eingreift. Vorzugsweise enthält der Mo­ tor 720 einen schematisch dargestellten, bekannten Kodie­ rer 721, um seine Drehposition zu bestimmen. Der Regler in­ terpretiert vorzugsweise ein Signal vom Kodierer 721. Nach Bestimmung der Position des Motors 720 befiehlt der Regler dem Motor 720, die Kupplung innerhalb des "Zeitfensters", während dessen die Eingangs- und Ausgangsdrehzahlen im we­ sentlichen synchron sind, zu verschieben.

Die Kupplung 750 weist eine Keilverbindung 727 (splined con­ nection) mit einem Sonnenzahnrad 752 auf. Wie ersichtlich, arbeitet diese Vorrichtung in einer ähnlichen Weise wie die vorstehend mit Bezug auf die Achse beschriebene Vorrichtung, so dass die Arbeitsweise hier nicht mehr ausführlich be­ schrieben wird. Wie in Fig. 7B gezeigt ist, wird die Kupp­ lung 750 von der in Fig. 7A gezeigten Position, in welcher das Sonnenrad 752 und der Träger 746 festgestellt waren, in eine Position geführt, in welcher die Kupplung 750 in der Sichtweise von Fig. 7B nach rechts bewegt ist in eine Posi­ tion, in der die Kupplung 750 antriebsmäßig vom Träger 746 gelöst ist. Vorzugsweise erzeugt dies eine Reduktion, um ein Untersetzungsverhältnis über das Planetengetriebe hinweg zu entwickeln. Der Fachmann kann in bekannter Weise eine Viel­ zahl von Reduktionen und Drehumkehrungen entwickeln, die hier nicht ausführlicher diskutiert werden.

Eine Druckfeder 730 ist zwischen der Hülse 726 und der Kupp­ lung 750 vorgesehen und wirkt in einer ähnlichen Weise wie die Federn 64, 66, welche vorstehend anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben wurden, indem sie an jedem der Enden 732, 734 eine federnde Verbindung zwischen der vom Schaltmecha­ nismus 710 bereitgestellten Eingangskraft und der Kupp­ lung 750 zur Verfügung stellt. Weiterhin ist eine Schaltpo­ sitionsarretierung oder ein Kugelschlossmechanismus 736 vor­ gesehen, um die Kupplung 750 in einer ähnlichen Weise wie oben beschrieben zurück zu halten, um hierdurch den ge­ wünschten Eingriff der Zahnräder aufrecht zu erhalten. Eine Schraube 738 ist vorgesehen, um den Kugelschlossmechanis­ mus 736 auf der Kupplung 750 zu installieren. Diese wird in einer Ausgestaltung auch dazu verwendet, um die Kraft des Kugelschlossmechanismus einzustellen. Wie in Fig. 7A ge­ zeigt, greift der Kugelschlossmechanismus in eine Rille ei­ nes Paares von Rillen auf der Hülse 750 ein, wobei jede Ril­ le einer "Endarretierungsposition" entspricht, so dass der Kugelschlossmechanismus 736 in dieser Ausgestaltungsform mit einem Paar von Endrillen arbeitet im Gegensatz zu der zent­ ralen Rille 70 aus Fig. 2. Wie in den Fig. 7A-7B dar­ gestellt, umfasst der Eingriff der Planetenzahnräder einen schraubenförmigen Eingriff zwischen dem Sonnenzahnrad 752 (Teil der gekeilten 727 Hülse 750) und den Planeten 744. Wie der Fachmann erkennt, gewährleistet diese Konstruktion Axi­ aldrucklager in Nachbarschaft zu den Zahnrädern 752, 754, um die resultierenden Druckbelastungen aufzunehmen.

Die Fig. 7C-7D veranschaulichen eine Abwandlung der in den Fig. 7A-7B gezeigten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform trägt die Kupplung 750' das Sonnenzahn­ rad 752', und die keilförmige Verbindung 727 der Fig. 7A und 7B ist beseitigt. Ein Merkmal dieser Ausgestaltung be­ steht darin, dass der Eingriff der Zahnräder zwischen dem Sonnenzahnrad 752' und dem Planetenzahnrad 744 ein einfaches Geradstirnradprofil (spur gear profile) enthält, wodurch die Verschiebung der Kupplung 750 direkt ermöglicht wird und ir­ gendwelche axialen Belastungen minimiert werden. Das gerade Eingreifen der Geradstirnräder wie zum Beispiel des Sonnen­ rades 752' mit den Planeten 744 in den Fig. 7C-7D im Gegensatz zu der Ausgestaltung der Fig. 7A-B gewähr­ leistet minimale axiale Zahnradreaktionen.

Weitere alternative Schaltvorrichtungen werden in den Fig. 10-12 gezeigt. Diese Ausgestaltungen sind den oben be­ schriebenen Vorrichtungen darin ähnlich, dass vielfach die­ selben Komponenten verwendet werden, es werden jedoch im allgemeinen einfachere Schaltvorrichtungen verwendet. Diese Vorrichtungen sind zwar in Zusammenhang mit einem sekundären Getriebe dargestellt, der Fachmann erkennt jedoch, wie vor­ stehend beschrieben, die Anwendbarkeit auch bei anderen Vor­ richtungen. In der Ausgestaltung gemäß Fig. 10A und 10B ist ein Elektromotor 720' durch eine Welle mit einem Getrie­ beglied 714' verbunden. Das Getriebeglied 714' hat die Form einer Schaltgabel und greift in einen Schlitz in der Kupp­ lung 750'' durch eine Schnappvorrichtung 724' ein. Die Schnappvorrichtung 724' stellt eine federnde Verbindung zwi­ schen dem Getriebeglied 714' und der Kupplung 750 ähnlich den oben beschriebenen Ausgestaltungen zur Verfügung und wird daher hier nicht detaillierter beschrieben.

In den Ausgestaltungen der Fig. 11A und 11B ist ein Elek­ tromotor 720' mit einem Reduktionsgetriebe 716' verbunden, welches nachfolgend mit einem Getriebeglied 714' verbunden ist. Das Getriebeglied 714' hat die Form einer Schaltgabel und greift in einen Schlitz in der Kupplung 750'' durch eine Schnappvorrichtung 724' ein. Ein schematisch bei 721' darge­ stellter Kodierer erfasst die Position des Getriebes 716' oder alternativ die des Motors 720'. Die Schnappvorrich­ tung 724' stellt eine federnde Verbindung zwischen dem Ge­ triebeglied 714' und der Kupplung 750'' ähnlich den vorste­ hend beschriebenen Ausgestaltungen zur Verfügung; diese wird daher nicht detaillierter beschrieben.

In den Ausgestaltungen gemäß Fig. 12A, 12B und 12C ist ein Elektromotor 720' mit einem exzentrischen Gelenk 723 verbunden, welches nachfolgend mit einem Getriebeglied 714' verbunden ist. Das Getriebeglied 714' hat die Form einer Schaltgabel und greift in einen Schlitz der Kupplung 750'' durch eine Schnappvorrichtung 724' ein. Die Schnapp­ vorrichtung 724' stellt eine federnde Verbindung zwischen dem Getriebeglied 714' und der Kupplung 750'' ähnlich den oben beschriebenen Ausgestaltungen zur Verfügung und wird daher an dieser Stelle nicht detaillierter beschrieben. Das Getriebeglied 714' dreht sich um ein Gelenk 725, um eine Verschiebung der Kupplung 750'' zu bewirken. Die exzentri­ sche Vorrichtung ist in Fig. 12C von rechts nach links in einer Endansicht einer mittleren Position und in einer Sei­ tenansicht derselben Position dargestellt. Wenn der Mo­ tor 720' rotiert, dreht sich die exzentrische Gelenk­ vorrichtung 723 in einem zweigeteilten Ende 729 des Getrie­ begliedes 714', wodurch die Drehung des Getriebegliedes 714' um das Gelenk 725 hervorgerufen wird.

Zu der Zeit, zu der die Schaltgabel in ihren "arretierten Endpositionen" ist, erzeugt der exzentrische Nockeneffekt bei dieser Ausführungsform vorzugsweise eine zusätzliche Verschiebungskraft, welche erforderlich ist, um den Kugel­ schlossmechanismus 738 zu überwinden, so dass die Kugel aus der Arretierung gezwungen wird und hierdurch die Drehmoment­ anforderung für eine Schaltung an den Elektromotor 720' re­ duziert wird. Auf diese Weise kann ein kleinerer Motor 720' verwendet werden und/oder die Getriebeuntersetzung 716' (vgl. Fig. 11B) kann reduziert oder eliminiert werden.

Bei der vorliegenden Erfindung kann weiterhin ein Adapter verwendet werden, der auf ein existierendes Getriebegehäuse geschraubt werden kann und hierdurch keine weiteren Modifi­ kationen am Getriebe erfordert, insbesondere in dem Falle, dass die Vorrichtung in der Produktion optional eingesetzt wird.

Wie schematisch anhand von Fig. 7E in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt ist, können die sekundären Ge­ triebe 712 von Fig. 7A-7D in Kombination mit einem am Mo­ tor 10' angebrachten Automatikgetriebe 12' verwendet werden.

In dieser Anordnung ist die elektronische Regelungslogik des Getriebes 12' vorzugsweise darauf eingerichtet, die Gang­ schaltungsreihenfolge und den Kupplungsschlupf in bekannter Weise zu ändern, um die Synchronisation in den Eingangs- und Ausgangswellendrehzahlen während einer Schaltung des sekun­ dären Getriebes 712 weiter zu verbessern und um hierdurch die Schaltungsglattheit des sekundären Getriebes 712 zu verbessern, wodurch die Schaltungen in koordinierter Weise ausgeführt werden. Die Getrieberegelungen können in Verbin­ dung mit den Motor- und Antiblockierregelungen wie vorste­ hend beschrieben verwendet werden.

Wie oben beschrieben, können äußerst glatte Schaltungen der Vorrichtungen der Fig. 7A-7D erreicht werden, indem die Drehzahlen der Eingänge und Ausgänge vor einem Eingreifen des Schaltmechanismus 710 nahezu synchronisiert werden. Die­ ses wird, wie dem Fachmann bekannt ist, am besten durch Überwachung der Eingangs-/Ausgangsdrehzahlen unter Verwen­ dung von Sensoren erreicht, zum Beispiel unter Verwendung des Getriebesensors 761 und des Gelenkwellensensors 762. Beispiele solcher Sensoren sind ABS-Sensoren, Turbinendreh­ zahlsensoren oder andere bekannte Sensoren, welche dazu ver­ wendet werden, Drehzahlen einer Fahrzeuggelenkwelle zu mes­ sen. Ein Regler 763 empfängt Signale von den Sensoren und passt die Eingangs-/Ausgangsdrehzahlen durch Regelung der Drehzahlen des Motors 10' und/oder der Räder 24'-30' an. Ein derartiger Regler 763 enthält einen oder mehrere bekann­ te Regler wie zum Beispiel einen Motorregler, einen Antiblo­ ckierregler, einen (Automatik-)Getrieberegler oder einen Traktionskontrollregler (traction control controller) (unter Verwendung von ABS und/oder Motorreglern), während er vor­ zugsweise gleichzeitig die Drehzahl des Schaltmotors durch Überwachung des Schaltmotorpositionssensors 721' anpasst, um eine adäquate Zeit für Drehzahländerungen der Eingangs- /Ausgangswelle zu ermöglichen, um deren Drehzahlen im we­ sentlichen zu synchronisieren. Gleichzeitig passt der Regler die Drehzahl des Schaltmotors an, um eine adäquate Zeit für Änderungen der Eingangs-/Ausgangswellendrehzahlen zu gewäh­ ren, bevor die Kupplung in Position gedrängt wird, wodurch deren Eingreifen geglättet wird. Die Vorrichtung 710 gewähr­ leistet eine Einschnapp-Schaltung wie vorstehend beschrie­ ben, so dass die Drehzahlen für einen Eingriff nicht syn­ chronisiert werden müssen. Durch Regelung des Motors 720 kann das Eingreifen jedoch zeitlich abgestimmt werden, um ein glattes Schalten zu ermöglichen.

Eine beispielhafte Logik ist in dem Flussdiagramm gemäß Fig. 9 dargestellt. Gemäß Fig. 9 wird bei 771 eine Eingabe entweder manuell oder unter Verwendung eines oben beschrie­ benen Reglers bereit gestellt, um anzuzeigen, dass ein Schalten erwünscht ist. Vorzugsweise ist die Position des Schaltmotors bekannt 772, und der Motor wird bei 773 ange­ wiesen, eine Verschiebung in die Richtung zur Ausübung der Schaltung zu veranlassen. Der Motor wird jedoch zunächst nur zur vorstehend beschriebenen "Neutral plus"-Position bewegt und nicht vollständig in die geschaltete Position. Zu diesem Zeitpunkt vergleicht der Regler die Drehzahlen 774 und be­ stimmt bei 775, ob die Wellendrehzahlen ausreichend synchro­ nisiert sind. Wenn dies der Fall ist, wird der Schaltmotor bei 779 angewiesen, den Schaltvorgang zu vollenden. Andern­ falls regeln ein oder mehrere Regler wie der Motor- (ECU/EEC) und/oder Getrieberegler 776 oder der ABS und/oder Zugleistungsregler (TC) 777 eine oder mehrere Drehzahlen 778 wie oben beschrieben, um die Drehzahlen zu synchronisieren, welche bei 774-775 erneut verglichen werden. Der Schalt­ vorgang wird vervollständigt 779, sobald die Drehzahlen ak­ zeptabel sind.

Wie in Fig. 8 dargestellt ist, kann eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 810 auch in einem Allradverteilergetriebe (four wheel drive transfer gearbox) eingesetzt werden. Die planetaren Zahnräder 812 stellen in diesem Fall eine Getrie­ bereduktion in einem Verteilergetriebe bereit, um eine Re­ duktion von einem hohen Allradverhältnis zu einem niedrigen Allradverhältnis in einer dem Fachmann bekannten Weise zu gewährleisten. Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 47 18 303 bekannt, welche durch Bezugnahme in die vorlie­ gende Anmeldung eingeschlossen wird. Der Kupplungsmechanis­ mus, welcher in der US'303 durch Kupplungsplatten verwirk­ licht ist, wird jedoch durch den erfindungsgemäßen Schalt­ mechanismus 810 ersetzt.

Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Schaltung in entweder einen Allradmodus oder einen All­ radmodus mit Untersetzung (4WD Low reduction), während sich das Fahrzeug bewegt, da durch die Synchronisationsvorrich­ tung und die vorliegend offenbarten Techniken eine derartige Reduktion in einem Verteilergetriebe in einer glatten Weise gewährleistet ist. Die Funktionsweise dieser Vorrichtung ist ähnlich derjenigen der anderen vorstehend beschriebenen Vor­ richtungen und wird daher nicht detailliert erläutert. Ein elektrischer Motor 820 wirkt auf ein Reduktionsgetriebe 821 mit einem internen Sensor (nicht dargestellt) zur Detektion der Position, um eine rotierende Nockenvorrichtung 816 ähn­ lich der oben beschriebenen zu bewegen. Die rotierende No­ ckenvorrichtung 816 enthält eine Nockenfolgerhülse (cam fol­ lower sleeve) am Ende der Schaltgabel 862, um eine Schaltga­ bel 862 so zu betätigen, dass eine vorgespannte Kupplung 850 wie oben beschrieben verschoben wird. Die Kupplung 850 ist mit der Ausgangswelle keilverzahnt 827 (splined), so daß ei­ ne axiale Bewegung bei gleichzeitiger Drehkopplung gewähr­ leistet ist. Die Kupplung 850 greift in dem Planetenträ­ ger 846 zwecks Reduzierung über das planetare Getriebe im niedrigen Allradbereich ein, oder die Kupplung greift alter­ nativ in das Sonnenrad 852 für den hohen Allradbereich oder Zweiradantriebsbereich ein (in dieser alternativen Stellung nicht dargestellt). Der Fachmann erkennt, dass diese Vor­ richtung gleichermaßen wie vorstehend beschrieben für ein sekundäres Getriebe für eine Getriebereduktion in einem 2WD- Modus oder für ein 2WD-System (gegenüber dem 4WD-System von Fig. 8) angewendet werden kann. In Fig. 8 ist eine separa­ te Vorrichtung 870 vorgesehen, um die 4WD-Eigenschaft einzu­ stellen. Diese Vorrichtung 870 kann ähnlich der oben be­ schriebenen Einschnappvorrichtung oder entsprechend einer herkömmlichen, dem Fachmann bekannten 4WD-Einstellung ausge­ bildet sein.

Obwohl dies nicht eigens dargestellt ist, kann die vorlie­ gende Erfindung auch in einem Vorlegewellengetriebe (lays­ haft transmission) verwendet werden, um ein radial gelager­ tes Zahnrad mit einer relativ hierzu rotierenden Welle zum Eingriff zu bringen und hierdurch einen typischerweise ver­ wendeten blockierten Synchronisierer zu ersetzen.

Der offenbarte Mechanismus ist in der Lage, die relativ zu­ einander rotierenden Elemente bei verhältnismäßig hohen Drehzahlunterschieden zuverlässig in Eingriff zu bringen, wobei ein solcher Eingriff durch den Fahrer oder die Passa­ giere des Kraftfahrzeuges jedoch als zu hart wahrgenommen werden kann. Eine bevorzugte Ausgestaltung enthält daher weiterhin eine Synchronisation der Drehzahlen vor dem Ein­ griff. Diese oben beschriebenen und dem Fachmann erkennbaren Verfahren enthalten die Verwendung einer Motordrehzahlrege­ lung durch das Kraftübertragungsregelungsmodul, durch ABS- Systeme oder durch Traktionsleistungsregelungssysteme. Durch Verwendung dieser Techniken kann die Glattheit des Eingrei­ fens und damit das Empfinden der Schaltung durch die Passa­ giere des Fahrzeuges verbessert werden. Vorzugsweise werden die Möglichkeiten zur Glättung der Schaltung eines Automa­ tikgetriebereglers und -mechanismus auch dazu verwendet, ei­ ne Vorrichtung zu synchronisieren und ein weiches Eingreifen zu gewährleisten.

Claims (27)

1. Gangschaltungsmechanismus in einem Gehäuse (34), ent­ haltend:
ein erstes relativ rotierendes Element, das drehbar um eine Achse gelagert ist;
ein zweites relativ rotierendes Element;
eine Kupplung (50) zum wechselseitigen Verbinden und Trennen des ersten und zweiten Elements, welche einen ersten Keilzahn mit einer ersten axialen Länge sowie einen zweiten Keilzahn mit einer zweiten axialen Län­ ge, welche länger als die des ersten Keilzahnes ist, und mit einem kegelstumpfförmigen Ende aufweist, wobei das erste oder zweite Element eine Mehrzahl von drit­ ten Keilzähnen zum Eingriff mit den Keilzähnen der Kupplung hat, wobei die dritten Keilzähne eine komple­ mentäre kegelstumpfförmige Form haben;
einen beweglichen Selektor zur Betätigung der Kupp­ lung, um die Elemente gegenseitig zu verbinden und zu trennen; und
eine federnde Verbindung (56) zwischen der Kupplung und dem Selektor.

2. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten und dritten Keilzähne zugespitzte Keilzähne mit flachen Kontakt­ oberflächen und eine Mehrzahl von abwechselnden Keil­ zähnen (51, 53), welche zur Unterstützung der Synchro­ nisation axial zurückspringen, aufweisen.

3. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Computer (76) zur Regelung der Drehzahlen des ersten und/oder zweiten Elementes zwecks Synchronisation der Drehzahlen der Elemente für die gegenseitige Verbindung.

4. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer (76) gleich­ zeitig die axiale Bewegung des Selektors regelt, wäh­ rend er im wesentlichen die Drehzahlen des ersten und zweiten Elementes synchronisiert.

5. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer (76) den Schaltvorgang eines Automatikgetriebes regelt, um die Drehzahlen des ersten und zweiten Elementes im wesent­ lichen zu synchronisieren.

6. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (50) durch eine Schaltgabel (62) axial bewegt wird, und dass der Selektor einen federgespannten Kugelschlossmechanis­ mus (68) aufweist, um die Schaltgabel und die Kupplung axial zum Eingriff zu bringen, damit die relative axi­ ale Bewegung zwischen der Kupplung und der Gabel ge­ hemmt wird.

7. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltmechanismus ei­ ne Eingangswelle (14), eine Ausgangswelle (48) sowie ein Räderwerk mit ersten und zweiten Elementen auf­ weist, welches dazu eingerichtet ist, eine Direktan­ triebsverbindung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle herzustellen, wenn die Elemente wechsel­ seitig verbunden sind, und um die Ausgangswelle (48) relativ zur Eingangswelle (14) zu untersetzen, wenn die genannten Elemente wechselseitig getrennt sind und das erste Element (46) des Räderwerks mit dem Gehäu­ se (34) verbunden ist, wobei der Selektor die Kupp­ lung (50) betätigt, um die Elemente wechselseitig zu verbinden und zu trennen, wobei die Kupplung das erste und zweite Element wechselseitig mit der Kupplung ver­ bindet, um einen Direktantrieb zu erzeugen, und die das erste und zweite Element wechselseitig trennt und das erste Element über die Kupplung mit dem Gehäuse verbindet, um ein Untersetzungsverhältnis zu erzeugen.

8. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung eine Hül­ se (50) aufweist, welche abwechselnd gleitend mit den ersten und zweiten Elementen sowie mit dem ersten Ele­ ment und dem Gehäuse (34) in Eingriff gebracht werden kann.

9. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Selektor enthält:
eine vom Gehäuse getragene Schaltgabel (62) für das axiale Verschieben der Kupplung; und
eine axiale Feder (64, 66) zwischen der Schaltgabel und der Kupplung, um die Kupplung axial federnd zu drücken, wenn die Schaltgabel axial bewegt wird.

10. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Feder (64, 66) komprimiert wird, um im wesentlichen ein sofortiges Eingreifen der Kupplung zu gewährleisten, wenn die Drehzahlen der ersten und zweiten Elemente im wesent­ lichen synchronisiert sind.

11. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Selektor ein feder­ vorgespanntes Kugelschloss (68) aufweist, um die Schaltgabel (62) und die Kupplung (50) axial in Ein­ griff zu bringen, damit eine relative axiale Bewegung zwischen der Kupplung und der Schaltgabel gehemmt wird.

12. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Selektor einen Mo­ tor (60) für die axiale Bewegung der Schaltgabel (62) enthält.

13. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (60) durch den Computer (76) geregelt wird, um die Drehzahl und die Leistungsabgabe durch den Motor zu kontrollieren.

14. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Synchroni­ sierer zur Synchronisation der Drehzahlen der ersten und zweiten Elemente für die wechselseitige Verbindung aufweist.

15. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Regler, vor­ zugsweise einen Computer (76), zur Regelung der Dreh­ zahlen der Eingangswelle (14) und/oder der Ausgangs­ welle (48) aufweist, um die Drehzahlen des ersten und zweiten Elementes für eine gegenseitige Verbindung zu synchronisieren.

16. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisierer ein Antiblockiersystem, einen Motorregler und/oder einen Automatikgetrieberegler zur Regelung der Drehzahl der Eingangswelle oder der Ausgangswelle aufweist.

17. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung durch einen Schalthebel (62) axial bewegt wird, und dass der Selektor ein federvorgespanntes Ku­ gelschloss (68) aufweist, um den Schalthebel und die Kupplung (50) axial in Eingriff zu bringen, um eine relative axiale Bewegung zwischen der Kupplung und dem Schalthebel zu hemmen.

18. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die­ ser mit einem Getriebegehäuse gekoppelt ist.

19. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 15 und 18, da­ durch gekennzeichnet, dass der Regler (76) die Dreh­ zahl des Motors (10), des Getriebes (12) und/oder des Antiblockiersystems regelt.

20. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (76) die axiale Bewe­ gung der Hülse (50) regelt.

21. Gangschaltungsmechanismus nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die­ ser einen Regler (76) zur Regelung der Drehzahl der Eingangswelle oder der Ausgangswelle und zur Regelung der axialen Bewegung der Kupplung (50) aufweist.

22. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (76) einen Getriebe­ regler, einen Motorregler und/oder einen Antiblockier­ systemregler enthält.

23. Gangschaltungsmechanismus nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (50) axial durch ei­ ne Schaltgabel (62) bewegt wird, und dass der Selektor ein federvorgespanntes Kugelschloss (68) aufweist, um die Schaltgabel und die Kupplung (50) axial in Ein­ griff zu bringen, damit eine relative axiale Bewegung zwischen der Kupplung und der Schaltgabel gehemmt wird.

24. Verfahren zur Erzeugung zweier Drehzahlverhältnisse in einem Gangschaltungsmechanismus, der in einem Gehäuse untergebracht ist, wobei der Schaltmechanismus eine Eingangswelle (14), eine Ausgangswelle (48), ein Rä­ derwerk mit ersten und zweiten Elementen, welches dazu eingerichtet ist, eine Direktantriebsverbindung zwi­ schen der Eingangswelle und der Ausgangswelle her­ zustellen, wenn die Elemente wechselseitig verbunden sind, und um die Ausgangswelle (48) relativ zur Ein­ gangswelle (14) zu untersetzen, wenn die genannten E­ lemente wechselseitig getrennt sind und das erste Ele­ ment (46) des Räderwerks mit dem Gehäuse (34) verbun­ den ist,
eine Kupplung (50) zur wechselseitigen Verbindung und Trennung der ersten und zweiten Elemente mit dem Ge­ häuse,
sowie einen Selektor zur Betätigung der Kupplung zur wechselseitigen Verbindung und Trennung der Elemente aufweist,
enthaltend die Schritte:
wechselseitige Verbindung der ersten und zweiten Ele­ mente mit der Kupplung, um die Direktantriebsverbin­ dung herzustellen;
wechselseitige Trennung der ersten und zweiten Elemen­ te und Verbindung des ersten Elementes über die Kupp­ lung mit dem Gehäuse, um das Untersetzungsverhältnis herzustellen; und
Synchronisation der Drehzahlen der ersten und zweiten Elemente vor der wechselseitigen Verbindung der ersten und zweiten Elemente und vor deren Eingriff miteinan­ der.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung mit einer Menge an Zähnen verscho­ ben wird, um in zwei komplementäre Mengen von Zähnen auf dem ersten bzw. zweiten Element einzugreifen, um die ersten und zweiten Elemente wechselseitig zu ver­ binden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motor zur Verschiebung der Kupplung aktiviert wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computer verwendet wird, um die Drehzahl der Eingangswelle oder der Ausgangswelle zu regeln, um die Drehzahlen der ersten und zweiten Elemente zu synchro­ nisieren.