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Die Erfindung betrifft eine Sperrsynchronisiervorrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugschaltgetriebes, mit einem fest mit einer Getriebewelle verbundenen und mit einer Kupplungsaußenverzahnung versehenen Synchronkörper, mit einer mittels einer Kupplungsinnenverzahnung drehfest und axial verschiebbar auf dem Synchronkörper gelagerten Schaltmuffe, mit mindestens einem auf der Getriebewelle drehbar gelagerten und mit einer Kupplungsaußenverzahnung versehenen Gangzahnrad, mit mindestens einem zwischen dem Synchronkörper und dem Gangzahnrad angeordneten, gegenüber der Schaltmuffe begrenzt drehbaren und mit einer Sperrverzahnung versehenen Synchronring, mit mehreren über den Umfang verteilt in Axialnuten zwischen dem Synchronkörper und der Schaltmuffe angeordneten Sperrstücken, und mit mindestens einem Ringfederelement, mittels dem die Sperrstücke radial gegen die Schaltmuffe druckbar und axial fixierbar sind.
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Sperrsynchronisiervorrichtungen werden insbesondere in Schaltgetrieben von Kraftfahrzeugen verwendet und sind in unterschiedlichsten Bauarten bekannt. Das Funktionsprinzip ist jedoch bei allen Bauarten weitgehend identisch und besteht jeweils darin, dass zwei mit unterschiedlicher Drehzahl rotierende Getriebebauteile, zumeist eine Getriebewelle und ein auf dieser drehbar gelagertes Gangzahnrad, zunächst mittels einer Reibkupplung auf gleiche Drehzahl gebracht, d. h. synchronisiert werden, bevor sie mittels einer formschlüssig wirksamen Gangschaltkupplung drehfest miteinander verbunden werden. Während des Synchronisationsvorgangs sorgt das wirksame Reibmoment dafür, dass Bauteile der Sperrsynchronisationsvorrichtung, z. B. eine Schaltmuffe und ein Synchronring, begrenzt derart gegeneinander verdreht werden, dass ein Schließen der Gangschaltkupplung durch entsprechende Sperrelemente, wie beispielsweise eine Sperrverzahnung des Synchronringes, form- und/oder kraftschlüssig so lange verhindert wird, bis ein weitgehender Synchronlauf der betreffenden Bauteile erreicht ist.
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Aus der
DE 31 25 424 A1 und der
DE 32 21 712 C2 ist eine Sperrsynchronisierung für Schaltgetriebe bekannt, bei der ein mit einer Getriebewelle fest verbundener Synchronkörper über mehrere im wesentlichen radial angeordnete Druckhebel mit einer Schaltmuffe in Verbindung steht. Die Druckhebel sind in dem Synchronkörper sowohl axial als auch in Umfangsrichtung begrenzt schwenkbar gelagert. Durch die axiale Schwenkbarkeit der Druckhebel ergibt sich eine Verstärkung einer auf die Schaltmuffe einwirkenden Schaltkraft entsprechend einem wirksamen Hebelverhältnis, mit dem die Schaltkraft über jeweils einen Druckkäfig von den Druckhebeln auf einen Synchronring übertragen wird. Durch die Schwenkbarkeit der Druckhebel in Umfangsrichtung ergibt sich in Verbindung mit Sperrausnehmungen der Hebellagerungen in der Schaltmuffe während des Synchronisationsvorgangs eine begrenzte Verdrehung der Schaltmuffe gegenüber dem Synchronkörper und somit eine form- und kraftschlüssige Sperrung der Schaltmuffe gegen eine weitere Axialverschiebung.
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In der
EP 0 836 025 A1 wird eine Synchronisationsvorrichtung vorgeschlagen, bei der die Schaltmuffe aus zwei Kupplungsringen mit jeweils einer Kupplungsinnenverzahnung und einem dazwischen angeordneten Flansch besteht. Die Kupplungsringe sind über Klammern auf dem Flansch gehalten, der über spezielle Zähne in entsprechenden Vertiefungen einer Kupplungsaußenverzahnung einer Getriebewelle bzw. eines mit der Getriebewelle verbundenen Synchronkörpers geführt ist. Zwei Reibringe sind beiderseits des Flansches angeordnet und stehen über mehrere in Flanschbohrungen geführte Distanz- und Federstifte mit dem Flansch in Verbindung, wobei durch Einschnürungen an den Stiften und durch längliche Führungen der Federstifte in den Reibringen eine begrenzte Verdrehung der Reibringe gegenüber dem Flansch möglich ist. Bei einer schaltungsbedingten Axialverschiebung des Flansches aus seiner Mittellage heraus erfolgt nach dem Anlegen des betreffenden Reibringes an eine Reibfläche des zugeordneten Gangzahnrades aufgrund des wirksamen Reibmomentes eine relative Verdrehung der Reibringe gegenüber dem Flansch. Da dann entsprechende an den Flanschbohrungen und den Stiften angeordnete kegelförmige Sperrflächen in Kontakt zueinander treten, wird eine weitere Axialverschiebung des Flansches und damit ein Schließen der aus dem betreffenden Kupplungsring und einer Außenverzahnung des Gangzahnrades bestehenden Gangschaltkupplung so lange verhindert, bis Synchronlauf erreicht ist. Aufgrund von seitlich geneigten Rampen an den Zähnen des Flansches und den Vertiefungen der Kupplungsaußenverzahnung wird eine in den Flansch eingeleitete Schaltkraft entsprechend der Neigung der Rampen verstärkt.
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Diese bekannten Bauarten von Synchronisationsvorrichtungen weisen nachteilig viele Bauteile auf, sind schwierig montierbar und teuer in der Herstellung und bei einer Reparatur. Darüber hinaus erfordern sie viel Bauraum, sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.
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Darüber hinaus ist im Dokument
US 2 221 900 A ein synchronisiertes Schaltgetriebe beschrieben. Eine Ausführungsform umfasst ein mit einem Vorsprung versehenes Sperrstück, dessen Vorsprung in eine Vertiefung eines Zahns einer beweglichen Klauenkupplung eingreifen kann. Das Sperrstück weist an seiner Innenseite einen verstärkenden Unterzug auf, welcher Ringfederelemente kontaktiert.
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Des Weiteren ist im Dokument
EP 743 466 A1 eine Synchronisiervorrichtung mit zwei Synchronringen auf einer Nabe mit aufgenommenen Zahnrädern gezeigt. Die Synchronringe werden mittels Spangen (Sperrstücke) über elastische Ringe radial gegen eine Verschiebewelle gedrückt. Die Spangen weisen an ihren Innenseiten zwei schräge symmetrische Rampen auf, so dass eine Annäherung an die Zahnräder von einer axialen Rückstellung in Richtung auf die Nabe begleitet ist.
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Insbesondere für Kraftfahrzeuggetriebe, die für einen Quereinbau in einem Kraftfahrzeug mit Frontantrieb vorgesehen sind und fünf oder sechs Gänge aufweisen, d. h. sehr kompakt sein müssen, ist die der Erfindung zu Grunde gelegte Bauart einer Sperrsynchronisiervorrichtung entwickelt worden. Diese Bauart umfasst einen Synchronkörper mit einer Kupplungsaußenverzahnung, eine Schaltmuffe mit einer Kupplungsinnenverzahnung, mehrere, zumeist drei Sperrstücke, mindestens ein, zumeist aber zwei Ringfederelemente, und bei zwei zugeordneten Gängen zwei jeweils eine Sperrverzahnung aufweisende Synchronringe. Die Sperrstücke sind über den Umfang verteilt in Axialnuten zwischen dem Synchronkörper und der Schaltmuffe angeordnet und stehen an radialen Innenseiten mit den axial beiderseits des Synchronkörpers angeordneten Ringfederelementen in Verbindung, die eine radiale Anpressung der Sperrstücke an die Schaltmuffe bewirken und zur axialen Fixierung der Sperrstücke dienen. Die Synchronringe, die zur Vergrößerung der wirksamen Reibfläche auch aus mehreren miteinander in Eingriff befindlichen Reibringen bestehen können, weisen axiale Aussparungen zum Eingriff der Sperrstücke auf.
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Bei einem Schaltvorgang wird die Schaltmuffe axial in Richtung auf ein mit einer Schaltaußenverzahnung versehenen Gangzahnrad des einzulegenden Gangs verschoben und nimmt dabei die Sperrstücke mit. Die Sperrstücke verschieben dabei den Synchronring axial und drücken ihn gegen eine korrespondierende Reibfläche des Gangzahnrades. Durch den zwischen dem Synchronring und dem Gangzahnrad wirksamen Drehzahlunterschied ergibt sich ein Reibmoment, durch das der Synchronring so weit gegenüber der Schaltmuffe verdreht wird, bis die Sperrstücke in die axialen Aussparungen einrasten. In dieser Position liegen die Zähne der Sperrverzahnung des Synchronringes vor den Zähnen der Schaltinnenverzahnung der Schaltmuffe, die somit gegen eine weitere axiale Verschiebung gesperrt ist. Nachdem über das wirksame Reibmoment Gleichlauf hergestellt ist, d. h. die Synchronisierung erfolgt ist, lässt sich der Synchronring aufgrund entsprechender Dachschrägen an der Sperr- und/oder der Schaltinnenverzahnung so weit zurückdrehen, dass die Schaltmuffe bis zu einem Anschlag weiter axial verschoben werden kann, in der der betreffende Gang durch den Eingriff der Schaltinnenverzahnung der Schaltmuffe in die Schaltaußenverzahnung des Gangzahnrades eingelegt ist.
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Die gattungsbildende Bauart der Sperrsynchronisiervorrichtung weist relativ wenig Bauteile auf, ist einfach montierbar, nimmt sowohl axial als auch radial wenig Platz in Anspruch, und ist preiswert herstellbar. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass es, insbesondere angeregt durch Drehschwingungen eines als Antriebsmotor verwendeten Verbrennungskolbenmotors, zu einem vorzeitigem Verschleiß der Ringfederelemente im Kontaktbereich mit den Sperrstücken kommen kann, die aufgrund ihrer Belastung aus sehr hartem und verschleißfestem Material bestehen.
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Es ergibt sich somit das Problem, die gattungsgemäße Sperrsynchronisiervorrichtung derart weiterzubilden, dass ein betriebsbedingter Verschleiß der Ringfederelemente vermieden oder zumindest deutlich reduziert wird.
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Das Problem wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass mindestens eines der Sperrstücke an seiner radialen Innenseite, insbesondere in einem Kontaktbereich mit dem Ringfederelement, ein reibungsarmes Material aufweist. In der Regel werden alle, zumeist drei Sperrstücke mit dem reibungsarmen Material versehen sein und darüber mit zwei axial beiderseits des Synchronkörpers angeordneten Ringfederelementen in Kontakt stehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisiervorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Durch die Anordnung des reibungsarmen Materials in dem Kontaktbereich der Sperrstücke mit den Ringfederelementen wird der Verschleiß der Ringfederelemente im Vergleich zum Stand der Technik, nach dem die Ringfederelemente unmittelbar mit den aus einem homogenen harten Metall, z. B. als Blechstanzteile, gefertigten Sperrstücken in Kontakt stehen, stark reduziert. Die Mehrkosten für die Aufbringung des reibungsarmen Materials sind relativ gering.
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Eine weitere Reduzierung des Verschleißes der Ringfederelemente ist dadurch erzielbar, dass die Kontaktflächen der Sperrstücke bzw. des jeweiligen reibungsarmen Materials mit den Ringfederelementen vergrößert wird. Hierdurch werden zwar die auftretenden Normalkräfte und somit auch die Reibungskräfte nicht reduziert, aber verschleißmindernd auf eine größere Fläche verteilt. Hierzu weist das reibungsarme Material in dem Kontaktbereich vorteilhaft jeweils eine Außenkontur mit einem weitgehend den Ringfederelementen entsprechenden Krümmungsradius auf.
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Da der Krümmungsradius der Ringfederelemente abhängig vom Verschleiß und der momentanen axialen und radialen Position der Sperrstücke variabel ist und somit eine exakte Anpassung durch eine fest vorgegebene Außenkontur der Sperrstücke nicht möglich ist, ist das reibungsarme Material zur Anpassung an die Kontur der Ringfederelemente bevorzugt begrenzt elastisch ausgebildet. Durch die flexible Anpassung der Außenkontur des reibungsarmen Materials werden die Kontaktflächen mit den Ringfederelementen weiter vergrößert und der Verschleiß der Ringfederelemente entsprechend starker reduziert.
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Zur Stabilisierung der Sperrstücke können die jeweiligen Kontaktbereiche jeweils mittels einer axialen Vertiefung in zwei in Umfangsrichtung beabstandete Abschnitte unterteilt sein. Durch die Vertiefungen wird zwar die jeweils maximal mögliche Kontaktfläche mit den Ringfederelementen reduziert, da die Sperrstücke aber durch den jeweils in Umfangsrichtung zweifach außenliegenden Kontakt mit den Ringfederelementen weitgehend an einer Kippbewegung gehindert werden, ergibt sich insgesamt ein verschleißmindernder Effekt.
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Die Sperrstücke weisen üblicherweise axial beidseitig jeweils eine mit einem zugeordneten Ringfederelement in Kontakt bringbare axiale Anschlagfläche auf, die bei der schaltungsbedingten Axialverschiebung der Sperrstücke zusammen mit der Schaltmuffe zur Begrenzung der Axialverschiebung des jeweiligen Sperrstückes wirksam wird. Zur Verschleißminderung der Ringfederelemente sollten auch diese Anschlagflächen das reibungsarme Material aufweisen, d. h. dem Kontaktbereich zugeordnet sein.
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Das reibungsarme Material kann jeweils als Einsatz ausgebildet und form- und/oder kraftschlüssig mit dem jeweiligen Sperrstück verbunden sein. In diesem Fall unterscheidet sich die Außenkontur des Einsatzes weitgehend von der entsprechenden radial innenliegenden Kontur des Sperrstückes.
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Entsprechend kann der Einsatz in eine Ausnehmung des Sperrstückes eingepreßt und/oder mittels einer Verrastung mit dem Sperrstück verbunden sein. Der Einsatz stellt somit zunächst ein separates Bauteil dar, das mit dem Sperrstück zu einer vormontierbaren Einheit zusammengefügt werden kann.
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Besonders preiswert kann der Einsatz aus einem spritzgussfähigen Kunststoff, z. B. PEEK-CF, einem kohlefaserhaltigen Kunststoff, der besonders reibungsarm und verschleißfest ist, hergestellt werden.
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Alternativ zur Verwendung von Einsätzen ist es jedoch auch möglich, dass das reibungsarme Material jeweils als Schicht mit einer weitgehend konstanten Schichtdicke ausgebildet und adhäsiv mit dem jeweiligen Sperrstück verbunden ist, z. B. bei der Herstellung auf das jeweilige Sperrstück aufgeklebt, aufgespritzt, oder aufgedampft wird. In diesem Fall entspricht die radial innenliegende Kontur des Sperrstückes schon weitgehend der endgültigen Außenkontur des schichtförmigen reibungsarmen Materials.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisiervorrichtung dienen.
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Hierzu zeigen:
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1 wesentliche Bauteile der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisationsvorrichtung in einer Einzelteilansicht,
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2 die Bauteile nach 1 in montiertem Zustand,
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3 eine Ausführung eines Sperrstückes der Sperrsynchronisationsvorrichtung nach 1 und 2 im Längsmittelschnitt,
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4a–4c einen Einsatz des Sperrstückes nach 3 in verschiedenen Schnittansichten, und
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5a–5c eine alternative Ausführung des Einsatzes nach 4a–4c in verschiedenen Schnittansichten.
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In 1 und 2 sind wesentliche Bauteile der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisiervorrichtung 1 dargestellt, in 1 in einer perspektivischen Einzelteilansicht und in 2 in einer entsprechenden Ansicht in montiertem Zustand. Ein Synchronkörper 2 weist eine innere Kerbverzahnung 3, eine Kupplungsaußenverzahnung 4 und drei gleichmäßig über den Umfang der Kupplungsaußenverzahnung 4 verteilte äußere Axialnuten 5 auf. Eine Schaltmuffe 6 ist mit einer äußeren Ringnut 7, einer Kupplungsinnenverzahnung 8, sowie drei gleichmäßig über den Umfang der Kupplungsinnenverzahnung 8 verteilten inneren Axialnuten 9 versehen.
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Der Synchronkörper 2 mit der Kerbverzahnung 3 ist zur drehfesten und axial unverschiebbaren Verbindung mit einer nicht abgebildeten Getriebewelle durch Aufpressen vorgesehen. In montiertem Zustand (2) ist die Schaltmuffe 6 axialbeweglich auf dem Synchronkörper 2 gelagert, wobei durch den Eingriff der Kupplungsinnenverzahnung 8 der Schaltmuffe 6 in die Kupplungsaußenverzahnung 4 des Synchronkörpers 2 eine drehfeste Verbindung zwischen diesen Bauteilen besteht. Die äußere Ringnut 7 der Schaltmuffe 6 dient zur Einleitung einer axialen Schaltkraft mittels einer nicht abgebildeten Schaltgabel. Drei Sperrstücke 10 sind zur begrenzt axialbeweglichen Lagerung in den äußeren Axialnuten 5 des Synchronkörpers 2 und den inneren Axialnuten 9 der Schaltmuffe 6 vorgesehen, d. h. die Sperrstücke 10 sind in montiertem Zustand im wesentlichen radial zwischen dem Synchronkörper 2 und der Schaltmuffe 6 angeordnet. Hierbei sorgen zwei axial beiderseits des Synchronkörpers 2 angeordnete Ringfederelemente 11, die mit radialen Innenseiten 12 der Sperrstücke 10 in Kontakt stehen, für ein radiales Andrücken der Sperrstücke 10 an die Schaltmuffe 6 und in Verbindung mit axialen Anschlagflächen 13 der Sperrstücke 10 für eine Begrenzung der axialen Beweglichkeit der Sperrstücke 10 gegenüber dem Synchronkörper 2. Zur Reduzierung von Verschleiß an den Ringfederelementen 11 weisen die Sperrstücke 10 an ihren radialen Innenseiten 12, insbesondere jeweils in einem Kontaktbereich 14 mit den Ringfederelementen 11, ein reibungsarmes Material auf.
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Nach dem Stand der Technik bestehen die Sperrstücke entsprechend ihrer hohen Belastung aus einem homogenen harten Metall und sind z. B. als Blechstanzteile hergestellt. Somit stehen die Ringfederelemente dann unmittelbar mit dem harten Metall der Sperrstücke in Kontakt, was besonders aufgrund von motorseitig erzeugten und in das betreffende Schaltgetriebe übertragenen Drehschwingungen zu einem starken Verschleiß der Ringfederelemente und somit zu einem vorzeitigen Defekt des Schaltgetriebes führen kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines reibungsarmen Materials an den Sperrstücken 10, insbesondere im Kontaktbereich 14 mit den Ringfederelementen 11, wird der Verschleiß der Ringfederelemente 11 stark reduziert und somit die Lebensdauer des Schaltgetriebes erhöht. Die Mehrkosten für die Aufbringung des reibungsarmen Materials sind relativ gering. Beispielsweise kann das reibungsarme Material aus einem spritzgussfähigen Kunststoff bestehen und entweder in Form eines Einsatzes als separates Bauteil hergestellt und in eine entsprechende Vertiefung des Sperrstückes 10 eingepreßt werden oder auf die radiale Innenseite 12 des Sperrstückes 10 aufgespritzt werden.
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In 3 ist ein Sperrstück 10 nach 1 und 2 in vergrößerter Darstellung im Längsmittelschnitt dargestellt, bei dem das reibungsarme Material als Einsatz 15 ausgebildet und in eine dafür vorgesehene Ausnehmung 16 des Sperrstückes 10 eingepreßt ist.
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Zur Erläuterung weiterer Einzelheiten ist der Einsatz 15 in 4a–4c vergrößert und außer dem Längsmittelschnitt (4a) in einem seitlichen Querschnitt (4b) und in einem mittleren Querschnitt (4c) abgebildet. Zur Vermeidung von verschleißfördernden Kippbewegungen 17 des Sperrstückes 10 um eine axiale Drehachse weist der Einsatz 15 eine axiale Vertiefung 18 auf, durch die der Kontaktbereich 14 mit den Ringfederelementen 11 in zwei in Umfangsrichtung beabstandete Abschnitte 19a, 19b unterteilt ist. Durch einen jeweils in Umfangsrichtung zweifach außenliegenden Kontakt mit den Ringfederelementen 11 wird das Sperrstück 10 weitgehend an der axialen Kippbewegung 17 gehindert. Um die Kontaktfläche mit den Ringfederelementen 11 verschleißmindernd zu vergrößern, weist der Einsatz 15 in dem Kontaktbereich 14 eine Außenkontur 20 mit einem weitgehend den Ringfederelementen 11 entsprechenden Krümmungsradius 21 auf. Axial beidseitig des Einsatzes 15 ist jeweils eine mit einem der Ringfederelemente 11 in Kontakt bringbare axiale Anschlagfläche 22a, 22b vorgesehen, durch die eine schaltungsbedingte Axialverschiebung 23 des Sperrstückes 10 gegenüber dem Synchronkörper 2 begrenzt wird.
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Als Alternative zu dem Einsatz 13 nach 4a–4c ist in 5a–5c ein weitgehend identischer Einsatz 15' abgebildet, der massiv ausgebildet ist und keine axiale Vertiefung aufweist. Durch die massive Ausbildung des Einsatzes 15' wird gegenüber dem Einsatz 15 von 4a–4c die maximal mögliche Kontaktfläche mit den Ringfederelementen 11 deutlich vergrößert. Eine prinzipiell mögliche axiale Kippbewegung 17, die, bedingt durch voneinander abweichende Krümmungsradien 21 des Einsatzes 15' und der Ringfederelemente 11, aufgrund eines nahezu punktförmigen Kontaktes vorkommen kann, ist dadurch verhinderbar, dass das reibungsarme Material begrenzt elastisch ausgebildet ist, und sich somit die Außenkontur 20' des Einsatzes 15' weitgehend flexibel an die Kontur der Ringfederelemente 11 anpassen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sperrsynchronisiervorrichtung
- 2
- Synchronkörper
- 3
- innere Kerbverzahnung
- 4
- Kupplungsaußenverzahnung
- 5
- (äußere) Axialnut
- 6
- Schaltmuffe
- 7
- äußere Ringnut
- 8
- Kupplungsinnenverzahnung
- 9
- (innere) Axialnut
- 10
- Sperrstück
- 11
- Ringfederelement
- 12
- radiale Innenseite
- 13
- axiale Anschlagfläche
- 14
- Kontaktbereich
- 15
- Einsatz
- 15'
- Einsatz
- 16
- Ausnehmung
- 17
- (axiale) Kippbewegung
- 18
- axiale Vertiefung
- 19a
- Abschnitt
- 19b
- Abschnitt
- 20
- Außenkontur
- 20
- Außenkontur
- 21
- Krümmungsradius
- 22a
- axiale Anschlagfläche
- 22b
- axiale Anschlagfläche
- 23
- Axialverschiebung
