DE10152185B4

DE10152185B4 - Wellenkupplung

Info

Publication number: DE10152185B4
Application number: DE10152185A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dipl.-Ing. Schupp
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: DE10152185A1; US20030074993A1; US6766707B2

Abstract

Wellenkupplung zur wechselseitigen formschlüssigen Verbindung eines von zwei Kraftfahrzeuggetriebegliedern mit einer Welle (9), welche konzentrisch zu deren Kupplungssachse (16)
– eine drehfest und axialverschieblich zu einer Wellenverzahnung (Führungszähne 11) angeordnete Schaltmuffe (8) mit Schaltklauen (10) und
– eine Schaltverzahnung (14), welche drehfest zu dem einen Kraftfahrzeuggetriebeglied (Zahnrad 21) ist und mit den Schaltklauen (10) in Eingriff bringbar ist,
aufweist, wobei sich die Schaltklauen (10) in zwei axiale Endbereiche (101, 102) und zumindest einen mittigen Bereich mit umfangsmäßigen Ausformungen unterteilen und wobei bei einem drehmomentübertragenden Formschluss
– einer der beiden Endbereiche (102 bzw. 101) an der Schaltverzahnung (14) in Umfangsrichtung abstützbar ist und
– der andere Endbereich (101 bzw. 102) an der Wellenverzahnung (Führungszähne 11) abgestützt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei besagtem drehmomentübertragenden Formschluss
– die umfangsmäßigen Ausformungen im Bereich eines Axialabstands (135) angeordnet sind,
– der sich zwischen der Wellenverzahnung...

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung zur wechselseitigen formschlüssigen Verbindung eines von zwei Kraftfahrzeuggetriebegliedern nach dem Oberbegriff von Patentansprüche 1 und 2.

Eine solche Wellenkupplung ist bereits aus der DE 198 31 981 A1 bekannt. Diese Wellenkupplung ist als Klauenkupplung ausgeführt und weist eine Schaltmuffe mit Schaltklauen auf. Die Schaltmuffe ist bezüglich deren Längsachse bzw. Rotationsachse axial in zwei Richtungen verschiebbar. In der jeweiligen axialen Endposition – d.h. im eingerückten Zustand – stellen die besagten Schaltklauen der Schaltmuffe eine drehfeste Verbindung zwischen der Welle und einem Kraftfahrzeuggetriebeglied her. Dazu weist das Kraftfahrzeuggetriebeglied eine zu den Schaltklauen korrespondierende Schaltverzahnung auf. Um ein Gangspringen zu verhindern, sind sowohl die Schaltklauen als auch die Schaltverzahnung hinterlegt. Diese Hinterlegung bewirkt, dass bei Drehmomentübertragung von der Welle auf das Kraftfahrzeuggetriebeglied aus der Umfangskraft eine Axialkraftkomponente resultiert, welche die Schaltmuffe auf die Schaltverzahnung zieht bzw. die Schaltmuffe in dieser Position hält. Bei dieser Drehmomentübertragung erfolgt die umfangsmäßige Abstützung des Schaltklauen einerseits an einer Führungsverzahnung des Schaltmuffenträgers und andererseits an der Schaltverzahnung des zu koppelnden Kraftfahrzeuggetriebegliedes.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine axial kurze Wellenkupplung zur wechselseitigen formschlüssigen Verbindung von zwei Kraftfahrzeuggetriebegliedern zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 und 2 gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 ist der, dass die gesamte Wellenkupplung axial kurz baut. Dies wird erreicht, indem für die Drehmomentübertragung von der Welle auf das zu koppelnde Kraftfahrzeuggetriebeglied die beiden Endbereiche der Klauenkupplung genutzt werden. Ein mittiger Bereich zwischen den beiden Endbereichen hat hingegen die Funktion der Axialfixierung bei Drehmomentübertragung und kann axial entsprechen kurz ausgeführt sein. Insbesondere kann der axial mittige Bereich kürzer als die beiden Endbereiche sein. Der axial mittige Bereich kann ferner in vorteilhafter Weise die Funktion der Axialführung der Schaltmuffe im nicht Drehmoment übertragenden Zustand – bzw. in der Neutralstellung – haben.

Gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung ist eine fertigungsaufwendige Hinterlegung der Endbereiche der Schaltklauen und der beiden Schaltverzahnungen nicht notwendig. Damit gehen Kostenvorteile einher.

Dabei zeigt der Patentanspruch 5 eine besonders kostengünstig zu fertigende Ausgestaltung der Schaltklauen, bei welcher die Flanken der Schaltklauen parallel zur Längsachse der Wellenkupplung sind.

Patenanspruch 7 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, welche eine verhältnismäßig sichere Axialsicherung der Wellenkupplung im eingerückten Zustand erlaubt, wobei trotzdem eine verhältnismäßig leichtes Zurückschalten der Wellenkupplung in die Neutralstellung ermöglicht ist.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von drei schematisch in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben.
Es zeigen
1 in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Wellenkupplung zur wechselseitigen formschlüssigen Verbindung eines von zwei Zahnrädern, wobei sich eine Schaltmuffe in einer Neutralstellung befindet,
1a einen Schnitt durch Schaltklauen der Schaltmuffe aus 1 in einer Abwicklung, wobei sich die Schaltklauen der Schaltmuffe in einer Neutralstellung befinden,
1b einen Schnitt gemäß 1a, wobei die Schaltklauen der Schaltmuffe ein Drehmoment von einer Welle auf das eine Zahnrad übertragen,
2a in einer Darstellungsweise ähnlich 1a eine Wellenkupplung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei sich die Schaltklauen einer Schaltmuffe in einer Neutralstellung befinden,
2b die Wellenkupplung aus 2a, wobei die Schaltklauen der Schaltmuffe ein Drehmoment von einer Welle auf ein erstes Zahnrad übertragen,
3a in einer Darstellungsweise ähnlich 1a eine Wellenkupplung in einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei sich die Schaltklauen einer Schaltmuffe in einer Neutralstellung befinden und Einformungen aufweisen,
3b die Wellenkupplung aus 4a, wobei die Schaltklauen der Schaltmuffe ein Drehmoment von einer Welle auf ein erstes Zahnrad übertragen.
1 zeigt eine Wellenkupplung zur wechselseitigen formschlüssigen Verbindung eines von zwei Zahnrädern 21 und 22, wobei sich eine Schaltmuffe 8 in einer Neutralstellung befindet.
Auf einer Welle 9 eines nicht näher dargestellten Zahnräderwechselgetriebes sind die beiden Zahnräder 21 und 22 sowie ein ringförmiger Schaltmuffenträger 23 konzentrisch und axial unverschiebbar zu einer geometrischen Rotations- bzw. Kupplungsachse 16 von zwei Klauenkupplungen 5 und 6 angeordnet.
Während die Zahnräder 21 und 22 durch je ein Radialnadellager 24 bzw. 25 auf der Welle 9 abgestützt sind, ist zur drehfesten Verbindung zwischen der Welle 9 und dem Schaltmuffenträger 23 eine übliche axiale Mitnahmeverzahnung 26 verwendet. Die Klauenkupplungen 5 und 6 sind zum wahlweisen Kuppeln der Zahnräder 21 und 22 mit der Welle 9 verwendet, identisch ausgebildet und spiegelbildlich bzw. symmetrisch zu einer drehachsnormalen Mittelebene 27 des Schaltmuffenträgers 23 angeordnet. Zum Schaltmuffenträger 23 ist die ringförmige Schaltmuffe 8 konzentrisch sowie unter Vermittlung einer weiteren axialen Mitnahmeverzahnung 28 drehfest und axial verschiebbar angeordnet, wobei die Schaltmuffe 8 in der üblichen Weise die jeweils der Welle 9 zugeordnete Kupplungshälfte der beiden Klauenkupplungen 5 und 6 bildet, von denen im weiteren nur noch die Klauenkupplung 5 in Ausgestaltung und Wirkungsweise beschrieben sein soll. Dabei ist die Schaltmuffe 8 mit einem nicht näher dargestellten Stellglied axial verschiebbar.
Die Mitnahmeverzahnung 28 setzt sich aus axialen Schaltklauen 10 am Innenumfang der Schaltmuffe 8 und aus axialen Führungszähnen 11 am Außenumfang des Schaltmuffenträgers 23 zusammen, wobei diese Führungszähne 11 mit dem gleichen Radius zur Kupplungsachse 16 angeordnet sind, den auch eine dem Zahnrad 21 bewegungsfest zugeordnete Schaltverzahnung 14 gegenüber der Kupplungsachse 16 aufweist. Diese Schaltverzahnung 14 ist am Außenumfang einer ringförmigen Kupplungshälfte 7a von zwei Kupplungshälften 7a, 7b ausgebildet. Die Kupplungshälfte 7a ist zur Kupplungsachse 16 konzentrisch und zum Zahnrad 21 bewegungsfest angeordnet.
1a zeigt einen Schnitt durch die Schaltklauen 10 der Schaltmuffe 8 aus 1 in einer Abwicklung, wobei sich die Schaltklauen 10 der Schaltmuffe 8 in einer Neutralstellung befinden.
Die Schaltklauen 10 sind axial in den Zahnzwischenräumen der Führungsverzahnung 11 des Schaltmuffenträgers 23 geführt. Die drehbar zu dem Schaltmuffenträger 23 angeordnete Kupplungshälfte 7a ist in einer Drehwinkelstellung dargestellt, die ein Einrücken der Schaltklauen 10 ohne vorherigen Anschlag an der Schaltverzahnung 14 ermöglicht.
Die Schaltklauen 10 sind an deren axialen Endbereichen 101, 102 gleichartig ausgestaltet. Die Zahnflanken der Endbereiche 101, 102 erstrecken sich, ebenso wie die Schaltverzahnung 14, parallel zur in 1 ersichtlichen Kupplungsachse 16. Ferner weisen die Schaltklauen 10 an deren axial mittigem Bereich 103 beidseitig umfangsmäßige Ausformungen auf, die eine bauchige Verdickung jeder einzelnen der Schaltklauen 10 darstellen.
Sowohl eine axiale Länge 131 des Endbereiches 101 als auch eine axiale Länge 132 des Endbereiches 102 überschreitet eine axiale Länge 133 des mittigen Bereiches 103.
Die in Umfangsrichtung äußersten Bereiche dieser Ausformungen sind axial mittig angeordnet und bilden Axialführungsflanken 30a, 30b, welche ein geringes Spiel gegenüber der Führungsverzahnung 11 aufweisen bzw. an der Führungsverzahnung 11 flächig anliegen. Den Axialführungsflanken schließen sich Schrägen an, welche in die beiden axialen Endbereiche 101, 102 übergehen. Die Winkel β dieser Schrägen sind optimiert und weisen einen Winkel β von 10° auf. Dieser Winkel β wird eingeschlossen zwischen der jeweiligen Axialführungsflanke und der Zahnflanke des jeweiligen Endbereiches 101 bzw. 102. Generell gilt, dass für axial kurze Baulängen und hohe Rückstellkräfte – d.h. Kräfte, welche die Schaltmuffe nach unbeabsichtigter Verschiebung wieder in die, in 1b dargestellte, Drehmomentübertragende Stellung zurückziehen – steile Schrägen bzw. große Winkel β gewählt werden müssen. Im Umkehrschluss müssen für geringe aufzubringende Verstellkräfte die Schrägen möglichst flach bzw. die Winkel β möglichst klein gewählt werden.
1b zeigt einen Schnitt gemäß 1a, wobei die Schaltklauen 10 der Schaltmuffe 8 in die auf das Zahnrad 21 bzw. die Kupplungshälfte 7a weisende Richtung verschoben sind und dabei ein Drehmoment von der Welle 9 auf die Kupplungshälfte 7a bzw. das mit dieser verbundene eine Zahnrad 21 übertragen. Die Kupplungshälfte 7a ist dabei gegenüber dem Schaltmuffenträger 23 geringfügig verdreht.
Infolge der Drehomentübertragung liegt der eine Endbereich 102 der Schaltklaue 10 mit dessen einer Zahnflanke flächig an der Führungsverzahnung 11 an. Der andere Endbereich 101 der Schaltklaue 10 liegt hingegen mit dessen der einen Zahnflanke diagonal gegenüberliegender Zahnflanke flächig an der Schaltverzahnung 14 an.
Ein Axialabstand 135 zwischen dem Schaltmuffenträger 23 und der Kupplungshälfte 7a ist geringfügig größer als die axiale Länge 133 der Ausformungen, so dass trotz fertigungsbedingter Toleranzen sichergestellt ist, dass die Endbereiche 101, 102 – wie zuvor genannt – flächig anliegen. Es kann also auch bei ungünstigstem Ausfallen der Fertigungstoleranzen nicht zu der Situation kommen, dass die Schrägen ausschließlich an einer Kante der Führungsverzahnung 11 einerseits und einer Kante der Schaltverzahnung 14 andererseits anliegen, ohne dass die Endbereiche 101, 102 flächiges anliegen.
Im in 1b dargestellten Zustand liegt die Kante 163 der Führungsverzahnung 11 im zu dieser korrespondierenden Scheitel 160 zwischen der korrespondierenden Schrägen und der Zahnflanke des Endbereiches 101. Hingegen weist die Kante 162 der Schaltverzahnung 14 zum zu dieser korrespondierenden Scheitel 161 der Schaltklaue 10 einen Axialabstand auf.
Die somit gebildete Axialanschlagsicherung verhindert zusammen mit der Reibkraft zwischen der Schaltklaue 10 und der Führungsverzahnung 11 bzw. der Schaltverzahnung 14 die Axialverschiebung der Schaltmuffe 8 bei Drehmomentübertragung, welche auch als Gangspringen bezeichnet wird.
2a zeigt eine Wellenkupplung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches hinsichtlich axialen Bauraum und Schaltkomfort optimiert ist. Die Schaltklauen 210 einer nicht näher ersichtlichen Schaltmuffe befinden sich in einer Neutralstellung. Im folgenden wird nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Ein Axialabstand 235 zwischen einem Schaltmuffenträger 223 und einer Kupplungshälfte 207a ist kürzer als die axialen Länge 233 von mittigen Ausformungen der Schaltklauen 210.
Die Schaltklauen 210 weisen kürzere mittige Ausformungen auf, als im ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Da die Funktion der Ausformungen im axial mittigen Bereich der Schaltklauen 210 im drehmomentübertragenden Zustand lediglich eine Axialanschlagsicherung ist, kann die axiale Länge 233 der Ausformungen entsprechend kurz gewählt werden.
Anstelle der im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten flachen Stirnflächen der Schaltklauen und der Schaltverzahnung weisen die Schaltklauen 210 und die Schaltverzahnung 214 des zweiten Ausführungsbeispiels Dachschrägen zum vereinfachten „Einfädeln" – d.h. in Zahneingriff bringen – auf.
2b zeigt die Wellenkupplung im drehmomentübertragenden Zustand analog zu 1b. Da der Axialabstand 235 zwischen dem Schaltmuffenträger 223 und der Kupplungshälfte 207a kürzer ist, als die axiale Länge 233 der mittigen Ausformungen, ragen die mittigen Ausformungen axial in die Schaltverzahnung 214. Dabei ragt die eine Ausformung in einen Zahnzwischenraum 265 der Schaltverzahnung 214, wohingegen die andere Ausformung in den infolge der Dachschrägen ausgenommenen Raum 240 ragt.
3a und 3b zeigen in einer Darstellungsform analog den ersten zwei Ausführungsbeispielen eine Wellenkupplung in einem dritten Ausführungsbeispiel.
Im Gegensatz zu den ersten zwei Ausführungsbeispielen weisen die Schaltklauen statt Ausformungen Einformungen auf. Demzufolge sind die Schaltverzahnungen T-förmig, wobei der obere „T"-Balken Quer zur Kupplungsachse der Wellenkupplung ausgerichtet ist. Somit ist – ebenso, wie bei den ersten zwei Ausführungsbeispielen – auch bei diesem Ausgestaltungsbeispiel eine gangsprungsichere Drehmomentübertragung in beide Momentenrichtungen der Kupplungshälfte 407a bzw. 407b gegenüber der Welle möglich.
Die Einformungen sind mit Schrägen versehen, so dass die Einformung eine Trapezform bildet. Damit ist das Ein- und Ausrücken der Wellenkupplung problemlos möglich.
Die Länge 450 der trapezförmigen Einformung ohne deren Schrägen ist größer als die Dicke 451 des „T"-Balkens.
In weiteren Ausführungsbeispielen können die Ausformungen bzw. die Einformungen auch als Rundungen ausgestaltet sein. Ferner können an den Schaltverzahnungen anstatt des „T"-Balkens Rundungen angebracht sein.
Die Schaltklauen und/oder die Schaltverzahnung gemäß drittem Ausführungsbeispiel können in einer alternativen Ausgestaltung auch Dachschrägen gemäß zweitem Ausführungsbeispiel aufweisen.
Die Enden der Führungsverzahnung und/oder die Schaltklauen können, gegenüber den Ausführungsbeispielen mit Dachschrägen bzw. spitzen Enden, Abflachungen oder Rundungen aufweisen, die einen Materialabhub beim Einrücken der Wellenkupplung sicher ausschließen.
Das eine von der Wellenkupplung mit der Welle zu koppelnde Kraftfahrzeuggetriebeglied kann anstelle eines Zahnrades auch eine Parksperre sein, mittels welcher die Welle gegen ein Getriebegehäuse festgesetzt wird.
Ferner kann die Wellenkupplung bei synchronisierten Wellenkupplungen Einsatz finden, wobei die Ausformungen im eingerückten Zustand der Wellenkupplung axial zwischen dem Synchronring und der Schaltverzahnung liegen.
Der in 1 gezeigte Schaltmuffenträger hat einen fertigungstechnischen Hintergrund. Es ist auch möglich, die Wellenverzahnung, welche in den Ausführungsbeispielen durch die Führungsverzahnung 11, 211, 311, 411 dargestellt ist, unmittelbar in die Welle einzuarbeiten.
Die Winkel der Schrägen zwischen den Axialführungsflanken und den Zahnflanken der jeweiligen Endbereiche kann auch von den erläuterten 10° abweichen.
Die gemäß erstem Ausführungsbeispiel bewegungsfest zum Zahnrad angeordnete Kupplungshälfte kann in einer alternativen Ausgestaltung auch einteilig mit dem Zahnrad sein, so dass die Schaltverzahnung unmittelbar in das Zahnrad eingearbeitet ist.
Das in dem ersten Ausführungsbeispiel nicht näher dargestellte Stellglied zur Verschiebung der Schaltmuffe kann eine manuell betätigte Schaltgabel oder Schaltschwinge sein. Ebenso kann das Stellglied ein hilfskraftbetätigtes Stellglied eines teil- oder vollautomatisierten Getriebes sein.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.

Claims

Wellenkupplung zur wechselseitigen formschlüssigen Verbindung eines von zwei Kraftfahrzeuggetriebegliedern mit einer Welle (9), welche konzentrisch zu deren Kupplungssachse (16) – eine drehfest und axialverschieblich zu einer Wellenverzahnung (Führungszähne 11) angeordnete Schaltmuffe (8) mit Schaltklauen (10) und – eine Schaltverzahnung (14), welche drehfest zu dem einen Kraftfahrzeuggetriebeglied (Zahnrad 21) ist und mit den Schaltklauen (10) in Eingriff bringbar ist, aufweist, wobei sich die Schaltklauen (10) in zwei axiale Endbereiche (101, 102) und zumindest einen mittigen Bereich mit umfangsmäßigen Ausformungen unterteilen und wobei bei einem drehmomentübertragenden Formschluss – einer der beiden Endbereiche (102 bzw. 101) an der Schaltverzahnung (14) in Umfangsrichtung abstützbar ist und – der andere Endbereich (101 bzw. 102) an der Wellenverzahnung (Führungszähne 11) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei besagtem drehmomentübertragenden Formschluss – die umfangsmäßigen Ausformungen im Bereich eines Axialabstands (135) angeordnet sind, – der sich zwischen der Wellenverzahnung (Führungszähne 11) und der Schaltverzahnung (14) erstreckt und – der geringfügig größer ist, als eine axiale Länge (133) der Ausformungen, wobei beim drehmomentübertragenden Formschluss ausschließlich der eine Endbereich (101 bzw. 102) an der Wellenverzahnung (Führungszähne 11) abstützbar ist.
Wellenkupplung zur wechselseitigen formschlüssigen Verbindung eines von zwei Kraftfahrzeuggetriebegliedern mit einer Welle (9), welche konzentrisch zu deren Kupplungssachse (16) – eine drehfest und axialverschieblich zu einer Wellenverzahnung (Führungszähne 211) angeordnete Schaltmuffe (8) mit Schaltklauen (210) und – eine Schaltverzahnung (214), welche drehfest zu dem einen Kraftfahrzeuggetriebeglied (Zahnrad 21) ist und mit den Schaltklauen (210) in Eingriff bringbar ist, aufweist, wobei sich die Schaltklauen (210) in zwei axiale Endbereiche und zumindest einen mittigen Bereich mit umfangsmäßigen Ausformungen unterteilen und wobei bei einem drehmomentübertragenden Formschluss – einer der beiden Endbereiche an der Schaltverzahnung (214) in Umfangsrichtung abstützbar ist und – der andere Endbereich an der Wellenverzahnung (Führungszähne 211) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsmäßigen Ausformungen bei besagtem drehmomentübertragenden Formschluss – in einen Axialabstands (235) ragen, – der sich zwischen der Wellenverzahnung (Führungszähne 211) und der Schaltverzahnung (214) erstreckt und – der kürzer ist, als eine axiale Länge (233) der Ausformungen, wobei die eine Ausformung der Schaltklauen (210) in einen Zahnzwischenraum (265) der Schaltverzahnung (214) ragt, wohingegen die andere Ausformung der Schaltklauen (210) in einen infolge von Dachschrägen der Schaltverzahnung (214) ausgenommenen Raum (240) ragt, wobei beim drehmomentübertragenden Formschluss ausschließlich der eine Endbereich an der Wellenverzahnung (Führungszähne 211) abstützbar ist.
Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Schaltklaue (10 bzw. 210) an deren beiden axialen Endbereichen (101, 102) sich parallel zur Längsachse (16) erstreckende Zahnflanken aufweist.
Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass axiale Längen der beiden Endbereiche (101, 102) länger sind, als eine axialen Länge des axial mittigen Bereiches (103).
Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen Schrägen aufweisen, welche einen Winkel (β) von zumindest näherungsweise 10° einschließen.