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Die
Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung
zur direkten und/oder indirekten Bewegung bzw. Verstellung von Schaltschienen
und/oder von Schaltwellen eines Getriebes, insbesondere eines Doppelkupplungsgetriebes,
mit mindestens einem Antriebselement und mindestens einem Abtriebselement.
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Im
Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, sind zur Betätigung bzw.
zur Verstellung von Schaltschienen bzw. Schaltwellen von Getrieben, insbesondere
von Doppelkupplungsgetrieben Paarungen von Zahnstange und Zahnrad
bzw. zwei übliche
runde zentral gelagerte Zahnräder
bekannt. Hierdurch werden also dann die Schaltschienen direkt oder
indirekt angetrieben, nämlich
entsprechend verstellt, um im Getriebe dann die jeweiligen Gangstufen ein-
bzw. auszulegen. Beispielsweise sitzen in Getrieben die einzukuppelnden
bzw. auszukuppelnden Gangstufenzahnräder drehbar bzw. lose auf der
Getriebewelle. Dann wird die Schiebemuffe vzw. über die Schaltschiene betätigt, wobei
das Schalten der Gangstufen während
des Betriebes durch Gleichlaufeinrichtungen bzw. Synchronisierungsvorrichtungen erleichtert
wird. Dadurch werden beim Einlegen einer Gangstufe mehrere Phasen
zwangsläufig
durchlaufen. Zuerst erfolgt die Beschleunigung aus der Neutrallage
und die Bewegung der Schiebemuffe bis zur Synchronisation unter
geringen Widerstandskräften. Danach
geschieht ein Abbremsen an der Synchronisationsvorrichtung und ein
Aufbringung der Synchronisationskraft auf die Schiebemuffe. Dann
vollzieht sich ein erneutes Beschleunigen und Durchschalten der
neuen Gangstufe nach erfolgter Synchronisation unter wiederum geringem
Kraftaufwand. Um diese Phasen beispielsweise wie oben beschrieben
mit einem Elektromotor gewährleisten
zu können,
muss dieser eine entsprechende Dynamik aufbringen wenn die nachfolgende
mechanische Kette durch eine lineare Gesamtübersetzung, also durch eine
lineare Übertragungsfunktion
mit Paarungen von Zahnstange und Zahnrad oder zweier runder Zahnräder – wie oben
erwähnt – realisiert
ist.
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Die
Ausbildung der im Stand der Technik bekannten Betätigungsvorrichtungen
zur Bewegung und/oder Verstellung von Schaltschienen und/oder Schaltwellen
eines Getriebes ist daher noch nicht optimal. Die im Stand der Technik
eingesetzten Paarungen von Zahnstange und Zahnrad bzw. zweier runder zentral
gelagerter Zahnräder
haben den Nachteil, dass diese nur lineare Ubertragungsfunktionen
realisieren können
und nicht fähig
sind auf variable Bedingungen einzugehen. Im Idealfall wäre die Bewegung des
Antriebs konstant, dies ist aber aus unterschiedlichen Gründen in
der Praxis auch nur schwer realisierbar. Bei der Betätigung von
Schaltschienen sollten diese aber deshalb mit variabler Geschwindigkeit bewegt
werden, was im Stand der Technik mittels Variation der Antriebsdrehzahl
des Zahnrades, also mit der Variation der Drehzahl des Antriebselements
erreicht werden muss. Deshalb muss der Motor eine hohe Dynamik,
insbesondere in der Phase der Synchronisation, aufbringen und entsprechend
der implementierten Übersetzung
entsprechend große
Beschleunigungs- und
Bremsvorgänge
in kurzer Zeit ausführen
können.
Weiterhin nachteilig ist der daraus resultierende negative Einfluß auf den
zeitlichen Ablauf der Schaltbewegung und dem notwendigen Kraftniveau
bei der Synchronisation. Ein weiterer Nachteil entsteht durch die
zwangsläufig
entstehenden „Weichheiten", insbesondere hervorgerufen durch
Zusatzbauteile wie Feder- oder Dämpfungselemente
in der mechanischen Übertragungskette. Desweiteren
verkomplizieren Beschleunigungs- und Bremsvorgänge das Lastprofil des gesamten
Antriebs und der Steuerung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte
Betätigungsvorrichtung
derart auszugestalten und weiterzubilden, dass insbesondere das
Lastprofil des gesamten Antriebes und der Steuerung verbessert ist,
nämlich
insbesondere die „Weichheiten" in der mechanischen
Ubertragungskette vermieden sind und der zeitliche Ablauf der Schaltbewegung
verbessert ist.
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Die
zuvor aufgezeigte Aufgabe wird nun dadurch gelöst, dass das Antriebeselement
mit dem Abtriebselement in Eingriff steht und dass das Antriebselement
und/oder das Abtriebselement derart gelagert ist und/oder einen
spezifischen Konturverlauf aufweist, so dass die aus Antriebs- und
Abtriebselement gebildete wirksam realisierte Übertragungsfunktion nicht-linear
ausgebildet ist. Hierdurch ist nunmehr eine variable Übertragungsfunktion
/ eine nicht-lineare Übersetzung
gegenüber
der – bisher
im Stand der Technik „linearen Übersetzung" – realisiert und hierdurch
stehen variable Geschwindigkeiten zur Bewegung der Schaltschienen
und/oder der Schaltwellen eines Getriebes zur Verfügung. Dies
soll im folgenden noch näher
erläutert
werden. Weiterhin sind der zeitliche Ablauf der Schaltbewegung und das
Kraftniveau, also die aufzubringenden Kräfte insbesondere während der
Synchronisierung optimiert. Es entfallen die bisherigen „Weichheiten" hinsichtlich der
mechanischen Ubertragungskette. Weiterhin werden die Einflüsse von
Beschleunigungs- und Bremsvorgängen
auf das Lastprofil des Antriebes bzw. der Steuerung vermindert.
Im Ergebnis sind die entsprechenden bisherigen Nachteile vermieden
und entsprechende Vorteile erzielt. Vor der Schilderung der konkreten
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, darf allgemein vorab noch folgendes ausgeführt werden:
Durch
den Einsatz eines exzentrisch gelagerten Zahnradpaares bzw. der
Kombination von einem exzentrisch gelagerten Zahnrad und einer Schaltschiene
mit spezifischem Konturverlauf entsteht eine nicht-lineare Wälzkontur
und damit eine Variation der Übertragungsfunktion
gegenüber
der bisher bekannten linearen Übersetzung
in den Grenzen der entsprechenden Wälzpaarung. Dies geschieht beispielsweise
wenn ein Exzenterpaar als Zahnradpaar eingesetzt wird. Zwei gekoppelte,
identische Zahnräder,
welche jede um einen exzentrisch festgesetzten Drehpunkt bewegt
werden, bilden beispielsweise ein solches Exzenterpaar. Die Peripherien
beider Zahnräder
drehen sich an einer Stelle mit der gleichen Geschwindigkeit. Die
Symmetrieachse wird durch den Wälzpunkt
in zwei ungleiche Teile geteilt. Unter Drehung des einen Zahnrades – als Antriebselement – mit konstanter
Drehgeschwindigkeit durchläuft
das andere Zahnrad – als
Abtriebselement – einen
Bereich schnellerer und einen Bereich relativ langsamerer Drehgeschwindigkeit.
Dadurch wird die Übersetzung
der mechanischen Kette während
der Bewegung zwangsweise modifiziert, so dass die notwendigen Brems-
und Beschleunigungsvorgänge
vermindert werden. Ein Motor muss demnach nicht mehr eine so hohe
Dynamik zur Synchronisation aufbringen und entsprechend der implementierten Übersetzung
auch keine großen
Beschleunigungs- und Bremsvorgänge
in kurzer Zeit ausführen
können. Weiterhin
von Vorteil ist eine Verlangsamung der Schaltbewegung unter gleichzeitig
ansteigendem Kraftniveau bei der Synchronisation. Eventuelle „Weichheiten" in der mechanischen
Ubertragungskette können
so vermieden bzw. minimiert werden und das Lastprofil des Antriebs
und der Steuerung ist vereinfacht. Dadurch sind die eingangs genannten Nachteile
vermieden.
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Es
gibt nun unterschiedliche Möglichkeiten die
Erfindung in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden.
Hierfür
darf zunächst
auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen
werden. Im folgenden soll jedoch eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung anhand der folgenden Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung
näher erläutert werden.
In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines typischen Schaltvorgangs mit Synchronisation
wie bereits im Stand der Technik bekannt,
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2a,
b eine schematische Darstellung eines Rad-Zahnstange Antriebs als
Betätigungsvorrichtung
und deren Wirkungsweise wie bereits im Stand der Technik bekannt,
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3a,
b, ceine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen ersten
Ausführungsform einer
Betätigungsvorrichtung
und deren Wirkungsweise zur Bewegung und/oder Verstellung von Schaltschienen
und/oder Schaltwellen eines Getriebes, und
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4a,
b, ceine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen zweiten
Ausführungsform einer
Betätigungsvorrichtung
und deren Wirkungsweise zur Bewegung und/oder Verstellung von Schaltschienen
und/oder Schaltwellen eines Getriebes als Kombination aus einem
exzentrisch gelagertem Zahnrad und einer Zahnstange bzw. Schaltschiene.
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In
den 1 und 2 sind schematische Darstellungen
eines typischen Schaltvorgangs und ein im Stand der Technik bisher
bekannter typischer Rad- Zahnstangen-Antrieb
dargestellt, nämlich
ein Abtriebselement 1 und ein Antriebselement 2.
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In 1 sind
drei entscheidende Phasen beim Einlegen einer Gangstufe in einem
Getriebe schematisch dargestellt. Das Diagramm zeigt die Graphen
für die
Geschwindigkeit V (gestrichelte Linie) sowie die Kraft F (durchgezogene
Linie) während der
drei Phasen: „Neutralposition/Synchronisation und
Durchschalten" über der
Zeit t aufgetragen. Am Anfang der Neutralposition einer Schaltschiene
wird die Geschwindigkeit V durch Beschleunigung aus der Neutralposition
erhöht
und die Bewegung der Schaltschiene bis zur Synchronisation erfolgt
unter geringen Widerstandskräften.
Bei der Phase der Synchronisation findet ein Abbremsen statt (Geschwindigkeit V
wird geringer) und eine große
Synchronisationskraft F wird über
die Schaltschiene auf die Schiebemuffe ausgeübt. Nach erfolgter Synchronisation kommt
es zu einem erneuten Beschleunigen der Schaltschiene und das Durchschalten
der gewählten Gangstufe
geschieht unter wiederum geringem Kraftaufwand.
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Die
in 2a dargestellte Betätigungsvorrichtung, nämlich die
im Stand der Technik bekannten häufig
verwendeten Paarungen von Zahnstange als Abtriebselement 2 und
Zahnrad als Antriebselement 1 realisieren eine lineare Übertragungsfunktion.
Die zurückgelegte
Strecke s des Abtriebselementes 2 – wie in 2b gezeigt – ist linear
abhängig
von der Umdrehung Phi des Antriebselementes 1. Im Diagramm
ist die Wegstrecke s in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel Phi dargestellt. Durch die Dimensionierung des
Antriebselementes 1, nämlich
durch Wahl der Zahnradgröße ist die
Steigung der Funktion bzw. der Wegstrecke s zwar variabel, doch
auf jeden Fall bleibt die zurückgelegte
Wegstrecke s immer linear abhängig
von Phi.
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Um
die in 1 beschriebenen drei Phasen beim Einlegen eine
Gangstufe in einem Getriebe mit einer Paarung von Zahnstange und
Zahnrad gemäß 2a zu
realisieren, muss ein Elektromotor eine hohe Dynamik aufbringen.
Entsprechend der implementierten Übersetzung müssen entsprechend
große
Beschleunigungs- und Bremsvorgänge
in kurzer Zeit ausgeführt
werden.
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Die
eingangs genannten Nachteile sind nun dadurch vermieden, dass das
Antriebselement 1 mit dem Abtriebselement 2 in
Eingriff steht und dass das Antriebselement 1 und/oder
das Abtriebselement 2 derart gelagert ist und/oder einen
derart spezifischen Konturverlauf aufweist, so dass die aus Antriebs-
und Abtriebselement wirksam realisierte Übertragungsfunktion nicht-linear
ausgebildet ist. Hierdurch kann dann die Übersetzung der mechanischen
Kette während
der Bewegung zwangsläufig
so modifiziert werden, dass die notwendigen Brems- und Beschleunigungsvorgänge abgemildert
werden.
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3a zeigt
eine Betätigungsvorrichtung
zur Bewegung und/oder Verstellung von Schaltschienen und/oder Schaltwellen
eines Getriebes, worin ein Antriebselement 1 und ein Abtriebselement 2 als „Zahnrad-Exzenterpaar" ausgebildet ist.
Weiterhin sind charakteristische Verläufe bzw. Abhängigkeiten
von den beiden auftretenden Winkeln Psi und Phi der einzelnen Zahnräder ebenso
wie der Verlauf der Winkel-Geschwindigkeit Omega in den 3b und 3c dargestellt.
Hieran ist ersichtlich, dass bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit
des Antriebselementes 1 das Abtriebselement 2 zuerst
einen Bereich schnellerer dann deutlich verlangsamter und wieder
schnellerer Geschwindigkeit durchläuft.
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Das
in 4a schematisch dargestellte Antriebselement 1 ist
als exzentrisch gelagertes Zahnrad und das Abtriebselement 2 als
Zahnstange mit spezifischem Konturverlauf dargestellt. Hierdurch
ist eine Übersetzungsänderung
in einer mechanischen Kette mit zwangsweiser Modifizierung realisiert.
Hier wird beispielsweise eine ungleichförmige Schiebebewegung erzeugt,
wie in den 4b und 4c dargestellt.
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Denkbar
sind – als
alternative Ausführungsformen – auch Unrundzahnradpaare,
welche mit speziell berechneter Kurvenkontur ausgebildet sind und den
gewünschten
Bewegungsablauf noch besser angenähert werden können, die
auch bspw. zentral gelagert sind. Diese müssen daher nicht unbedingt kreisförmig ausgebildet
sein. Im heutigen Stand der Technik werden zur Berechnung der Kurvenkonturen auch
spezielle Softwareprogramme eingesetzt, mit denen durch kinematische
Umkehr die gewünschte Bewegung
vorgegeben wird und die dafür
notwendige „Wälzkurve" ermittelt werden
kann. Der Konstrukteur kann hier ein besonderes Augenmerk auf die Fertigbarkeit
und ausreichend gute Wälzbedingungen
achten. Durch die Herstellung als Sinterteile sind bei der Fertigung
der Bauteile jedoch nur geringe Grenzen gegeben.
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So
zeigen die 4b bzw. 4c die
wesentliche hier nicht- lineare Übertragungsfunktion zwischen
Antriebselement 1 und Abtriebselement 2 sehr gut.
Eine lineare Übertragungsfunktion
ist als gestrichelte Linie jeweils in den 3b, 3c bzw. 4b und 4c dargestellt
um den entsprechenden Vergleich bzw. den prinzipiellen Grundgedanken der
Erfindung näher
zu verdeutlichen. So kann die in der 3a dargestellte
Betätigungsvorrichtung
irgendwo in der mechanischen Verkettung angeordnet werden, um die
entsprechende Bewegung/Verstellung einer Schaltschiene und/oder
einer Schaltwelle zu gewährleisten.
Dies gilt ebenso für
die in der 4a dargestellte Betätigungsvorrichtung.
Anders ausgedrückt,
es sind dadurch im Grunde dann indirekte Antriebe von Schaltschienen
realisierbar.
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Vzw.
ist allerdings die in der 4a dargestellte
Betätigungsvorrichtung
als direkten Antrieb einer Schaltschiene vorgesehen, da das Antriebselement 1 das
Abtriebselement 2 direkt antreibt und das Abtriebselement 2 vzw.
bereits als Schaltschiene ausgebildet ist.
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Auch
eine Kombination der in den 3a und 4a gezeigten
Betätigungsvorrichtungen
sind denkbar. Es ist hier also zwischen dem Antriebselement 1 und
dem Abtriebselement 2 eine „nicht-lineare Wälzkontur" ausgebildet, so
dass die entsprechende in den schematischen Darstellungen der 3b, 3c bzw. 4b und 4c dargestellten
Graphen realisiert werden können.
Die spezifische jeweils nichtlineare Übertragungsfunktion/Übersetzung
ist abhängig
vom jeweiligen Anwendungsfall und vom jeweiligen Getriebetyp und
kann bei der Konstruktion entsprechend adaptiert werden.
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- 1
- Antriebselement
- 2
- Abtriebselement