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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen wenigstens eines Schaltelementes
zum Zu- und Abschalten wenigstens eines auf einer Welle drehbar
gelagerten Losrades einer Getriebeeinrichtung gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Als
Losräder
ausgeführte
Zahnräder
verschiedener Gangstufen einer Getriebeeinrichtung werden üblicherweise
mit einer Getriebewelle, auf welcher die Losräder drehbar angeordnet sind,
mittels so genannter Synchronisierungen drehfest verbunden. Mit
den Synchronisierungen werden während
eines Schaltvorganges einer Gangstufe einer Getriebeeinrichtung über Reibelemente
zunächst Drehzahldifferenzen
zwischen einem zuzuschaltenden Losrad und der diesem Losrad zugeordneten Getriebewelle
reibschlüssig
ausgeglichen. Bei Erreichen einer Drehzahlgleichheit zwischen dem
Losrad und der Getriebewelle liegt kein dynamisches Reibmoment mehr
vor und eine so genannte Sperrverzahnung eines Sperrelementes gibt
ein Klauenelement einer zum Zuschalten des Losrades vorgesehenen
Synchronisierung frei, so dass der gewünschte Gang formschlüssig einlegbar
ist.
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Die
Betätigung
der zum Zuschalten der Losräder
vorgesehenen Schaltelemente bzw. Synchronisierungen erfolgt dabei
in Bezug auf die Welle, auf welcher die drehbar gelagerten Zahnräder bzw.
Losräder
angeordnet sind, mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder magnetisch
von außen
oder von innen.
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Die
DE 43 25 964 A1 ,
die
DE 102 29 513
A1 sowie die
DE
102 29 515 A1 stellen hierbei allgemeinen Stand der Technik
hinsichtlich der hydraulischen Betätigung von Schaltelementen
aus dem Inneren einer Welle heraus zum Zu- bzw. Abschalten von Losrädern bzw.
Zahnradpaarungen dar.
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Dabei
wird die über
hydraulischen Druck von einem Aktor zu dem anzusteuernden Schaltelement übertragene
Betätigungskraft
durch Aufbauen eines Steuerdruckes in einem Kolbenraum einer Kolben-Zylinder-Einheit
am Schaltelement zur Verfügung
gestellt und das Schaltelement von dem durch die Druckbeaufschlagung
translatorisch bewegten Kolben zum Zu- oder Abschalten eines Losrades
in gewünschtem
Umfang betätigt.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen jedoch allesamt
den Nachteil auf, dass ein jeweils von einem Kolben und einem Zylinder
begrenzte Kolbenraum im Bereich zwischen dem beweglich gegenüber dem
Zylinder ausgeführte
Kolben und dem Zylinder über
so genannte berührende Dichteinrichtungen
abgedichtet ist. Die Dichteinrichtungen verursachen aufgrund der
teilweise hohen Betätigungsdrücke während der
Bewegung des Kolbens gegenüber
dem Zylinder unerwünscht
hohe Reibkräfte.
Diese Reibkräfte
führen
wiederum zu einer Erhöhung
der Betätigungskräfte, welche
zum Betätigen
des Kolbens aufzubringen sind. Zusätzlich nimmt die Dichtwirkung
einer berührenden
Dichtung aufgrund der Reibung mit zunehmender Betriebsdauer ab,
wodurch die Funktionsweise einer solchen Ansteuerung eines Schaltelementes
unter Umständen
beeinträchtigt
wird.
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Zur
Vermeidung der vorbeschriebenen Nachteile ist dazu übergegangen
worden, Kolbenräume
von Kolben-Zylinder-Einheiten mit beweglich ausgeführten Kolben
im Bereich zwischen dem Kolben und dem Zylinder mittels so genannter
berührungsloser
Dichteinrichtungen abzudichten, welche im Vergleich zu berührenden
Dichteinrichtungen jedoch durch größere Leckagen gekennzeichnet
sind. Um einen Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit in seiner zu
einem zugeschalteten Zustand eines Losrades äquivalenten Endstellung halten
zu können,
ist der Kolbenraum im Allgemeinen jeweils mit einer zu dem zugeschalteten
Zustand des Losrades äquivalenten
Haltekraft, die vorliegend hydraulisch erzeugt wird, zu beaufschlagen.
Diese permanent aufzubringende Haltekraft verschlechtert jedoch
aufgrund der hohen Leckageverluste einen Gesamtwirkungsgrad einer
Getriebeeinrichtung, da zum Aufrechterhalten der Haltekraft eine
Pumpenaufnahmeleistung einer Hydraulikpumpe ansteigt. Die erhöhte Pumpenaufnahmeleistung
führt jedoch
unerwünschterweise
zu einem Anstieg eines Kraftstoffverbrauches eines Kraftfahrzeuges.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Betätigen wenigstens
eines Schaltelementes zum Zu- und Abschalten wenigstens einer auf
einer Welle drehbar gelagerten Losrades einer Getriebeeinrichtung
zur Verfügung
zu stellen, welche mit geringen Betätigungskräften betreibbar ist, durch
eine hohe Lebensdauer gekennzeichnet ist und mit der eine Getriebeeinrichtung
mit einem guten Wirkungsgrad betreibbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Betätigen
wenigstens eines Schaltelementes zum Zu- und Abschalten wenigstens
eines auf einer Welle drehbar gelagerten Losrades einer Getriebeeinrichtung,
bei der das Schaltelement im Bereich wenigstens eines von einem
Kolben und einem Zylinder einer Kolben-Zylinder-Einheit begrenzten
Kolbenraumes mit hydraulischem Steuerdruck beaufschlagbar ist, ist
der Kolbenraum im Bereich zwischen seiner ersten Endlage und seiner
zweiten Endlage über
eine zwischen dem Kolben und dem Zylinder angeordnete und berührungslos
ausgebildete Dichteinrichtung und in seinen Endlagen jeweils über berührende Dichteinrichtungen
abgedichtet.
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Damit
ist der Kolbenraum während
einer Stellbewegung des Kolbens in Richtung einer seiner Endpositionen
durch eine im Vergleich zu einer berührenden Dichteinrichtung nur
geringe Reibkräfte verursachende
berührungslose Dichteinrichtung
abgedichtet und erhält
in seinen Endlagen über
berührende
Dichteinrichtungen eine nahezu hermetische Abdichtung, so dass in
seinen Endlagen nur ein geringer Druckabfall im Kolbenraum aufgrund
von gegenüber
dem Stellbereich des Kolbens reduzierten Leckagen vorliegt und der
Kolbenraum zum Halten des Kolbens in einer seiner Endlagen mit einem
verringerten Druckmittelstrom zu versorgen ist.
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Die
während
der Stellbewegung des Kolbens den Kolbenraum abdichtende und durch
eine größere Leckage
gekennzeichnete berührungslos
ausgebildete Dichteinrichtung wirkt sich auf einen Gesamtwirkungsgrad
einer Getriebeeinrichtung nur in geringem Umfang negativ aus. Dies
resultiert aus der Tatsache, dass der in Richtung des Kolbenraumes
geführte
Hydraulikfluidvolumenstrom während
der Kolbenbewegung derart groß ist,
dass der Hauptanteil des Druckabfalls im hydraulischen Betätigungssystem
im Bereich der den Kolbenraum mit dem Aktor bzw. einer Hydraulikpumpe
verbindenden Hydraulikleitungen verursacht wird. Die durch die Leckage
im Bereich der berührungslos
ausgebildeten Dichteinrichtung verursachte Verlustleistung ist im
Vergleich zu den Leitungsverlusten gering.
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Zusätzlich ist
der Zeitraum, während
dem der Kolben in Richtung seiner Endlagen in Bewegung ist, im Vergleich
zu den Zu- bzw. Abschaltzeiten eines Losrades sehr gering, so dass
die durch die Leckage verursachte Erhöhung der Pumpenaufnahmeleistung einer
Hydraulikpumpe im Vergleich zu den weitaus häufigeren und somit für den Kraftstoffverbrauch
relevanten Betriebszuständen,
während
welchen der Kolben in einer seiner Endlagen ist, vernachlässigbar ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich
aus den Patentansprüchen
und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Bereich eines Vorgelegegetriebes,
der mit der Vorrichtung zum Betätigen
wenigstens eines Schaltelementes zum Zu- und Abschalten wenigstens
eines auf einer Welle drehbar gelagerten Losrades ausgeführt ist,
in einer stark schematisierten Längsschnittansicht.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zum Betätigen eines Schaltelementes 2 zum
Zu- und Abschalten zweier auf einer Welle 3 drehbar gelagerten
Losräder 4, 5,
wobei die Welle 3 vorliegend als eine Vorgelegewelle eines
Vorgelegegetriebes 6 ausgeführt ist.
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Hiervon
abweichend ist die Vorrichtung 1 auch in anderen Getriebeeinrichtungen,
wie automatisierten Schaltgetrieben, Doppelkupplungsgetrieben oder
Planetengetrieben, zum Betätigen
von Schaltelementen, wie Synchronisierungen oder dergleichen, für eine automatisierte
Betätigung
einer Getriebeeinrichtung während
Schaltvorgängen
und dergleichen einsetzbar.
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Parallel
zur Vorgelegewelle 2 ist eine Getriebehauptwelle 7 vorgesehen,
auf welcher mehrere als Festräder
ausgeführte
Zahnräder 8, 9 angeordnet sind,
wobei das Zahnrad 8 mit dem Losrad 4 und das Zahnrad 9 mit
dem weiteren auf der Vorgelegewelle 3 drehbar gelagerten
Losrad 5 kämmt.
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Die
beiden Losräder 4 und 5 sind über die Vorrichtung 1 wechselweise
dahingehend betätigbar, dass
die Losräder 4 und 5 aus
einem auf der Vorgelegewelle 3 drehbaren Zustand in einen
gegenüber der
Vorgelegewelle 3 drehfesten Zustand oder aus einem drehfesten
Zustand in einen gegenüber
der Vorgelegewelle 3 drehbaren Zustand überführbar sind, um ein an der Vorgelegewelle 3 anliegendes Drehmoment über das
erste Losrad 4 oder das zweite Losrad 5 und über das
Zahnrad 8 oder das Zahnrad 9 in die Getriebehauptwelle 7 oder
in umgekehrter Richtung ausgehend von der Getriebehauptwelle 7 in
die Vorgelegewelle 3 einleiten zu können.
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Dazu
ist die Vorrichtung 1 vorliegend mit zwei in axialer Richtung
verschieblich und drehfest mit der Vorgelegewelle 2 ausgeführten Kolben 10A, 10B einer
Kolben-Zylinder-Einheit 10 ausgeführt.
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Die
Kolben 10A und 10B grenzen gemeinsam mit vorliegend
jeweils aus drei Bauteilen 10C_1, 10C_2 und 10C_3 bzw. 10C_1, 10D_2 und 10D_3 gebildeten
Zylindern der Kolben-Zylinder-Einheit 10 Kolbenräume 11 und 12,
die von einem Aktor 13 über Hydraulikleitungen 14, 15 mit
hydraulischem Steuerdruck beaufschlagbar sind.
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Dabei
sind die Kolben 10A und 10B druckdicht mit dem
eine Schaltmuffe darstellenden Bauteil 10C_1 verbunden.
An ihrem der Vorgelegewelle 3 zugewandten inneren Durchmessern
gleiten die Kolben 10A und 10B über die
Bauteile 10C_2 und 10D_2, wobei zwischen dem Kolben 10A und
dem Bauteil 10C_2 und dem Kolben 10B und dem Bauteil 10D_2 jeweils
eine berührungslos
ausgeführte
Dichteinrichtung 16, 17 vorgesehen ist, die vorliegend
jeweils als Spaltdichtung mit einem Spiel zwischen 0,05 mm bis 0,15
mm, vorzugsweise mit einem Spiel von 0,1 mm, ausgebildet sind.
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Darüber hinaus
sind die Kolben 10A und 10B zum Abdichten der
jeweils zugeordneten Kolbenräume 11 und 12 mit
berührenden
Dichteinrichtungen 18, 19 ausgeführt, um
die Kolbenräume 11 und 12 jeweils
in ersten Endlagen der Kolben 10A und 10B gegenüber dem
jeweils anderen Kolbenraum 10B bzw. 10A bei möglichst
geringer Leckage abdichten zu können.
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Zusätzlich sind
die Bauteile 10C_2 und 10D_2 mit weiteren berührenden
Dichteinrichtungen 20, 21 ausgeführt, um
die Kolbenräume 11 und 12 in zweiten
Endlagen der Kolben 10A und 10B gegenüber dem
Innenraum des Vorgelegegetriebes 6 abzudichten.
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Zusätzlich ist
die Kolben-Zylinder-Einheit 10 im Bereich einer Schiebeverzahnung 22 mit
einer im Wesentlichen ebenfalls berührungslos ausgebildeten Dichteinrichtung 23 ausgebildet,
um den Kolbenraum 10A gegenüber dem Kolbenraum 10B während einer Verstellung
der beiden Kolben 10A und 10B zwischen ihren beiden
Endlagen abzudichten.
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Auf
seiner der Vorgelegewelle 3 abgewandten Umfangsseite ist
die Schaltmuffe 10C_1 über eine
weitere Schiebeverzahnung 24 mit einem Synchronring 25 drehfest
verbunden, wobei der Synchronring 25 in Abhängigkeit
einer axialen Position der Schiebemuffe 10C_1 mit Kegelflächen 25A, 25B mit
drehfest mit den Losrädern 4 und 5 verbundenen und
ebenfalls Kegelflächen
aufweisenden Bauteilen 4A, 5A reibschlüssig in
Wirkverbindung bringbar ist.
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Dabei
sind die Schiebeverzahnung 24 der Schaltmuffe 10C_1 und
ein Zahnprofil 25C des Synchronringes 25 über mit
Steigungen ausgeführten Zähnen derart
aufeinander abgestimmt, dass eine durch Beaufschlagen des Kolbenraumes 10A oder des
Kolbenraumes 10B mit Steuerdruck bewirkte axiale Verstellung
der Schaltmuffe 10_C1 ausgehend von der in der Figur dargestellten
neutralen Schaltstellung der Schiebemuffe 10C_1 in Richtung
des ersten Losrades 4 oder in Richtung des zweiten Losrades 5 auch
eine Verstellung des Synchronringes 25 bewirkt.
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Erst
mit Überschreiten
eines Schwellwertes des Betätigungsdruckes
im Kolbenraum 10A oder im Kolbenraum 10B ist zwischen
dem Synchronring 25 und der Schaltmuffe 10C_1 eine
Relativbewegung möglich,
so dass die Schaltmuffe 10C_1 mit der weiteren Schiebeverzahnung 24 mit
einem Zahnprofil 48 des Losrades 4 oder einem
Zahnprofil 5B des Losrades 5 in Einriff bringbar
ist und das Losrad 4 bzw. das Losrad 5 formschlüssig und
drehfest mit der Vorgelegewelle 2 verbunden ist.
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Dabei
befinden sich die Kolben 10A und 10B in formschlüssig zugeschalteten
und damit drehfest mit der Vorgelegewelle 3 verbundenen
Zustand des Losrades 4 bzw. des Losrades 5 in
ihrer ersten bzw. in ihrer zweiten Endlage. Der Kolben 10A kommt
in seiner ersten Endlage mit der vorliegend aufgeklebten bzw. aufgespritzten
berührenden
Dichteinrichtung 18 am Bauteil 10C_3 dichtend
zur Anlage. Gleichzeitig liegt der Kolben 108 in seiner
zweiten Endlage im Bereich der berührenden Dichteinrichtung 21,
welche mit dem Bauteil 10D_2 verklebt oder auf dieses aufgespritzt
ist, dichtend an.
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In
einem formschlüssig
und drehfest mit der Vorgelegewelle 3 verbundenen Zustand
des ersten Losrades 4 liegt der Kolben 10B mit
der berührend ausgeführten Dichteinrichtung 19 an
dem Bauteil 10D_3 an, während
der Kolbenraum 11 in der zweiten Endlage des Kolbens 10A durch
die berührend ausgeführte Dichteinrichtung 20 des
Bauteiles 10C_2 abgedichtet ist.
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Bei
dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 sind
die Kolben 10A und 10B sowie die Bauteile 10C_2, 10D_2 als
Blechbauteile ausgeführt,
die mittels kostengünstiger
Umformtechnik, wie Biegeumformen oder dergleichen, herstellbar sind.
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Sowohl
im Kolbenraum 10A als auch im Kolbenraum 10B sind
zwischen dem Kolben 10A bzw. dem Kolben 10B und
dem Bauteil 10C_3 bzw. 10D_3 so genannte Rückstellfedern 27, 28 vorgesehen,
mittels welchen die Kolben 10A und 10B in druckfreiem Zustand
der Kolbenräume 11 und 12 in
die in der Figur dargestellte Neutralstellung zurückgeführt werden.
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Grundsätzlich wird
mit der vorbeschriebenen Vorrichtung nach der Erfindung aufgrund
der während
einer Stellbewegung der Kolben geringen Reibung auf einfache Art
und Weise eine Verbesserung des Schaltkomforts sowie eine Erhöhung der
Schaltgeschwindigkeit erreicht, ohne einen Wirkungsgrad einer Getriebeeinrichtung
wesentlich zu beeinträchtigen.
Zusätzlich
wird eine Hyste rese aufgrund der verringerten Reibung verkleinert,
wodurch eine Steuerung und Regelung der Vorrichtung vereinfacht
wird. Zusätzlich
ist die Vorrichtung nach der Erfindung durch einen konstruktiv einfachen
Aufbau gekennzeichnet und verursacht im Vergleich zu aus dem Stand
der Technik bekannten Vorrichtungen geringere Fertigungskosten.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Schaltelement
- 3
- Welle,
Vorgelegewelle
- 4
- Losrad
- 4A
- Bauteil
- 4B
- Zahnprofil
- 5
- Losrad
- 5A
- Bauteil
- 5B
- Zahnprofil
- 6
- Vorgelegegetriebe
- 7
- Getriebehauptwelle
- 8,
9
- Zahnrad
- 10
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 10A,
B
- Kolben
- 10C_1
- Bauteil,
Schaltmuffe
- 10C_2,
10C_3
- Bauteil
- 10D_2,
10D_3
- Bauteil
- 11,
12
- Kolbenraum
- 13
- Aktor
- 14,
15
- Hydraulikleitung
- 16,
17
- berührungslose
Dichteinrichtung
- 18,
19, 20, 21
- berührende Dichteinrichtung
- 22
- Schiebeverzahnung
- 23
- berührungslose
Dichteinrichtung
- 24
- Schiebeverzahnung
- 25
- Synchronring
- 25A,
B
- Kegelflächen
- 25C
- Zahnprofil
- 27,
28
- Rückstellfeder