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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum drehfesten Verbinden einer
Welle mit wenigstens einem drehbar auf der Welle gelagerten Bauteil,
vorzugsweise zum Verbinden wenigstens eines als Losrad ausgeführten Zahnrades
einer Gangstufe einer Getriebeeinrichtung mit einer Getriebewelle
gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Üblicherweise
werden als Losräder
ausgeführte
Zahnräder
verschiedener Gangstufen einer Getriebeeinrichtung mit einer Getriebewelle,
auf welcher die Losräder
angeordnet sind, mittels so genannter Synchronisierungen drehfest
verbunden. Mit den Synchronisierungen werden beim Schalten eines
Ganges einer Getriebeeinrichtung 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 gibt eine Klaue einer zum
Zuschalten des Losrades vorgesehenen Synchronisierung frei, so dass
der gewünschte
Gang formschlüssig
einlegbar ist.
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Nachteilhafterweise
sind derartige Synchronisierungen aufgrund der Ausführung mit
Reibelementen, Sperrelementen und Klauen durch einen unerwünscht hohen
Herstellaufwand und daraus resultierenden hohen Herstellkosten gekennzeichnet.
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Alternativ
zu den vorbeschriebenen Synchronisierungen sind aus der Praxis bekannte
Getriebeeinrichtungen zum Zuschalten von Losrädern mit konstruktiv einfach
ausgeführten
reibschlüssigen Schaltelementen,
wie Lamellenschaltelementen, ausgebildet. Zum Halten derartiger
Schaltelemente in ge schlossenem Zustand sind diese im Allgemeinen
von einem Aktor mit einer zu dem geschlossenen Zustand der Schaltelemente äquivalenten
Haltekraft, die mechanisch, magnetisch, pneumatisch oder hydraulisch
erzeugt wird, zu beaufschlagen. Diese von einem Aktor permanent
aufzubringende Haltekraft verschlechtert jedoch nachteilhafterweise
einen Gesamtwirkungsgrad einer Getriebeeinrichtung.
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Aus
der
CA 2 451 899 A1 ist
ein mit einer so genannten Selbstverstärkung ausgeführtes reibschlüssiges Schaltelement
bekannt, welches ohne separat aufzubringende Haltekraft aufgrund
eines anliegenden Drehmomentes in geschlossenem Zustand verbleibt.
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Nachteilig
dabei ist jedoch, dass die Verbindung zwischen einem drehbar auf
einer Welle gelagerten Bauteil und der Welle formschlüssig hergestellt
wird, so dass ein Ankoppeln des Bauteils an der Welle hinsichtlich
eines Fahrkomforts nur bei niedrigen Differenzdrehzahlen zwischen
dem Bauteil bzw. einem Losrad und einer Welle unproblematisch ist. Wird
ein Zuschalten bzw. ein drehfestes Verbinden des Bauteils mit der
Welle bei hohen Differenzdrehzahlen zwischen dem Bauteil und der
Welle angefordert, führt
die über
die Selbstverstärkung
herzustellende formschlüssige
Verbindung zwischen der Welle und dem Bauteil aufgrund sehr kurzer
Schaltzeiten zu einem Impulsaustausch mit hohen Drehmomentspitzen,
aus welchen eine Verschlechterung des Fahrkomforts sowie unerwünscht hohe
Bauteilbelastungen resultieren.
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Zusätzlich ist
aus der
DE-PS 410 285 eine hydraulisch
betätigbare
Reibungskupplung für
Wechselgetriebe bekannt, welche einen kompakten Aufbau aufweist.
Dabei wird eine Kupplungsscheibe der Reibungskupplung, mittels der
ein auf einer Welle angeordnetes Losrad mit der Welle drehfest verbindbar ist,
direkt aus dem inneren der Welle heraus mit dem zum Festsetzen des
Losrades erforderlichen hydraulischen Druck beaufschiagt. Die Kupplungsscheibe wird
durch die Druckbeaufschlagung zum Schalten einer Gangstufe auf der
Welle translatorisch verschoben.
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Da
ein der Kupplungsscheibe zugeordneter Druckraum, welcher mit dem
hydraulischen Druck beaufschlagt wird, zwischen drehbar auf der
Welle angeordneten Zahnrädern
ausgebildet ist, ist eine reibungsarme und wirksame Abdichtung nur
mit erheblichem Dichtaufwand realisierbar. Aus diesem Grund ist
ein hoher Energieaufwand zum Aufrechterhalten der für die drehfeste
Verbindung eines Losrades mit der Welle erforderlichen Axialkraft
notwendig. Darüber
hinaus ist die Anordnung aufgrund einer Vielzahl an Dichtungen durch
hohe Reibungsverluste gekennzeichnet, welche wiederum einen Gesamtwirkungsgrad
einer Getriebeeinrichtung negativ beeinflussen, da die Reibungskräfte zu einer
Erhöhung
der Betätigungskräfte führen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zum
drehfesten Verbinden einer Welle mit wenigstens einem drehbar auf
der Welle gelagerten Bauteil zur Verfügung zu stellen, mittels welcher
ein Gesamtwirkungsgrad einer Getriebeeinrichtung im Vergleich zu
herkömmlichen
Getriebeeinrichtungen verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum drehfesten Verbinden einer Welle mit wenigstens einem drehbar
auf der Welle gelagerten Bauteil, vorzugsweise zum Verbinden wenigstens
eines als Losrad ausgeführten
Zahnrades einer Gangstufe einer Getriebeeinrichtung mit einer Getriebewelle,
die mit mindestens einem in axialer Richtung verschieblich und drehfest
auf der Welle gelagerten Betätigungselement,
das über
einen Aktor bei entsprechender aktorseitiger Betätigung bereichsweise reibschlüssig mit
dem Bauteil in Wirkverbindung bringbar ist und mit dem eine Differenzdrehzahl
zwischen dem Bauteil und der Welle wenigstens annähernd ausgleichbar
ist, ausgeführt
ist, ist das Betätigungselement vom
Aktor mit einer zum drehfesten Verbinden des Bauteiles mit der Welle
erforderlichen Betätigungskraft
beaufschlagbar. Zusätzlich
ist dem Betätigungselement
eine Einrichtung zum Halten zugeordnet, mittels der das Betätigungselement
ohne aktorseitige Betätigung
wenigstens in einem zu dem drehfesten Zustand des Bauteiles äquivalenten
Schaltzustand haltbar ist.
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Das
Betätigungselement
wird zumindest mit einer Reibfläche,
in deren Bereich die zum drehfesten Verbinden des Bauteiles mit
der Welle erforderliche Kraft übertragen
wird, von dem Aktor gegen das Bauteil gepresst. Die Anpresskraft
ist während
des reibschlüssigen
Festsetzens des Bauteiles auf der Welle vorzugsweise an den jeweils
vorliegenden Betriebszustand anpassbar. Damit sind eventuell gewünschte Synchronisierungsvorgänge zwischen dem
Bauteil und der Welle auf einfache Art und Weise derart gestaltbar,
dass ein hoher Fahrkomfort erreicht wird.
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Durch
die zusätzliche
Einrichtung zum Halten des Betätigungselementes
wenigstens in einem zu dem drehfesten Zustand des Bauteiles äquivalenten
Schaltzustand ohne aktorseitige Betätigung ist der Aktor lediglich
während
eines Schaltvorganges des Betätigungselementes
beziehungsweise des Bauteiles mit Energie zu versorgen und muss
somit nur während
dieser Betriebsphasen Arbeit verrichten. Damit ist auf einfache
Art und Weise ein Energiebedarf des Aktors im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Getrieben
reduziert. Dies führt
zu einer Verbesserung eines Gesamtwirkungsgrades einer Getriebeeinrichtung,
da die Schaltphasen ausgehend von einem drehfesten Zustand des Bauteiles gegenüber der
Welle in einen drehbaren Zustand oder von einem drehbaren Zustand
in einen drehfesten Zustand im zeitlichen Vergleich zu den Haltenphasen
eines Bauteiles, d. h. eines Losrades einer Getriebeeinrichtung,
im drehfesten Zustand oder im drehbaren Zustand wesentlich kürzer sind.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich
aus den Patentansprüchen
und den unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispielen,
wobei in der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Übersichtlichkeit
halber für
bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet
werden.
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Es
zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einem Betriebszustand, in der ein als Zahnrad ausgeführtes Bauteil drehbar
gegenüber
einer Welle ist;
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2 die
Vorrichtung gemäß 1 in
einem Betriebszustand, in dem das Zahnrad drehfest mit der Welle
verbunden ist;
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3 eine
zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einem Betriebszustand, in dem ein Zahnrad gegenüber einer
Welle drehbar ist, wobei dem Zahnrad zwei Betätigungselemente zugeordnet
sind;
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4 die
Vorrichtung gemäß 3 in
einem Betriebszustand, in dem das Zahnrad drehfest mit der Welle
verbunden ist;
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5 eine
Weiterbildung des in 3 dargestellten Ausführungsbeispieles
der Vorrichtung, wobei jedes Betätigungselement
von einer separaten Gewindespindel antreibbar ist;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung nach der Erfindung, bei der zwei Zahnräder jeweils
von einem Betätigungsele ment
betätigbar sind,
die gegen jeweils eine zwischen den Zahnrädern angeordnete wellenfeste
Anlauffläche
abstützbar
sind;
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7 eine
Weiterbildung der in 6 dargestellten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei welcher ein zwischen den beiden Zahnrädern angeordnetes Betätigungselement
beiden Zahnrädern
zugeordnet ist und die Zahnräder
jeweils gegen wellenfeste Anlaufflächen abstützbar sind;
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8 eine
Weiterbildung der in 7 dargestellten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der drei Betätigungselemente
zum drehfesten Verbinden der Zahnräder vorgesehen sind;
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9 eine
Weiterbildung der in 8 dargestellten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der jedem Zahnrad jeweils zwei Betätigungselemente zugeordnet
sind;
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10 eine
dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
nach der Erfindung entsprechende Ausführungsform, wobei eine zwei der
Betätigungselemente
ansteuernde Gewindespindel als Hohlwelle ausgeführt ist; und
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11 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
welche mit einem als Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführten Aktor
zum Betätigen
eines Betätigungselementes
ausgebildet ist.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zum drehfesten Verbinden einer Welle 2 mit
wenigstens einem drehbar auf der Welle 2 gelagerten Bauteil 3,
welches vorliegend als ein als Losrad ausgeführtes Zahnrad einer Gangstufe
einer Getriebeeinrichtung ausgebildet ist. Das Bauteil ist über eine
Lagereinrichtung 4 drehbar auf der Welle 2 gelagert
und durch entsprechende Betätigung
eines Aktors 5 in der nachfolgend beschriebenen Art und
Weise drehfest mit der Welle 2 verbindbar.
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Die
Welle 2 ist vorliegend als Vorgelegewelle eines Vorgelegegetriebes
ausgebildet, dessen Zahnrad 3 in nicht näher dargestellter
Art und Weise mit einem als Festrad ausgeführten Zahnrad einer Getriebehauptwelle
kämmt.
Das bedeutet, dass die Vorrichtung 1 zum drehfesten Verbinden
des Bauteiles 3 mit der Welle 2 vorgesehen ist,
um ein in die Welle 2 eingeleitetes Drehmoment über das
Bauteil beziehungsweise das Zahnrad 3 in das mit dem Zahnrad 3 kämmende Zahnrad
und somit in die Getriebehauptwelle einleiten zu können.
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Hiervon
abweichend ist die Vorrichtung 1 auch in anderen Getriebeeinrichtungen,
wie automatisierten Schaltgetrieben, Doppelkupplungsgetrieben oder
Planetengetrieben, für
eine automatisierte Betätigung
einer Getriebeeinrichtung während
Schaltvorgängen
und dergleichen einsetzbar.
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Zum
drehfesten Verbinden des Bauteiles 3 mit der Welle 2 ist
bei der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 ein
in axialer Richtung verschieblich und drehfest auf der Welle 2 gelagertes
Betätigungselement 6,
das über
den Aktor 5 bei entsprechender aktorseitiger Betätigung bereichsweise
reibschlüssig mit
dem Bauteil in Wirkverbindung bringbar ist und mit dem eine Differenzdrehzahl
zwischen dem Bauteil 3 und der Welle 2 über das
aktorseitig betätigbare Betatigungselement 6 wenigstens
annähernd
ausgleichbar ist, vorgesehen.
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Das
Betätigungselement 6 wird
vom Aktor 5 mit der jeweils zum Schalten des Bauteiles 3 erforderlichen
Betätigungskraft
beaufschlagt, wobei das Bauteil 3 über eine reibschlüssige Verbindung
zwischen dem Betätigungselement 6 und
dem Bauteil 3 sowie zwischen dem Bauteil 3 und
einer wellenfesten An schlagsfläche
eines als Wellenbund fungierenden Anschlagelementes 7 drehfest
gehalten ist. Sowohl das Anschlagelement 7 als auch das
Betätigungselement 6 sind
scheibenartig ausgebildet, wobei das Betätigungselement 6 über eine
Gleitlagereinrichtung in die durch den Doppelpfeil A dargestellten
Richtungen relativ zur Welle 2 verschiebbar ausgeführt ist.
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Das
Anschlagelement 7 ist sowohl in axialer Richtung unverschieblich
auf der Welle 2 angeordnet und drehfest mit der Welle 2 verbunden.
Sowohl das Bauteil 3 als auch das Betätigungselement 6 werden beim Überführen des
Bauteiles 3 von einem in Bezug auf die Welle 2 drehbaren
in einen drehfesten Zustand oder von einem drehfesten in einen gegenüber der
Welle 2 drehbaren Zustand in axialer Richtung auf der Welle 2 gegenüber dem
Anschlagelement 7 verschoben.
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Ein
Bereich 6A des Betätigungselementes 6 ist
kegelförmig
ausgeführt
und steht in zugeschaltetem Zustand des Bauteiles 3 mit
einem ebenfalls kegelförmig
ausgeführten
Bereich 3A in der in 2 dargestellten
Art und Weise in reibschlüssiger
Wirkverbindung. Zusätzlich
ist das dem Bauteil 3 auf der dem Betätigungselement 6 abgewandten
Seite des Bauteiles 3 angeordnete Anschlagelement 7 an
seiner dem Bauteil 3 zugewandten Umfangsfläche 7A kegelförmig ausgebildet
und wirkt mit einem äquivalent
zu dem Bereich 3A des Bauteiles 3 ausgeführten zweiten
Bereich 3B zusammen, um das Bauteil 3 über eine
reibschlüssige
Verbindung drehfest mit der Welle 2 zu verbinden und am
Bauteil 3 angreifende Kippmomente im Bereich des Anschlagelementes 7 in
der selben Art und Weise wie durch das Betätigungselement 6 in
der Welle 2 abstützen
zu können.
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Die
Schrägen
der kegeligen Flächen
der Bereiche 3A, 6A, 3B und 7A sind
vorliegend kleiner als so genannte Reibwinkel ausgeführt, so
dass sich das Bauteil 3 beim Aufheben der drehfesten Verbindung zwischen
dem Bauteil 3 und der Welle 2, d. h. bei einer
entsprechenden aktorseitigen Betätigung
des Betätigungselementes 6,
selbsttätig
aus der Anlage mit dem Bauteil 3 und dem Anschlagelement 7 löst und dieses
frei drehbar gegenüber
der Welle 2 ist. Um einen Lösevorgang des Bauteiles 3 zu
unterstützen,
ist sowohl zwischen dem Anschlagelement 7 und dem Bauteil 3 sowie
zwischen dem Bauteil 3 und dem Betätigungselement 6 jeweils
eine Federeinrichtung 8A, 8B vorgesehen. Dabei
federt die Federeinrichtung 8A das Bauteil 3 in
Richtung des Betätigungselementes 6 an,
wohingegen die Federeinrichtung 8B das Betätigungselement 6 mit
einer von dem Bauteil 3 weg gerichteten Federkraft beaufschiagt.
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Der
Aktor 5 ist vorliegend als Elektromotor ausgebildet, der
drehfest mit der Welle 2 verbunden ist. Eine nicht näher dargestellte
Motorausgangswelle des elektrischen Aktors 5 ist mit einer
Spindel 9 einer Spindel-Mutter-Anordnung 10 drehfest
verbunden, so dass diese bei einem aktorseitigen Antrieb der Spindel 9 in
Rotation versetzt wird und eine in Eingriff mit der Spindel 9 stehende
Mutter 11, welche die Welle 2 vorliegend im Bereich
eines Langloches 12 in radialer Richtung durchgreift und
im Bereich des Langloches 12 drehfest mit der Welle 2 verbunden
ist, in axialer Richtung der Welle 2 vom Bauteil 3 weg
oder auf dieses zu bewegt wird. Die Mutter 11 ist fest
mit dem Betätigungselement 6 verbunden,
so dass eine axiale Bewegung der Mutter 11 direkt auf das
Betätigungselement 6 übertragen
wird.
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Die
eine Antriebswandlereinrichtung darstellende Spindel-Mutter-Anordnung 10 ist
bei dem in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeipiel der
Vorrichtung 1 selbsthemmend ausgeführt und stellt somit eine dem
Betätigungselement 6 zugeordnete
Einrichtung zum Halten dar, mittels der das Betatigungselement 6 ohne
aktorseitige Betätigung
wenigstens in dem zu dem drehfesten Zustand des Bauteiles äquivalenten
Schaltzustand haltbar ist. Somit besteht auf einfache Art und Weise
die Möglichkeit, die
zum drehfesten Verbinden des Bauteiles 3 mit der Welle 2 erforderliche
Vorspannung zwischen dem Betätigungselement 6 und
dem Bauteil 3 zu halten, ohne dass der Aktor 5 Haltearbeit
verrichten muss. Damit wird ein Wirkungsgrad einer Getriebeein richtung
im Vergleich zu herkömmlichen
Getriebeeinrichtungen, bei welchen zum Aufrechterhalten der drehfesten
Verbindung zwischen einem Zahnrad und einer Welle von einem Aktor
Halteenergie zur Verfügung
zu stellen ist, verbessert.
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Mit
der Spindel 9 der Spindel-Mutter-Anordnung 10 ist
eine feine Dosierbarkeit der Anpresskraft im Bereich zwischen dem
Betätigungselement 6 und dem
Bauteil 3 sowie dem Bauteil 3 und dem Anschlagelement 7 darstellbar,
was insbesondere während Synchronisierungsvorgängen zwischen
dem Bauteil 3 und der Welle 2 für das Erreichen
eines hohen Fahrkomforts erforderlich ist. Des Weiteren ist mittels der
Spindel-Mutter-Anordnung 10 eine hohe Übersetzung zwischen dem Aktor 5 und
dem Betätigungselement 6 darstellbar,
so dass auf einfache Art und Weise hohe Anpresskräfte bei
geringem Drehmoment des Aktors 5 realisierbar sind.
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Bei
einer zu der in 1 und 2 dargestellten
ersten Ausführungsform
alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist
der rotatorisch antreibende Aktor als ein über ein fluidisches Druckmittel
betreibbarer Motor, beispielsweise als hydraulischer oder pneumatischer
Motor, ausgeführt,
mittels dem die Spindel 9 der Spindel-Mutter-Anordnung 10 gemäß 1 beziehungsweise 2 in
vorbeschriebener Art und Weise rotatorisch antreibbar ist.
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Ein
als Elektromotor oder ein als Fluidmotor ausgeführter Aktor ist vorzugsweise
als Schrittmotor beziehungsweise als Schwenkmotor ausführbar, um das
Betätigungselement 6 in
der für
die Funktionsweise der Vorrichtung nach der Erfindung erforderlichen
Umfang bei einer gleichzeitig einfachen Positionierung des Betätigungselementes
betätigen
zu können.
Zusätzlich
sind rotatorisch antreibende Aktoren der Vorrichtung nach der Erfindung
zur exakten Positionserfassung Winkelsensoren zuordenbar.
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Darüber hinaus
ist es bei einer Weiterbildung der Vorrichtung 1 gemäß 1 und 2 vorgesehen,
dass der Aktor 5 mit einer mit der Motorausgangswelle zusammenwirkenden
Rastierung ausgeführt
ist, um das Betätigungselement 6 ohne
aktorseitige Betätigung
in seinem aktuellen Schaltzustand halten zu können. Dabei besteht die Möglichkeit,
die Rastierung zusätzlich
oder alternativ zu der Selbsthemmung der Spindel-Mutter-Anordnung 10 vorzusehen.
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In 3 und 4 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 zum drehfesten Verbinden der Welle 2 mit
dem drehbar auf der Welle 2 gelagerten Bauteil 3 dargestellt,
wobei 3 den drehbaren Zustand des Bauteiles 3 auf
der Welle 2 und 4 den drehfesten Zustand des
Bauteiles 3 darstellt.
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Dem
Bauteil 3 sind bei dem in 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 zwei in axialer Richtung auf der Welle 2 gegenüber dem
Bauteil 3 verschiebbar angeordnete Betätigungselemente 6 und 13 zugeordnet,
um das Bauteil 3 ausgehend von einem gegenüber der
Welle 2 drehbaren Zustand in einen drehfesten Zustand oder
ausgehend von einem drehfesten Zustand in Richtung eines drehbaren
Zustands überführen zu
können. Die
beiden Betätigungselemente 6 und 13 sind
gleich ausgeführt,
wobei deren konstruktive Ausführung
sowie deren Funktionsweise dem zu 1 und 2 beschriebenen
Betätigungselement 6 entspricht, weshalb
an dieser Stelle auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird
und nachfolgend nur auf die Unterschiede zwischen der Vorrichtung 1 gemäß 3 und
der Vorrichtung 1 gemäß 1 näher eingegangen
wird.
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Die
beiden Betätigungselemente 6 und 13 werden
bei Vorliegen eines aktorseitigen rotatorischen Antriebes über die
gemeinsame Spindel 9 in axialer Richtung auf das Bauteil 3 zu
oder von diesem weg bewegt. Damit die Betätigungselemente 6 und 13 jeweils
zum Zuschalten oder Abschalten des Bautei les 3 beziehungsweise
des Zahnrades zueinander entgegengesetzte Bewegungen ausführen, ist die
Spindel 9 mit zwei Gewindebereichen 9A und 9B ausgeführt, deren
Gewindebereiche jeweils eine gegensinnige Gewindesteigung aufweisen.
Damit werden die Betätigungselemente 6 und 13 bei
einer Rotation der Spindel 9 jeweils in dem zum Schalten
des Bauteiles 3 erforderlichen Umfang betätigt.
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5 zeigt
eine Weiterbildung des in 3 und 4 gezeigten
Ausführungsbeispieles
der Vorrichtung 1, welches sich lediglich im Bereich des
rotatorischen Antriebes sowie im Bereich der den aktorseitigen Antrieb übertragenden
Spindel 9 von der Vorrichtung gemäß 3 und 4 unterscheidet, weshalb
nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Die
Ausführung
der Vorrichtung 1 gemäß 5 ist
mit zwei Aktoren 5A und 5B ausgebildet, über welche
zwei separate Spindeln 9_1 und 9_2 unabhängig voneinander
rotatorisch antreibbar sind, um das Bauteil 3 drehfest
oder drehbar gegenüber der
Welle 2 darstellen zu können.
Dabei sind die Spindeln 9_1 und 9_2 mit dem gleichen
Gewinde ausführbar,
wenn die Aktoren 5A und 5B jeweils gegensinnig
betrieben werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 ist in 6 gezeigt,
bei der zwei als Losräder
ausgeführte
Zahnräder 3 und 14 über jeweils
ein Betätigungselement 6 und 15 in
der zu 1 und 2 näher beschriebenen Art und Weise
zu- oder abgeschaltet werden können.
Dabei ist das Betätigungselement 6 auf
der dem Zahnrad 14 abgewandten Seite des Zahnrades 3 angeordnet,
während
das Betätigungselement 15 auf
der dem Zahnrad 3 abgewandten Seite des Zahnrades 14 mit
dem Zahnrad 14 zusammenwirkt. Zwischen den beiden Zahnrädern 3 und 14 ist
ein Anschlagelement 7 angeordnet, welches sowohl mit dem
Zahnrad 3 als auch mit dem Zahnrad 14 mit kegelförmig ausgebildeten
Reibflächen
zum drehfesten Verbinden der Zahnräder 3 und 14 mit
der Welle 2 zusammenwirkt und sowohl rotatorisch als auch
in axialer Richtung nicht verschieblich beziehungsweise nicht bewegbar
auf der Welle 2 angeordnet ist.
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Die
Betätigungselemente 6 und 15 werden vorliegend über die
gemeinsame Spindel 9 betätigt, wobei die gegensinnigen
Bewegungen der Betätigungselemente 6 und 15 wiederum über mit
gegensinnig ausgebildeten Gewindesteigungen ausgeführten Gewindebereichen 9A und 9B realisiert
sind.
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Die
in 7 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 entspricht
im Wesentlichen der in 6 gezeigten Vorrichtung 1,
wobei die zum drehfesten Verbinden der Zahnräder 3 und 14 vorgesehenen
Betätigungselemente 6 und 15 der
Vorrichtung 1 gemäß 6 einstückig ausgeführt und
zwischen den Zahnrädern 3 und 14 angeordnet
sind. Zusätzlich
sind den beiden Zahnrädern 3 und 14 jeweils
ein Anschlagelement 7_1 und 7_2 zugeordnet, an
welchem das Zahnrad 3 beziehungsweise das Zahnrad 14 in
drehfestem Zustand in der vorbeschriebenen Art und Weise zu 1 anliegen.
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Das
bedeutet, dass das Zahnrad 3 und das Zahnrad 14 durch
entsprechende aktorseitige Betätigung
des Betätigungselementes 6 und
eine damit einhergehende translatorische Verschiebung des Betätigungselementes 6 mit
der Welle 2 drehfest verbunden werden oder gegenüber der
Welle 2 drehbar darstellbar sind.
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Bei
dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 sind
den beiden Zahnrädern 3 und 14 drei
Betätigungselemente 6', 15 und 16 zugeordnet,
wobei das Betätigungselement 6' den in 7 dargestellten
Betätigungselementen
entspricht, während
die beiden wellenfesten Anschlagelemente 7_1 und 7_2 aus 7 bei
der Vorrichtung 1 gemäß 8 durch
die drehfest mit der Welle 2 verbundenen und gegenüber dieser
in axialer Richtung verschiebbaren Betätigungselemente 15 und 16 ersetzt
sind.
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Alle
drei Betätigungselemente 6, 15 und 16 werden über eine
gemeinsame und von einem Aktor 5 antreibbare Spindel 9 betätigt, welche
vorliegend drei Gewindebereiche 9A, 9B und 9C aufweist.
Dabei sind die Gewindebereiche 9A, 9B und 9C derart
aufeinander abgestimmt, dass die Betätigungselemente 6 und 15 oder
die Betätigungselemente 6 und 16 in Abhängigkeit
der Drehrichtung des rotatorischen Antriebes des Aktors 5 auf
das Zahnrad 3 oder auf das Zahnrad 14 zu beziehungsweise
von diesen weg bewegt werden.
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In 9 ist
eine Weiterbildung des in 8 dargestellten
Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung 1 dargestellt, bei der zur Betätigung der
Zahnräder 3 und 14 zwischen
diesen zwei getrennte Betätigungselemente 6_1 und 6_2 vorgesehen
sind, welche neben den Betätigungselementen 15 und 16 ebenfalls über eine
gemeinsame Spindel 9, die mit drei Gewindebereichen 9A, 9B, 9C ausgeführt ist,
zum Zu- und Abschalten der Zahnräder 3 und 14 vom
Aktor 5 in vorbeschriebener Art und Weise betätigbar sind.
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Bei
dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1, das sich von dem in 9 dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 lediglich im Bereich der Spindel 9 unterscheidet,
ist der Aktor 5 mit den Betätigungselementen 6_1, 6_2, 15 und 16 über eine
zweiteilige Spindel 9 verbunden. Ein erster Teil 9_1 der
Spindel 9 ist als Hohlwelle ausgebildet, durch welche ein
zweiter Teil 9_2 der Spindel 9 bereichsweise geführt ist.
Dabei steht der erste Teil 9_1 der Spindel 9 mit
den Betätigungselementen 15 und 6_1 mit
zwei Gewindebereichen 9_1A, 9_1B in Eingriff,
während
der zweite Teil 9_2 der Spindel 9 mit zwei Gewindebereichen 9_2A und 9_2B mit
den Betätigungselementen 6_2 und 16 wirkverbunden
ist. Zusätzlich
ist der zweite Teil 9_2 der Spindel 9 mit dem
ersten Teil 9_1 der Spindel 9 derart verbunden,
dass der rotatorische Antrieb des Aktors 5 vom zweiten
Teil 9_2 der Spindel 9 auf den ersten Teil 9_1 der
Spindel 9 übertragen
wird und die Betätigungselemente 6_1, 6_2, 15 und 16 in
gewünschtem
Umfang betätigbar
sind.
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Die
Spindel 9 oder die Teile 9_1 und 9_2 der Spindel 9 der
in 1 bis 10 dargestellten
verschiedenen Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung 1 nach der Erfindung sind vorliegend in
Abhängigkeit der
Ausführung
der Aktoren an der Welle oder einem gehäusefesten Bauteil der Getriebeeinrichtung
abgestützt,
um die für
die Betätigung
der Betätigungselemente
zu erzeugende Axialkraft abstützen
zu können.
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Um
einen Aktor in Abhängigkeit
einer über die
Welle auf das Betätigungselement
und somit das Bauteil beziehungsweise das Zahnrad aufgebrachte Betätigungskraft
zu bestimmen, ist im Bereich zwischen der Spindel und der Welle
oder der Spindel und dem Gehäuse
eine Kraftmesseinrichtung vorgesehen, wobei der Aktor in Abhängigkeit
der bestimmten Betätigungskraft
steuer- und/oder regelbar ist.
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Neben
der vorbeschriebenen Betätigung
eines Betätigungselementes
aus dem Inneren der Welle heraus über eine Spindel-Mutter-Einheit,
deren Spindel im Inneren der Welle verläuft, ist es bei einer weiteren
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass dem Betätigungselement ein in Bezug
auf das Welleninnere von außen
verdrehbarer Ring zugeordnet ist, der die für die Betätigung eines Bauteiles beziehungsweise
eines Zahnrades erforderliche Axialkraft von einem Aktor auf das
Betätigungselement überträgt.
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11 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 nach der Erfindung, bei welcher das Zahnrad 3 über ein
von einem als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildeten Aktor 5 betätigbares
Betätigungselement 6 und
das Anschlagelement 7 drehfest mit der Welle 2 verbindbar
ist oder drehbar gegenüber
dieser darstellbar ist. Der als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildete
Aktor 5 ist über
ein fluidisches Druckmittel betätigbar
und über
eine mit einem Kolben 17 verbundene Kolbenstange 18 mit
dem Betätigungselement 6 wirkverbunden.
Zusätzlich
ist dem Aktor 5 eine Druckmesseinrichtung 19 zugeordnet,
um den in den Kolbenräumen 20A und 20B vorliegenden
Druck zu bestimmen. Der über
die Druckmesseinrichtung 19 in den Kolbenräumen 20A und 20B ermittelte
Druck wird zur kraftgesteuerten Regelung eines auf das Zahnrad 3 einwirkenden
Normalkraftaufbaus verwendet.
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Um
in Haltezuständen
der Kolben-Zylinder-Einheit 5 eine den Wirkungsgrad einer
Getriebeeinrichtung verschlechternde Druckbeaufschlagung der Kolbenräume 20A und 20B von
einer Druckquelle zu vermeiden, ist die Halteeinrichtung zum Halten des
Betätigungselementes 6 ohne
aktorseitige Betätigung
wenigstens in dem zu dem drehfesten Zustand des Zahnrades 3 äquivalenten
Schaltzustand mit Ventileinrichtungen 21A und 21B ausgeführt. Über die
Ventileinrichtungen 21A und 21B sind den Aktor 5 mit
einem nicht näher
dargestellten hydraulischen Betätigungssystem
verbindende Druckmittelleitungen 22A und 226 sperrbar,
um den Aktor 5 ohne weitere Druckbeaufschlagung in einem
definierten Betriebszustand halten zu können. Dabei stellen die Ventileinrichtungen
Absperrventile dar, welche zusätzlich
zu jeweils den Druck in den Kolbenräumen 20A und 20B einstellenden
Regelventilen vorgesehen sind.
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Alternativ
hierzu ist die Halteeinrichtung bei einem in der Zeichnung nicht
näher dargestellten Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 gemäß 11 mit
einer Rastierung ausgeführt,
mittels der eine Bewegung des Kolbens 17 gegenüber dem
Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheit 5 durch mechanisches
Verrasten des Kolbens 17 mit dem Zylinder sperrbar ist.
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Neben
der Rastierung des Kolbens 17 besteht auch die Möglichkeit,
den Kolben 17 der Kolben-Zylinder-Einheit 5 mit
einer Selbsthemmung auszuführen,
so dass der Kolben 17 lediglich bei einem ausreichenden
Druckgefälle
zwischen dem Kolbenraum 20A und dem Kolbenraum 20B gegenüber dem
Zylinder bewegt wird.
-
Das
hydraulische Betätigungssystem
ist vorliegend in ein Hydrauliksystem der Getriebeeinrichtung integriert,
wobei bei weiteren Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Abhängigkeit
des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles vorgesehen sein kann,
dass das hydraulische Betätigungssystem
als eigener geschlossener Hydraulikkreislauf für die Regelung der Betätigungselemente ausgeführt ist.
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Grundsätzlich sind
sowohl ein als fluidischer Motor als auch ein als Kolben-Zylinder-Einheit
ausgeführter
Aktor mittels eines hydraulischen Druckmediums oder mittels eines
gasförmigen
Druckmediums betreibbar, um ein drehbar auf einer Welle angeordnetes
Bauteil in der vorbeschriebenen Art und Weise drehfest mit der Welle
zu verbinden.
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Darüber hinaus
sind die zum Aufbringen der Betätigungsenergie
vorgesehenen Aktoren innerhalb oder außerhalb der Welle anordenbar
und mit dieser drehfest verbindbar oder gegenüber der Welle drehfest ausführbar, wobei
bei einer drehfesten Ausführung
eines Aktors gegenüber
der Welle eine Drehzahlabkopplung zwischen dem wellenfesten Betätigungselement
und einem rotatorisch oder translatorisch von dem Aktor angetriebenen Übertragungselement,
d. h. einer Spindel oder einer Kolbenstange, vorzusehen ist. Dabei
ist die Drehzahlabkopplung zur Reduzierung von Reibungsverlusten
als Gleitlagereinrichtung oder Wälzlagereinrichtung
ausführbar, über welche
Axialkräfte übertragbar
sind.
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Bei
einer weiteren und in der Zeichnung nicht näher dargestellten vorteilhaften
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist diese zum Schalten zweier oder mehrerer Zahnräder lediglich
mit einem Aktor zum Aufbringen der Betätigungskraft zum Zu- beziehungsweise
Abschalten eines Bauteiles beziehungsweise eines Zahnrades ausgeführt, dem
ein oder mehrere so genannte Auswählaktoren zugeordnet sind.
Mittels eines Auswählaktors
ist zwischen den verschiedenen über
den einen Aktor zu betätigenden
Bauteilen beziehungsweise Losrädern
einer Getriebeeinrichtung dahingehend eine Auswahl durchführbar, dass
das über
den Auswählaktor
ausgewählte
Zahnrad oder Bauteil beziehungsweise das diesem zugeordnete Betätigungselement
mit der von dem Aktor erzeugten Betätigungsenergie beaufschlagt
wird.
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Dabei
ist ein Auswählaktor
vorzugsweise als Schaltmagnet oder Kupplung ausführbar, der zwischen dem Aktor
der Vorrichtung und dem über
die Vorrichtung zu betätigenden
Bauteil beziehungsweise Zahnrad jeweils eine für die Betätigung des Bauteiles oder des
Zahnrades beziehungsweise diesem zugeordneten Betätigungselement
erforderliche Verbindung herstellt.
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Neben
den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei welchen die Betätigungselemente
jeweils mit einer Reibfläche
ausgeführt
sind, ist es bei weiteren nicht näher gezeigten Ausführungsbeispielen
der Vorrichtung nach der Erfindung vorgesehen, dass ein Betätigungselement
mit mehreren Reibflächen
ausgebildet ist, die gleichzeitig mit mehreren mit einem Bauteil
beziehungsweise einem Zahnrad wirkverbundenen Reibflächen in
Wirkverbindung stehen, um das Bauteil reibschlüssig drehfest mit der Welle
zu verbinden.
-
Unabhängig von
der Ausführung
der Vorrichtung nach der Erfindung mit einem oder mehreren Aktoren
ist ein drehbar auf der Welle angeordnetes Bauteil beziehungsweise
ein Zahnrad über
ein oder mehrere Betätigungselemente
zum drehfesten Verbinden mit der Welle entweder mit der dafür maximal notwendigen
Normalkraft oder mit einer in Abhängigkeit des jeweils zu übertragenden
Drehmomentes äquivalenten
Betätigungskraft
beaufschlagbar, wobei bei letztgenannter Vorgehensweise ein aktorseitiges aktives
Nachregeln möglich
ist, das jedoch mit einem höherer
Steuer- und Regelaufwand verbunden ist.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Welle
- 3
- Bauteil,
Zahnrad
- 3A,
3B
- kegelförmiger Bereich
- 4
- Lagereinrichtung
- 5
- Aktor
- 6,
6'
- Betätigungselement
- 6A
- kegelförmiger Bereich
- 6_1,
6_2
- Betätigungselement
- 7
- Anschlagelement
- 7A
- kegelförmiger Bereich
- 7_1,
7_2
- Anschlagelement
- 8A,
B
- Federeinrichtung
- 9
- Spindel
- 9A,
B, C
- Gewindebereich
- 9_1,
9_2
- Teil
der Spindel
- 9_1A,
9_1B
- Gewindebereich
- 9_2A,
9_2B
- Gewindebereich
- 10
- Spindel-Mutter-Anordnung
- 11
- Mutter
- 12
- Langloch
- 13
- Betätigungselement
- 14
- Zahnrad
- 15
- Betätigungselement
- 16
- Betätigungselement
- 17
- Kolben
- 18
- Kolbenstange
- 19
- Druckmesseinrichtung
- 20A,
B
- Kolbenraum
- 21A,
B
- Ventileinrichtung
- 22A,
B
- Druckmittelleitung