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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltkupplungsanordnung zur
drehfesten Verbindung einer Welle mit einem daran gelagerten Drehglied,
wie einem Losrad, wobei die Schaltkupplungsanordnung aufweist: eine
Schaltmuffe, die mit der Welle drehfest verbunden, in Bezug auf
die Welle axial verschieblich gelagert und mit einer ersten Verzahnung
versehen ist, einen Kupplungskörper,
der mit dem Drehglied drehfest verbunden und mit einer zweiten Verzahnung
versehen ist, die zur drehfesten Verbindung von Welle und Drehglied
mit der ersten Verzahnung in Eingriff bringbar ist, und eine Sperr-Synchronisierungseinrichtung,
die einen Synchronring mit einer Reibfläche aufweist, mittels dessen
die Drehzahlen der Welle und des Drehgliedes synchronisierbar sind,
bevor die erste und die zweite Verzahnung in Eingriff gebracht werden,
wobei die Sperr-Synchronisierungseinrichtung ferner ein Sperrglied
aufweist, das mit der Schaltmuffe über eine Rastiernut gekoppelt
ist und das mit dem Synchronring in Drehrichtung über eine
Sperrflächenpaarung gekoppelt
ist.
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Schaltkupplungsanordnungen
der gattungsgemäßen Art
werden in Vorgelegegetrieben für
Kraftfahrzeuge verwendet. Die Vorgelegegetriebe sind dabei als Stufengetriebe
mit einer Mehrzahl von Gangstufen ausgebildet. Jeder Gangstufe ist
ein Radsatz zugeordnet, der ein Festrad und ein Losrad aufweist.
Die Losräder
sind jeweils an einer der Wellen des Getriebes drehbar gelagert
und mittels einer Schaltkupplung mit der Welle verbindbar (um die Gangstufe
zu schalten), und hiervon lösbar
(um die Gangstufe auszulegen).
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Die
Schaltkupplungen sind heutzutage in der Regel als Synchronkupplungen
ausgebildet, bei denen die Drehzahlen von Welle und Drehglied miteinander
synchronisiert werden, bevor ein Formschluss dazwischen eingerichtet
wird. Ferner sind die Synchronkupplungen heutzutage in der Regel
als Sperr-Synchronkupplungen ausgebildet, bei denen ein Sperrmechanismus
dafür sorgt,
dass der Eingriff der Verzahnungen von Schaltmuffe und Kupplungskörper erst
dann ermöglicht
wird, wenn die Drehzahlen von Welle und Drehglied miteinander synchronisiert
sind.
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Der
heutzutage gebräuchlichste
Sperrmechanismus weist an dem Außenumfang des Synchronringes
eine Sperrverzahnung auf. Der Synchronring ist dabei an der Welle
(bzw. einer hieran festgelegten Führungsmuffe, die auch als Synchronkörper bezeichnet
wird) begrenzt beweglich gelagert. In einer Freigabestellung kann
die Schaltmuffenverzahnung durch die Sperrverzahnung des Synchronringes
hindurch geführt
werden, um den Formschluss mit dem Kupplungskörper herzustellen. In der Sperrstellung
ist der Synchronring so verdreht, dass die Schaltmuffe daran gehindert
ist, in axialer Richtung auf den Kupplungskörper zu bewegt zu werden. Die Sperrstellung
des Synchronringes wird dadurch erreicht, dass der Synchronring
auf Grund der aufgewendeten axialen Schaltkraft in Reibeingriff
gelangt mit dem zugeordneten Kupplungskörper (oder einer anderen zugeordneten
Reibfläche),
wodurch der Synchronring in Drehrichtung mitgenommen wird und dadurch
in die Sperrstellung mitgenommen wird (umschlägt). Erst wenn die Drehzahlen
synchronisiert sind, ist die Reibkraft so weit verringert, dass
ein Zurückdrehen
des Synchronringes auf Grund der Schaltkraft möglich ist, so dass die Schaltmuffe
dann durch die in die Freigabestellung zurückgedrehte Verzahnung des Synchronringes
hindurch geschoben werden kann.
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Bei
dieser Art von Synchronisierung ist der Synchronring vergleichsweise
aufwändig
herzustellen.
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In
der eingangs erwähnten
DE 10 2005 025 569
A1 wird ein Sperrmechanismus vorgeschlagen, der unter Verwendung
eines Druckstückes
realisiert ist.
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Ein
solches Druckstück
bzw. ein solcher Stein ist bei Synchronkupplungsanordnungen häufig vorhanden,
um die Schaltmuffe in eine Neutralstellung zu rastieren. In dem
Dokument
DE 10
2005 025 569 A1 wird nun vorgeschlagen, den Synchronring am
Außenumfang
ohne Sperrverzahnung auszubilden. Hingegen ist an dem Innenumfang
des Synchronringes eine Mehrzahl von Keilflächen vorgesehen, die entsprechenden
Keilflächen
der Druckstücke
zugeordnet sind.
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Bei
Aufbringen einer Schaltkraft versucht die Schaltmuffe, das Druckstück in radialer
Richtung aus der Rastiernut weg zu bewegen und drückt gleichzeitig
den Synchronring in axialer Richtung an eine Reibfläche an (Ansynchronisieren).
Dabei verdreht sich der Synchronring, bis die Keilflächenpaarungen in
Eingriff gelangen, derart, dass die Keilflächen einem radialen Wegdrücken des
Druckstückes
entgegenwirken. Demzufolge kann die Schaltmuffe nicht weiter axial
verschoben werden und wird auf diese Art und Weise gesperrt. Erst
wenn die Drehzahlen von Welle und Losrad synchronisiert sind, kann
auf Grund der dann verringerten Reibkraft der Synchronring mittels
der axial auf die Schaltmuffe aufgewendeten Schaltkraft zurückverdreht werden,
so dass das Druckstück
in radialer Richtung nach innen weggedrückt werden kann. Die Schaltmuffe
kann demzufolge in axialer Richtung weiter verschoben werden, um
mit dem Kupplungskörper
in Eingriff zu gelangen.
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Ein ähnlicher
Sperrmechanismus für
eine Synchronkupplung ist bekannt aus dem Dokument
DE 29 15 965 C2 .
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Auch
bei dieser Art von Synchronkupplungsanordnung ist der Synchronring
jedoch vergleichsweise aufwändig
herzustellen.
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Es
ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltkupplungsanordnung
anzugeben, bei der der Synchronring kostengünstig herstellbar ist, bei optimierter
Funktionsweise des Sperrmechanismus.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schaltkupplungsanordnung
dadurch gelöst, dass
die Sperrflächenpaarung
zwischen dem Sperrglied und einem Synchronglied ausgebildet ist,
das in axialer Richtung mit dem Sperrglied und in Drehrichtung mit
dem Synchronring gekoppelt ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung
kann der Synchronring wie im Stand der Technik ohne eigene Sperrverzahnung
am Außenumfang
ausgebildet werden. Zudem ist es möglich, den Synchronring auch
ohne sonstige Keilflächen
auszubilden. Es ist lediglich notwendig, den Synchronring in Drehrichtung
mit dem Synchronglied zu koppeln. Das Synchronglied wiederum steht
mit dem Sperrglied über
die Sperrflächenpaarung
in Drehrichtung in Eingriff.
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Demzufolge
kann der Synchronring konstruktiv besonders einfach ausgelegt werden,
da eine Herstellung auf Grund einfacher Herstellungsverfahren (aus
Blech, als Sinterbauteil etc.) möglich
ist.
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Ferner
können
sowohl das Sperrglied als auch das Synchronglied jeweils vergleichsweise
einfach ausgebildet sein, so dass sie kostengünstig herstellbar sind.
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Die
Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Synchronglied in Drehrichtung in Bezug auf eine mit der
Welle verbundene Führungsmuffe
zwischen einer Freigabeposition und einer Sperrposition begrenzt
beweglich gelagert, derart, dass das Synchronglied in der Sperrposition
eine Bewegung des Sperrgliedes aus der Rastiernut heraus und somit
eine axiale Bewegung der Schaltmuffe verhindert.
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Generell
ist es zwar auch denkbar, dass der Synchronring in Bezug auf die
Führungsmuffe
begrenzt beweglich gelagert ist. Die Ausbildung der Führungsmuffe
und des Synchrongliedes so, dass das Synchronglied zwischen der
Sperrposition und der Freigabeposition hin und her bewegbar ist,
ermöglicht
eine weitere Vereinfachung der Formgebung des Synchronringes.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der Synchronring eine Ausnehmung auf, innerhalb der ein Abschnitt
des Synchrongliedes zur Kopplung mit dem Synchronring in Drehrichtung angeordnet
ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
erfolgt die Kopplung zwischen Synchronring und Synchronglied in Drehrichtung über Ausnehmungen
in dem Synchronring. Derartige Ausnehmungen können vergleichsweise einfach
hergestellt werden. Der in die Ausnehmung greifende Abschnitt des
Synchrongliedes kann ein Vorsprung sein, kann jedoch auch ein Abschnitt eines
als massiver Körper
ausgebildeten Synchrongliedes sein.
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Von
besonderem Vorzug ist es, wenn die Ausnehmung des Synchronringes
als axiale Ausnehmung ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine weitere Vereinfachung
des Herstellungsverfahrens. Die Ausnehmung des Synchronringes kann
jedoch auch gebildet sein durch zwei radial oder axial vorstehende Nasen,
zwischen die ein Abschnitt des Synchrongliedes greift.
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Umgekehrt
betrachtet ist es auch möglich, dass
der Synchronring einen Vorsprung aufweist, der zur Kopplung mit
dem Synchronglied in Drehrichtung in eine Ausnehmung des Synchrongliedes
greift.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Sperrglied in axialer Richtung an der Schaltmuffe geführt.
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Diese
Ausführungsform
wird unabhängig von
dem Bereitstellen eines Synchrongliedes als eigene Erfindung angesehen.
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Die
axiale Führung
des Sperrgliedes erfolgt dabei vorzugsweise nicht nur dann, wenn
das Sperrglied in die Rastiernut eingreift, sondern auch dann, wenn
die Schaltmuffe das Sperrglied radial weggedrückt hat, so dass das Sperrglied
nicht mehr in die Rastiernut greift.
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Insgesamt
kann so eine deutlich stabilere Führung der Komponenten der Schaltkupplungsanordnung
erzielt werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Schaltmuffe eine radiale
Ausnehmung aufweist, in der das Sperrglied axial geführt ist.
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Die
radiale Ausnehmung kann dabei durch Ausnehmungen an Zähnen der
ersten Verzahnung ausgebildet sein. Derartige axiale Führungsnuten
an der Innenseite der Schaltmuffe lassen sich konstruktiv vergleichsweise
einfach fertigen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das Sperrglied wenigstens eine Führungsnase auf, die zur axialen
Führung
an der Schaltmuffe in eine Zahnlücke
der ersten Verzahnung greift.
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Die
Führungsnase
kann sich dabei in radialer Richtung über einen Abschnitt des Sperrgliedes
hinaus erstrecken, der mit der Rastiernut der Schaltmuffe in Eingriff
tritt.
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Auf
diese Weise kann eine axiale Führung
an der Schaltmuffe erreicht werden, ohne dass an einzelnen Zähnen der
Verzahnung der Schaltmuffe größere Ausnehmungen
vorzusehen sind. Insgesamt kann die Schaltmuffe im Wesentlichen
ohne Nachteile hinsichtlich der Festigkeit ausgebildet werden.
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Insgesamt
ist es ferner bevorzugt, wenn das Sperrglied in radialer Richtung
gegenüber
der Welle oder der Führungsmuffe
elastisch vorgespannt und in die Rastiernut gedrückt ist.
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Die
Vorspannung kann dabei beispielsweise mittels einer Feder erfolgen,
die zwischen dem Sperrglied und der Welle oder der Führungsmuffe
angeordnet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
das Sperrglied in radialer Richtung gegenüber dem Synchronglied elastisch
vorgespannt und in die Rastiernut gedrückt.
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Da
das Synchronglied ohnehin an der Führungsmuffe gelagert ist, sind
demzufolge für
die elastische Vorspannung des Sperrgliedes keine weiteren Maßnahmen
an der Führungsmuffe
erforderlich.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
weist das Sperrglied eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Federelementes
zur Realisierung der elastischen Vorspannung auf.
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Auf
diese Weise kann ein Federelement wie beispielsweise eine Schraubenfeder
einfach montiert und im Betrieb sicher geführt werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es ferner, wenn das Sperrglied und das Synchronglied
als eine vormontierte Einheit ausgebildet sind.
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Die
Montage kann hierdurch deutlich vereinfacht werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die vormontierte Einheit Federmittel
zur elastischen Vorspannung des Sperrgliedes gegenüber dem
Synchronglied aufweist.
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Bei
dieser Ausführungsform
bilden Sperrglied, Synchronglied und Federmittel eine vormontierte
Einheit, die mit geringem Montageaufwand in die Führungsmuffe
eingesetzt werden kann.
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Insgesamt
ist es ferner bevorzugt, wenn das Sperrglied und/oder das Synchronglied
als Sinterteil ausgebildet sind.
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Auf
diese Weise ist eine kostengünstige
Fertigung möglich.
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Auch
der Synchronring kann vorzugsweise als Sinterteil ausgebildet sein.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Synchronglied als Blechbiegeteil ausgebildet.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann das Synchronglied als eine Art Käfig für das Sperrglied und gegebenenfalls
die Federmittel dienen.
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Auch
das Sperrglied kann als Blechteil bzw. Blechbiegeteil ausgebildet
sein. Ferner ist es auch denkbar, den Synchronring als Blechteil
auszubilden.
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Ferner
ist es denkbar, das Sperrglied und/oder das Synchronglied als Schmiedeteile
auszubilden.
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Insgesamt
ist es ferner bevorzugt, wenn die Schaltkupplungsanordnung eine
Mehrzahl von Sperr-Synchronisierungseinrichtungen aufweist, die jeweils
ein Sperrglied und ein Synchronglied aufweisen und über den
Umfang der Schaltkupplungsanordnung verteilt angeordnet sind.
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Mit
der erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung
lässt sich,
je nach Ausführungsform, wenigstens
einer der folgenden Vorteile erzielen:
- – Der Synchronring
ist wesentlich einfacher und zu geringeren Kosten herstellbar; ferner
kann der Synchronring robuster ausgebildet werden. Der Einbauraum
kann verringert werden.
- – Da
der Synchronring keinen radial vorstehenden Bund für eine Sperrverzahnung
benötigt,
kann die Länge
der Verzahnung der Führungsmuffe
(an der die Schaltmuffe axial geführt ist) in axialer Richtung
länger
ausgebildet werden, wodurch die Führung der Schaltmuffe verbessert
wird (weniger Verkippen); ferner können Anschlagzähne der Schaltmuffe
(die den axialen Schaltweg der Schaltmuffe gegenüber dem Kupplungskörper begrenzen)
verklemmungsfrei bis zum Kupplungskörper geführt werden. Für eine Übertragung
von Drehmoment über
den Synchronring kann hierdurch ferner die Festigkeit erhöht werden.
- – Das
Sperrglied und das Synchronglied können für unterschiedliche Sperr-Synchronisierungseinrichtungen
identisch ausgebildet sein. Sie können insbesondere auch für die beiden
Seiten der Schaltkupplungsanordnung identisch ausgebildet sein.
Mit anderen Worten können
das Sperrglied und das Synchronglied symmetrisch in Bezug auf eine
Querschnittsebene und/oder in Bezug auf eine Längsschnittebene ausgebildet
sein.
- – Ferner
kann der Synchronring für
Einfach- und für
Mehrfachkegelsynchronisierungen identisch ausgebildet sein.
- – Der
Sperrmechanismus ist von dem Einspurmechanismus entkoppelt, so dass
die Anspitzung der Schaltmuffe zum Einspuren in den Kupplungskörper ohne
Rücksicht
auf einen Sperrwinkel frei gewählt
werden kann. Dadurch kann der Komfort beim Einspuren erhöht werden,
insbesondere durch spitzere Einspurwinkel.
- – Eine
Synchronringabhebung ist (beispielsweise durch eine Abhebe-Keilflächenpaarung)
vergleichsweise einfach realisierbar. Das Schleppmoment kann verringert
werden.
- – Die
Einspurverzahnung der Schaltmuffe kann in einer Ebene ausgebildet
werden, was die Herstellungskosten der Schaltmuffe verringert.
- – Bei
Ausbildung von Fasen an der Rastiernut kann insbesondere der Verlauf
des Entsperrvorganges geeignet beeinflusst werden. So genannte „Doppeleingriffe", die beim vorzeitigen
Einspuren des Schaltmuffe in den Kupplungskörper vor Drehzahlgleichheit
auftreten können,
können demzufolge
vermieden werden. Durch eine derart gestufte Rastiernut (mit Fase)
kann ein untersperrendes System erzeugt werden, das ein sich wieder
beschleunigendes Rad abbremsen kann. Kaltkratzen und Schwingungskratzen
können
verringert werden.
- – Es
kann vermieden werden, dass an der ersten Verzahnung der Schaltmuffe
vorgesehene Hinterlegungen in Kontakt mit dem Synchronring gelangen,
wie es bei Synchronringen mit Sperr-Verzahnung der Fall ist.
- – Der
Synchronring kann über
die Kopplung mit dem Synchronglied zentriert werden. Ein Zentrierdurchmesser
am Synchronring und an der Führungsmuffe
können
gegebenenfalls entfallen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Längsschnittansicht
durch eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1;
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3 die
Schaltkupplungsanordnung der 1 in einer
Sperrstellung;
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4 die
Schaltkupplungsanordnung der 2 in Sperrstellung;
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5 die
Schaltkupplungsanordnung der 1 im Augenblick
des Entsperrens;
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6 die
Schaltkupplungsanordnung der 2 im Augenblick
des Entsperrens;
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7 die
Schaltkupplungsanordnung der 1 im geschalteten
Zustand;
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8 die
Schaltkupplungsanordnung der 2 im geschalteten
Zustand;
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9 eine
perspektivische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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10 eine
perspektivische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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11 eine
perspektivische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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12 eine
schematische Darstellung einer vormontierten Sperreinheit in Verbindung
mit einem Abschnitt eines Synchronringes;
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13 eine
Schnittansicht entlang der Linie XIII-XIII von 12;
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14 eine
alternative Kombination von vormontierter Sperreinheit mit einem
Synchronring;
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15 eine
Detailansicht XV von 14;
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16 eine
perspektivische Darstellung eines Sperrgliedes einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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17 eine
perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
eines Sperrgliedes einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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18 eine
schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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19 eine
schematische Darstellung einer abgewandelten Rastiernut einer Schaltmuffe
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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20 eine
der 2 entsprechende Schnittansicht einer weiteren
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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21 eine
Schnittansicht entlang der Linie XXI-XXI von 20;
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22 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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23 eine
der 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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24 eine
Schnittansicht entlang der Linie XXIV-XXIV von 23;
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25 eine
der 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung;
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26 eine
schematische Darstellung eines Synchronringes für eine erfindungsgemäße Schaltkupplungsanordnung;
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27 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Synchronringes
für eine
erfindungsgemäße Schaltkupplungsanordnung; und
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28 eine
schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Synchronringes
für eine
erfindungsgemäße Schaltkupplungsanordnung.
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In 1 und 2 ist
ein Getriebe für
ein Kraftfahrzeug generell mit 10 bezeichnet.
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Das
Getriebe 10 weist eine Eingangswelle 12 auf, die über einen
Konstanten-Radsatz 14 mit einer hierzu parallelen Vorgelegewelle 16 in
Verbindung steht.
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Eine
Ausgangswelle 24 ist koaxial zu der Eingangswelle 12 angeordnet.
Eine Mehrzahl von Schaltradsätzen 18 ist
an der Vorgelegewelle bzw. der Ausgangswelle 24 ange ordnet.
In 1 ist aus Gründen
einer übersichtlicheren
Darstellung nur ein Schaltradsatz 18 gezeigt, der ein Festrad 20 aufweist,
das mit der Vorgelegewelle 16 verbunden ist. Der Schaltradsatz 18 weist
ferner ein Losrad 22 auf, das drehbar an der Ausgangswelle 24 gelagert
ist.
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Ein
weiteres Losrad 22I ist in 1 lediglich schematisch
angedeutet.
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Es
versteht sich, dass die gezeigte, für den Längseinbau in einem Fahrzeug
ausgelegte Getriebeanordnung lediglich beispielhafter Natur ist.
Auf Getriebe mit anderen Topologien (beispielsweise für den Front-Quereinbau
oder als Dreiwellengetriebe) ist die Erfindung gleichfalls anwendbar.
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Eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung
ist in 1 generell mit 30 bezeichnet.
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Die
Schaltkupplungsanordnung 30 dient dazu, das Losrad 22 oder
das Losrad 22I mit der Ausgangswelle 24 zu
verbinden. Die Schaltkupplungsanordnung 30 ist folglich
als Schaltkupplungspaket mit zwei einzelnen Schaltkupplungen ausgebildet.
Aus Gründen
einer einfachen Darstellung wird im Folgenden lediglich Bezug genommen
auf die Funktion der Schaltkupplungsanordnung 30 in Bezug
auf das Losrad 22. Es versteht sich jedoch, dass die nachfolgende
Beschreibung gleichermaßen
auf das Losrad 22I anwendbar ist.
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Die
Schaltkupplungsanordnung 30 beinhaltet eine Führungsmuffe
(auch Synchronkörper
genannt) 32, die an der Ausgangswelle 24 festgelegt
ist (beispielsweise mittels einer geeigneten Verzahnung). Die Führungsmuffe 32 weist
ferner eine in 1 nicht näher bezeichnete Außenverzahnung auf.
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An
der Führungsmuffe 32 ist
eine Schaltmuffe 34 in axialer Richtung A verschieblich
gelagert. Die Schaltmuffe 34 weist in an sich bekannter
Weise eine äußere Radialnut 36 für den Eingriff
einer Schaltgabel oder dergleichen auf. Ferner weist die Schaltmuf fe 34 an
ihrem Innenumfang eine Innenverzahnung 38 auf, die mit
der Außenverzahnung
der Führungsmuffe 32 in
Eingriff steht.
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Die
Schaltkupplungsanordnung 30 beinhaltet ferner einen Kupplungskörper 40,
der fest mit dem zugeordneten Losrad 22 verbunden ist.
Der Kupplungskörper 40 weist
eine Außenverzahnung 42 auf, auf
die die Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 aufgeschoben
werden kann, um in Drehrichtung D eine formschlüssige Verbindung zwischen der
Welle 24 und dem Losrad 22 einzurichten. Obgleich
die Führungsmuffe 32 und
die Welle 24 zum einen und das Losrad 22 und der
Kupplungskörper 40 zum
anderen jeweils als einzelne Bauelemente dargestellt sind, ist es
erfindungsgemäß auch möglich, diese einstückig auszubilden.
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Die
Schaltkupplungsanordnung 30 weist ferner einen Synchronring 44 auf.
Der Synchronring 44 besitzt in an sich bekannter Weise
eine Reibfläche 46,
die mit einer Gegenreibfläche 48 des
Losrades 22 (oder des Kupplungskörpers 40 oder eines
dazwischen liegenden Konusrings) zusammmenwirkt.
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Die
Schaltkupplungsanordnung 30 weist ferner ein Sperrglied 50 auf,
das in radialer Richtung R beweglich gelagert ist. Das Sperrglied 50 greift
in der in 1 und 2 gezeigten
Neutralstellung in eine Rastiernut 52 am Innenumfang der
Schaltmuffe 34. Wie es in 2 zu sehen
ist, ist das Sperrglied 50 am Innenumfang der Schaltmuffe 34 in
axialer Richtung geführt.
Die Schaltmuffe 34 weist zu diesem Zweck an ihrem Innenumfang
eine axiale Führungsnut 53 auf.
Die axiale Führungsnut 53 ist
zwischen zwei Zähnen
Z2, Z3 der Innenverzahnung 38 gebildet. Ein dazwischen
liegender Zahn Z1 ist in radialer Richtung etwas zurückgenommen,
um eine axiale Führung
des Sperrgliedes 50 auch dann zu gewährleisten, wenn das Sperrglied 50 aus
der Rastiernut 52 herausgedrückt ist (was nachstehend noch
beschrieben werden wird).
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Die
Schaltkupplungsanordnung 30 weist ferner ein Synchronglied 54 auf,
das als ein Bauteil getrennt von dem Sperrglied 50 und
getrennt von dem Synchronring 44 ausgebildet ist.
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Die
Schaltkupplungsanordnung 30 weist ferner Federmittel 56 auf,
die dazu dienen, das Sperrglied 50 in radialer Richtung
nach außen
zu drücken, in
der gezeigten Neutralposition in die Rastiernut 52 hinein.
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Das
Synchronglied 54 ist an der Führungsmuffe 32 gelagert,
und zwar sowohl in axialer Richtung A als auch in Drehrichtung D
begrenzt beweglich, wie es insbesondere auch in 2 zu
sehen ist.
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Ferner
weist das Synchronglied 54 eine Aufnahme 58 für das Sperrglied 50 auf.
Mittels der Sperrgliedaufnahme 58 sind das Synchronglied 54 und
das Sperrglied 50 in axialer Richtung A im Wesentlichen
spielfrei gekoppelt. Ferner weist das Synchronglied 54 Mitnahmemittel 60 auf,
die mit Mitnahmemitteln 62 des Synchronringes 44 zusammenwirken.
Durch die Mitnahmemittel 60, 62 sind das Synchronglied 54 und
der Synchronring 44 in Drehrichtung im Wesentlichen spielfrei
miteinander gekoppelt.
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Ferner
weist das Synchronglied 54 eine Andrückfläche 64 auf, mittels
der der Synchronring 44 in axialer Richtung A angedrückt werden
kann, um die Reibflächen 46, 48 in
Reibkontakt zu bringen. In der dargestellten Ausführungsform
sind die Mitnahmemittel 60 des Synchrongliedes 54 als
eine axiale Ausnehmung gebildet, deren axiale Stirnfläche die
Andrückfläche 64 bildet.
Der Synchronring 44 weist einen konischen Ringkörper und
hiervon radial vorstehende Abschnitte auf, die als Mitnahmemittel 62 ausgebildet
sind und in die Ausnehmung 60 des Synchrongliedes 54 greifen.
Ferner wird der Synchronring 44 über diese Vorsprünge in axialer
Richtung A angedrückt.
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Wie
es in 1 zu sehen ist, sind die Schaltmuffe 34 und
das Sperrglied 50 in axialer Richtung A über eine
Keilflächenpaarung 66 gekoppelt,
die einen Teil der Rastiernut 52 bildet. Ferner ist in 2 zu
erkennen, dass das Sperrglied 50 und das Synchronglied 54 in
Drehrichtung D über
eine zweite Keilflächenpaarung 70 miteinander
gekoppelt sind. Der Winkel der ersten Keilflächenpaarung 66 wird
nachstehend als Rastierwinkel 68 bezeichnet und kann beispielsweise
im Bereich von 30° bis
70°, insbesondere
von 40° bis
60° und
bevorzugt von 50° bis
55° liegen.
Ferner bildet die zweite Keilflächenpaarung 70 zwischen
dem Sperrglied 50 und dem Synchronglied 54 einen
Winkel, der nachstehend als Sperrwinkel bezeichnet wird und im Bereich
von 30° bis
70° liegen
kann, insbesondere im Bereich von 40° bis 60°.
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Wie
es in 2 zu sehen ist, ist das Synchronglied 54 an
der Führungsmuffe 32 in
einer Synchrongliedaufnahme 74 in Drehrichtung D begrenzt beweglich
gelagert. Genauer gesagt ist das Synchronglied 54 zwischen
einer in 2 dargestellten Neutral- bzw.
Freigabeposition F und einer Sperrposition S (siehe 4)
bewegbar. Der hierfür
erforderliche Umschlagweg ist in 2 mit 76 bezeichnet. Anschlagflächen der
Führungsmuffe 32,
an denen das Synchronglied 54 in Drehrichtung anschlägt, sind in 2 mit 78 bezeichnet.
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Der
Anschlag kann auch zwischen den Sperrflächen 70 stattfinden.
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Die
Funktionsweise der in den 1 und 2 dargestellten
Schaltkupplungsanordnung 30 wird nachstehend anhand der 3 bis 8 im
Detail erläutert,
wobei in den 3 und 4 gezeigt ist,
wie die Sperrmittel die Schaltmuffe 34 sperren und ein
Durchschalten verhindern, solange keine Drehzahlgleichheit zwischen
Welle 24 und Losrad 22 erzielt ist, wobei die 5 und 6 den
Vorgang des Entsperrens zeigen, der ermöglicht wird, wenn auf Grund
der Synchronität
der Drehzahlen das Reibmoment zurückgeht, und wobei die 7 und 8 den
geschalteten Zustand der Schaltkupplungsanordnung zeigen, bei dem
das Losrad 22 und die Ausgangswelle 24 in Drehrichtung
D formschlüssig
miteinander über
die Verzahnungen 38, 42 verbunden sind.
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Wenn
ausgehend von der in den 1 und 2 gezeigten
Neutral- bzw. Freigabestellung die Schaltkupplungsanordnung 30 betätigt wird,
um das Losrad 22 mit der Ausgangswelle 24 zu verbinden, wird über die
Schaltmuffe 34 eine Axialkraft 82 (Schaltkraft)
auf die Schaltmuffe 34 ausgeübt, die die Schaltmuffe 34 in
Richtung hin zu dem Losrad 22 drückt.
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Hierbei
ist zunächst
davon auszugehen, dass die Ausgangswelle 24 und damit die
Führungsmuffe 32 und
die in Drehrichtung formschlüssig
hiermit verbundenen Bauteile Synchronglied 54 und Synchronring 44 eine
erste Drehzahl ω1 besitzen, und das Losrad 22 eine
zweite, unterschiedliche Drehzahl ω2.
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Sofern
die Schaltmuffe 34 in 3 nach rechts
gedrückt
wird (dies führt
zu einem Schaltmuffenweg 80), werden über die erste Keilflächenpaarung 66 das
Sperrglied 50, und über
die axiale Kopplung auch das Synchronglied 54, in axialer
Richtung mitgenommen, so dass die Andrückfläche 64 den Synchronring 44 axial
an das Losrad 22 andrückt. Hierbei
geraten die konischen Reibflächen 46, 48 in Reibeingriff.
Auf Grund dessen wird das Synchronglied 54 von dem Synchronring 44 in
Drehrichtung D mitgenommen, bis es an die Anschlagfläche 78 anschlägt (siehe 4).
In diesem Zustand steht die zweite Keilflächenpaarung 70 in
Eingriff, derart, dass ein Herunterdrücken des Sperrgliedes 50 in
radialer Richtung R nicht möglich
ist. Die über
die Schaltmuffe 34 ausgeübte Schaltkraft ist in 3 mit 82 bezeichnet.
Die hieraus über
die erste Keilflächenpaarung 66 auf
das Sperrglied 50 ausgeübte
Radialkraft ist in 3 und 4 mit 84 bezeichnet,
die hieraus auf das Sperrglied 50 ausgeübte Axialkraft mit 86. Die
an der Reibpaarung 46, 48 entstehende Reibkraft ist
schematisch mit 88 dargestellt, und die an der zweiten
Keilflächenpaarung 70 entstehende
Reibkraft in schematischer Weise mit 90.
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In
den 3 und 4 ist eine so genannte Sperrbedingung
erfüllt,
die ein Herabdrücken
des Sperrgliedes 50 verhindert. Die Sperrbedingung ist
in der dargestellten Schaltkupplungsanordnung eine Funktion des
Rastierwinkels 68, des Sperrwinkels 70 und der
tribologischen Eigenschaften. Ferner hängt der Sperrzustand natürlich auch
von der über
die Reibpaarung 46, 48 ausgeübte Reibkraft 88 ab.
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Wenn
sich nämlich
die Drehzahlen aneinander angeglichen haben (ω2 etwa
gleich ω1), ist die über die Reibflächenpaarung 46, 48 übertragene Reibkraft 88 relativ
gering, so dass das Sperrglied 50 über die Keilflächenpaarung 66 nach
unten gedrückt werden
kann (5). Hierbei wird zudem das Synchronglied 54 über die
zweite Keilflächenpaarung 70 in
die Freigabeposition F zurückgedrückt. Die
hierzu erforderliche Rückführkraft
ist in 6 schematisch mit 92 bezeichnet.
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In 6 ist
ferner zu erkennen, dass selbst dann, wenn das Sperrglied 50 vollständig aus
der Rastiernut 52 herausgedrückt ist, nach wie vor eine axiale
Führung
des Sperrgliedes in axialer Richtung zwischen den Zähnen Z2,
Z3 gegeben ist. Die Tiefe der zwischen diesen zwei Zähnen Z2,
Z3 verbleibende Tiefe der zur axialen Führung verwendeten Radialnut
ist in 6 schematisch mit 94 bezeichnet.
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Nachdem
das Sperrglied 50 vollständig aus der Rastiernut 52 herausgedrückt ist,
wird auch keine Axialkraft mehr auf den Synchronring 44 übertragen. Die
Schaltmuffe 34 befindet sich in einer so genannten "Freiflugphase", in der es sein
kann, dass sich die Drehzahlen von Ausgangswelle 24 und
Losrad 22 wieder voneinander entfernen. Diese Freiflugphase kann
jedoch relativ kurz ausgebildet werden, da es konstruktionsbedingt
möglich
ist, die Führung
der Schaltmuffe 34 an der nicht gezeigten Außenverzahnung
der Führungsmuffe 32 bis
nahe an den Kupplungskörper 40 heranzusetzen.
Ferner kann auf Grund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schaltkupplungsanordnung 30 die
Anspitzung der Verzahnung 38 relativ spitz ausgebildet
werden, so dass ein schnelles Einspuren in die Außenverzahnung 42 des
Kupplungskörpers 40 möglich ist.
Der damit erreichte geschaltete Zustand ist in den 7 und 8 gezeigt.
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Bei
der in den 1 bis 8 beschriebenen
Schaltkupplungsanordnung 30 weist der Synchronring 44 keine
Sperrverzahnung auf. Auch ist es (abgesehen von der optional vorgesehenen
dritten Keilflächenpaarung 96)
nicht notwendig, an dem Synchronring 44 Keilflächen zum
Realisierung der Sperrbedingung auszubilden. Die erforderlichen
Keilflächenpaarungen 66, 70 sind
ausschließlich
zwischen den relativ massiven Bauelementen Schaltmuffe 34,
Sperrglied 50 und Synchronglied 54 eingerichtet.
Der Synchronring 44 muss folglich keine hohen Sperrkräfte übertragen
und kann daher kostengünstig
hergestellt werden, beispielsweise als Sinterteil.
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Auch
die Bauteile Synchronglied 54 und Sperrglied 50 können als
einfache Bauteile gefertigt werden, beispielsweise als Sinterbauteile,
als Blechteile oder als Schmiedeteile.
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Auch
die in die Schaltmuffe 34 einzubringende axiale Führungsnut 53 bzw.
die Rastiernut 52 sind mit üblichen Werkzeugen zu realisieren.
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Nachstehend
werden abgewandelte oder alternative Ausführungsformen von Schaltkupplungsanordnungen
anhand der 9 bis 28 erläutert. All
diese Ausführungsformen
entsprechen hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell der
Schaltkupplungsanordnung 30 der 1 bis 8.
Im Folgenden werden daher lediglich Unterschiede erläutert.
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In 9 ist
eine abgewandelte Ausführungsform
gezeigt, bei der die Mitnahmemittel 60I des
Synchrongliedes als Ausnehmung ausgebildet sind (wie bei der Ausführungsform
der 1 bis 8), und wobei die Mitnahmemittel 62I des Synchronringes 44I als
radiale Vorsprünge
ausgebildet sind, die in die Ausnehmungen 60I greifen.
Bei dieser Ausführungsform
sind die radialen Vorsprünge 62I zudem getrennt von dem Konusring des
Synchronringes 44I hergestellt
und anschließend
mit diesem verbunden.
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10 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform,
bei der der Synchronring 44I einen
Synchronringträger 110 aufweist,
in dem Ausnehmungen 62II (Mitnahmemittel)
ausgebildet sind, in die axiale Vorsprünge 60II des
Synchrongliedes 54II greifen.
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In 11 ist
eine Ausführungsform
gezeigt, bei der das Sperrglied 50III ,
das Synchronglied 54III und die
Federmittel 56III als eine vormontierte
Einheit 112 ausgebildet sind.
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Genauer
gesagt ist das Sperrglied 50III in dem
Synchronglied 54III unverlierbar
gelagert, und die Federmittel 56III sind
innerhalb des Synchrongliedes 54III angeordnet.
An dem Synchronglied 54III sind ferner
Vorsprünge 60III ausgebildet, die nach der Art der
Vorsprünge 60II der 10 in
Ausnehmungen 62III des Synchronringes 44III greifen.
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Das
Synchronglied 54III kann bei der
Ausführungsform 30III der 12 als
Sinterteil oder als Blechbiegeteil ausgebildet sein.
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12 zeigt
die vormontierte Einheit 112 der 11 in
schematischer Form, wobei auch dargestellt ist, dass an dem Synchronglied 56III Vorsprünge ausgebildet sind, die verhindern,
dass das Sperrglied 50III aus dem
Synchronglied 56III herausfällt.
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13 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie XIII-XIII der 12.
Das Synchronglied 54III kann, wie
dargestellt, als Blechteil ausgebildet sein, wohingegen das Sperrglied 50III als massives Bauteil ausgebildet
sein kann, beispielsweise als Sinterbauteil.
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14 zeigt
eine Modifikation der Ausführungsform 30III der 11 bis 13,
wobei an dem Synchronglied 54IV der
vormontierten Einheit 112IV ein
axialer Vorsprung mit einer Ausnehmung 60IV ausgebildet
ist, in die ein Vorsprung 62IV des
Synchronringes 44IV greift (ähnlich wie
bei der Ausführungsform
der 1 bis 8).
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15 zeigt
eine Detailansicht XV der 14 und
zeigt beispielsweise eine relativ große Überdeckung zwischen den Mitnahmemitteln 60IV , 62IV .
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16 zeigt
eine Ausführungsform
eines Sperrgliedes 50V . Man erkennt
in der Darstellung der 16, dass das Sperrglied 50V erste, in Axialrichtung A gegenüberliegende
Keilflächen 114 aufweist, die
Teil der ersten Keilflächenpaarung 66 bilden.
Ferner ist zu erkennen, dass das Sperrglied 50V in
Drehrichtung D gegenüberliegende zweite
Keilflächen 116 aufweist,
die jeweils Teil der zweiten Keilflächenpaarung 70 bilden.
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In 17 ist
eine Variante eines Sperrgliedes 50VI gezeigt,
das an seinen in Drehrichtung D gegenüberliegenden Enden jeweils
sich in Axialrichtung A erstreckende Führungsnasen 118 aufweist,
die in Radialrichtung R gegenüber
einer Oberseite des Sperrgliedes vortreten.
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Die
Führungsnasen 118 sind
dazu ausgelegt, in Zahnlücken
der Innenverzahnung 38 einzugreifen, wie es beispielhaft
in 18 gezeigt ist.
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Mit
dieser Ausgestaltung kann die Stabilität der axialen Führung deutlich
verbessert werden, da sich in radialer Richtung ein Führungstiefenzuwachs 119 ergibt,
der in 18 schematisch angedeutet ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
können
sämtliche
Zähne Z
der Schaltmuffe 34 mit der gleichen Höhe, d.h. ohne Zahnrücknahme,
ausgeführt
werden, so dass der Innendurchmesser der Schaltmuffe 34 im Wesentlichen
konstant sein kann (wie es in 18 schematisch
durch einen gestrichelten Innendurchmesser angedeutet ist).
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19 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
einer Rastiernut 52VII . Die Rastiernut 52VII weist zum einen Keilflächen 122 auf,
die Teil der ersten Keilflächenpaarung 66 bilden.
Am Übergang
von den Keilflächen 122 zu
der axial verlaufenden Verzahnung 38 sind Fasen 124 vorgesehen,
die einen Fasenwinkel 120 aufweisen, der deutlich kleiner
ist als der Rastierwinkel 68. Der Fasenwinkel kann beispielsweise
im Bereich von 5° bis
40° liegen,
insbesondere im Bereich von 10° bis
30°.
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Mit
den Fasen 124 kann beim Entsperren ein untersperrendes
System erzeugt werden. Dies heißt mit
anderen Worten, dass der Synchronring 44 nach wie vor etwas
an das Losrad 22 angedrückt
wird, während
die Kante des Sperrgliedes an der Fase entlang gedrückt wird.
Das Wiederbeschleunigen des Losrades 22 kann so besser
verhindert werden. Die Freiflugphase kann mit anderen Worten kürzer ausgebildet
werden. Der Fasenwinkel 120 wird jedoch vorzugsweise so
gewählt,
dass über
ihn keine Sperrbedingung ausgelöst
werden kann.
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20 zeigt
eine der 2 entsprechende Darstellung
einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung 30V . Das Synchronglied 54V ist
als Blechbiegeteil ausgebildet. Das Sperrglied 50V weist
an seiner radialen Innenseite eine Ausnehmung bzw. Vertiefung 130 zur Aufnahme
und Führung
der Federmittel 56V (insbesondere
in der gezeigten Ausführung
als Schraubenfeder) auf.
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21 stellt
eine Schnittansicht entlang der Linie XXI-XXI von 20 dar
und zeigt, wie an dem Synchronring 44V Mitnahmemittel 62V ausgebildet sein können, die in eine Vertiefung
des Synchrongliedes 54V greifen.
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22 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung 30VI , wobei die Federmittel 56VI als eine Art Tellerfeder oder Ähnliches
ausgebildet sind.
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Die 23 und 24 zeigen
eine weitere alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung 30VII , wobei der grundsätzliche
Aufbau und die grundsätzliche
Funktion ähnlich
ist wie bei der Schaltkupplungsanordnung 30V der 20 und 21.
Bei der Schaltkupplungsanordnung 30VII ist
das Synchronglied 54VII jedoch
nicht als Blechteil, sondern als massives Bauteil (beispielsweise
als Sinterbauteil oder als Schmiedebauteil) ausgeführt.
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25 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung 30VIII , wobei, ähnlich wie bei der Ausführungsform
der 22, als Federmittel 56VIII eine
Tellerfeder verwendet wird. Es versteht sich, dass bei Verwendung
einer Tellerfeder an der radialen Innenseite des Sperrgliedes 50 keine
Ausnehmung vorgesehen sein muss.
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Die 26 bis 28 zeigen
unterschiedliche Ausführungsformen
von Synchronringen, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schaltkupplungsanordnung
geeignet sind. Insbesondere unterscheiden sich die Synchronringe
gegenüber dem
Stand der Technik dadurch, dass sie jeweils keine Sperrverzahnung
aufweisen. Die Mitnahmemittel sind teils als radiale Vorsprünge 62IX ausgebildet, alternativ als axiale
Ausnehmungen 62X oder als axiale Vorsprünge 62XI . Es versteht sich, dass vorzugsweise
mehrere der gezeigten Mitnahmemittel über den Umfang des jeweiligen
Synchronringes verteilt angeordnet sind, vorzugsweise eine Anzahl
von drei Mitnahmemitteln über
den Umfang verteilt.