DE102007019921B4

DE102007019921B4 - Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe

Info

Publication number: DE102007019921B4
Application number: DE102007019921.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Karais
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: DE102007019921A1

Abstract

Synchronisiereinrichtung (1) für ein Schaltgetriebe, mit der mindestens ein Losrad (2, 3) relativ zu einer Welle (4) wahlweise drehbar gehalten oder drehfest gelegt werden kann, wobei bei der Herstellung einer Drehverbindung zwischen dem Losrad (2, 3) und der Welle (4) ein Angleichen der Drehzahlen der Bauteile (2, 3, 4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung (1) aufweist:ein Spannelement (5, 6) zur Erzeugung eines direkten oder indirekten Reibschlusses zwischen dem Losrad (2, 3) und der Welle (4), wobei das Spannelement (5, 6) aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten und axial (a) relativ zueinander beweglichen Bauteilen mit hülsenförmigen Abschnitten (7, 8) besteht, wobei die hülsenförmigen Abschnitte (7, 8) bei relativer axialer Bewegung (a) zum Aufdehnen in radiale Richtung (r) ausgebildet sind und wobei zumindest ein Teil der hülsenförmigen Abschnitte (7, 8) in einer stirnseitig in das Losrad (2, 3) eingearbeiteten Ringnut (9) oder in einer stirnseitig in einen mit dem Losrad (2, 3) drehfest verbundenen Mitnehmerring eingearbeiteten Ringnut angeordnet sind,ein Betätigungselement (10), das relativ zur Welle (4) axial (a) verschiebbar angeordnet ist und das mindestens eine Betätigungsfläche (11) für das Spannelement (5, 6) für dessen radiale Aufdehnung aufweist, und eine Sperrvorrichtung (12, 13), mit einem Schaltelement (12) und einem Sperrelement (13), wobei das Schaltelement (12) und das Sperrelement (13) relativ zueinander verdrehbar, jedoch axial (a) relativ zueinander im Wesentlichen unverschiebbar sind, wobei das Sperrelement (13) mindestens einen Sperrzahn (14) aufweist, der zur Herstellung einer formschlüssigen Drehverbindung zum gleichzeitigen Eintritt in mindestens eine in das eine Bauteil (6) des Spannelements (5, 6) eingearbeitete Ausnehmung (15) und in mindestens eine in das Losrad (2, 3) eingearbeitete Ausnehmung (16) ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung für ein Schaltgetriebe, mit der mindestens ein Losrad relativ zu einer Welle wahlweise drehbar gehalten oder drehfest gelegt werden kann, wobei bei der Herstellung einer Drehverbindung zwischen dem Losrad und der Welle ein Angleichen der Drehzahlen der Bauteile erfolgt.
Hintergrund der Erfindung
Eine Synchronisiereinrichtung dient zum Schalten von Gangrädern in einem Getriebe. Dabei wird bei einer weit verbreiteten Art der Einrichtung eine Anordnung von Synchronringen einem Gangrad zugeordnet. Die Anordnung hat mindestens zwei und häufig drei Synchronringe, nämlich einen Synchron-Innenring, einen Synchron-Außenring und einen dazwischen angeordneten Synchron-Zwischenring. Die Synchronringe sind längs der Drehachse der Getriebewelle bzw. längs der Drehachse der Synchronringe so ineinander geschoben, dass der Synchron-Außenring den Synchron-Innenring in Umfangsrichtung umfasst. Jeder Synchronring weist mindestens eine Ringfläche auf, mit der während der Synchronisation der Drehzahlen der Getriebewelle mit den Drehzahlen der zu schaltenden Gangräder ein reibschlüssiger Kontakt zu einer weiteren Ringfläche hergestellt wird. Jede der Reibflächen liegt an einem der Synchronringe einer Reibfläche eines anderen Synchronringes gegenüber.
Synchronisiereinrichtungen der genannten Art dienen also zum Angleichen der Drehzahldifferenz zwischen der angetriebenen Welle und dem Gang- bzw. Losrad und zur Übertragung des Drehmoments von der Antriebswelle zum geschalteten bzw. arretierten Losrad. Synchronisiereinrichtungen dieser Art sind beispielsweise aus US 2 046 439 A oder aus DE 1 152 311 A bekannt.
Durch weiter wachsende Motorleistungen, durch automatisierte Schaltungen und durch die mittlerweile gebräuchlichen Doppelkupplungsgetriebe müssen die Komponenten der Synchronisiereinrichtung stets zur Erreichung einer höheren spezifischen Leistungsfähigkeit weiterentwickelt werden bzw. um weitere Elemente ergänzt werden (z. B. Einfach-, Zweifach-, Dreifachkonussysteme, aufwändigere Beschichtung). Ferner werden durch den Quereinbau der Motoren immer kürzere Getriebe benötigt, die durch Mehrwellentechnik kostenintensiv realisiert werden. Damit bestehen die gattungsgemäßen Synchronisiereinrichtungen aus relativ vielen Bauteilen, was sich unter Kostengesichtspunkten nachteilig auswirkt. Weiterhin ist ein relativ hoher Abstimmungsaufwand erforderlich. Bei nur geringen Maßabweichungen kann es schnell zu Funktionsbeeinträchtigungen kommen.
Ferner ist folgender Aspekt beachtlich: Es muss sichergestellt werden, dass es auch bei Lastwechseln im geschalteten Zustand eines Gangrades zu keiner Relativdrehung zwischen der Welle und dem geschalteten Gangrad kommt. Sofern für das Synchronisieren und das sich anschließende drehfest Legen des Losrades relativ zur Welle ausschließlich auf Reibschluss abgestellt werden soll, können Lastwechsel zu Problemen führen. Sofern kurzzeitig der Reibschluss bei einem Lastwechsel gelöst wird, kann es nämlich zu einem unerwünschten Hochlaufen des Motors kommen, was nachteilig ist.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Synchronisiereinrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es mit weniger Bauteilen möglich wird, den Synchronisiervorgang zu bewerkstelligen. Dabei sollen die benötigten Bauteile möglichst einfach ausgestaltet sein, um sie preiswert herstellen zu können. Durch wenige Bauteile soll auch der Bauraumbedarf für die Synchronisiereinrichtung minimal bleiben. Die Drehzahldifferenzen sollen im Betrieb der Synchronisiereinrichtung sicher angeglichen werden können. Die Synchronisiereinrichtung soll also auf kleinem Bauraum eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen. Mit der Reduzierung des Bauraums soll auch eine Gewichtsreduzierung einher gehen. Ferner soll die Synchronisiereinrichtung einen guten Schaltkomfort aufweisen und gegen Toleranzschwankungen unanfällig sein. Schließlich soll auch sichergestellt sein, dass es auch insbesondere im Falle von Lastwechseln zu keinem temporären Lösen der Drehverbindung zwischen Welle und geschaltetem Gangrad kommt; damit soll sichergestellt sein, dass es zu keinem unerwünschten Hochlauf des Motors kommt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung aufweist:

ein Spannelement zur Erzeugung eines direkten oder indirekten Reibschlusses zwischen dem Losrad und der Welle, wobei das Spannelement aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten und axial relativ zueinander beweglichen Bauteilen mit hülsenförmigen Abschnitten besteht, wobei die hülsenförmigen Abschnitte bei relativer axialer Bewegung zum Aufdehnen in radiale Richtung ausgebildet sind und wobei zumindest ein Teil der hülsenförmigen Abschnitte in einer stirnseitig in das Losrad eingearbeiteten Ringnut (oder alternativ in einer stirnseitig in einen mit dem Losrad drehfest verbundenen Mitnehmerring eingearbeiteten Ringnut) angeordnet sind,
ein Betätigungselement, das relativ zur Welle axial verschiebbar angeordnet ist und das mindestens eine Betätigungsfläche für das Spannelement für dessen radiale Aufdehnung aufweist, und
eine Sperrvorrichtung, mit einem Schaltelement und einem Sperrelement, wobei das Schaltelement und das Sperrelement relativ zueinander verdrehbar, jedoch axial relativ zueinander im Wesentlichen unverschiebbar sind, wobei das Sperrelement mindestens einen Sperrzahn aufweist, der zur Herstellung einer formschlüssigen Drehverbindung zum gleichzeitigen Eintritt in mindestens eine in das eine Bauteil des Spannelements eingearbeitete Ausnehmung und in mindestens eine in das Losrad eingearbeitete Ausnehmung ausgebildet ist.

Das Schaltelement und das Sperrelement sind dabei bevorzugt als ringförmige Bauteile ausgebildet. Das Sperrelement kann über den Umfang verteilt eine Anzahl Sperrzähne aufweisen.
Der mindestens eine Sperrzahn kann in seinem axial endseitigen Bereich mit mindestens einer Fase oder Verrundung versehen sein, was das Eintreten in die Ausnehmung im Losrad erleichtert.
Das Schaltelement kann über den Umfang verteilt eine Anzahl Betätigungsstege aufweisen. Diese weisen bevorzugt in axiale Richtung. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die Betätigungsstege Verbindungsmittel zum Verbinden mit dem Betätigungselement aufweisen. Diese Verbindungsmittel können als im Radialschnitt hakenförmige oder bogenförmige Abschnitte ausgebildet sein, die ein Teil des Betätigungselements umgreifen können.
Das Schaltelement und das Sperrelement können dadurch relativ zueinander axial unverschieblich ausgebildet werden, dass ein erster Ringabschnitt des einen Teils einen zweiten Ringabschnitt des anderen Teils umgreift.
Bevorzugt bestehen das Schaltelement und das Sperrelement jeweils aus gestanztem und umgeformtem Blech.
Die Sperrvorrichtung ist bevorzugt in einem zwischen den beiden Bauteilen des Spannelements ausgebildeten Raum angeordnet, wobei sich der Raum über eine radiale Erstreckung und auch über eine axiale Erstreckung ausdehnt.
Die hülsenförmigen Abschnitte des Spannelements sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet und weisen an ihren zugewandten Seiten mindestens eine Kegelfläche auf. Die hülsenförmigen Abschnitte des Spannelements haben besonders bevorzugt zwei benachbarte Kegelflächen mit gegensinniger Ausrichtung zur Achsrichtung.
Die sich im Losrad befindliche Ringnut hat weiterbildungsgemäß im Radialschnitt eine rechteckige Kontur.
Die beiden Bauteile des Spannelement sind bevorzugt mit mindestens zwei zusammenwirkenden Gewindeabschnitten versehen, die so ausgebildet sind, dass bei Eingriff der Gewindeabschnitte und relativer Verdrehung der beiden Bauteile eine relative axiale Verschiebung zwischen den Bauteilen hervorgerufen wird.
Ein Gewindeabschnitt kann an einer radial nach innen gerichteten Fläche eines zylindrischen Abschnitts des einen Bauteils angeordnet sein. Entsprechend kann ein Gewindeabschnitt an einer radial nach außen gerichteten Fläche eines zylindrischen Abschnitts des anderen Bauteils angeordnet sein. Der zylindrische Abschnitt kann aus einer Anzahl Segmenten oder Lamellen bestehen, die durch axial verlaufende Schlitze voneinander getrennt sind. Ferner kann der zylindrische Abschnitt in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise mit einer umlaufenden Nut versehen sein, die zum formschlüssigen Zusammenwirken mit mindestens einer Betätigungsfläche des Betätigungselements ausgebildet ist.
Zwischen zwei mit umlaufender Nut versehenen Segmenten des zylindrischen Abschnitts kann ein Segment ohne umlaufende Nut angeordnet sein.
Mindestens eines der beiden Bauteile des Spannelements, insbesondere deren hülsenförmige Abschnitte, kann mit einer Anzahl Schlitzen versehen sein.
Das radial innen liegende Bauteil des Spannelements kann eine Innenverzahnung aufweisen, die mit einer an der Welle angeordneten Außenverzahnung zusammenwirkt. Zwischen dem Losrad und der Welle kann eine Nadellagerung angeordnet sein.
Das Betätigungselement kann zwei benachbarte Betätigungsflächen aufweisen, die im Radialschnitt eine pfeilförmige Kontur bilden.
Das Betätigungselement kann als Wälzlager ausgebildet sein, dessen Innenring die mindestens eine Betätigungsfläche aufweist.
Das Betätigungselement kann als Wälzlager ausgebildet sein, dessen Außenring eine außen umlaufende Ringnut für den Eingriff eines Betätigungsorgans aufweist. Das Wälzlager ist dabei bevorzugt ein Rillenkugellager.
Mindestens eine zum Reibkontakt vorgesehene Fläche eines Bauteils des Spannelements kann mit einer reibungsfördernden Beschichtung versehen sein, wobei diese Molybdän oder Schwefel enthalten kann.
Durch den Erfindungsvorschlag wird eine Synchronisiereinrichtung geschaffen, die sich nicht nur durch wenige Bauteile und eine kompakte und leichte Bauform auszeichnet, sondern bei der auch sichergestellt ist, dass im geschalteten Zustand eines Losrades eine formschlüssige drehfeste Verbindung vorliegt, so dass die Funktionalität des Einrichtung sichergestellt ist.
Figurenliste
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 den Radialschnitt durch eine Synchronisiereinrichtung mit zwei relativ zu einer Welle wahlweise zu schaltenden Losrädern im nicht geschalteten Zustand der Losräder,
2 den Radialschnitt gemäß 1, wobei nun das linke Losrad drehfest zur Welle geschaltet ist,
3 in perspektivischer Darstellung ein radial innen liegendes Bauteil eines Spannelements der Synchronisiereinrichtung,
4 in perspektivischer Darstellung eines der Losräder,
5 in perspektivischer Darstellung den Sperrring einer Sperrvorrichtung der Synchronisiereinrichtung,
6 in perspektivischer Darstellung den Schaltring der Sperrvorrichtung der Synchronisiereinrichtung,
7 in perspektivischer Darstellung ein geschnittenes Losrad mit ebenfalls geschnitten dargestelltem Spannelement samt Sperrvorrichtung,
8 in perspektivischer Darstellung die Anordnung gemäß 7, jedoch ohne radial außenliegendes Spannelement der Synchronisiereinrichtung,
9 in perspektivischer Darstellung die Anordnung gemäß 7, jedoch ohne radial außenliegendes Spannelement und ohne Schaltring der Synchronisiereinrichtung,
10 im Radialschnitt die Synchronisiereinrichtung, wobei die Sperrvorrichtung noch nicht aktiv ist, und
11 dieselbe Darstellung wie in 10, wobei jetzt jedoch die Sperrvorrichtung aktiv ist.

Ausführliche Beschreibung der Figuren
In den 1 und 2 ist eine Synchronisiereinrichtung 1 zu sehen, mit der es möglich ist, ein Losrad 2 oder 3, das auf einer Welle 4 drehbar angeordnet ist, derart zu schalten, d. h. drehfest zu legen, dass beim Schaltvorgang eine Drehzahlangleichung zwischen Welle 4 und Losrad 2, 3 erfolgt, also ein Synchronisiervorgang durchgeführt wird. Dabei kann wahlweise das linke Losrad 2 oder das rechte Losrad 3 in drehfeste Verbindung mit der Welle 4 gebracht werden. Die Losräder 2, 3 sind zunächst über Nadellagerungen 34 drehbar auf der Welle 4 angeordnet, können jedoch durch den nachstehend beschriebenen Aufbau drehfest mit der Welle 4 gekoppelt werden.
Die Herstellung einer drehfesten Verbindung zwischen der Welle 4 und einem der Losräder 2, 3 erfolgt zunächst durch Reibschluss. Hierfür weist das Losrad 2, 3 eine stirnseitig eingearbeitete Ringnut 9 auf, die im Radialschnitt - wie ersichtlich - eine rechteckige Form hat. In diese Ringnut 9 ragt ein Spannelement 5, 6 mit einem axialen Ende hinein, das aus zwei Bauteilen 5 und 6 besteht. Im axial endseitigen Bereich haben die Bauteile 5, 6 des Spannelements hülsenförmig Abschnitte 7 und 8. Die beiden Bauteile 5, 6 bzw. die beiden hülsenförmigen Abschnitte 7, 8 sind dabei koaxial zueinander angeordnet. Dabei liegen nicht nur die hülsenförmigen Abschnitte 7, 8 koaxial übereinander, sondern auch im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete Abschnitte 27 und 28 (s. 3 und 7), die im anderen axialen Endbereich des Spannelements 5, 6 angeordnet sind.
Wie es am besten in 10 zu sehen ist, weisen die beiden hülsenförmigen Abschnitte 7 und 8 der Bauteile 5 und 6 des Spannelements im Radialschnitt Kegelflächen 21, 22, 23 und 24 auf, über die sie miteinander in Kontakt sind. Die Kegelflächen 21 und 23 des hülsenförmigen Abschnitts 7 sowie die Kegelflächen 22 und 24 des hülsenförmigen Abschnitts 8 bilden jeweils eine pfeilförmige Kontur. Kommt es zu einer relativen Verschiebung zwischen den beiden Bauteilen 5 und 6 des Spannelements in axiale Richtung a, hat dies zur Folge, dass sich die Einheit bestehend aus den beiden Bauteilen 5 und 6 in radiale Richtung r in Folge der zusammenwirkenden Kegelflächen aufweitet. Da die hülsenförmigen Abschnitte 7, 8 wie erläutert in die Ringnut 9 hineinragen, kommt es bei einer radialen Aufweitung der hülsenförmigen Abschnitt 7, 8 zu einem Klemmen zwischen Losrad 2 und Spannelement 5, 6.
Diese bei axialer Verschiebung allmählich größer werdende radiale Aufweitung und die damit einher gehende stärker werdende Klemmkraft wird genutzt, um die Drehung der Welle 4 mit derjenigen des Losrads 2 zu synchronisieren.
Hierfür weisen die beiden Bauteile 5, 6 an den zylindrischen Abschnitten 27 und 28 zwei zusammenwirkende Gewindeabschnitte 25 und 26 auf. (s. 3 und 10). Namentlich ist ein Gewindeabschnitt 25 in die radial innen liegenden Fläche des zylindrischen Abschnitts 27 des Bauteils 5 und ein weiterer Gewindeabschnitt 26 in die radial außen liegende Fläche des zylindrischen Abschnitts 28 des Bauteils 6 eingearbeitet. Wie weiter zu sehen ist (s. 7), ist der zylindrische Abschnitt 27 des Bauteils 5 geschlitzt ausgebildet, d. h. er weist Schlitze 29 auf, die den zylindrischen Abschnitt 27 in Segmente oder Lamellen unterteilen. Hierdurch werden die einzelnen Segmente in radiale Richtung r elastisch gemacht.
Wie in 1 und 2 zu sehen ist, ist axial verschieblich auf der Welle 4 und zwischen den Losrädern 2, 3 ein Betätigungselement 10 angeordnet, das nach Art eines Rillenkugellagers ausgeführt ist. Der Außenring 36 des Betätigungselements 10 weist eine Ringnut 37 auf. In diese Ringnut 37 greift ein - nicht dargestelltes - Betätigungsorgan ein, d. h. ein Schaltfinger, mit dem das Betätigungselement 10 axial bewegt werden kann. Der Innenring 35 des Betätigungselements 10 weist zwei Betätigungsflächen 11 auf, die im Radialschnitt zusammen eine pfeilförmige Kontur bilden.
Auf der Welle 4 befindet sich eine Außenverzahnung 33. Das eine Bauteil 6 des Spannelements 5, 6 ist mit einer korrespondierenden Innenverzahnung 32 versehen (s. 3), so dass das Bauteil 6 stets mit der Welle 4 drehfest verbunden ist, d. h. das Bauteil 6 dreht stets mit Wellendrehzahl.
Wird das Betätigungselement 10 zwecks Schaltung eines der Losräder 2, 3 axial bewegt, drückt die Betätigungsfläche 11 die segmentartig ausgebildeten Abschnitte des zylindrischen Abschnitts 27 radial nach innen. Durch diese Bewegung werden die beiden Gewindeabschnitte 25 und 26 in Eingriff gebracht, so dass es - solange es eine Relativdrehung zwischen den beiden Bauteilen 5, 6 des Spannelements gibt - zu einer relativen axialen Verschiebung zwischen den Bauteilen 5, 6 und damit aufgrund der Kegelflächen 21, 22, 23, 24 zu einer radialen Aufweitung kommt. Dies wiederum ruft die Klemmung des Spannelements 5, 6 in der Ringnut 9 hervor, so dass Reibschluss zwischen der Welle 4 und dem Losrad 2 oder 3 hergestellt wird. Über den Reibschluss wird auch das Losrad 2 bzw. 3 relativ zur Welle 4 drehfest gelegt, da das Bauteil 6 aufgrund der Verzahnungen 32, 33 an der Welle 4 drehfest gelegt ist.
Damit im geschalteten Zustand das Betätigungselement 10 in einer definierten Stellung verharrt, weist der zylindrische Abschnitt 27 (s. 7), d. h. zumindest eine Anzahl der segmentartigen Bereiche des Abschnitts 27, eine Nut auf (nicht bezeichnet), die als umlaufende Ringnut ausgeführt ist. In dieser Nut ruht die „Pfeilspitze“ zwischen den beiden Betätigungsflächen 11 des Betätigungselements 10; das Betätigungselement 10 ist damit axial in dieser Position arretiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass nur jeder zweite Segmentteil des zylindrischen Abschnitts 27 die Nut aufweist. Die dazwischen liegenden Segmentteile des zylindrischen Abschnitts 27 können mit dem Gewindeabschnitt 25 versehen sein.
Damit für die radiale Aufweitung der hülsenförmigen Abschnitte 7 und 8 keine hohen Kräfte benötigt werden, sind Schlitze 30 bzw. 31 in die Abschnitte 7, 8 eingebracht (s. 3 und 7). Die Schlitze 30, 31 können sich dabei in Achsrichtung a erstrecken oder zu dieser auch unter einem Winkel angeordnet sein.
Um die Reibfähigkeit der Reibpartner zu verbessern, können die entsprechenden Oberflächen mit einer reibungsfördernden Molybdän- oder Schwefel-Schicht versehen sein.
Dargestellt ist im Ausführungsbeispiel, dass sich das Spannelement 5, 6 direkt in die Ringnut 9 hinein erstreckt und hier die erläuterte radiale Aufweitung erfolgt. Hierdurch kann es in nachteiliger Weise jedoch dazu kommen, dass sich das Losrad 2, 3 und damit auch die Verzahnung, die am Außenumfang des Losrads 2, 3 angeordnet ist, verformt. Um Verformungen aus den Spannsatzkräften der Bauteile 5, 6 auf die Zahnradgeometrie zu verhindern, kann als alternative Ausgestaltung vorgesehen sein, einen Mitnehmerring (nicht dargestellt) vorzusehen, der in das Losrad 2, 3 eingebettet ist. Zwischen dem Mitnehmerring und dem Losrad 2, 3 besteht dann eine formschlüssige Verdrehsicherung. Damit wird ebenfalls das Losrad 2, 3 drehfest gelegt, Verformungen infolge der radialen Spannkräfte wirken dann jedoch auf den Mitnehmerring und nicht auf die Verzahnung des Losrads 2, 3.
Was das Betätigungselement 10 anbelangt, kann alternativ zur Ringnut 37 auch ein klassischer Außenring vorgesehen sein, der von einer Schaltgabel (mit U-förmigem Radialschnitt) umgriffen und von dieser betätigt wird. In jedem Falle wird axiales Spiel zwischen Schaltgabel bzw. Schaltfinger und Außenring 36 vorgesehen.
Sind beide Losräder 2, 3 nicht geschaltet, befindet sich das von der Schaltgabel axial geführte Betätigungselement 10 (Rillenkugellager) zwischen den beiden Spannhülsensätzen 5, 6. Die Innenkonusflächen des Betätigungselements 10 stützen sich dabei auf Einführungskonen der gespreizten Lamellen bzw. Segmente der äußeren Spannhülsen 5. Die Bauteile rotieren ohne Zwang durch Schlepp- und Reibungseffekte mit den umgebenden Bauteilen, wie die Losräder 2, 3 und die Antriebswelle 4 mit den inneren Spannhülsen 6.
Soll ein Gang geschaltet werden, wird die Schaltgabel und mit ihr das Betätigungselement 10 axial verschoben. Durch das axiale Verschieben des Betätigungselements 10 auf die im entspannten Zustand gespreizten Lamellen bzw. Segmente der äußeren Spannhülse 5 sorgt die konische Lager-Innenkontur (Betätigungsflächen 11) dafür, dass sich die Lamellen schließen und der Gewindeverbund 25, 26 in Eingriff kommt. Gleichzeitig werden die Lamellen auf der anderen Konenseite durch das Schließen auf der Gewindeseite nach außen gedrängt, so dass der Reibschluss zwischen dem Losrad 2, 3 und der äußeren Spannhülsenreibfläche hergestellt wird.
Die Außenkontur der vom Betätigungselement 10 zu schließenden Lamellen sind wechselseitig so gestaltet, dass das Betätigungselement 10 durch einen Arretierungsmechanismus selbst in der axialen Position gehalten wird.
Da das Losrad mit Losraddrehzahl und die Spannhülse 6 noch mit der hierzu verschiedenen Wellendrehzahl dreht, sorgt der Reibschluss für eine relative Verdrehung der Spannhülsen 5, 6 im Gewindeverbund, was zu einer axialen Verschiebung der Spannsatzkomponenten führt. Durch die doppelseitigen Konen ist es unerheblich, in welcher Drehrichtung der Synchronisationsvorgang abläuft (Beschleunigung oder Verzögerung des Losrades 2, 3). Solange zwischen der Welle 4 und dem Losrad 2, 3 noch eine Relativdrehung stattfindet, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Reibungsdurchmesser und Reibungskoeffizienten zu einem weiteren Spannen, da die äußere Reibfläche der Spannhülse ein größeres Reibmoment übertragen kann, als die inneren Konusflächen. Dadurch wird immer soviel Verkeilspannung aufgebaut, wie es zur Übertragung des Drehmoments notwendig ist.
Soll der Gang gewechselt werden, wird das Betätigungselement 10 mit der konischen Innenkontur von der Spannhülse gezogen. Die Lamellen (Segmente) spreizen sich auf und der Verspannungsverbund der Gewindeabschnitte 25, 26 wird aufgelöst, da die Kegel des Spannzangensatzes außerhalb des Selbsthemmungsbereiches ausgelegt sind. Somit ist das Gangrad wieder von der Welle entkoppelt und kann ohne Zwang mit dem Gegenrad kämmen. Ein anderer Gang kann geschaltet werden.
Bezüglich des als Rillenkugellager ausgeführten Betätigungselements 10 steht eine andere preiswerte Variante zur Verfügung. Hiernach ist für das Wälzlager eine einfache Schaltmuffe - ähnlich der bekannten Schiebemuffe, jedoch mit doppelkonischer Innenkontur (ohne Innenverzahnung) - vorgesehen. Die Aktuatorik ist dann identisch mit dem bekannten System (Schaltgabel; Schaltgabelnut).
Bezüglich der äußeren Spannhülse 5 sieht eine Variante vor, an der äußeren Mantelfläche eine Längsaußenverzahnung anzubringen, die in eine korrespondierende Längsinnenverzahnung in der Ringnut 9 des Gangrades 2, 3 (bzw. in den genannten Mitnehmerring) eingreift.
Sollten im Betrieb der Vorrichtung Drehzahldifferenzen zwischen der Welle 4 und dem Losrad 2, 3 auftreten - beispielsweise aufgrund eines plötzlich steigenden Drehmoments -, würden die Verspannkräfte durch weitere relative Verdrehung stärker werden, bis wiederum Gleichlauf vorliegt.
Es besteht jedoch die Gefahr, dass es infolge von starken Lastwechseln zu einem kurzzeitigen Lösen des Reibschlusses zwischen dem Losrad 2, 3 und der Welle 4 kommt. Dann würde der Motor kurzzeitig Hochfahren, was unerwünscht ist.
Um dies zu verhindern, sieht die Erfindung vor, dass der erläuterte Reibschluss zwischen Losrad 2, 3 und Welle 4 im geschalteten Zustand durch einen Formschluss abgesichert wird.
Hierfür ist eine Sperrvorrichtung vorgesehen, die im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht, nämlich aus einem Schaltelement 12 (Schaltring) und einem Sperrelement 13 (Sperrring). Die beiden Teile 12, 13 sind in den 5 und 6 separat dargestellt. Sie sind so ausgebildet, dass sie um die gemeinsame Drehachse unabhängig voneinander drehen können, jedoch relativ zueinander axial festgelegt sind; d. h. eine Relativbewegung in axiale Richtung a kann zwischen den Teilen 12, 13 nicht stattfinden.
Dies wird beispielsweise erreicht, indem eine Ausgestaltung vorgesehen wird, wie sie in 10 zu sehen ist. Hier umgreift ein erster Ringabschnitt 19 am Schaltring 12 einen zweiten Ringabschnitt 20 am Sperrring 13.
Am Schaltring 12 sind - s. 6 - mehrere Bestätigungsstege 17 angeordnet, die sich in axiale Richtung a erstrecken. Die Betätigungsstege 17 weisen dabei im axialen Endbereich Verbindungsmittel 18 auf, die als bogenförmige Biegung ausgebildet sind. Damit können sie beim Schalten eines Losrades 2, 3 (lösbar) am Betätigungselement 10 festgelegt werden.
Der Sperrring 13 weist - s. 5 - eine Anzahl um den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Sperrzähne 14 auf, die sich in axiale Richtung a erstrecken.
Wie in 3 zu sehen ist, enden die Schlitze 31 in Ausnehmungen 15, die in das Spannelement 6 eingearbeitet sind und die von Ihrer axialen Projektionsfläche so groß sind, dass sie mindestens derjenigen der Sperrzähne 14 entsprechen.
Andererseits sind - wie es in 4 gesehen werden kann - in das Losrad 2, 3 Ausnehmungen 16 eingearbeitet, für die dasselbe gilt, d. h. die axiale Projektionsfläche der Ausnehmungen 16 entspricht auch hier mindestens derjenigen der Sperrzähne 14.
Wird die Sperrvorrichtung bestehend aus dem Schaltring 12 und dem Sperrring 13 so eingebaut, wie es sich aus 10 ergibt, führt dies dazu, dass beim axialen Verschieben der Sperrvorrichtung 12, 13 nach links die Sperrzähne 14 durch die Ausnehmungen 15 im Spannelement 6 hindurch und weiter in die Ausnehmungen 16 im Losrad 2, 3 eintreten. Hierdurch ergibt sich eine formschlüssige Drehverbindung zwischen den Teilen 6 und 2, 3 und damit - weil das Teil 6 mittels der Verzahnungen 32, 33 mit der Welle 4 drehfest verbunden ist - auch eine drehfeste Verbindung zwischen dem nunmehr geschalteten Losrad 2, 3 und der Welle 4.
Wenn nunmehr die Spannzange mit ihren Bauteilen 5 und 6 bei einem Lastwechsel über das Gewinde 25, 26 in axiale Richtung geschoben und damit der Reibschluss zwischen dem Losrad 2, 3 und der Welle 4 kurzzeitig aufgehoben wird, löst sich die drehmomentübertragende Verbindung im Antriebsstrang, so dass der Motor ohne Last hochlaufen würde.
Durch den Einsatz der Sperrvorrichtung 12, 13 wird dies jedoch verhindert, da zusätzlich zum Reibschluss auch Formschluss gegeben ist.
Der Schaltring 12 befindet sich zwischen der äußeren und inneren Spanzange, d. h. zwischen den Bauteilen 5 und 6. Die drei Betätigungsstege 17 sind durch vergrößerte Spalte in der äußeren Spannzange 5 hindurch gesteckt. Dadurch läuft der Schaltring 12 mit der gleichen Drehzahl wie die äußere Spannzange 5. Der Sperrring 13 befindet sich, wie erläutert, ebenfalls in dem Zwischenraum zusammen mit dem Schaltring 12.
Beim Schalten eines Losrades 2, 3, d. h. beim Einlegen eines Ganges, wird das Betätigungselement 10 (Schiebemuffe) axial bewegt, so dass es aufgrund der Gewindeabschnitte 25, 26 zu der erläuterten relativen axialen Bewegung zwischen den Spannelementen 5, 6 und hierdurch zum Synchronisieren kommt. Beim weiteren axialen Verschieben des Betätigungselements 10 drückt dieses auf die Betätigungsstege 17 und somit auf den Schaltring 12; dieser drückt weiter auf den Sperrring 13. Hierdurch werden die Sperrzähne 14 in die Aussparungen 16 im Losrad 2, 3 eingeführt. Der Formschluss kommt hierdurch zustande.
In Ausnahmefällen kann es vorkommen, dass die Sperrzähne zwischen den Ausnehmungen 16 stehen. Dann werden die Sperrzähne 14 über den Konus des Losrades 2, 3 radial nach außen gedrückt und damit vorgespannt. Kommt es dann zu einer kleinen Verdrehung, schnappen die Sperrzähne 14 in die Ausnehmung 16 im Losrad 2, 3 ein, so dass der Formschluss vorliegt.
Beim Auslegen des Ganges, d. h. beim Lösen der Drehverbindung zwischen Losrad 2, 3 und Welle 4, wird das Betätigungselement 10 in Richtung Neutralstellung verschoben. Der Schaltring 12 wird dabei über die Verbindungsmittel 18 (s. 6) an den Betätigungsstegen 17 mitgenommen. Durch diese Verschiebung werden die Sperrzähne 14 über den Sperrring 13 aus den Ausnehmungen 16 im Losrad 2, 3 gezogen und so der Formschluss gelöst.
Die Anordnung ist also so aufgebaut, dass die Sperrvorrichtung 12, 13 im Raum zwischen der inneren und der äußeren Spannzange 5, 6 untergebracht ist.
Die Betätigungsstege 17 greifen durch zusätzliche Aussparungen in der äußeren Spannzange 5.
Die Länge der Betätigungsstege 17 ist dabei so gewählt, dass sie erst in Kontakt mit dem Betätigungselement 10 kommen, wenn die Spannelemente 5, 6 bereits aktiviert sind und der Reibschluss kurz vor dem Blockieren steht. Durch das Drücken auf das Betätigungselement 10 werden die Sperrzähne 14 in die Ausnehmungen 16 im Losrad 2, 3 eingeschoben, so dass der Formschluss hergestellt wird.
Aus dem Vergleich der 10 (Neutralposition, es liegt noch kein Formschluss vor) und 11 (geschaltete Stellung, Formschluss liegt vor) wird ersichtlich, wie die Betätigungsstege 17 durch das Betätigungselement 10 verschoben wurden, um den Formschluss herzustellen.
Bezugszeichenliste

1: Synchronisiereinrichtung
2: Losrad
3: Losrad
4: Welle
5: Spannelement
6: Spannelement
7: hülsenförmiger Abschnitt
8: hülsenförmiger Abschnitt
9: Ringnut
10: Betätigungselement
11: Betätigungsfläche
12, 13: Sperrvorrichtung
12: Schaltelement (Schaltring)
13: Sperrelement (Sperrring)
14: Sperrzahn
15: Ausnehmung im Spannelement 6
16: Ausnehmung im Losrad
17: Betätigungssteg
18: Verbindungsmittel
19: erster Ringabschnitt
20: zweiter Ringabschnitt
21: Kegelfläche
22: Kegelfläche
23: Kegelfläche
24: Kegelfläche
25: Gewindeabschnitt (Feingewinde)
26: Gewindeabschnitt (Feingewinde)
27: zylindrischer Abschnitt (segmentiert / lamellenartig)
28: zylindrischer Abschnitt
29: Schlitz
30: Schlitz
31: Schlitz
32: Innenverzahnung
33: Außenverzahnung
34: Nadellagerung
35: Innenring
36: Außenring
37: Ringnut
r: radiale Richtung
a: axiale Richtung

Claims

Synchronisiereinrichtung (1) für ein Schaltgetriebe, mit der mindestens ein Losrad (2, 3) relativ zu einer Welle (4) wahlweise drehbar gehalten oder drehfest gelegt werden kann, wobei bei der Herstellung einer Drehverbindung zwischen dem Losrad (2, 3) und der Welle (4) ein Angleichen der Drehzahlen der Bauteile (2, 3, 4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinrichtung (1) aufweist: ein Spannelement (5, 6) zur Erzeugung eines direkten oder indirekten Reibschlusses zwischen dem Losrad (2, 3) und der Welle (4), wobei das Spannelement (5, 6) aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten und axial (a) relativ zueinander beweglichen Bauteilen mit hülsenförmigen Abschnitten (7, 8) besteht, wobei die hülsenförmigen Abschnitte (7, 8) bei relativer axialer Bewegung (a) zum Aufdehnen in radiale Richtung (r) ausgebildet sind und wobei zumindest ein Teil der hülsenförmigen Abschnitte (7, 8) in einer stirnseitig in das Losrad (2, 3) eingearbeiteten Ringnut (9) oder in einer stirnseitig in einen mit dem Losrad (2, 3) drehfest verbundenen Mitnehmerring eingearbeiteten Ringnut angeordnet sind, ein Betätigungselement (10), das relativ zur Welle (4) axial (a) verschiebbar angeordnet ist und das mindestens eine Betätigungsfläche (11) für das Spannelement (5, 6) für dessen radiale Aufdehnung aufweist, und eine Sperrvorrichtung (12, 13), mit einem Schaltelement (12) und einem Sperrelement (13), wobei das Schaltelement (12) und das Sperrelement (13) relativ zueinander verdrehbar, jedoch axial (a) relativ zueinander im Wesentlichen unverschiebbar sind, wobei das Sperrelement (13) mindestens einen Sperrzahn (14) aufweist, der zur Herstellung einer formschlüssigen Drehverbindung zum gleichzeitigen Eintritt in mindestens eine in das eine Bauteil (6) des Spannelements (5, 6) eingearbeitete Ausnehmung (15) und in mindestens eine in das Losrad (2, 3) eingearbeitete Ausnehmung (16) ausgebildet ist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (12) und das Sperrelement (13) als ringförmige Bauteile ausgebildet sind.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrelement (13) über den Umfang verteilt eine Anzahl Sperrzähne (14) aufweist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sperrzahn (14) in seinem axial endseitigen Bereich mit mindestens einer Fase oder Verrundung versehen ist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (12) über den Umfang verteilt eine Anzahl Betätigungsstege (17) aufweist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsstege (17) in axiale Richtung (a) weisen.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsstege (17) Verbindungsmittel (18) zum Verbinden mit dem Betätigungselement (10) aufweisen.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (18) als im Radialschnitt hakenförmige oder bogenförmige Abschnitte ausgebildet sind, die ein Teil des Betätigungselements (10) umgreifen können.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (12) und das Sperrelement (13) dadurch relativ zueinander axial unverschieblich ausgebildet sind, dass ein erster Ringabschnitt (19) des einen Teils (12) einen zweiten Ringabschnitt (20) des anderen Teils (13) umgreift.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (12) und das Sperrelement (13) jeweils aus gestanztem und umgeformtem Blech bestehen.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (12, 13) in einem zwischen den beiden Bauteilen des Spannelernents (5, 6) ausgebildeten Raum angeordnet ist, wobei sich der Raum über eine radiale Erstreckung ausdehnt.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hülsenförmigen Abschnitte (7, 8) des Spannelements (5, 6) koaxial zueinander angeordnet sind und an ihren zugewandten Seiten mindestens eine Kegelfläche (21, 22, 23, 24) aufweisen.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die hülsenförmigen Abschnitte (7, 8) des Spannelements (5, 6) zwei benachbarte Kegelflächen (21, 22, 23, 24) mit gegensinniger Ausrichtung zur Achsrichtung (a) aufweisen.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich im Losrad (2, 3) befindliche Ringnut (9) im Radialschnitt eine rechteckige Kontur aufweist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (5, 6) des Spannelement mit mindestens zwei zusammenwirkenden Gewindeabschnitten (25, 26) versehen sind, die so ausgebildet sind, dass bei Eingriff der Gewindeabschnitte (25, 26) und relativer Verdrehung der beiden Bauteile (5, 6) eine relative axiale (a) Verschiebung zwischen den Bauteilen (5, 6) hervorgerufen wird.