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Die
Erfindung betrifft einen Wellenschalter zur drehschlüssigen
Koppelung zweier koaxial zueinander angeordneter Wellenteile und
ein Getriebe mit einem derartigen Wellenschalter. Wellenschalter
zur Verbindung zweier koaxial zueinander angeordneter Wellenteile
sind seit langem beispielsweise aus der
DE 1 303 437 A bekannt. In
derartigen vorzugsweise zur Schaltung von einzelnen Gängen
eines Schaltgetriebes verwendeten Vorrichtungen ist ein Wellenteil in
Form eines mit einer Welle verbundenen Festrades ausgebildet und
ein Wellenteil in Form eines Losrades verdrehbar auf der Welle angeordnet.
Durch axiales Verschieben einer drehfest mit dem Festrad verbundenen
Schiebehülse wird das Losrad drehschlüssig unter
Ausbildung einer Verzahnung zur Schiebehülse mit dem Festrad
und damit mit der Welle verbunden. Zur Synchronisierung der Verzahnungen
von Schiebehülse und Losrad wird eine Synchronisationseinrichtung
vorgesehen. Ein derartiger Aufbau erfordert insbesondere wegen der
ausladenden Synchronisationseinrichtung einen großen axialen
Bauraum.
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Weiterhin
ist aus der
DE 101
58 608 A1 ein Wellenschalter zur drehschlüssigen
Verbindung von zwei koaxial zueinander angeordneten Wellenteilen bekannt,
in dem auf einem konischen Ansatz eines Wellenteils zylindrische
Rollen über den Umfang verteilt sind, wobei das andere
Wellenteil einen zu dem konischen Ansatz komplementären
Innenkonus aufweist, so dass bei einer axialen Beabstandung der beiden
Wellenteile infolge des sich verringernden Abstandes von konischem
Ansatz und Innenkonus die beiden Wellenteile mittels der Rollen
verklemmt werden. Die Rollen werden dabei durch eine polygonale Ausgestaltung
des Innenkonus über den Umfang positioniert. Die Rollen
positionieren sich dabei beim Umschalten des Wellenschalters vom
Freilauf in die drehschlüssige, im Wesentlichen starre
Verbin dung der Wellenteile an den Ecken des Polygons. Die Herstellung
eines Innenkonus ist relativ aufwendig und kann nicht auf typischen
Maschinen zur Herstellung von Wellenteilen mit Verzahnungen erfolgen.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, einen Wellenschalter vorzuschlagen, der
axial schmal baut und einfach, vorzugsweise mit Maschinen zur Herstellung von
Wellenteilen herstellbar ist. Weiterhin soll ein Getriebe mit zumindest
einem derartigen Wellenschalter vorgeschlagen werden.
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Die
Erfindung wird durch einen Wellenschalter zur drehschlüssigen
Verbindung zweier zueinander um eine gemeinsame Drehachse angeordneter und
gegeneinander verdrehbarer Wellenteile gelöst, wobei ein
erstes Wellenteil eine Außenverzahnung aufweist und ein
zweites Wellenteil einen axial verlagerbaren, die Außenverzahnung
radial und koaxial übergreifenden Klemmkegel aufweist und
in Zahnlücken der Außenverzahnung Rollen unter
Bildung eines zu einem Kegelprofil des Klemmkegels entgegengesetzten
Kegelprofils aufgenommen sind. Dabei kann die Außenverzahnung
kegelförmig sein, wobei in deren Zahnlücken zylinderförmige
Rollen, beispielsweise Nadeln, zur Erzielung des Kegelprofils eingelegt
werden. Alternativ kann die Außenverzahnung eine beispielsweise
als geradlinig oder schrägverzahnt ausgebildete zylindrische
Verzahnung sein, wobei zur Erzielung des Kegelprofils Kegelrollen
in deren Zahnlücken eingelegt werden. Durch die Aufnahme
der Rollen in einer mittels herkömmlicher Maschinen hergestellten
Außenverzahnung werden die Rollen über den Umfang
exakt positioniert. Dabei kann abhängig vom erwünschten
Klemmmoment in jeder Zahnlücke eine Rolle eingelegt sein.
Aus Gründen der Kosten- und Gewichtsersparnis können
auch weniger, vorzugsweise gleichmäßig über
die Zahnlücken verteilte Rollen vorgesehen wer den. Die
Herstellung des Klemmkegels mit dem im Wesentlichen über
den Umfang betrachtet kreisrunden Kegelprofil kann in vorteilhafter
Weise mittels eines Metallumformverfahrens erfolgen.
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Bei
einer axialen Verlagerung von Außenverzahnung oder Klemmkegel
entsteht durch die einander entgegen gerichteten Kegelprofile von
Klemmkegel und Rollen zuerst unter Aufbrauch des Radialspiels zwischen
Klemmkegel und Rollen ein Reibschluss im Sinne eines Freilaufs,
der bei weiterer axialer Verlagerung zu einem Klemmen von Außenverzahnung
und Klemmkegel unter Zwischenlegung der Rollen führt, wobei
sich die in den Zahnlücken untergebrachten Rollen in Umfangsrichtung
an den Zahnflanken der Außenverzahnung abstützen,
so dass ein über beide Wellenteile zu übertragendes
Moment lediglich zwischen den Rollen und dem Klemmkegel mittels
eines Reibschlusses abgestützt werden muss. Die Schaltung
des Wellenschalters zum drehschlüssigen Trennen und Verbinden
der beiden Wellenteile erfolgt durch Bildung und Aufhebung eines Reibschlusses
zwischen dem Klemmkegel und den Rollen durch relative axiale Verlagerung
von Klemmkegel oder Außenverzahnung.
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Je
nach Ausführungsform kann die axiale Verlagerung des Klemmkegels
gegenüber der Außenverzahnung auf unterschiedliche
Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Klemmkegel drehfest und axial
begrenzt verlagerbar auf dem zweiten Wellenteil aufgenommen sein,
wobei beide Wellenteile axial fest zueinander angeordnet sind. Hierzu
kann der Klemmkegel mittels eines radialen Flanschteils mit einem
Außenprofil wie Außenverzahnung mit dem Wellenteil
drehfest und axial verlagerbar verbunden sein. Das Wellenteil kann
eine Welle, ein auf einer Welle aufgenommenes Losrad oder eine mit
einem entsprechenden Außenprofil versehene Welle direkt sein.
Dabei weist der Klemmkegel bevorzugt ein Eingriffsprofil, beispielsweise
eine Ringnut oder dergleichen auf, in die ein Betätigungsmechanismus
zur axialen Verlagerung des Klemmkegels eingreifen kann, beispielsweise
eine vom Fahrer oder automatisiert betätigte Schaltgabel.
Die beiden Wellenteile sind dabei axial aufeinander fixiert, beispielsweise
gegeneinander axial fest und verdrehbar gegeneinander gelagert.
An den Lagerstellen der Wellenteile zueinander oder zu einem Gehäuse
können zur Verminderung von Bohrreibung Anlaufscheiben
oder Axiallager wie Nadellager vorgesehen sein. Alternativ kann bei
fest auf dem Wellenteil angeordnetem Klemmkegel die Außenverzahnung,
beispielsweise ein auf dem Wellenteil axial verschiebbares Zahnrad
mit Außenverzahnung vorgesehen sein, das durch entsprechende – wie
zuvor beschriebene Mittel – axial verlagert wird, um den
Wellenschalter zu betätigen. Die vorgeschlagene Ausführungsform
eignet sich insbesondere für Anordnungen in Zahnräderwechselgetrieben
zur Schaltung von Gängen, Parkpositionen, zur Zuschaltung
von Zusatzgetrieben, Elektromaschinen in hybridischen Antrieben,
zur Umschaltung der Anzahl der angetriebenen Achsen und dergleichen,
indem mittels des Wellenschalters ein Losrad drehfest mit einem
auf einer Welle angeordneten Festrad oder einer mit einer Welle
drehfest verbundenen Komponente verbunden wird. Insbesondere können
ein Wellenteil drehfest und das andere Wellenteil verdrehbar auf
einer gemeinsamen Welle aufgenommen sein und mittels des Wellenschalters
miteinander drehschlüssig verbunden werden.
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In
einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, den Klemmkegel
und/oder die Außenverzahnung jeweils fest auf einem Wellenteil
aufzunehmen und zur Schaltung des Wellenschalters die Wellenteile
gegeneinander zu beabstanden, wobei in vorteilhafter Weise eines
der Wellenteile axial fest positioniert und das andere zu diesem
axial verlagert wird, bei spielsweise mittels einer vom Fahrer oder automatisiert
betätigten Schaltgabel. Unter Wellenteilen können
in dieser Alternative beispielsweise Wellen, Los- und Festräder
und dergleichen verstanden werden. In besonders gelagerten Fällen
können auch beide Wellenteile axial verlagerbar zueinander angeordnet
sein und zur Schaltung des Wellenschalters gegeneinander, beispielsweise
gleichförmig mittels eines Nockens, verlagert werden. Es
versteht sich, dass alle Verlagerungen des Klemmkegels gegenüber
der Außenverzahnung entgegen der Wirkung eines axial wirksamen
Energiespeichers erfolgen können, so dass die Bildung oder
bevorzugt die Trennung des Reibschlusses der beiden Wellenteile selbstständig
erfolgt und der Wellenschalter nur in eine Richtung geschaltet werden
muss. Diese vorgeschlagene Alternative eignet sich insbesondere
zur endseitigen Verbindung von koaxialen Wellen, beispielsweise
zur Zuschaltung eines Retarders.
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Die
Schaltung des Wellenschalters in den reibschlüssigen Schaltzustand,
in dem die beiden Wellenteile drehschlüssig miteinander
verbunden sind, kann durch eine gezogene oder gedrückte
Axialbewegung erfolgen, wobei bei einer gezogenen Axialbewegung
der Klemmkegel und die Außenverzahnung axial zueinander
beabstandet werden und bei einer gedrückten Bewegung einander
angenähert werden, um einen Drehschluss der Wellenteile
zu erzielen. Da der Klemmkegel jeweils in Bewegungsrichtung zur
Erzielung des Reibschlusses verengt ist, erweitert sich der Klemmkegel
bei der gedrückten Version zu seinem axialen freien Ende
hin, in die die Außenverzahnung mit den Rollen eingeführt
wird, während sich der Klemmkegel bei der gezogenen Version
zu seinem freien axialen Ende hin verengt. Eine Montage der gezogenen
Version erfolgt dabei durch nachträgliches Verbinden des
konischen Klemmflansches mit dem sich radial erstreckenden Flanschteil,
das mit dem Wellenteil drehfest verbunden ist.
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Es
hat sich insbesondere aus Gründen einer Verringerung des
Fertigungsaufwandes als vorteilhaft gezeigt, wenn die Außenverzahnung
als Teil einer axial verlängerten Laufverzahnung einer
Gangradpaarung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine separate
Herstellung der Außenverzahnung entfallen und diese direkt
mit der Laufverzahnung in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
Verglichen mit herkömmlichen Schaltkupplungen mit Synchronisationseinrichtung,
wie sie beispielsweise in der im Stand der Technik zitierten Auslegeschrift
offenbart werden, kann dabei der gesamte Schaltmechanismus in Form
des vorgeschlagenen Wellenschalters auf dem axialen Bauraum der
Synchronisationseinrichtung untergebracht werden, so dass erheblich weniger
axialer Bauraum beansprucht wird und das Getriebe axial kürzer
bauen kann.
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Hierzu
kann ein Ausführungsbeispiel eines Wellenschalters als
sogenannte Schaltkupplung zur wechselseitigen Schaltung von zwei
axial benachbarten Gangradpaarungen mit jeweils einem mit einer
Welle mittels des Wellenschalters verbindbaren Losrads und einem
mit diesem kämmenenden, auf einer zu dieser Welle parallel
angeordneten Welle als Festrad angeordneten Zahnrads eines Schaltgetriebes
vorgesehen werden. Hierzu sind nach dem erfinderischen Gedanken
zwei zueinander axial beabstandete erste Wellenteile wie auf einer
ersten Welle verdrehbar angeordnete Losräder jeweils einer
Gangradpaarung vorgesehen, die verdrehbar auf dem zweiten Wellenteil
aufgenommen sind, wobei jedes der ersten Wellenteile eine Außenverzahnung
mit Klemmkörpern aufweist und an dem zweiten Wellenteil,
beispielsweise einem auf der ersten Welle angeordneten Flanschteil
jeweils ein Klemmkegel für die beiden Außenverzahnungen
vorgesehen ist. Die beiden Klemmkegel sind dabei in vorteilhafter
Weise miteinander fest verbunden, beispielsweise verschweißt
oder einteilig hergestellt, und gegenüber dem zweiten Wellenteil
axial begrenzt verlagerbar und weisen ein übliches Mittel
zur Bildung eines Formschlusses mit einem Mittel, beispielsweise
einer Schaltgabel, zur axialen Verlagerung des Klemmkegels entsprechend
einer Schiebhülse auf. Bei Verwendung derartiger axial
schmal bauender Wellenschalter wie Schaltkupplungen kann ein besonders schmal
bauendes Zahnräderwechselgetriebe vorgeschlagen werden.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch ein Getriebe gelöst, das zumindest
ein auf einer Welle verdrehbares Losrad aufweist, das von einem
Wellenschalter nach dem erfinderischen Gedanken verbindbar mit der
Welle ist. Ein derartiges Getriebe kann beispielsweise mehrere auf
zwei parallel zueinander angeordneten Wellen angeordnete Gangradpaarungen
aufweisen, wobei eines der beiden die Gangradpaarung bildenden Gangräder
ein Losrad ist, das nach dem erfinderischen Gedanken durch den Wellenschalter mit
der Welle verbindbar ist, so dass zur Einstellung unterschiedlicher Übersetzungen
des Getriebes jeweils ein Losrad einer Gangradpaarung von dem entsprechenden
Wellenschalter geschaltet, das heißt, mit der Welle verbunden
wird. Dabei kann ein Wellenschalter mit jeweils zwei Klemmkegeln
durch entsprechende axiale Verlagerung wechselweise zwei Losräder
zweier Gangradpaarungen schalten. Weiterhin können durch
einen erfindungsgemäßen Wellenschalter zusätzliche
Komponenten des Getriebes, beispielsweise eine Parksperre, einen
Mehrachsantrieb, einen Nebenabtrieb, Retarder oder dergleichen schalten.
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Die
Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Diese zeigen jeweils einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Wellenschalter.
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1 zeigt
den Wellenschalter 1, der die beiden Wellenteile 2, 3 miteinander
verbindet, in Teilschnitt um die Drehachse D. Dabei ist das Wellenteil 2 in
dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Losrad 4 gebildet,
das mittels einer Lagerung, beispielsweise in Form der dargestellten
Nadellager 5 verdrehbar auf der Welle 6, die axial
fest zwischen der Scheibe 7 und einem nicht dargestellten
Axiallager in einem Gehäuse, beispielsweise einem Getriebegehäuse,
verdrehbar aufgenommen ist. Die beiden Nadellager 5 sind
jeweils durch die Scheiben 8, 9 positioniert,
wobei die Scheibe 9 in Verbindung mit der Schmiernut 10 der
Welle 6 die Schmierung der Nadellager 5 gewährleistet.
Das Losrad 4 weist eine beispielsweise als Evolventenverzahnung
ausgebildete Außenverzahnung 11 auf, die zur Bildung
einer Gangradpaarung mit einer Verzahnung eines nicht dargestellten,
parallel zur Welle gelagerten Gangrads kämmt. Die Außenverzahnung 11 ist
gegenüber dem zur Bildung der Gangradpaarung notwendigen
Bauraums axial verlängert, so dass in deren Zahnlücken 12 Kegelrollen 13 aufgenommen
sind, die mittels des Sicherungsrings 14 axial gesichert
sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Außenverzahnung 11 als
Längsverzahnung ausgestaltet, in weiteren Ausführungsbeispielen
kann die Außenverzahnung 11 auch als Schrägverzahnung
ausgeführt sein.
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Radial
außerhalb der Außenverzahnung 11 übergreift
der Klemmkegel 15 die Kegelrollen 13. Der Klemmkegel 15 weist
ein zu dem Kegelprofil 16 der Kegelrollen 13 komplementäres
Kegelprofil 17 an dessen Innenumfang auf. Die dargestellten
Kegelprofile 16, 17 sind zur Verdeutlichung der
Funktion nicht maßstabsgetreu dargestellt und können
in einer konstruktiven Ausführung andere, beispielsweise kleinere
Steigungen aufweisen. Im nicht geschalteten Zustand des Wellenschalters 1 ist
dabei zwischen den Kegelprofilen 16, 17 ein Radialspalt 18 vorgesehen.
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Der
Klemmkegel 15 wird zur Bildung eines Reibeingriffs mit
den Kegelrollen 13 entgegen deren Steigung gezogen, indem
dieser von dem Wellenteil 2, also vom Losrad 4,
axial beabstandet wird. Hierzu kann der Klemmkegel 15 mit
einem Eingriffsprofil 19, beispielsweise einer Ringnut,
versehen sein, in die ein nicht dargestelltes Betätigungsmittel,
beispielsweise eine Schaltgabel, eingreift. Das Losrad 4 ist dabei
axial fest zwischen der Scheibe 7 und dem zweiten Wellenteil 3 aufgenommen.
Zur Montage des die Kegelrollen 13 hinterschneidenden Klemmkegels 15 ist
dieser zweiteilig aus dem Aufsatz 20 und dem Flanschteil 21 gebildet.
Das sich radial erstreckende Flanschteil 21 ist axial verlagerbar
und drehfest mittels einer Verzahnung 22 oder einer Keilverzahnung auf
dem Wellenteil 3 aufgenommen und zentriert. Aufsatz 20 und
Flanschteil 21 sind miteinander fest verbunden, beispielsweise
verschweißt, aufeinander aufgeschrumpft oder verpresst.
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Das
Wellenteil 3 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
aus dem Innenring 23 gebildet, der mit der Welle 6 drehfest
verbunden ist, beispielsweise in Form einer Verzahnung oder Keilwellenverbindung. Der
die Verzahnung 22 zum Flanschteil 21 bildende Innenring
kann auch fest mit der Welle 6 verbunden sein. Der Innenring 23 bildet
als Wellenteil 3 insoweit die drehschlüssige Anbindung
des Wellenteils 3 an die Welle 6, so dass der
Wellenschalter 1 das als Wellenteil 2 ausgebildete
Losrad 4 an die Welle 6 koppelt. Es versteht sich,
dass die Wellenteile 2, 3 des Wellenschalters 1 auch
in anderer Weise ausgebildet sein können, wobei das erfinderische
Merkmal einer einem Wellenteil zugeordneten Außenverzahnung
mit eingelegten Rollen und der dem anderen Wellenteil zugeordnete
Klemmkegel, die einen axial schaltenden Freilauf bilden, allen Ausführungsformen
gemeinsam ist.
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Auf
der Welle 6 können weitere drehfest oder verdrehbar
angeordnete Gangräder angeordnet sein, wobei die verdrehbar
angeordneten Gangräder wie Losräder durch entsprechende
Wellenschalter mit der Welle 6 verbindbar ausgestaltet
sein können und das beispielsweise gezeigte Gangrad 24 mit
der Außenverzahnung 25 mittels einer Innenverzahnung oder
Keilwellenverbindung drehfest mit der Welle 6 verbunden
ist. Die axiale Fixierung des Wellenteils 3 wie Innenring 23 erfolgt
zwischen dem bereits axial fest aufgenommenen Gangrad 24 und
der Scheibe 26.
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Der
Wellenschalter 1 baut gegenüber einer Schaltkupplung
mit Synchronisationseinrichtung axial schmaler. Zum Vergleich der
axialen Bauraumersparnis ist der vorgeschlagene Wellenschalter 1 in den
für eine Schaltkupplung erforderlichen Bauraum eingeblendet.
Der Abstand A gibt hierzu die axiale Bauraumersparnis des Wellenschalters 1 gegenüber einer
herkömmlichen Schaltkupplung wieder. Es versteht sich,
dass in bauraumoptimierten Wellenschaltern der Abstand A entsprechend
eliminiert werden kann.
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2 zeigt
einen gegenüber dem Wellenschalter 1 der 1 abgeänderten
Wellenschalter 1a. Durch die in axialer Richtung umgekehrt
angeordneten Kegelprofile 16a der Kegelrollen 13a und
dem entsprechend umgekehrten Kegelprofil 17a des Klemmkegels 15a wird
der Wellenschalter 1a durch eine Verkürzung des
Abstands zwischen der Außenverzahnung 11 und dem
Klemmkegel 15a geschlossen, das heißt, das Wellenteil 2 in
Form des Losrads 4 mit dem Wellenteil 3 und damit
der Welle 6 drehschlüssig verbunden. Infolge der
nicht hinterschneidenden Anordnung von Klemmkegel 15a und
Kegelrollen 13a kann der Klemmkegel 15a einteilig
ausgebildet werden. Der Klemmkegel 15a wird entsprechend
dem Klemmkegel 15 der 1 über
das Eingriffsprofil 19 axial auf dem Innenring 23 verlagert.
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Die
mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge
ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden
Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher
nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmalskombinationen
zu beanspruchen.
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In
Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen
auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht
als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombination
der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
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Da
die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick
auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige
Erfindungen bilden können, behält sich die Anmelderin
vor, sie zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche
oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können
weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die
eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche
unabhängige Gestaltung aufweisen.
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Die
Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung
der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden
Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen
möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen
und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung
von einzelnen, in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung
und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen
und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen beziehungsweise Elementen
oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die
Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare
Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten
beziehungsweise Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit
sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1303437
A [0001]
- - DE 10158608 A1 [0002]