DE102008061967A1

DE102008061967A1 - Synchronisiereinrichtung

Info

Publication number: DE102008061967A1
Application number: DE102008061967A
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner; Thomas Karais
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung (1) eines Kraftfahrzeuggetriebes mit zumindest einem Außensynchronring (8) mit einer Außenringreibfläche (17) und Innensynchronring (14) mit einer Innenringreibfläche (20), wobei zwischen dem Außensynchronring (8) und dem Innensynchronring (14) zumindest ein Reibring (13) mit zwei Reibflächen (18, 19) für die Gegenreibflächen (18, 20) angeordnet ist, der im ungeschalteten Zustand in Umfangsrichtung zwischen dem Außensynchronring (8) und dem Innensynchronring (14) frei bewegbar ist, wobei die nach außen gerichete erste Reibfläche (18) des Reibrings (13) und die nach innen gerichtete, zweite Reibfläche (19) des Reibrings (13) zueinander in einem spitzen Winkel stehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes mit zumindest einem Synchronring und einem Gegenkonus.
Hintergrund der Erfindung
Synchronisiervorrichtungen in Gangräderwechselgetrieben von Fahrzeugen dienen zum Anpassen unterschiedlicher Drehzahlen einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle beim Schalten. Im gattungsbildenden Stand der Technik ist in einer Synchronisiervorrichtung ein äußerer Synchronring formschlüssig mit einem Muffenträger verbunden und greift beispielsweise über Mitnehmernasen, die an seiner im Durchmesser kleineren Seite ausgebildet sind, in Aussparungen eines inneren Synchronrings. Synchronringe sind in der Regel sind konisch ausgebildete Reibringe mit Reibflächen an ihren Innenmantelflächen und/oder ihren Außenmantelflächen. Während des Synchronisiervorganges stehen die Reibflächen der Synchronringe miteinander reib schlüssig in Verbindung. Derartige Synchronisiervorrichtungen bestehen aus vielen Einzelteilen.
In der Massenfertigung hat es sich als geeignet erwiesen, Synchronringe umformtechnisch herzustellen. Die Gestaltung derartiger Synchronringe ist an sich zufriedenstellend, sie erfordert umformtechnisch jedoch immer noch einen relativ hohen Aufwand und hohe Werkzeugkosten. Der Aufwand entsteht durch zusätzliche Arbeitsschritte nach dem Formen des Napfes für den Synchronring, bei denen aus dem Boden des Napfes die Anschläge bzw. Mitnehmer umgelegt werden müssen. Viele Reibbeläge, beispielsweise aus Sintermaterial, sind zudem spröde und können nicht beliebig verformt werden.
Nachteilig ist weiterhin, dass sich die Anforderungen an das Material der Mitnehmer des Synchronringes mit den Anforderungen an das Reibverhalten der konischen Reibfläche teilweise widersprechen. Die Anschläge müssen über die gesamte Lebensdauer des Getriebes möglichst starr und verschleißfest ausgebildet sein. An den Reib- bzw. Gegenreibflächen einer Synchronisierung sind jedoch bevorzugt unterschiedliche Werkstoffpaarungen einzusetzen, um beispielsweise konstante Reibwerte über die gesamte Lebensdauer bei gleichzeitig hoher Reibleistung zu gewährleisten.
In der DE 10 2007 028 106 A1 ist zur Vermeidung dieser Nachteile vorgeschlagen worden, zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus einen Reibring anzuordnen, der im ungeschalteten Zustand zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus frei beweglich ist. Dieser ist insbesondere nicht stoffschlüssig mit dem Synchronring verbunden, und er weist auch keine Mitnehmerlappen auf, mit welchen er in einen Synchronring eingreift. Der Reibbelag kann daher allein aufgrund seiner Materialeigenschaften für die Reibpaarung optimiert werden, ohne dass auf Randbedingungen wie stoffschlüssige Verbindbarkeit mit dem Synchronring eingegangen werden muss. Dadurch wird es möglich, Materialien einzusetzen, die nicht mittels der gängigen Fügeverfahren wie Schweißen oder Kleben eingesetzt werden können.
Nachteilig an einer derartigen Anordnung ist, dass ein derartiger Reibring keinen definierten Zustand zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus einnimmt. Er wird nicht geführt und kann sich in Axialrichtung aus dem Synchronisationspaket verschieben. Unter ungünstigen Bedingungen ist sogar ein Verkanten möglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine leicht zu fertigende Synchronisiereinrichtung mit einem Reibring zu schaffen, bei der die Schleppmomente reduziert sind, die leicht herzustellen ist und bei der ein Verkanten vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Reibfläche zwischen dem Reibring und dem Außensynchronring und die Reibfläche zwischen dem Reibring und dem Innensynchronring als Gegenkonus in einem spitzen Winkel zueinander stehen. Der Reibring besitzt dazu die Form des Mantelabschnitts eines Kreiskegelstumpfes, wobei der äußere begrenzende Kegel und der innere begrenzende Kegel nicht parallele Mantelflächen aufweisen.
Der Reibring ist zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus gehalten, wobei diese die Anbindung an die übrigen Getriebebauteile übernehmen. Er ist im ungeschalteten Zustand zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus in Umfangsrichtung lose in das System eingesetzt und ist zunächst frei beweglich. Sobald die Synchronisiereinrichtung jedoch rotiert, also bei fahrendem Fahrzeug, läuft der Reibring nicht mehr schwimmend und damit undefiniert im Ringpaket, sondern es tritt ein Selbstklemmungseffekt aufgrund der unterschiedlich geneigten Reibflächen ein. Dies hat zur Folge, dass sich der Reibring auf einem Synchronring, in der Regel wird dies der Innensynchronring sein, festsetzt. Dadurch ist sicher gestellt, dass der Reibring im Fahrbetrieb nicht zunächst an dem einen Synchronring reibt, um dann zum anderen zu wandern und Momente zu übertragen und Schleppverluste zu generieren.
Bei einem Schaltvorgang wird der Reibring zwischen dem Synchronring, auf dem er ruht, und dem mit einer Differenzdrehzahl laufenden Gegenkonus verspannt. Aufgrund der relativ festen Verbindung wird zunächst die meiste Reibarbeit an der Reibfläche des Reibrings mit dem Außensynchronring geleistet. In der Regel ist der Reibring aus einem Reibmaterial ausgebildet, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Innensynchronring. Bei fortgesetzter Reibung am Außensynchronring wird der Reibring seinen Durchmesser minimal vergrößern und sich somit vom Innensynchronring soweit lösen, dass er auch an diesem reiben kann. Die zweite Reibschicht arbeitet mit und entlastet die Außenreibschicht teilweise von der Reibarbeit.
Solange ein Drehzahlunterschied zwischen Synchronring und Gegenkonus besteht, baut der Reibring Reibung auf. Sobald der Gleichlauf erreicht ist, werden das Gangrad und der Muffenkörper in der Regel formschlüssig verbunden, und die Synchronisiereinrichtung kühlt aufgrund der nun fehlenden Reibung wieder ab. Dadurch setzt sich der Reibring wieder auf dem Innensynchronring fest.
Analog zu dem beschriebenen System ist es je nach Werkstoffwahl und Wahl der Winkel der Innen- und Außendurchmesser des Reibrings auch ein Festsetzen des Reibrings auf dem Außensynchronring erreichbar.
Für die Realisierung dieses Systems wird in einer bevorzugten Ausführungsform eine Reibfläche des Reibrings im für Synchronringe typischen Bereich von 7° bis 11° zur Rotationsachse geneigt sein. Die andere Reibfläche des Reibrings weist einen Winkel auf, der kleiner als 5° ist. Die Neigungen der einzelnen Reibflächen des Reibrings bedingen, dass die zugehörigen Gegenreibflächen der Synchronringe den gleichen Winkel aufweisen.
Es hat sich herausgestellt, dass ein guter Selbsthemmungseffekt bereits bei einer Winkeldifferenz von etwa 2° eintreten kann. Es ist aber nicht unbedingt erforderlich, durch die Wahl der Winkel eine Selbsthemmung zu erreichen. Vielmehr kann auch bei Winkelpaaren, die noch nicht zu einer Selbsthemmung führen, zumindest sichergestellt werden, dass der Reibring im unbelasteten Normalzustand lediglich an einem Synchronring anliegt. Er wird dann zwar nicht drehfest auf dem Synchronring ruhen, sondern sich in Bezug auf diesen ggf. bewegen, allerdings wird er nur an diesem einen Synchronring reiben. Somit werden die tribologischen Eigenschaften des Systems auch bei diesen Geometrien verbessert und Reibmomentschwankungen minimiert.
Beim Einlegen eines Ganges werden die Reibkonen axial aufeinander geschoben. Dabei wird auch der Reibring axial mit verschoben. Damit er nicht zu weit auf den Synchronring, auf dem er durch Selbsthemmung anliegt, verschiebbar ist, kann in einer Ausgestaltung die axiale Verschiebbarkeit des Reibrings durch ein Sicherungsmittel begrenzt sein. Auch ein axiales Auswandern kann damit unterbunden werden. Das Sicherungsmittel ist vorzugsweise als ein umlaufender Bord ausgebildet. Ein Bord ist besonders einfach herzustellen und ermöglichst zugleich eine möglichst große Anlauffläche, um den Reibring zu halten. In besonders bevorzugter Weise ist er mit dem Reibring ausgebildet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Reibring die Form des Mantelabschnitts eines Kreiskegelstumpfes und ist vollständig aus Reibmaterial ausgebildet. Aufgrund seiner einfachen geometrischen Form ist ein derartiger Reibring besonders einfach und damit kostengünstig herzustellen. Insbesondere werden spanabhebende Verfahren, welche mit einem Materialabtrag verbunden sind, vermieden, so dass auch die Verwendung teuerer Materialien wie Messing oder Karbon wirtschaftlich ist. Der Reibring kann aus aber auch aus Kunststoff, Sintermaterial und insbesondere auch aus schlecht verbindbaren Materialien bestehen.
Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass der Reibring homogen aus einem Material ausgebildet ist. In einer Variante besitzt der Reibring innenseitig und außenseitig unterschiedliche Reibbeläge aus unterschiedlichen Materialien nach gewünschter Reibwertpaarung. Ferner ist es möglich, dass er einen Kernbereich, beispielsweise einen Stahlring, aufweist, der selbst nicht reibt. In einer Variante der Erfindung ist der Reibring aus Thermoplast, aus Duroplast oder Kautschuk ausgebildet, wobei diese Materialien zusätzliche Reibungsmodifikatoren zur Erhöhung des Reibwerts und zur Steigerung der Verschleißfestigkeit beinhalten können.
Der Reibring kann eine glatte Oberflächenstruktur aufweisen, oder es können zur besseren Schmiermittelabfuhr Nuten am Reibring oder an seinem Reibpartner eingebracht sein.
Die Einzelteile Synchronring und Reibring sind mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren herstellbar. Eine getrennte Fertigung lässt den Einsatz unterschiedlicher Materialstärken zu.
Zusammenfassend ermöglicht es die Erfindung somit, dass der Synchronring, der Reibring und der Gegenkonus einfach herzustellen sind und die Schleppverluste in der Synchronisiereinrichtung vermindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Synchronisiereinrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Synchronisiereinrichtung mit einem Außensynchronring, einem Reibring und einem Innensynchronring.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Aus 1 ist der Aufbau einer Synchronisiereinrichtung 1 zu entnehmen, die eine Kegelreibkupplung darstellt. Nicht dargestellt sind eine Getriebewelle, die von der Synchronisiereinrichtung 1 umschlossen wird, wobei auf der Getriebewelle ein Gangrad über eine Losradlagerung drehbar angeordnet ist. Mit dem Gangrad ist ein Kupplungskörper 3 fest verbunden. Axial versetzt zum Kupplungskörper 3 ist ein Muffenträger 5 über eine Verzahnung 6 formschlüssig auf der Getriebewelle angeordnet. Der Muffenträger 5 ist außen von einer axial verschiebbar angeordneten Schiebemuffe 7 radial beabstandet umschlossen. In einem zwischen dem Kupplungskörper 3 und dem Muffenträger 5 vorgesehenen Zwischenraum 2, der außen teilweise von der Schiebemuffe 7 umschlossen ist, ist ein Außensynchronring 8 eingesetzt, der innenseitig eine Reibfläche 9 aufweist. Der Synchronring 8 ist außenseitig mit einer Sperrverzahnung 10 versehen, die stirnseitig mit Dachwinkeln 11 versehen ist. Die Sperrverzahnung 11 korrespondiert mit einer am Kupplungskörper 3 angeordneten Kupplungsverzahnung 12. Die Reibfläche 9 des Außensynchronrings wirkt mit einem Reibring 13 zusammen, der axial zwischen dem Außensynchronring 8 und einem Innensynchronring 14 als Gegenkonus 4 angeordnet ist. Der Innensynchronring 14 ist über Mitnehmer 15 formschlüssig mit dem Kupplungskörper 3 verbunden.
Zur Synchronisation ist eine Axialverschiebung der Schiebemuffe 7 von der in 1 dargestellten Neutral- oder Leerlaufposition in Richtung des Kupplungskörpers 3 erforderlich. Diese Axialbewegung löst zunächst eine Vorsynchronisation aus, bei der eine Radialkraft auf den Außensynchronring 8 ausgeübt wird, die sich fortpflanzt über den Reibring 13 auf den Innensynchronring 14, wodurch sich ein Reibmoment aufbaut. In dieser Phase bewirkt das Reibmoment eine Drehzahlanpassung zwischen dem Außensynchronring 8 und der Schiebemuffe 7, so dass eine Erhöhung der Axialkraft zum Verschieben der Schiebemuffe 7 erforderlich ist, damit die Sperrverzahnung 11 des Außensynchronrings 8 formschlüssig in die Innenverzahnung 16 der Schiebemuffe 7 verrastet.
Mit dem Anstieg der axialen Verschiebekraft und dem damit verbundenen voll wirksamen Reibmoment erfolgt eine Angleichung der Drehzahlen zwischen der Schiebemuffe 7 und dem Außensynchronring 8 und somit zwischen dem Muffenträger 5 und dem Kupplungskörper 3. Nach der erfolgten Drehzahlanpassung ist ebenfalls der Kupplungskörper 3 und somit das Gangrad synchronisiert aufgrund des Reibringes 13, der einen Reibschluss zwischen dem Außensynchronring 8 und dem Innensynchronring 14 herstellt. Ist die Drehzahlsynchronisation zwischen dem Muffenträger 5 und dem Kupplungskörper 3 mit dem Gangrad erreicht, ist ein Durchschalten der Schiebemuffe 7 bis zu einer Überdeckung der Kupplungskörperverzahnung 12 möglich.
Sowohl der Außensynchronring 8 als auch der Innensynchronring 14 weisen Mitnehmer 15 auf, über welche sie mit anderen Bauteilen formschlüssig verbunden sind. Der zwischen ihnen angeordnete Reibring 13 weist radial gesehen eine geringere Dicke auf und besitzt keine Mitnehmer. Im ungeschalteten Zustand ist der Reibring 13 zwischen den Synchronringen 8, 14 frei beweglich. Der Reibring 13 besteht aus einem homogenen Reibmaterial, welches eine Beschichtung des Außensynchronrings 8 und des Gegenkonus' 4 entbehrlich macht.
2 zeigt einen Synchronring als Außensynchronring 8 mit einem Reibring 13 als Zwischensynchronring. Ein Innensynchronring 14 bildet den Gegenkonus 4. Der Außensynchronring 8 weist eine konische Außenringreibfläche 17 auf, deren Neigung zur Rotationsachse der nach außen gerichteten ersten Reibfläche 18 des Reibrings 13 entspricht. Der Reibring 13 weist im Längsschnitt eine keilförmige Form auf. Die nach innen gerichtete zweite Reibfläche 19 weist im Vergleich zur ersten Reibfläche 18 einen geringeren Winkel in Bezug auf die Rotationsachse 21 auf. Die Innenringreibfläche 20 des Innensynchronrings 14 weist die gleiche Neigung auf wie die zweite Reibfläche 19. Der Reibring 13 ist aus einem anderen Material hergestellt als die Synchronringe 8, 14 und besteht aus einem homogenen Reibmaterial. Die Dicke des Reibrings 13 entspricht in etwa der der Synchronringe 8, 14, wobei diese stark von den Reib- und Ver schleißeigenschaften des Materials abhängt. Die Innenringreibfläche 20 ist axial länger als die zweite Reibfläche 19. Damit wird zum einen ermöglicht, dass der Reibring 13 sich axial je nach Belastung verschieben kann und somit je nach Betriebstemperatur die axiale Flanke 23 nicht belastet wird. Zum anderen dient der Freiraum 24 als Pufferlauffläche, um eine sichere Reibfläche während der gesamten Lebensdauer sicherzustellen, da sich verschleißbedingt die Dicke des Reibrings 13 ändert und die Synchronisationsweglänge zunimmt.

1: Synchronisiereinrichtung
2: Zwischenraum
3: Kupplungskörper
4: Gegenkonus
5: Muffenträger
6: Verzahnung
7: Schiebemuffe
8: Außensynchronring
9: Reibfläche
10: Sperrverzahnung
11: Dachwinkel
12: Kupplungsverzahnung
13: Reibring
14: Innensynchronring
15: Mitnehmer
16: Innenverzahnung
17: Außenringreibfläche
18: erste Reibfläche
19: zweite Reibfläche
20: Innenringreibfläche
21: Rotationsachse
22: Flanke
23: Flanke
24: Freiraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007028106 A1 [0005]

Claims

Synchronisiereinrichtung (1) eines Kraftfahrzeuggetriebes mit zumindest einem Außensynchronring (8) mit einer Außenringreibfläche (17) und Innensynchronring (14) mit einer Innenringreibfläche (20), wobei zwischen dem Außensynchronring (8) und dem Innensynchronring (14) zumindest ein Reibring (13) mit zwei Reibflächen (18, 19) für die Gegenreibflächen (18, 20) angeordnet ist, der im ungeschalteten Zustand in Umfangsrichtung zwischen dem Außensynchronring (8) und dem Innensynchronring (14) frei bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen gerichtete erste Reibfläche (18) des Reibrings (13) und die nach innen gerichtete, zweite Reibfläche (19) des Reibrings (13) zueinander in einem spitzen Winkel stehen.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel derart ausgebildet ist, dass der Reibring im unbelasteten Zustand selbsthemmend auf einem Synchronring (8, 14) anliegt.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reibfläche (18) zur Rotationsachse einen Winkel von etwa 7° bis 11° aufweist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reibfläche (19) einen Winkel zur Rotationsachse von weniger als 6° aufweist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reibfläche (19) den gleichen Winkel zur Rotationsachse aufweist wie die mit der inneren Reibfläche des Reibrings (13) reibende Innensynchronringreibfläche (20).
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibmaterial des Reibrings (13) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Innensynchronring (14).
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (13) vollständig homogen aus einem Reibmaterial ausgebildet ist.
Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (13) aus Thermoplast, Duroplast oder Kautschuk ausgebildet ist.
Reibring (13) für eine Synchronisiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.