DE102008061969A1 - Kupplung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupplung (1) eines Kraftfahrzeuggetriebes mit zumindest einer ersten Reibfläche (9) und einer zweiten Reibfläche (19), wobei zwischen der ersten Reibfläche (9) und der zweiten Reibfläche (19) ein Reibring (13) angeordnet ist, der im ungeschalteten Zustand in Umfangsrichtung zwischen der ersten Reibfläche (9) und der zweiten Reibfläche (19) frei beweglich ist, aus einem elastischen Reibmaterial ausgebildet ist und aus der Ringebene hervorstehende, in Axialrichtung weisende Überhöhungen (23) aufweist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Kupplung eines Kraftfahrzeuggetriebes mit mehreren Kupplungsringen.
• Hintergrund der Erfindung
• Kupplungen und insbesondere 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 als erster Kupplungsring formschlüssig mit einem Synchronkörper verbunden und greift beispielsweise über Mitnehmernasen, die an seiner im Durchmesser kleineren Seite ausgebildet sind, in Aussparungen eines inneren Synchronrings als zweitem Kupplungsring. Synchronringe sind in der Regel sind konisch ausgebildete Reibringe mit Reiboberflächen an ihren Innenmantelflächen und/oder ihren Außenmantelflächen. Während des Synchronisiervorganges stehen die Reiboberflächen der Synchronringe mitein ander reibschlüssig 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. In der Regel widersprechen sich zudem die Anforderungen an das Material der Mitnehmer des Synchronrings und die Materialeigenschaften eines geeigneten Reibbelags für die konischen Reiboberflächen, so dass der Synchronring nicht aus einem homogenen Ausgangsmaterial hergestellt werden kann. Geeignete Beschichtungen sind häufig spröde, können daher nicht beliebig verformt werden und damit häufig erst in einem nachträglichen Bearbeitungsschritt auf einen Grundkörper aufgebracht werden.
• In der DE 10 2007 028 106 A1 ist zur Vermeidung dieser Nachteile vorgeschlagen worden, zwischen dem Außensynchronring und dem den Gegenkonus bildenden Innensynchronring 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 und somit der Verlauf des Kupplungsprozesses nicht gut steuerbar ist. Insbesondere ist es bei einem Synchronisierprozess schwer möglich, ein kontrolliertes Ansynchronisieren reproduzierbar mit einem auf den Einsatzfall abgestimmten Reibwertverlauf zu realisieren.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine leicht zu fertigende Kupplung mit einem Reibring zu schaffen, die eine Beeinflussung des Reibwertverlaufs zulässt und insbesondere ein niedriges Anfangsreibmoment ermöglicht.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Reibring zumindest teilweise aus einem elastischen Reibmaterial ausgebildet ist und aus der Ringebene des Reibrings Überhöhungen hervorstehen. Unter der Ringebene des Reibrings wird die durch die Einbausituation geometrisch vorgegebene Grundform des Reibrings verstanden. Mit anderen Worten weist der Reibring axial nach außen orientierte Reibflächen auf, die durch jeweils zur Grundform des Reibrings geometrisch ähnliche äußere und innere Hüllkurven umschlossen werden und die innerhalb der Hüllkurven eine von der Grundform abweichende Geometrie aufweisen. Das bedeutet, dass entweder in Umfangsrichtung oder in radialer Richtung Teilbereiche des Reibrings weiter in Richtung eines Reibpartners hervorstehen als andere Teilbereiche.
• Im einfachsten Fall ist der axiale Durchmesser des Reibrings stets konstant, und der Reibring weist in Umfangsrichtung wellenförmige Überhöhungen und Täler auf seinen Reibflächen auf.
• Die Erfindung kann sich beispielsweise auf Lamellenkupplungen mit kreisförmigen Reibringen und Kupplungsscheiben oder auf Konussynchronisierungen mit konusförmigen Reibringen und Synchronringen beziehen. Die Ringebenen der Reibringe sind dann durch Kreiszylinderstirnflächen bzw. durch Kreiskegelstumpfmantelflächen gebildet.
• Die Erfindung wird am Beispiel einer Synchronisiereinrichtung beschrieben: Der Reibring ist zwischen einem die erste Reiboberfläche tragenden Synchronring und einem die zweite Reiboberfläche aufweisenden, dem Synchronring zugeordneten Gegenkonus gehalten. Der Gegenkonus kann ein weiterer Synchronring in einer Mehrfachkonussynchronisierung sein, oder aber er ist eine an einem Gangrad oder an einem Synchronkörper angeordnete Fläche. Der Reibring kann sich im ungeschalteten Zustand zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus in Umfangsrichtung lose bewegen. Sobald der entsprechende Gang geschaltet wird, werden die Reibkonen axial aufeinander geschoben, und der Reibring wird zwischen dem Synchronring und dem mit einer Differenzdrehzahl laufenden Gegenkonus verspannt. Solange ein Drehzahlunterschied zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus besteht, baut der Reibring Reibung auf.
• Erfindungsgemäß treffen beim Ansynchronisieren nicht die gesamte Reibfläche des Reibrings und die gesamte Reiboberfläche des Synchronrings aufeinander, sondern zunächst nur die am weitesten auskragenden Dachbereiche der Überhöhungen des Reibrings. Es stehen also zunächst nur relativ kleine Flächen in Reibkontakt zueinander, so dass zunächst nur eine sehr geringe Reibleistung erzeugt wird. Erst mit zunehmendem axialen Druck verformt sich der Reibring derart, dass die Überhöhungen mechanisch deformiert werden, so dass die reibende Fläche zwischen dem Reibring und dem Synchronring bzw. dem Gegenkonus größer wird. Unterstützt wird dieser Effekt dadurch, dass beim Synchronisationsprozess Wärme entwickelt wird, so dass das Reibmaterial elastischer wird und leichter deformierbar ist. Außerdem wirkt die durch die Getriebeschaltung eingebrachte Kraft zunächst lediglich auf diese kleinen, in Reibkontakt stehenden Flächen, so dass die lokale Druckbelastung sehr hoch ist. Schließlich ist der axiale Druck so groß, dass der Reibring praktisch form schlüssig mit dem Synchronring und dem Gegenkonus in Verbindung steht und die maximale Reibleistung erbracht wird.
• 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 können spanabhebende Verfahren, welche mit einem Materialabtrag verbunden sind, vermieden werden.
• Die Anzahl der Überhöhungen auf dem Reibring hängt zum einen von dessen Verformungseigenschaften ab. Prinzipiell lässt sich die Erfindung schon mit einer Überhöhung realisieren. Für die meisten Einsatzgebiete ist es aber optimal, umfangsseitig in gleichem Abstand mehrere Überhöhungen anzuordnen. Die Oberfläche des Reibrings ist dann wellenförmig, wobei die Wellen nicht symmetrisch oder sinusförmig ausgebildet sein müssen. Vielmehr können sie jeweils eine unterschiedliche Höhe und Form aufweisen und insbesondere auf ihrer in Rotationsrichtung ansteigenden Flanke eine andere Steigung aufweisen als auf ihrer abfallenden Flanke. Sie sind auch nicht notwendigerweise achsparallel angeordnet, sondern können auch schräg zur Rotationsachse bzw. gekrümmt zu dieser verlaufen. Durch die Anzahl und Form der Überhöhungen kann in begrenzten Maßen zusätzlich der Ölfluss beeinflusst werden. So bilden sich beim Ansynchronisieren kleine Kanäle und Taschen, durch die das Öl schnell abgeleitet werden kann, wobei deren Form die zentrifugale Pumpwirkung zusätzlich unterstützen kann.
• 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.
• In bevorzugter Ausführung wird der Reibring aus den Materialien Thermoplast, Duroplast und/oder Kautschuk gefertigt. Diese Materialien können in Reinform verwendet werden, sind aber in der Regel mit zusätzlichen Reibmodifikatoren versehen, um den gewünschten Reibwertverlauf während eines Synchronisationsprozesses bzw. über die Lebensdauer sicherzustellen.
• In einer anderen Ausführungsform weist der Reibring einen Kern auf, der beispielsweise durch einen Metallring gebildet wird. Der Metallring ist außenseitig mit einem entsprechend elastischen Reibbelag versehen.
• In einer Variante besteht die Synchronisiereinrichtung aus einem Synchronring, einem Gegenkonus und mehreren Reibringen, welche zwischen dem Synchronring und dem Gegenkonus angeordnet sind. Dadurch wird eine höhere Synchronisationsleistung erreicht.
• Die Einzelteile Synchronring, Gegenkonus und Reibring sind mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren herstellbar. Eine getrennte Fertigung lässt den Einsatz unterschiedlicher Materialien und Materialstärken zu. Auf eine stoffschlüssige Verbindbarkeit der Werkstoffe ist die Erfindung nicht angewiesen.
• In einer Variante der Erfindung weist der Reibring eine axial endseitig angeordnete Verliersicherung auf. Beim Ein- und Auslegen eines Ganges werden die Reibkonen axial aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegt. Dabei wird auch der Reibring axial mit verschoben. Durch die Verliersicherung ist allerdings die axiale Verschiebbarkeit des Reibrings in Bezug auf den Synchronring bzw. den Gegenkonus begrenzt. Ein axiales Auswandern und Verkanten wird damit vermieden. Gleichwohl kann der Reibring sich in Umfangsrichtung frei bewegen. Die Verliersicherung kann als ein Bord oder in Form von abgewinkelten Lappen, die sich am Synchronring oder am Gegenkonus in der Freiflugphase abstützen können, ausgebildet sein. In besonders bevorzugter Weise ist die Verliersicherung einteilig mit dem Reibring so ausgebildet, dass keine gesonderten Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind.
• Im synchronisierten Zustand sind das der Synchronring und der Gegenkonus bzw. die mit ihnen in Wirkverbindung stehenden Bauteile Gangrad und Synchronkörper in der Regel formschlüssig verbunden, was einen höheren Wirkungsgrad und längere Lebensdauer der Bauteile als im Vergleich zu einem Reibschluss ermöglicht. Der Formschluss ist vorzugsweise so realisiert, dass der Reibring, während der Gang geschaltet ist, die gleiche Form wie im Freiflug mit den Überhöhungen aufweist. Die Überhöhungen werden also nur während des Kupplungsprozesses selbst belastet.
• Die Überhöhungen sind bevorzugt auf beiden Reibflächen angeordnet. Ist der Reibring von konstanter Dicke, so ergibt sich automatisch, dass die Überhöhungen auf beiden Reibflächen zueinander versetzt sind. Die Überhöhungen können in radialer Richtung verlaufen, in Umfangsrichtung oder auch in beliebigen kurvigen Abwandlungen. Ihre Höhe kann sich dabei ändern. Ferner müssen die Überhöhungen nicht symmetrisch angeordnet sein. In einer Ausbildungsform ist der Reibring wellenförmig, wobei die Höhe der Wellen im Vergleich zu seinem Durchmesser natürlich sehr klein ist.
• Die Überhöhungen können verschiedene Formen aufweisen. So können sie in einer Variante der Erfindung in etwa sinusförmig verlaufen. Die Überhöhungen selbst können symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein. In einer weiteren Ausgestaltung sind zwischen den einzelnen Überhöhungen des Reibrings immer wieder Abschnitte angeordnet, die der eigentlichen Ringebene entsprechen. Alternativ dazu schleißen die Einzelnen Überhöhungen unmittelbar an.
• Zusammenfassend ermöglicht es die Erfindung somit, dass der Reibwertverlauf während des Kupplungsprozesses beeinflussbar ist. So kann ein zu langsamer Aufbau eines Reibmoments vermieden werden, was ein positiveres Schaltgefühl vermittelt.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Synchronisiereinrichtung,
• 2 eine Explosionsdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Synchronisiereinrichtung mit einem Außensynchronring, einem Reibring und einem Gegenkonus.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• Aus 1 ist der Aufbau einer Kupplung 1 in Form einer Synchronisiereinrichtung 17 zu entnehmen, die eine Kegelreibkupplung darstellt. Nicht dargestellt sind eine Getriebewelle, die von der Synchronisiereinrichtung 18 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 Synchronkörper 5 über eine Verzahnung 6 formschlüssig auf der Getriebewelle angeordnet. Der Synchronkörper 5 ist außen von einer axial verschiebbar angeordneten Schiebemuffe 7 radial beabstandet umschlossen. In einem zwischen dem Kupplungskörper 3 und dem Synchronkörper 5 vorgesehenen Zwischenraum 2, der außen teilweise von der Schiebemuffe 7 umschlossen ist, ist ein Synchronring 8 als Außensynchronring 17 eingesetzt, der innenseitig ein erster Reibpartner 9 aufweist. Der Außensynchronring 17 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. Der Reibpartner 9 des Außensynchronrings 17 wirkt mit einem Reibring 13 zusammen, der axial zwischen dem Außensynchronring 17 und einem Innensynchronring 14 als Gegenkonus 4 angeordnet ist. Der Reibring 13 wirkt ebenfalls mit einem zweiten Reibpartner des Gegenkonus' 4 zusammen. Er weist axiale Überhöhungen 23 auf, die aus der Ringebene radial hervorstehen. 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 17 ausgeübt wird, die weitergeleitet wird über den Reibring 13 auf den Innensynchronring 14, wodurch sich ein Reibmoment aufbaut. Während des weiteren Synchronisationsprozesses werden die Überhöhungen des Reibrings 13 derart gestaucht, dass sich die effektive Reibfläche zwischen dem Reibring 13 und seinen Reibpartnern 8, 14 vergrößert. In dieser Phase bewirkt das Reibmoment eine Drehzahlanpassung zwischen dem Außensynchronring 17 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. Ist die Drehzahlsynchronisation zwischen dem Synchronkörper 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 17 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 wesentlich geringere Dicke auf und besitzt keine Mitnehmer. Im ungeschalteten Zustand ist der Reibring zwischen den Synchronringen 14, 17 frei beweglich. Der Reibring 13 besteht aus einem homogenen Reibmaterial, welches eine Beschichtung des Synchronrings 8 und des Gegenkonus' 4 entbehrlich macht.
• 2 zeigt einen Synchronring 8 als konischen Außensynchronring 17 mit einem Reibring 13. Der Außensynchronring 17 weist einen ringförmigen Mantelkörper 21 auf, an dessen Ende mit dem größeren Durchmesser eine nach radial außen gerichtete Scheibe 22 mit einer Sperrverzahnung 10 anschließt. An dem axialen Ende mit dem kleineren Durchmesser ist ein Innenbord 27 angeordnet, von dem Mitnehmer 15 nach innen weisen. Auf dem Außensynchronring 17 ist innenseitig eine konische erste Lauffläche 24 für den Reibring 13 gebildet. Der Gegenkonus 4 weist eine konische zweite Lauffläche 25 für den Reibring 13 auf, an den sich axial eine Zahnscheibe 20 anschließt. Die Laufflächen 24, 25 sind unbeschichtet. Der Reibring 13 kann auf den Laufflächen 24, 25 im ungeschalteten Zustand frei rotieren. Er ist im Durchmesser dicker ausgebildet als der Synchronring 17 bzw. der Kupplungskörper 3. Von der Ebene des Ringkörpers des Reibrings 13 kragen wellenförmige Überhöhungen 23 aus.

1

Kupplung

2

Zwischenraum

3

Kupplungskörper

4

Gegenkonus

5

Synchronkörper

6

Verzahnung

7

Schiebemuffe

8

Synchronring

9

erster Reibpartner

10

Sperrverzahnung

11

Dachwinkel

12

Kupplungsverzahnung

13

Reibring

14

Innensynchronring

15

Mitnehmer

16

Innenverzahnung

17

Außensynchronring

18

Synchronisiereinrichtung

19

zweiter Reibpartner

20

Zahnscheibe

21

Mantelkörper

22

Scheibe

23

Überhöhung

24

erste Lauffläche

25

zweite Lauffläche

26

Zahnscheibe

27

Innenbord

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 102007028106 A1 [0004]

Claims (10)

1. Kupplung (1) eines Kraftfahrzeuggetriebes mit zumindest einem ersten Reibpartner (9) und einem zweiten Reibpartner (19), wobei zwischen dem ersten Reibpartner (9) und dem zweiten Reibpartner (19) ein Reibring (13) angeordnet ist, im ungeschalteten Zustand in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Reibpartner (9) und dem zweiten Reibpartner (19) frei beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (13) aus einem elastischen Reibmaterial ausgebildet ist und aus der Ringebene hervorstehende Überhöhungen (23) aufweist.
2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (13) als ein scheibenförmiger Ringkörper ausgebildet ist.
3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reibpartner (8) auf einem Außensynchronring (17) und der zweite Reibpartner (19) auf einem Innensynchronring (14) angeordnet sind und dass der Reibring (13) als Konusring ausgebildet ist.
4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (13) vollständig homogen aus einem Reibmaterial ausgebildet ist.
5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (13) aus Thermoplast, Duroplast oder Kautschuk ausgebildet ist.
6. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhöhungen (23) des Reibrings (13) in radialer Richtung verlaufen.
7. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhöhungen (23) in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet sind.
8. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhöhungen (23) beidseitig angeordnet sind.
9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhöhungen (23) in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
10. Reibring (13) für eine Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.