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Die Erfindung betrifft eine Synchronisierung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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In Schaltgetrieben, die unter Zugkraftunterbrechung geschaltet werden, d. h. dass eine Eingangswelle während des Schaltvorgangs durch eine Kupplung von einer Antriebsmaschine getrennt wird, kann man den jeweiligen Gang mit einer Schaltkupplung derart einlegen, indem eine Schaltverzahnung einer Schiebemuffe der Schaltkupplung in eine Kupplungsverzahnung eines Kupplungskörpers geschoben wird, der an einem zu kuppelnden Getriebeelement befestigt ist, z. B. an einem Zahnrad, einer Getriebewelle oder dem Getriebegehäuse. Dabei wird das Drehmoment im geschalteten Zustand von einem Getriebeelement über den Kupplungskörper, die Kupplungsverzahnung, die Schaltverzahnung, die Schiebemuffe und die Muffenführung im Synchronkörper auf ein anderes Getriebeelement, z. B. ein Zahnrad oder eine Welle, übertragen oder am Getriebegehäuse abgestützt. Der geschaltete Gang bestimmt das Übersetzungsverhältnis und damit das Drehzahlverhältnis zwischen der Eingangswelle und einer Ausgangswelle des Getriebes. Die nicht gekuppelten Getriebeelemente, z. B. frei umlaufende, ständig im Eingriff befindliche Zahnräder der übrigen Gänge laufen mit einer ihrer Übersetzung entsprechenden Differenzdrehzahl zu den geschalteten Getriebeelementen mit. Wird von einem Gang zu einem anderen gewechselt, müssen die zu kuppelnden Teile während des Schaltens auf eine annähernd gleiche Drehzahl gebracht werden, bevor die Schaltverzahnung der Schiebemuffe in die Kupplungsverzahnung des zu schaltenden Kupplungskörpers eingreifen kann.
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Hierzu dient eine Synchronisiereinrichtung. Sie besteht im Wesentlichen aus Reibflächen, z. B. einem Reibkonus am Kupplungskörper und Reibflächen, z. B. einem Gegenkonus, an einem Synchronring, der zudem eine Sperrverzahnung aufweist. Der Synchronring läuft mit der Schiebemuffe um, kann sich jedoch zwischen zwei Anschlägen gegenüber dieser um einen begrenzten Drehwinkel um die Drehachse der Schaltkupplung drehen, damit eine Sperrvorrichtung, z. B. eine Sperrverzahnung am Synchronring, in Sperrstellung gebracht werden kann.
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Bewegt man die Schiebemuffe in Richtung des zu schaltenden Kupplungskörpers, wird der Synchronring mit seinem Gegenkonus gegen den Reibkonus des Kupplungskörpers gedrückt. Dabei verdreht sich der Synchronring relativ zur Schiebemuffe, so dass stirnseitige Schrägflächen der Schaltverzahnung auf entsprechende Sperrflächen der Sperrverzahnung stoßen. Dadurch wird eine Axialkraft auf den Synchronring und die Reibflächen ausgeübt. Die Schaltkraft erzeugt gleichzeitig über die Schrägflächen eine Rückstellkraft auf den Synchronring. Diese übersteigt bei Drehzahlgleichheit der rotierenden Teile die an den Reibflächen wirkende Umfangskraft und bringt den Synchronring in eine Mittelstellung, bei der die Schiebemuffe axial weitergeschoben werden kann und die Schaltverzahnung an der Schiebemuffe in die Kupplungsverzahnung am Kupplungskörper eingreifen kann.
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Eine solche Schaltkupplung ist beispielhaft aus der
DE 197 33 519 A1 bekannt geworden. Die Kupplungsverzahnung am Kupplungskörper, die Sperrverzahnung am Synchronring und die Schaltverzahnung an der Schiebemuffe sind dabei üblicherweise spitz und symmetrisch ausgebildet. Die Lebensdauer eines solchen Systems ist begrenzt durch den Verschleiß der Verzahnungen, insbesondere an den Zähnen der Kupplungsverzahnung und der Schaltverzahnung. Dieser Verschleiß entsteht beim Durchschalten der Schiebemuffe nach der Entsperrung wenn die Schaltverzahnung gegebenenfalls mit hoher Kraft auf die Kupplungsverzahnung trifft. Verstärkt wird dieser Effekt noch wenn die Schaltkupplung fremdkraftbetätigt ist, d.h. beispielsweise durch einen Pneumatikzylinder betätigt oder zumindest unterstützt wird. Ferner kann sich dieser Effekt noch verstärken, wenn sich nach der Entsperrung und vor dem Auftreffen der Schaltverzahnung auf die Kuppelverzahnung wieder eine Differenzdrehzahl aufbaut, hervorgerufen beispielsweise durch ein Schleppmoment.
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Die Zähne verschleißen nach einiger Zeit besonders am Übergang von der Anspitzung zur Zahnkontur so sehr, dass eine Ganghaltefunktion durch die Formgebung der Zähne nicht mehr gegeben ist. Die Zähne sind zu diesem Zweck ab den Verzahnungseckpunkten auf ihren Seitenflanken in ihrer Breite reduziert, wobei die Breite zumindest über eine bestimmte Länge kontinuierlich abnimmt. Durch die entsprechende Formgebung bei je zwei zu kuppelnden Zähnen erzeugen diese Zähne hierdurch eine axiale Haltekraft, die den geschalteten Gang in seiner Position halten soll. Der auftretende Verschleiß führt zu verstärktem Herausspringen des eingelegten Ganges.
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Die
DE 197 11 971 A1 zeigt eine Matrix unterschiedlicher Zahnformen einer Kurzverzahnung.
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Aus der
DE 197 41 613 C1 ist eine Kuppelverzahnung für ein Schaltgetriebe bekannt geworden, deren Zähne in Axialrichtung langgestreckt und an ihrem Kuppelende mit einer vom Zahnfuß zum Zahnkopf hin abfallenden Dachkontur versehen sind, die eine gerundete Dachkante aufweist.
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Die
DE 195 31 155 A1 zeigt eine Synchronisiereinrichtung für Schaltkupplungen mit Verzahnungen, deren Dachflächen ballig ausgebildet sind.
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Schließlich zeigt die
DE 11 40 032 A eine Schaltkupplung, die eine Verzahnung mit kreisbogenförmigen Enden aufweist. Flanken der Verzahnungen an Schiebemuffe und Synchronkörper gelangen miteinander in Eingriff und generieren einen Axialschub in Einrückrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkupplung dahingehend zu verbessern, dass unter Gewähren von sicherem Sperren der Schaltkupplung gegen Durchschalten bei Drehzahldifferenz der Verschleiß der Verzahnung reduziert wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine Schaltkupplung umfasst eine Schiebemuffe mit einer Schaltverzahnung, wenigstens einen Synchronring mit einer Sperrverzahnung, der um einen begrenzten Drehwinkel zur Schiebemuffe verdrehbar ist, und wenigstens einen mit dem Synchronring zusammenwirkenden Kupplungskörper mit einer Kupplungsverzahnung. Häufig sind Schaltkupplungen als Pakete ausgebildet, bei denen die einer Schaltmuffe über zwei Synchronringe an den beiden Seiten mit zwei Kupplungskörpern zusammenwirken kann. Die beiden Kupplungskörper sind dann jeweils mit einem drehbaren Getriebeelement verbunden, das zur Drehmomentübertragung eingeschaltet werden soll. Es sind aber auch nur einseitig wirkende Schaltkupplungen üblich, die beispielsweise nur einen Rückwärtsgang in einem Schaltgetriebe schalten.
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Erfindungsgemäß sind die Zähne der Schaltverzahnung und die Zähne der Kupplungsverzahnung so ausgebildet, dass ihre Enden einen Kreisbogen beschreiben, während die Zähne der Sperrverzahnung einen Winkel bildende Enden aufweisen. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik sind nun zwei der drei miteinander in Kontakt tretenden Verzahnungen gegenüber den Kräften, die beim Aufeinandertreffen der Zähne beim Durchschalten entstehen, besser ausgebildet und gleichzeitig bleibt die Sperreigenschaft der Schaltkupplung uneingeschränkt erhalten.
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Erfindungsgemäß bilden die Endpunkte des Kreisbogens die Verzahnungseckpunkte und die Tangente an den Kreisbogen in einem Verzahnungseckpunkt weist die gleiche Steigung auf wie die Zahnflanke eines Zahnes der Sperrverzahnung. Damit bildet die seitliche Anspitzfläche die Tangentialfläche der abgerundeten Verzahnung. Damit bleibt die Sperrgeometrie gegenüber bisherigen Synchronisierungen erhalten. Ebenso ändert sich der Ablauf des Synchronisiervorganges bezüglich Ansynchronisieren, Sperren, Synchronisieren und Entsperren nicht gegenüber dem bekannten Synchronisiervorgang nach dem Stand der Technik.
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Bei der Schiebemuffe weist die stirnseitig gerundete Verzahnung die Eigenschaft auf, dass die Eckpunkte der Verzahnung, an denen die Seitenflanken in den Kreisbogen an der Stirnseite übergehen, an der axial gleichen Stelle liegen wie bei spitzen Verzahnungen nach dem Stand der Technik. Dadurch bildet sich die Länge der Zähne der Schaltverzahnung kürzer aus als die Breite der Schiebemuffe.
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Vorzugsweise liegt dabei der Mittelpunkt eines den Kreisbogen beinhaltenden Kreisausschnitts auf der Mitte eines abgerundeten Zahnes.
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Die Kupplungsverzahnung am Kupplungskörper mit abgerundeten Enden ist gebildet als Gegenstück zur Schaltverzahnung der Schiebemuffe. Im Gegensatz zur Schaltverzahnung liegt die Abrundung der Kupplungsverzahnung mit ihrer Mitte an der gleiche Stelle wie die Firstkanten der angespitzten Kupplungsverzahnungen in den Anordnungen nach bisherigem Stand der Technik. Dadurch stimmt vorzugsweise das der Schiebemuffe zugewandte axiale Ende der Zähne der Kupplungsverzahnung mit dem der Schiebemuffe zugewandten axialen Ende des Kupplungskörpers überein. Dadurch verschieben sich die Verzahnungseckpunkte der Kupplungsverzahnung axial in Richtung der Schiebemuffe, wodurch sich die Überdeckung zwischen den Zahnflanken der Zähne der Kupplungsverzahnung und der Zähne der Schaltverzahnung verlängert. Dadurch wird die Ganghaltefunktion verbessert.
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An den Kontaktstellen zwischen den Zahnenden zwischen Schaltverzahnung und Sperrverzahnung und zwischen Schaltverzahnung und Kupplungsverzahnung entstehen vorzugsweise Linienberührungen. An den Kontaktstellen zwischen der abgerundeten Schaltverzahnung und der spitzen Sperrverzahnung ist auch eine flächenhafte Berührung denkbar.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen ist ein Kupplungskörper der erfindungsgemäßen Schaltkupplung an dem Planetenträger eines Planetengetriebes angeordnet und ein anderer Kupplungskörper ist an einem Getriebegehäuseelement angeordnet. Planetenträger und Getriebegehäuseelement sind vorzugsweise Bestandteile eines Bereichsgruppengetriebes.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäßen Schaltkupplung in einem automatisierten Schaltgetriebe, das auch eine Steuerung zur Vermeidung von Schalthemmungen durch das Aufeinanderstehen von Verzahnungen vorsieht.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schaltkupplung
- 2 eine teilweise Abwicklung eines Zylinderschnitts entsprechend der Linie II-II in 1;
- 3 eine Gegenüberstellung der erfinderischen Formgebung zum Stand der Technik
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Eine Schaltkupplung 1 dient zum Schalten eines als Planetengetriebe 2 ausgebildeten Bereichsgruppengetriebes, das ein Hohlrad 3, Planetenräder 4 und ein Sonnenrad 7 umfasst. Die Planetenräder 4 sind auf Planetenbolzen 5 mittels Wälzlagern 6 in einem Planetenträger 8 gelagert. Das Sonnenrad 7 ist mit einer nicht näher dargestellten Eingangswelle verbunden und der Planetenträger 8, der mittels eines Wälzlagers 10 in einem Getriebegehäuseelement 9 gelagert ist, mit einer nicht näher dargestellten Ausgangswelle.
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Die Schaltkupplung 1 besitzt eine Schiebemuffe 17 mit einer Nut 18 für eine nicht näher dargestellte Schaltgabel. Ferner hat sie eine Schaltverzahnung 19. Im gezeichneten Zustand greift die Schaltverzahnung 19 durch eine Sperrverzahnung 31 eines Synchronrings 29 in eine Kupplungsverzahnung 23 eines Kupplungskörpers 21 ein.
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Die Schiebemuffe 17 ist über eine Mitnahmeverzahnung 11 mit dem Hohlrad 3 drehfest verbunden, das gleichzeitig zur Führung der Schiebemuffe 17 dient. Axial ist die Schiebemuffe 17 im Hohlrad 3 durch einen Sicherungsring 15 gesichert. Der Kupplungskörper 21 ist über eine Mitnahmeverzahnung 13 und einen Sicherungsring 16 in dem Getriebegehäuse 9 fixiert. Somit ist in dem gezeichneten Schaltzustand das Hohlrad 3 über die Schiebemuffe 17 und den Kupplungskörper 21 mit dem Getriebegehäuse 9 verbunden.
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Zur Schaltkupplung 1 gehört ferner ein weiterer Kupplungskörper 20 mit einer Kupplungsverzahnung 22, der über eine Mitnahmeverzahnung 12 und einen Sicherungsring 14 an dem Planetenträger 8 fixiert ist und mit einem Synchronring 28 zusammenarbeitet. Wird die Schiebemuffe 17 entsprechend der 1 nach rechts verschoben, wird in einen anderen Gang bzw. eine andere Übersetzungsstufe gewechselt, bei der das Hohlrad 3 mit dem Planetenträger 8 verbunden ist und mit diesem gemeinsam umläuft. Die Synchronringe 28, 29 haben mehrere, in der Regel sechs, über den Umfang verteilte Nocken 32, 33, die radial in Nuten 44 der Schiebemuffe 17 eingreifen. Die Nuten 44 sind breiter als die Nocken 32, 33, so dass sie einen begrenzten Drehwinkel zwischen der Schiebemuffe 17 und den Synchronringen 28, 29 zulassen. Die Nocken 32, 33 der beiden Synchronringe 28, 29 greifen zweckmäßigerweise in die gleichen Nuten 44 der Schiebemuffe 17 ein, mit deren Anschlägen 38, 39 ihre Flanken 36, 37 zusammenwirken.
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Einige der Nocken 32 und 33 sind axial im Bereich der zugewandten Stirnseiten gekürzt bzw. verlängert, wobei die gekürzten Nocken 32 des einen Synchronrings 28 mit den verlängerten Nocken 33 des anderen Synchronrings 29 und umgekehrt zusammenwirken, indem die verlängerten Nocken 32, 33 in den Bereich des anderen Synchronrings 28, 29 reichen und den Spalt zwischen den Synchronringen überbrücken. Somit ist gewährleistet, dass selbst bei schmalen Schiebemuffen 17 und allen Schaltpositionen die Nocken 32, 33 mit den Nuten 44 in Eingriff bleiben.
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Bei der Ausführung nach 1 und 2 ist zwischen den Synchronringen 28, 29 eine Ringfeder 40 vorgesehen, die in Neutralstellung der Schiebemuffe 17 in eine Rastnut 41 der Schiebemuffe 17 eingreift. Wenn die Schiebemuffe 17 aus der Neutralstellung bewegt wird, übt die Ringfeder 40 auf die Synchronringe 28, 29 eine Axialkraft aus, die über die Reibkonusse 24, 25 und die Gegenkonusse 26, 27 Umfangskräfte erzeugen, die die Sperrverzahnungen 30 oder 31 in Sperrstellung bringen. Weitere, nicht dargestellte Rastnuten können für die Schaltstellungen vorgesehen werden.
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In der 3 ist nebeneinander angeordnet die Formgebung der Verzahnungen nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik gezeigt. In der linken Hälfte der 3 sind die Schaltverzahnung 19, die Sperrverzahnung 31 und die Kupplungsverzahnung 23 in der Formgebung nach dem Stand der Technik gezeigt. Dem gegenübergestellt ist in der rechten Hälfte der 3 die Formgebung der Schaltverzahnung 19, der Kupplungsverzahnung 23 und der Sperrverzahnung 31 nach der Erfindung. Die Kupplungsverzahnung 23 und die Schaltverzahnung 19 nach der Erfindung weisen abgerundete Spitzen auf, die Kreisbögen 45 und 46 bilden. An den Enden der Kreisbögen 45, 46 geht die abgerundete Spitze in den Verzahnungseckpunkten 47, 48 bzw. 49, 50 in die Zahnflanken 51 und 52 bzw. 53 und 54 über. Im Verzahnungseckpunkt 49 weist die Tangente 55 an das runde Ende die gleiche Steigung auf wie die Zahnflanke 56 der Sperrverzahnung 31. Zur Erzielung dieser Tangente 55 wird der Radius R der abgerundeten Schaltverzahnung 19 so bestimmt, dass der Mittelpunkt 57 des den Kreisbogen beinhaltenden Kreisausschnitts auf der Zahnmitte 58 der Schaltverzahnung 19 liegt. Die Abrundung an der Kupplungsverzahnung 23 wird entsprechend angepasst ausgebildet, so dass zwischen der Kupplungsverzahnung 23 und der Schaltverzahnung eine Linienberührung entsteht.
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Durch die abgerundete Formgebung der Kupplungsverzahnung liegen die Verzahnungseckpunkte 47 und 48 um einen Abstand 59 näher am Rand bzw. Ende 60 des Kupplungskörpers 21 gegenüber bisheriger Ausgestaltungen. Dadurch gestalten sich die Zahnflanken 51 und 52 länger als bisherige Formgebungen. Im durchgeschalteten Zustand der Schaltkupplung 1 liegt dann die Zahnflanke 53 der Schaltverzahnung 19 auf einer größeren Fläche an der Zahnflanke 52 der Kupplungsverzahnung 23 bzw. bei gegensätzlicher Relativdrehzahl liegt die Zahnflanke 54 der Schaltverzahnung 19 auf einer größeren Fläche an der Zahnflanke 51 der Kupplungsverzahnung 2. Die Überdeckung der Zahnflanken in der eingeschalteten Position des Ganges erhöht sich. Dadurch kann eine bessere Ganghaltefunktion erreicht werden.
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An der gegenüberliegenden Schaltverzahnung 19 führt die abgerundete Formgebung dazu, dass das abgerundete Ende der Schaltverzahnung 19 bei Kontakt mit der Sperrverzahnung 31 um einen Abstand 61 weniger weit in Richtung auf die Kupplungsverzahnung 21 vorsteht. Dies kann dazu führen, dass die Länge der Schaltverzahnung 19 kürzer als die Breite der Schiebemuffe 17 ist.
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Die Einbaumaße der erfindungsgemäßen Schaltkupplung entsprechen den Abmessungen einer Schaltkupplung nach dem Stand der Technik, so dass bei einem Austausch der Schaltkupplungen keine Einbauraumänderungen durchgeführt werden müssen.
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Bei geeigneter Ausführung der Schaltkupplung könnte die Schiebemuffe insgesamt schmaler gestaltet werden. Damit erhöht sich der Schaltweg aber auch die Überdeckung der Verzahnungen im geschalteten Zustand weiter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltkupplung
- 2
- Planetengetriebe
- 3
- Hohlrad
- 4
- Planetenrad
- 5
- Planetenbolzen
- 6
- Wälzlager
- 7
- Sonnenrad
- 8
- Planetenträger
- 9
- Getriebegehäuseelement
- 10
- Wälzlager
- 11, 12, 13
- Mitnahmeverzahnung
- 14, 15, 16
- Sicherungsring
- 17
- Schiebemuffe
- 18
- Nut
- 19
- Schaltverzahnung
- 20, 21
- Kupplungskörper
- 22, 23
- Kupplungsverzahnung
- 24, 25
- Reibkonus
- 26, 27
- Gegenkonus
- 28, 29
- Synchronring
- 30,31
- Sperrverzahnung
- 32,33
- Nocken
- 36, 37
- Flanke
- 38,39
- Anschlag
- 40
- Ringfeder
- 41
- Rastnut
- 44
- Nut
- 45, 46
- Kreisbogen
- 47, 48, 49, 50
- Verzahnungseckpunkt
- 51, 52, 53, 54
- Zahnflanke
- 55
- Tangente
- 56
- Zahnflanke
- 57
- Mittelpunkt
- 58
- Zahnmitte
- 59
- Abstand
- 60
- Rand
- 61
- Abstand
- R
- Radius
