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Die Erfindung betrifft eine Sperrsynchronisationsbaugruppe eines Schaltgetriebes, mit einem Synchronkörper, der auf einer Welle des Schaltgetriebes drehfest anzubringen ist, wenigstens einem sperrverzahnungsfreien Konusring zur Koppelung des Synchronkörpers mit einem Gangrad des Schaltgetriebes über eine Reibverbindung und eine Vorsynchroneinheit, die an einer Schaltmuffe angreift und bei einer Axialverschiebung der Schaltmuffe den Konusring axial beaufschlagt, wobei die Vorsynchroneinheit zumindest einen Sperrzahn aufweist, der ein axiales Verschieben der Schaltmuffe bis zum Erreichen der Synchronisation verhindert, und wobei die Vorsynchroneinheit wenigstens einen Kopplungsstein umfasst, der in einer Ausnehmung im Synchronkörper untergebracht ist und sich radial durch eine Ausnehmung im Konusring erstreckt und einen radial äußeren Abschnitt aufweist, mit dem er den Konusring außenseitig übergreift.
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Schaltgetriebe, insbesondere Schältmuffengetriebe für Fahrzeuge, sind aus dem Stand der Technik bekannt und üblicherweise als Synchrongetriebe mit einer Synchronisationsbaugruppe ausgebildet. Ist ein Gang geschaltet, so ist bei derartigen Getrieben ein mit der Getriebewelle drehfest verbundener Synchronkörper über eine axial verschiebliche Schaltmuffe drehfest mit einem Gangrad gekoppelt. Soll in einen anderen Gang geschaltet werden, sorgt die Synchronisationsbaugruppe zunächst für eine Angleichung der Drehzahlen des Synchronkörpers und des jeweiligen Gangrads, bevor sie eine Kupplung über die Schaltmuffe zulässt.
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Die Synchronisationsbaugruppe umfasst wenigstens einen Konusring, der sich mit dem Synchronkörper des Schaltgetriebes in Eingriff befindet und beim Schaltvorgang eine Reibverbindung mit demjenigen Gangrad ausbildet, das dem gewünschten Gang zugeordnet ist, um zwischen dem Synchronkörper und dem Gangrad eine Drehzahlsynchronisierung zu erreichen.
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Aus dem Stand der Technik sind Sperrsynchronisierungen bekannt, insbesondere nach dem System Borg-Warner. Bei diesen herkömmlichen Sperrsynchronisationsbaugruppen ist der Konusring als Konusring mit Sperrverzahnung ausgebildet, die dadurch gebildet ist, dass die Zähne seitlich, das heißt radial vom Konusring abstehen. Die Sperrverzahnung wird beim Ansynchronisieren aufgrund der Drehzahlunterschiede zwischen Synchronkörper und Gangrad leicht verdreht und versperrt der Schaltmuffe den axialen Verschiebeweg. Erst wenn ein Drehzahlausgleich erreicht wird, lässt sich der Konusring über die in Axialrichtung gesehen schräge Sperrverzahnung in die Freigabestellung drehen, womit der Weg für die Schaltmuffe frei wird.
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Die erfindungsgemäße Sperrsynchronisationsbaugruppe betrifft kein System nach Borg-Warner oder, allgemein, ein System mit einer Sperrverzahnung auf dem Konusring. Vielmehr bezieht sich die Erfindung auf sogenannte sperrverzahnungsfreie Konusringe, das heißt, keiner der Konusringe hat eine Sperrverzahnung, vielmehr wird die Verschiebung der Schaltmuffe durch einen in einer Vorsynchroneinheit untergebrachten Sperrzahn erreicht.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine sogenannte Sperrkeilsynchronisationsbaugruppe. Eine solche Sperrkeilsynchronisation ist aus der
DE 10 2007 010 307 B1 bereits bekannt. Bei dieser Form der Sperrsynchronisation ist im Kopplungsstein ein sogenannter Sperrstein vorhanden, der radial beweglich, vorzugsweise über ein Federelement nach außen vorgespannt, im Kopplungsstein aufgenommen ist. Dieser Sperrstein bildet einen Sperrzahn für die Schaltmuffe. Der Sperrstein liegt über mehrere Schräg- oder Keilflächen in einer ebenfalls mit Gegenschrägflächen ausgeführten Öffnung im Kopplungsstein und kann dann erst in den Kopplungsstein tiefer eintauchen, um den Weg für die Schaltmuffe freizugeben, wenn Kopplungsstein und Sperrstein in Umfangsrichtung zueinander ausgerichtet sind. Dies ist jedoch erst bei Angleichung der Drehzahlen möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Sperrsynchronisationsbaugruppe zu schaffen, indem der Kopplungsstein geringeren Belastungen unterworfen ist.
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Dies wird bei einer Sperrsynchronisationsbaugruppe der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass der Kopplungsstein einen radial inneren Abschnitt mit zumindest einem seitlichen Vorsprung aufweist, mit dem er den Konusring hintergreift.
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Der Kopplungsstein umgreift den Konusring sozusagen auf beiden radialen Seiten, der Außen- und Innenseite, sodass der Kopplungsstein in radialer Richtung formschlüssig mit dem Konusring gekoppelt ist.
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Durch die formschlüssige Aufnahme des Kopplungssteins im Konusring wird verhindert, dass die Fliehkraft den Kopplungsstein nach außen gegen die Schaltmuffe drückt, womit der Kopplungsstein auch bei einem Drehzahlausgleich von Synchronkörper und Gangrad ein leichtes Verschieben der Schaltmuffe erschweren würde.
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Darüber hinaus ist durch die besondere Ausbildung des Kopplungssteins eine leichte und sichere Montage des Kopplungssteins in der Baugruppe sichergestellt.
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Schließlich wird durch den den Konusring hintergreifenden Kopplungsstein ein Kippen des Kopplungssteins bei axialer Kraftbeaufschlagung beim Verschieben der Schaltmuffe verhindert, was das Verschieben der Schaltmuffe erleichtert und einem Verschleiß des Kopplungssteins auf seiner Außenseite entgegenwirkt.
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Die Öffnung im Konusring wird vorzugsweise dadurch gebildet, dass der Konusring für den Kopplungsstein axial vorstehende Fortsätze hat, die voneinander in Umfangsrichtung beabstandet sind. Zwischen diesen Fortsätzen ergibt sich die Ausnehmung, in der der Kopplungsstein sitzt. Da diese Ausnehmung axial auf einer Seite offen ist, lässt sich der Kopplungsstein über diese offene Axialseite in den Kopplungsring einschieben.
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Für die Montage muss der Kopplungsstein nicht etwa verrastet werden, vielmehr ist er vorzugsweise ein stabiles, starres Teil, welches in die Ausnehmung eingesteckt wird.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Kopplungsstein so in radialer Richtung dimensioniert, dass er bei Anlage des Vorsprunges am Konusring radial von der Schaltmuffe beabstandet ist. Dies ist auf den synchronisierten Zustand zu beziehen. Der Kopplungsstein wird also von den Zähnen der Schaltmuffe nicht auf seiner Außenseite kontaktiert.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist der Kopplungsstein mit einem radialen Spiel am Konusring angebracht, um eine gewisse Bewegung des Kopplungssteins zu ermöglichen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der radial äußere Abschnitt, mit dem der Kopplungsstein über dem Konusring liegt, ein axial von der Öffnung im Konusring versetzter Abschnitt ist, sich also in Umfangsrichtung oder Axialrichtung zur Öffnung erstreckt. Der Vorsprung verläuft vorzugsweise in axialer Richtung und hintergreift einen axialen Seitenrand der Öffnung.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform liegt der Kopplungsstein im Betrieb der Baugruppe mit seinem Vorsprung innenseitig am Konusring an. Hier ist ein direkter Kontakt vorhanden.
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Um auszuschließen, dass beim sogenannten Umschlagen während der Vorsynchronisation, also beim Verschieben des Sperrzahns oder des Kopplungssteins, eine Reibung zwischen dem Kopplungsstein und dem Synchronkörper auftritt, der das sogenannte Umschlagen erschweren könnte, ist vorgesehen, dass der Kopplungsstein im Betrieb zumindest radial vom Synchronkörper beabstandet ist.
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Eine gute Lagefixierung des Kopplungssteins im Konusring wird dadurch noch verbessert, dass der Rand der Ausnehmung im Konusring radial innenseitig abgeschrägt sein kann.
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Durch die Abschrägung kann, was jedoch nicht zwingend ist, ein Flächenkontakt zwischen Kopplungsstein und Konusring ermöglicht werden, wenn der Vorsprung in seiner Form der Abschrägung angepasst ist. Insbesondere kann die Abschrägung eine ebene Fläche sein.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform hat der Kopplungsstein nicht nur an einem Umfangsrand, sondern an entgegengesetzten Umfangsrändern oder, allgemeiner, Umfangsenden, sowie alternativ oder zusätzlich an den axialen Rändern den Konusring bzw. die Konusringe hintergreifende Fortsätze, sodass die Führung des Kopplungssteins am Konusring noch verbessert wird.
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Die Fortsätze können mit dem Konusring auch eine Art Schwalbenschwanzführung ausbilden. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schwalbenschwanzführung ist jedoch der Anschlag in Richtung radial einwärts nicht durch die Unterseite des Vorsprunges an einem Gegenstück realisiert, sondern durch den Kontakt des radial äußeren Abschnitts des Kopplungssteins, mit dem er den Konusring übergreift, mit der radialen Außenseite des Konusrings.
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Die Vorsprünge an den axialen Enden hintergreifen gemäß einer Ausführungsform erst bei Aufbringen einer Schaltkraft und nach Bewegen des Kopplungssteins aus der Mittenstellung heraus denjenigen Konusring, zu dem der Kopplungsstein hin bewegt wurde.
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Der radial äußere Abschnitt des Kopplungssteins sollte eine innenseitige Anpressfläche zum Kontakt mit dem Konusring haben, über die dann ein Druck auf den Konusring beim radialen Verschieben desselben ausgeübt wird. Hier sollte ein Flächenkontakt vorhanden sein, indem die Unterseite des Kopplungssteins der Außenfläche des Konusrings angepasst ist. Normalerweise hat der Konusring auf seiner radialen Außenseite eine Konusform, sodass der Kopplungsstein eine ebenfalls konusförmige Kontaktfläche aufweist.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Kopplungsstein durch ein zwischen Schaltmuffe und Kopplungsstein wirkendes Federelement radial nach innen vorgespannt ist, sodass über dieses Federelement der Kopplungsstein in eine Ausgangsposition gedrückt wird.
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Neben der zuvor erwähnten Sperrkeilsynchronisation kann die erfindungsgemäße Sperrsynchronisationsbaugruppe auch bei einer Ausführungsform eingesetzt werden, bei der der Sperrzahn unmittelbar am Kopplungsstein angeformt ist. Das bedeutet, dass sehr wenig Teile für die Realisierung der Sperrfunktion erforderlich sind. Der Kopplungsstein dient damit sozusagen auch als Sperrstein. Der Sperrstein kann einstückig, insbesondere aus einem Sintermaterial (zum Beispiel gehärtetes Sintermaterial) hergestellt sein oder auch durch eine Art Sandwich-Bauweise mit einem einfachen, leichten Grundkörper und einem damit verbundenen, kleiner bauenden, harten Körper mit dem Sperrzahn.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht die zuvor erwähnte Realisierung einer Sperrkeilsynchronisationsbaugruppe vor, bei der ein im Kopplungsstein radial beweglich aufgenommener Sperrstein untergebracht ist. Der Sperrstein bildet den oder die Sperrzähne, die mit der Schaltmuffe in Kontakt kommen und der Schaltmuffe den Weg in Richtung Gangrad versperren, solange kein Drehzahlausgleich erreicht ist.
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Bevorzugterweise ist die Sperrsynchronisationsbaugruppe nicht nur für die Synchronisation mit einem Gangrad zuständig, vielmehr sind auf beiden Seiten des Synchronkörpers Gangräder vorgesehen, wodurch auch auf beiden Seiten des Synchronkörpers Konusringe mit ihm verbunden sind. Der Kopplungsstein ist dabei in gegenüberliegende Ausnehmungen beider Konusringe eingesetzt und greift in diese ein und hintergreift mit seinem oder seinen Vorsprüngen beide Konusringe. Die Kopplung der beiden Konusringe über den Kopplungsstein verbessert auch das Geräuschverhalten, denn beim Synchronisieren werden beide Konusringe mitgenommen, sodass sich insgesamt eine größere träge Masse ergibt. Der Kopplungsstein hat bei dieser Ausführungsform somit eine Mehrfachfunktion.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Längsschnittdetail einer erfindungsgemäßen Sperrsynchronisationsbaugruppe eines Schaltgetriebes in der Neutralstellung;
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2 ein Querschnittdetail der Sperrsynchronisationsbaugruppe gemäß 1;
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3 eine perspektivische Draufsicht auf einen Kopplungsstein der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisationsbaugruppe;
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4 eine perspektivische Draufsicht auf eine montierte Vorsynchroneinheit der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisationsbaugruppe;
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5 eine perspektivische Untersicht einer Vorsynchroneinheit der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisationsbaugruppe;
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6 eine perspektivische Teilansicht eines Konusrings der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisationsbaugruppe;
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7 eine perspektivische Ansicht einer in den Konusring gemäß 6 eingesetzten Vorsynchroneinheit gemäß 5;
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8 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sperrsynchronisationsbaugruppe in Form einer Sperrkeilsynchronisationsbaugruppe;
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9 eine perspektivische Teilschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen, nach dem Sperrkeilprinzip arbeitenden Synchronisationsbaugruppe;
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10 eine Querschnittsansicht durch eine Synchronisationsbaugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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11 eine Draufsicht auf einen geringfügig modifizierten Kopplungsstein; und
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12 eine Querschnittsansicht in einem Axialschnitt durch eine Synchronisationsbaugruppe gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
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Die 1 und 2 zeigen ein Längsschnittdetail bzw. ein Querschnittdetail durch eine Sperrsynchronisationsbaugruppe 10 eines Schaltgetriebes 12. Die Sperrsynchronisationsbaugruppe 10 umfasst dabei einen ringförmigen Synchronkörper 14, der auf einer Welle (nicht gezeigt) des Schaltgetriebes 12 drehfest anebracht ist, eine Schaltmuffe 16, die relativ zum Synchronkörper 14 drehfest, aber axial verschieblich angeordnet ist, wenigstens einen Konusring 18 zur Kopplung des Synchronkörpers 14 mit wenigstens einem Gangrad 20 des Schaltgetriebes 12 über eine Reibverbindung, sowie eine Vorsynchroneinheit 22, die an der Schaltmuffe 16 angreift und bei einer Axialverschiebung der Schaltmuffe 16 den entsprechenden Konusring 18 axial beaufschlagt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Schaltgetriebes 12 sind in axialer Richtung gesehen auf beiden axialen Seiten des Synchronkörpers 14 jeweils ein Konusring 18 und ein Gangrad 20 angeordnet. Zur Klarstellung der jeweiligen Richtungsangaben sind in 2 eine Axialrichtung mit 100, eine Radialrichtung mit 110 und eine Umfangsrichtung mit 120 bezeichnet.
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Die Vorsynchroneinheit 22 weist einen als Sperrstein ausgebildeten Kopplungsstein 24 mit einer einstückig angeformten, vorzugsweise durch mehrere Sperrzähne 32 gebildeten Sperrverzahnung 26 auf, wobei die Sperrverzahnung 26 eine Bewegung der Schaltmuffe 16 relativ zum Kopplungsstein 24 längs einer Getriebeachse A freigeben oder sperren kann.
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Da an jeder Seite des Synchronkörpers 14 ein Gangrad 20 angeordnet ist, ist auch an beiden axialen Rändern 28 des Kopplungssteins 24 je eine Sperrverzahnung 26 vorgesehen, die jeweils eine Axialverschiebung der zwischen den beiden Verzahnungen sitzenden Schaltmuffe 16 in der entsprechenden Richtung freigeben oder sperren kann.
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Die Schaltmuffe 16 weist eine an den Kopplungsstein 24 radial nach außen angrenzende Innenverzahnung 30 auf, welche in einer nicht-geschalteten Neutralstellung des Schaltgetriebes 12 (1) axial versetzt zur Sperrverzahnung 26 des Kopplungssteins 24 angeordnet ist. Durch diese axial versetzte Anordnung der Verzahnungen 26, 30 wird in Umfangsrichtung 120 eine Relativbewegung zwischen der Vorsynchroneinheit 22 und der Schaltmuffe 16 und damit auch zwischen der Vorsynchroneinheit 22 und dem drehfest mit der Schaltmuffe 16 verbundenen Synchronkörper 14 ermöglicht.
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Um die axiale Abmessung des Schaltgetriebes 12 möglichst gering zu halten, ist die Sperrverzahnung 26 nur im Bereich der axialen Ränder 28 des Kopplungssteins 24 vorgesehen und erstreckt sich in axialer Richtung 100 insgesamt (d. h. als Summe beider Verzahnungen) über maximal 25% der Abmessung L des Kopplungssteins 24 (siehe 3). Die axiale Abmessung I eines Zahns 32 der Sperrverzahnung 26 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 10% der axialen Abmessung L des Kopplungssteins 24.
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Die in 1 gezeigte Schaltstellung wird als Ausgangs- oder Neutralstellung des Schaltgetriebes 12 bezeichnet, weil sich der Synchronkörper 14 unabhängig von den Gangrädern 20 um die Getriebeachse A drehen kann. Insbesondere ist keines der Gangräder 20 über die Schaltmuffe 16 drehfest mit dem Synchronkörper 14 verbunden. Ferner ist die Schaltmuffe 16 in der Neutralstellung des Schaltgetriebes 12 üblicherweise in axialer Richtung 100 mittig zum Synchronkörper 14 angeordnet, insbesondere wenn auf beiden axialen Seiten des Synchronkörpers 14 ein Gangrad 20 angeordnet ist.
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Obwohl in den Figuren nur Schaltgetriebe 12 gezeigt sind, bei denen auf beiden Seiten des Synchronkörpers 14 jeweils ein Konusring 18 und ein Gangrad 20 angeordnet sind sowie an beiden axialen Rändern 28 des Kopplungssteins 24 eine Sperrverzahnungen 26 vorgesehen ist, umfasst die Erfindung selbstverständlich auch Ausführungsformen, bei denen nur auf einer Seite des Synchronkörpers 14 ein Konusring 18 und ein Gangrad 20 vorgesehen ist und/oder bei denen der Kopplungsstein 24 entsprechend nur an einem axialen Rand 28 eine Sperrverzahnung 26 aufweist.
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Aus den 1 und 2 wird deutlich, dass die Vorsynchroneinheit 22 den Kopplungsstein 24, ein Federelement 34 und ein durch das Federelement 34 radial nach außen beaufschlagtes Kraftübertragungselement 36 umfasst. Das Federelement 34 ist zwischen der Innenseite der Schaltmuffe 16 und dem Kopplungsstein 24 verspannt. Dadurch ist der Kopplungsstein 24 in radialer Richtung von der Schaltmuffe 16 weg in Richtung zum Synchronkörper 14 vorgespannt. Das Kraftübertragungselement 36 ist im vorliegenden Fall als Kugel, vorzugsweise als Stahlkugel ausgebildet, wobei das Kraftübertragungselement 36 alternativ auch jede andere geeignete geometrische Form annehmen kann.
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Das Kraftübertragungselement 36 ist radial in einer Bohrung 38 (siehe 3) des Kopplungssteins 24 geführt und erstreckt sich durch den Kopplungsstein 24 radial nach außen in eine innenseitige Ausnehmung 40 (insbesondere eine Umfangsnut) der Schaltmuffe 16, um den Kopplungsstein 24 relativ zur Schaltmuffe 16 axial zu positionieren.
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Der Synchronkörper 14 weist gemäß den 2 und 4 an seinem Außenumfang eine Verzahnung 43 sowie für jede Vorsynchroneinheit 22 eine Ausnehmung 44 auf, in der die jeweilige Vorsynchroneinheit 22 aufgenommen ist. Die Innenverzahnung der Schaltmuffe 16 greift in die Außenverzahnung 43. Die Geometrie der Zähne der Sperrverzahnung 26 ist an die Innenverzahnung der Schaltmuffe 16 angepasst, um ein Eingreifen der Zähne der Sperrverzahnung 26 in die Innenverzahnung zu ermöglichen, wie später noch erläutert wird. Vorzugsweise sind mehrere, insbesondere drei Vorsynchroneinheiten 22 über den Umfang des Synchronkörpers 14 verteilt angeordnet.
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Ferner sind an jedem Konusring 18 axiale Fortsätze 46 vorgesehen (vgl. auch 6), die sich im Wesentlichen axial in die Ausnehmung 44 des Synchronkörpers 14 erstrecken. Zwischen den Fortsätzen 46 des Konusrings 18 hat dieser eine Ausnehmung 43 (siehe 6). Konkret ist die Vorsynchroneinheit 22 in der Ausnehmung 43 zwischen zwei Fortsätzen 46 des Konusrings 18 angeordnet.
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Jeder Fortsatz 46 ist am Rand der Ausnehmung 43 radial innenseitig abgeschrägt unter Bildung einer schräg nach innen weisenden Kontaktfläche 48, die an einer vorzugsweise gleich geneigten Kontaktfläche 50 des Kopplungssteins 24 anliegt (vgl. auch 7).
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Der Kopplungsstein 24 besitzt, wie 5 zeigt, einen radial äußeren Abschnitt 67, mit dem er die Konusringe 18 außenseitig übergreift. Dieser Abschnitt 67 liegt also unmittelbar radial außerhalb des zugeordneten Konusrings 18 und ist von diesem nicht seitlich versetzt. Dieser Abschnitt 67 liegt ferner bezüglich der Ausnehmung 43 axial versetzt (siehe 7).
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Der Kopplungsstein 24 erstreckt sich von radial außen in/durch die Ausnehmung 43.
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In Axialrichtung gesehen hat der Kopplungsstein 24 seitlich an entgegengesetzten Enden abstehende Vorsprünge 47.
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Diese Vorsprünge 47 sind an den radialen Außenseiten zur Bildung der Kontaktflächen 50 abgeschrägt, und zwar komplementär zu den entsprechenden Abschrägungen (Kontaktflächen 48) an den einander zugewandten unteren Rändern der Fortsätze 46. Mit den Vorsprüngen 47 hintergreift der Kopplungsstein 24 den Konusring 18. Diese Hintergreifung ist bereits in der Ausgangs- oder Neutralstellung des Schaltgetriebes 12 vorhanden.
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Die Kontaktflächen 48 der Fortsätze 46 sind schräg zur Radialrichtung 110 geneigt, d. h. sie weisen radial schräg nach innen (siehe 2) und sind einander zugewandt.
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Durch das Zusammenwirken der Kontaktflächen 48, 50 sind die Vorsynchroneinheit 22 und der Konusring 18 in Umfangsrichtung 120 im Wesentlichen spielfrei verbunden, wobei aber vorzugsweise ein geringes radiales Spiel zwischen Kopplungsstein 24 und Konusringen 18 gegeben sein kann.
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Anhand der 5 bis 7 wird deutlicher, dass die aneinander anliegenden Kontaktflächen 48, 50 wenigstens abschnittsweise so geneigt sind, dass sie eine relativ zum Konusring 18 radial nach außen gerichtete Bewegung des Kopplungssteins 24 verhindern.
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Es ergibt sich eine Art Schwalbenschwanzführung.
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Dadurch können die Kontaktflächen 50 der Vorsprünge 47 insbesondere einem Kippmoment entgegenwirken, welches bei axialer Belastung der Sperrverzahnung 26 bei einer Axialverschiebung der Schaltmuffe 16 in der Sperrstellung des Kopplungssteins 24 entsteht. Folglich wird ein Kippen des Kopplungssteins 24, welches eine Funktionsbeeinträchtigung der Sperrsynchronisationsbaugruppe 10 zur Folge haben könnte, verhindert. Im Betrieb, d. h. bei Drehung des Synchronkörpers 14, liegt der Kopplungsstein 24, der durch die Fliehkraft nach außen gedrückt wird, mit der Fläche 50 jeder Abschrägung des Vorsprungs 47 flächig an der zugeordneten Kontaktfläche 48 an, ohne dass dabei ein Kontakt zwischen der radialen Oberseite (in 3 zu sehen) des Kopplungssteins 24 und der Innenseite der Schaltmuffe 16 erfolgt.
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Die geneigten Kontaktflächen 48 am Konusring 18 und/oder Kontaktflächen 50 am Kopplungsstein 24 werden bevorzugt durch Umformen hergestellt. Alternativ kann das jeweilige Bauteil auch entweder bereits bei seiner Herstellung entsprechend geformt oder aber spanend nachbearbeitet werden. Außerdem können statt abgeschrägter Kontaktflächen 48, 50 auch gestufte oder gerundete Kontaktflächen 48, 50 vorgesehen sein, um den Kopplungsstein 24 gegen Kippen zu sichern.
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Die Ausnehmung 44 im Synchronkörper 14 weist an ihren Umfangsenden Hinterschneidungen 45 auf, in die die Fortsätze 46 der Konusringe 18 hineinragen. Optional sind die überkragenden Abschnitte des Synchronkörpers 14 noch mit wenigstens einem Zahn (siehe 2) der Außenverzahnung 43 versehen und/oder haben radial innenseitig eine gekrümmt verlaufende, die Hinterschneidung 45 begrenzende Wand 49.
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Da die Hinterschneidungen 45 für die prinzipielle Funktion der Sperrsynchronisationsbaugruppe 10 nicht unbedingt notwendig sind, können sie in alternativen Ausführungsvarianten auch entfallen.
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Die 4 zeigt die Sperrsynchronisationsbaugruppe 10 im Bereich der montierten Vorsynchroneinheit 22, wobei die Schaltmuffe 16 nicht eingezeichnet ist. Durch die weggelassene Schaltmuffe 16 wird deutlich, dass die Konusringe 18 auf beiden axialen Seiten des Synchronkörpers 14 paarweise aufeinander zulaufende Fortsätze 46 mit Kontaktflächen 48 aufweisen und gleichermaßen mit den Kontaktflächen 50 des Kopplungssteins 24 zusammenwirken. Mit anderen Worten sind die beiden Konusringe 18 durch gemeinsame Kopplungssteine 24 in Umfangsrichtung 120 weitgehend spielfrei miteinander gekoppelt.
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Bei in Umfangsrichtung 120 nicht-gekoppelten Konusringen 18 kann es durch Schleppmomente oder Schwingungen bzw. Vibrationen im Antriebsstrang zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung kommen, welche durch ein Anschlagen der Konusringe 18 am Synchronkörper 14 verursacht wird. Diese Geräusche werden durch die Kopplung der Konusringe 18 mittels des Kopplungssteins 24 verhindert oder zumindest reduziert, sodass das Schaltgetriebe 12 im Betrieb besonders leise ist.
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Die 5 zeigt die Vorsynchroneinheit 22 aus 4 in einer perspektivischen Untersicht. Neben der Kontaktfläche 50 ist in 5 auch eine der beiden entgegengesetzt gerichteten axialen Kontaktflächen 54 gut zu erkennen, durch die der Kopplungsstein 24 den zugeordneten Konusring 18 beim Schaltvorgang des Schaltgetriebes 12 axial verschiebt. Die Kontaktflächen 54 liegen vorzugsweise jeweils in einer zur Getriebeachse A senkrechten Ebene. In der Ausgangsstellung (1) sind die Kontaktflächen 54 vorzugsweise von den stirnseitigen Gegenflächen 55 der Konusringe 18 beabstandet.
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An einer radialen Innenseite des Kopplungssteins 24 ist außerdem ein Fortsatz 66 zur Aufnahme des Federelements 34 zu sehen. Der Fortsatz 66 bildet einen nach unten ausbauchenden Boden des Kopplungssteins 24.
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Der radial nach innen vorgespannte Kopplungsstein 24 liegt in Radialrichtung mit einer Unterseite 69 an der Oberseite der Konusringe 18 an.
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Die 6 zeigt einen Ausschnitt des Konusrings 18 mit zwei Fortsätzen 46, zwischen denen die Vorsynchroneinheit 22 gemäß 5, genauer der Kopplungsstein 24 der Vorsynchroneinheit 22 aufgenommen wird.
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In der 7 ist schließlich den Konusring 18 gemäß 6 mit eingesetzter Vorsynchroneinheit 22 gemäß 5 dargestellt. Hier ist gut zu erkennen, dass der Kopplungsstein 24 in Axialrichtung radial außen den Konusring 18 übergreift. Dies gilt, wie 1 zeigt, für beide Konusringe 18. In Umfangsrichtung gesehen besitzt der Kopplungsstein 24 eine T-Form, mit einem Mittelsteg, der zwischen benachbarten Konusringen 18 sitzt und in Ausnehmungen derselben ragt, welche im Beispiel zwischen den Fortsätzen 46 liegen, was nicht einschränkend zu verstehen ist.
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Die in axialer Richtung 100 beidseitig abstehenden Seitenschenkel des „T”, also die vorher schon erwähnten radial äußeren Abschnitte 67 haben der Neigung der radialen Außenseite des Konusrings 18 entsprechende, schräg geneigte Unterseiten, die innenseitige Anpressflächen 69 bilden, um einen vollflächigen Kontakt mit den Konusringen 18 zu ermöglichen (siehe 1).
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Die Ausnehmung 44 im Synchronkörper 14 ist gemäß 2 so ausgebildet, dass die Vorsynchroneinheit 22 zusammen mit dem Konusring 18 relativ zum Synchronkörper 14 in Umfangsrichtung 120 begrenzt beweglich ist, um sich zwischen einer in 2 gezeigten Freigabestellung und einer Sperrstellung zu bewegen.
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Die Strecke zwischen einer Sperrstellung oder Anschlagstellung und der (mittigen) Freigabestellung bildet einen beim Synchronisieren auftretenden Umschlagweg x.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Anschlag zu bilden. Beispielsweise kann die Sperrstellung durch einen Anschlag 51' einer Aussparung im Synchronkörper 14 für den bodenseitigen Fortsatz 66 des Kopplungssteins 24 sichergestellt werden. Dies ist in 2 mit dem Umschlagweg x' symbolisiert. Eine weitere Möglichkeiten besteht darin, dass ein Anschlag am Synchronkörper 14 nicht, wie im vorherigen Beispiel radial einwärts, sondern radial auswärts des Konusrings 18 erfolgt, indem der Kopplungsstein 24 direkt am Außenrand 51'' des Synchronkörpers 14 anschlägt, was durch den Umschlagweg x'' symbolisiert ist. Eine weitere, in der 2 am einfachsten realisierbare Option ist der Anschlag des Konusrings 18 mit seinen Fortsätzen 46 an der Fläche 51 des Synchronkörpers 14, sodass der Umschlagweg x durch den Konusring 18 und den Synchronkörper 14 definiert ist. Die Fläche 51 ist eine Radialfläche und begrenzt die Ausnehmung 44 in Umfangsrichtung 120.
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Die Gegenflächen an den Konusringen 18 oder am Kopplungsstein 24 verlaufen parallel zu den Anschlagflächen 51, 51', 51'', sodass es zu einem flächigen Anschlag kommt.
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Vorzugsweise liegen die Anschlagflächen 51, 51' oder 51'' und die Gegenflächen an den Konusringen 18 bzw. dem Kopplungsstein 24 parallel zueinander und verlaufen in Axialrichtung 100 gesehen im Wesentlichen radial.
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Wie in 2 angedeutet, bildet die Vorsynchroneinheit 22 eine vorgefertigte, in sich geschlossene Baugruppe, bei der das Federelement 34 und das Kraftübertragungselement 36 im Kopplungsstein 24 aufgenommen sind. Damit das Kraftübertragungselement 36 im nicht-eingebauten Zustand der Vorsynchroneinheit 22 zwar aus der Bohrung 38 teilweise herausragt, aber nicht aus der Bohrung 38 herausfällt, weist der Kopplungsstein 24 optional Anschläge 64 auf, welche in 2 schematisch angedeutet sind. Insbesondere bei einer Kunststoffherstellung des Kopplungssteins 24 lassen sich diese Anschläge 64 mit geringem Aufwand einstückig am Kopplungsstein 24 ausbilden. Auf einer radialen Außenseite des Kopplungssteins 24 endet die radiale Bohrung 38 zur Aufnahme des Kraftübertragungselements 36, wobei die Bohrung 38 sowohl in axialer Richtung 100 als auch in Umfangsrichtung 120 etwa mittig angeordnet ist (siehe 3).
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Die 3 zeigt den Kopplungsstein 24 der Vorsynchroneinheit 22 in perspektivischer Draufsicht. Der Kopplungsstein 24 ist hierbei ein Sinterteil, insbesondere ein gehärtetes Sinterteil, damit die Sperrverzahnung 26 den auftretenden Beanspruchungen zuverlässig standhalten kann. Alternativ könnte der Kopplungsstein 24 in vorteilhafter Weise auch aus einem hochbelastbaren Kunststoff oder einem sonstigen geeigneten Material hergestellt sein.
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In 3 ist an beiden axialen Rändern 28 des Kopplungssteins 24 die Sperrverzahnung 26 vorgesehen, wobei die Sperrverzahnungen 26 gegenüber dem Rest des Kopplungssteins 24 radial nach außen vorstehen. Die Sperrverzahnungen 26 sind im vorliegenden Fall einstückig an den Kopplungsstein 24 angeformt und weisen in Umfangsrichtung jeweils zwei hintereinanderliegende Zähne 32 auf.
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Um die Belastung der einzelnen Sperrzähne 32 beim Sperrsynchronisationsvorgang zu reduzieren, können selbstverständlich auch mehr in Umfangsrichtung 120 hintereinanderliegende Sperrzähne 32 vorgesehen sein, insbesondere vier Zähne. Aus fertigungstechnischen Gründen wird vorzugsweise die geringstmögliche Anzahl an Zähnen 32 gewählt, welche zuverlässig und dauerhaft den auftretenden Beanspruchungen standhält.
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Die Sperrverzahnungen 26 sind gemäß 3 nur im Bereich der axialen Ränder 28 vorgesehen, wobei die axiale Abmessung I der Zähne 32 in der Größenordnung von etwa 10% der axialen Abmessung L des gesamten Kopplungssteins 24 liegt. Insgesamt erstrecken sich die Sperrverzahnungen 26 in axialer Richtung 100 bevorzugt über maximal 25% der Abmessung L des Kopplungssteins 24.
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Das grundlegende Prinzip der Sperrsynchronisierung ähnelt dem bekannten Prinzip nach Borg-Warner, auf welches hier explizit Bezug genommen wird. Im Folgenden wird ausgehend von der Neutralstellung des Schaltgetriebes 12 gemäß 1 die Funktionsweise des Schaltgetriebes 12 mit erfindungsgemäßer Sperrsynchronisationsbaugruppe 10 erläutert, um vorhandene Unterschiede zu verdeutlichen.
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Soll bei dem Schaltgetriebe 12 mit der Sperrsynchronisationsbaugruppe 10 ausgehend von der Neutralstellung ein Gang geschaltet werden, so werden zunächst die Drehzahlen des Synchronkörpers 14 und des entsprechenden Gangrads 20 angeglichen, bevor die Schaltmuffe 16 auf eine Schaltverzahnung 52 des Gangrads 20 geschoben wird, um den Synchronkörper 14 und das Gangrad 20 formschlüssig und drehfest miteinander zu koppeln.
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Im Einzelnen ist der Ablauf wie folgt: Eine (nicht gezeigte) Schaltgabel greift in eine Schaltmuffennut 42 ein und beaufschlagt die Schaltmuffe 16 in Richtung zu demjenigen Gangrad 20, welches dem gewünschten Gang zugeordnet ist. Die aufgebrachte Schaltkraft wird mittels des Kraftübertragungselements 36 auf den Kopplungsstein 24 übertragen, sodass sich der Kopplungsstein 24 zusammen mit der Schaltmuffe 16 axial bewegt. Dabei greift der Kopplungsstein 24 über eine Kontaktfläche 54 am zugeordneten Konusring 18 an und beaufschlagt diesen gegen eine konische Reibfläche 56 des Gangrads 20.
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Infolge des Drehzahlunterschieds zwischen dem Gangrad 20 und dem Synchronkörper 14 bzw. dem Konusring 18 sowie der Reibverbindung zwischen dem Konusring 18 und dem Gangrad 20 bewegt sich der Konusring 18 zusammen mit der Vorsynchroneinheit 22 in Umfangsrichtung relativ zum Synchronkörper 14 in eine seiner Sperrstellungen (sogenanntes „Umschlagen”). In der Sperrstellung liegt der axiale Fortsatz 46 des Konusrings 18 am Anschlag 51 des Synchronkörpers 14 an, wobei dieser Anschlag 51 (genau wie die weiteren möglichen Anschläge 51', 51'') durch eine vorzugsweise radiale Fläche der Ausnehmung 44 gebildet ist.
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Die Innenverzahnung 30 der Schaltmuffe 16 ist in der Sperrstellung relativ zur Sperrverzahnung 26 des Kopplungssteins 24 in Umfangsrichtung so ausgerichtet, dass die Verzahnungen 30, 26 eine axiale Bewegung der Schaltmuffe 16 relativ zum Kopplungsstein 24 verhindern. Die in der Schaltmuffe 16 vorgesehene Ausnehmung 40, in welche das Kraftübertragungselement 36 eingreift, ist als Nut in einem Zahn der Innenverzahnung 30 der Schaltmuffe 16 ausgebildet, wobei sich die Nut in Umfangsrichtung 120 erstreckt. In axialer Richtung (vgl. 1) ist der Nutquerschnitt so gewählt, dass die axiale Schaltkraft der Schaltmuffe 16 zunächst über das in die Nut eingreifende Kraftübertragungselement 36 an den Kopplungsstein 24 weitergeleitet werden kann, wobei die Schaltkraft nach der Synchronisation aber auch ausreicht, um das Kraftübertragungselement 36 radial einwärts in die Bohrung 38 des Kopplungssteins 24 zu verschieben.
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Gemäß 1 ist der Nutquerschnitt etwa parabelförmig gewählt. In Umfangsrichtung, das heißt in Nutlängsrichtung (vgl. 2), weist die Nut eine Krümmung, insbesondere eine kreisförmige Krümmung auf. Der Kurvenradius ist dabei sehr groß gewählt, damit das Kraftübertragungselement 36 in der Nut rollen bzw. gleiten kann und das Umschlagen des Kopplungssteins 24 zwischen seinen Sperrstellungen und seiner Freigabestellung nicht behindert. Der Kurvenradius kann insbesondere konzentrisch zur Innenverzahnung 30 der Schaltmuffe 16 gewählt sein.
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Haben sich schließlich die Drehzahlen des Synchronkörpers 14 und des Gangrads 20 weitgehend angeglichen, so lässt die Umfangskraft, mit welcher der Fortsatz 46 des Konusrings 18 gegen seinen Anschlag am Synchronkörper 14 gepresst wird, nach, sodass die axiale Schaltkraft ausreicht, um den Kopplungsstein 24 mitsamt dem Konusring 18 relativ zum Synchronkörper 14 von seiner Sperrstellung in seine Freigabestellung gemäß 2 zu bewegen. Diese Freigabestellung befindet sich mittig zwischen den Sperrstellungen des Kopplungssteins 24 und ermöglicht eine axiale Verschiebung der Schaltmuffe 16 über die Sperrverzahnung 26 auf die Schaltverzahnung 52 des Gangrads 20. Zur Verdrehung des Kopplungssteins 24 von seiner Sperrstellung in seine Freigabestellung haben die Zähne 32 der Sperrverzahnung 26 in Axialrichtung 100 gesehen ein zur axialen Mitte des Kopplungssteins 24 gewandtes Ende 58, welches durch Schrägflächen 60 konisch zuläuft. In entsprechender Weise haben auch die Zähne der Innenverzahnung 30 der Schaltmuffe 16 axiale Enden, welche durch Schrägflächen konisch zulaufen. Lässt die Umfangskraft, welche den Konusring 18 und den Kopplungsstein 24 gegen den Synchronkörper 14 drückt, nach, so können die Schrägflächen 60 der Sperrverzahnung 26 aufgrund der axialen Schaltkraft an den Schrägflächen der Innenverzahnung 30 gleiten, wodurch sich die Schaltmuffe 16 relativ zum Kopplungsstein 24 sowohl axial als auch in Umfangsrichtung 120 bewegt.
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Bei der axialen Bewegung der Schaltmuffe 16 relativ zum Kopplungsstein 24 wird das Kraftübertragungselement 36 durch schräge oder gekrümmte Flächen der Ausnehmung 40 entgegen der Federkraft des Federelements 34 radial einwärts in die Bohrung 38 eingerückt.
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Nach Erreichen der Freigabestellung des Kopplungssteins 24 lässt sich die Schaltmuffe 16 problemlos auf die Schaltverzahnung 52 des Gangrads 20 aufschieben, sodass der Synchronkörper 14 und das Gangrad 20 über die Schaltmuffe 16 in Umfangsrichtung formschlüssig und weitgehend spielfrei miteinander gekoppelt sind und der gewünschte Gang geschaltet ist.
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Bei den Ausführungsformen nach den 8 und 9 handelt es sich um eine Sperrkeilsynchronisationsbaugruppe.
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Da zahlreiche Teile gleich oder funktionsgleich zu den bereits eingeführten Teilen in den Ausführungsformen nach den 1 bis 7 sind, werden für Bau- oder funktionsgleiche Teile auch dieselben Bezugszeichen verwendet. Im Folgenden wird nunmehr lediglich auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen eingegangen.
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Der Kopplungsstein 24 ist bei dieser Ausführungsform ohne Sperrverzahnung ausgeführt.
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Anstatt dessen weist der Kopplungsstein 24 eine zentrale Öffnung 70 auf, die sich radial nach außen trichterförmig erweitert und in dem trichterförmigen, sich erweiternden Abschnitt in Umfangsrichtung durch zwei Keilflächen 72 begrenzt ist.
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In axialer Richtung liegen die Flächen 74 der Öffnung 70 (siehe 9) rechtwinkelig zur Drehachse A.
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In der Öffnung
70 sitzt ein Sperrstein
76, der durch ein Federelement
34 radial nach außen beaufschlagt ist. Der Sperrstein
76 greift in eine Nut
78 auf der Innenseite der Schaltmuffe
16 und blockiert deren Axialverschiebung im nicht synchronisierten Zustand. Der Sperrstein
76 wirkt somit als Sperrzahn. Das Funktionsprinzip der Sperrkeilsynchronisierung ist bereits allgemein aus der
DE 10 2007 010 307 B3 bekannt, auf die diesbezüglich explizit verwiesen wird.
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Die Sperrkeilsynchronisationsbaugruppe befindet sich in 8 in einer Stellung, die beispielsweise die Ausgangsstellung ist. Wenn die Schaltmuffe 16 axial verschoben wird, wird der Konusring 18 axial gegen den Konus des Gangrades gedrückt, da der Sperrstein 76 gegen die Fläche 74 gepresst wird und der Kopplungsstein 24 den Konusring 18 mit verschiebt.
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Bei Anlage des Konusrings 18 am Gangrad kommt es zu einer Verdrehung des Konusrings 18 relativ zur Schaltmuffe 16, sodass sich der Kopplungsstein 24 gemäß 8 beispielsweise nach rechts bewegt und der Sperrstein 76 mit seiner unteren Schrägfläche 80 auf der Fläche 72 zu liegen kommt.
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Wie in 9 zu sehen ist, ist der Sperrstein 76 auf seiner radialen Außenseite mit zwei axial schräg aufeinander zu verlaufenden Keilflächen 82 versehen, wobei die Nut in der Schaltmuffe 16, in der dieser Teil des Sperrsteins 76 aufgenommen ist, komplementär ausgeführt ist.
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Bei einer axialen Bewegung der Schaltmuffe 16 wird über diese Keilflächen eine nach unten, das heißt radial nach innen gerichtete Kraft auf den Sperrstein 76 ausgeübt. Da im nicht synchronisierten Zustand aber der Sperrstein 76 seitlich an der Fläche 72 anliegt, ist durch entsprechende Auslegung der Neigungen der Flächen 72, 80, 82 ausgeschlossen, dass der Konusring 18 samt Kopplungsstein 24 verschoben wird.
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Erst wenn die Drehzahlen von Konusring 18 und Gangrad ausgeglichen sind, lässt sich der Konusring 18 durch die Axialkraft der Schaltmuffe 16 wieder in die in 8 gezeigte Stellung verschieben. In dieser Stellung ist der Sperrstein 76 mit seiner Fläche 80 wieder von der Fläche 72 beabstandet, somit kann er radial nach unten abtauchen und den Weg für die Schaltmuffe 16 in Richtung zu der Verzahnung 84 des Gangrads freigeben.
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Auch bei der Ausführungsform nach 8 ist zu erkennen, dass der Kopplungsstein 24 den Konusring 18 hintergreift. Entsprechende Flächen 48, 50 sind angegeben. Bei dieser Ausführungsform kann, ohne dass dies zwingend erforderlich ist, der Kopplungsstein 24 auch in Umfangsrichtung radial außenseitig über den Konusring 18, genauer gesagt über dessen Rand vorstehende und übergreifende Abschnitte 67 haben.
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Während bei der Ausführungsform nach 8 das Federelement 34, beispielsweise über eine Kugel 86 am Synchronkörper 14 anliegt, ist bei der Ausführungsform nach 9, die ansonsten identisch zu der nach 8 ist, am Kopplungsstein 24 auf dessen Unterseite noch eine Art Fortsatz 88 ausgeformt, in dem das Federelement 34 untergebracht ist. Somit gibt es hier eine Relativkraft oder Vorspannkraft, die bestrebt ist, den Sperrstein 76 radial nach außen und den Kopplungsstein 24 radial nach innen zu drücken.
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Auch bei dieser Ausführungsform hintergreift der Kopplungsstein 24 den Konusring 18.
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Die 10 und 11 zeigen Ansichten des Kopplungssteins 24, der von seiner Querschnittsform (siehe 10) auch etwas anders ausgestaltet ist. Das übergroße radiale Spiel, welches in 10 dargestellt ist, ist zwischen dem Kopplungsstein 24 und dem Konusring 18 in Wirklichkeit nicht vorhanden. Die in den 10 und 11 dargestellte Querschnittsform des Kopplungssteins 24 mit einem sich unmittelbar an den außenseitig überkragenden Abschnitt 67 anschließenden, radial nach außen erstreckenden radial inneren Abschnitt 47 kann im Übrigen auch bei der Ausführungsform nach den 1 bis 7 vorhanden sein.
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Bei der Ausführungsform nach 12 werden die bisher eingeführten Bezugszeichen für funktionsgleiche Teile erneut verwendet. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach 1, bei der die axialen Kontaktflächen 54 in einer Radialebene zur Achse A liegen, sind die Kontaktflächen 54 gemäß 12 zum radial inneren Ende des Kopplungssteins 24 hin axial nach außen geneigt, so dass sich an jedem axialen Ende ein Vorsprung 47 ergibt, der den zugeordneten Synchronring 18 hintergreifen kann. Die Synchronringe 18 haben entsprechend geneigte Kontaktflächen 55.
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Solange der Kopplungsstein 24 in der Mittenstellung ist, ergibt sich kein Hintergreifen der Synchronringe 18 durch die Vorsprünge 47, denn die axiale Breite des Kopplungssteins 24 zwischen den Synchronringen 18 ist kleiner als der Abstand der Synchronringe 18. Wird jedoch eine axiale Verschiebekraft aufgebracht und der Kopplungsstein 24 zu einem Synchronring 18 hin verschoben, wandert der entsprechende Vorsprung 47 in den entsprechenden Hinterschnitt des Synchronrings 18, und es kommt zum Kontakt der Flächen 54, 55. Als Folge wird der Zentrifugalkrafteffekt auf den Kopplungsstein 24 reduziert, und dieser wird wieder radial einwärts wandern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010307 B1 [0006]
- DE 102007010307 B3 [0099]
