DE102012223792A1

DE102012223792A1 - Schalteinrichtung für ein Planetengetriebe

Info

Publication number: DE102012223792A1
Application number: DE102012223792.5A
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmitz; Frank Richter
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-26
Also published as: WO2014095157A1; TW201425780A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung (1) für ein Planetengetriebe (22), mit einer Schiebemuffe (10), die durch die Betätigung eines Stellmittels (11) in Axialrichtung des Planetengetriebes (22) aus einer Neutralstellung in eine Schaltstellung verschiebbar ist, zumindest einem Koppelelement (4), das zum drehfesten Koppeln zweier Bauteile (2; 3) des Planetengetriebes (22) in Axialrichtung des Planetengetriebes (22) aus einer Leerlaufstellung in eine Eingriffsstellung verschiebbar ist, und zumindest einer Schaltfeder (14), welche die Schiebemuffe (10) und das zumindest eine Koppelelement (4) derart miteinander koppelt, dass beim Verschieben der Schiebemuffe (10) aus der Neutralstellung in die Schaltstellung das Koppelelement (4) in Richtung des damit zu koppelnden Bauteils (3) federbeaufschlagt wird. Erfindungsgemäß weist die Schalteinrichtung (1) eine Verriegelungseinheit (17) auf, die das Koppelelement (4) im verriegelten Zustand in der Leerlaufstellung hält, so dass die Federenergie bei in die Schaltstellung verschobener Schiebemuffe (10) speicherbar und zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Entriegelung der Verriegelungseinheit (17) freisetzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für ein Planetengetriebe gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art.
Derartige Schalteinrichtungen für Planetengetriebe finden bspw. in Werkzeugmaschinen, Dreh-, Fräs- und Bearbeitungszentren Verwendung. Als Antriebsmotoren dienen DC/AC-Hauptspindelmotoren. Die Getriebe vergrößern die Leistungsbandbreite der Hauptspindelmotoren, um die Flexibilität der Werkzeugmaschinen bei der Bearbeitung von unterschiedlichen Werkstoffen bzw. Schnittkräften durch hohe Drehmomente oder Drehzahlen zu vergrößern. Bei bislang bekannten zweistufigen Planetengetrieben für Werkzeugmaschinen werden zwei Übersetzungsstufen gebildet, in denen einerseits die Antriebswelle, die mit dem Sonnenrad verbunden ist, mit einem Hohlrad und andererseits das Hohlrad mit dem Gehäuse gekoppelt werden kann. Der Planetenträger dient als Abtrieb und ist mit der Abtriebswelle verbunden.
Aus der DE 199 17 673 A1 ist eine Schalteinrichtung für ein zweistufiges Planetengetriebe bekannt, dessen Antriebswelle mit einem Sonnenrad und dessen Abtriebswelle mit einem Planetenträger verbunden ist. Ein Hohlrad des Planetengetriebes ist über eine Schiebemuffe formschlüssig mit einem Getriebegehäuse oder mit dem Sonnenrad gekoppelt. Die Schiebemuffe ist koaxial zur Antriebswelle mittels eines elektrischen Stellglieds in die verschiedenen Schaltpositionen verschiebbar. Das Stellglied ist ein Elektromagnet, dessen Anker triebmäßig mit der Schiebemuffe verbunden ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
Es wird eine Schalteinrichtung für ein Planetengetriebe vorgeschlagen, das eine Schiebemuffe, die durch die Betätigung eines Stellmittels in Axialrichtung des Planetengetriebes aus einer Neutralstellung in eine Schaltstellung verschiebbar ist, zumindest ein Koppelelement, das zum drehfesten Koppeln zweier Bauteile des Planetengetriebes in Axialrichtung des Planetengetriebes aus einer Leerlaufstellung in eine Eingriffsstellung verschiebbar ist, und zumindest einer Schaltfeder, welche die Schiebemuffe und das zumindest eine Koppelelement derart miteinander koppelt, dass beim Verschieben der Schiebemuffe aus der Neutralstellung in die Schaltstellung das Koppelelement in Richtung des damit zu koppelnden Bauteils federbeaufschlagt wird, aufweist. Ferner weist die Schalteinrichtung eine Verriegelungseinheit auf, die das Koppelelement im verriegelten Zustand in der Leerlaufstellung hält, so dass die Federenergie bei in die Schaltstellung verschobener Schiebemuffe speicherbar und zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Entriegelung der Verriegelungseinheit freisetzbar ist.
Die Schalteinrichtung weist demnach eine Schiebemuffe, zumindest ein Koppelelement und zumindest eine Schaltfeder auf. Die Schiebemuffe ist durch die Betätigung des Stellmittels in Axialrichtung des Planetengetriebes aus der Neutralstellung in die Schaltstellung verschiebbar. Die Schiebemuffe kann in eine einzige, oder aber auch in zumindest zwei Schaltstellungen verschiebbar ausgebildet sein. Weist die Schiebemuffe mehrere Schaltstellungen auf, können diese gegenüber ihrer Neutralstellung in entgegengesetzten Verschieberichtungen der Schiebemuffe ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können aber auch zumindest zwei Schaltstellungen in einer Verschieberichtung hintereinander angeordnet sein. In der Neutralstellung wird kein Drehmoment von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragen.
Erst in der Schaltstellung liegt eine entsprechende Kopplung vor. Hierfür ist das zumindest eine Koppelelement zum drehfesten Koppeln zweier Bauteile des Planetengetriebes in Axialrichtung des Planetengetriebes aus einer Leerlaufstellung in eine Eingriffsstellung verschiebbar. Vorzugsweise ist das Koppelelement mit einem der Bauteile des Planetengetriebes drehfest gekoppelt und zu diesem in Axialrichtung des Planetengetriebes verschiebbar ausgebildet. Ferner weist das Koppelelement eine Koppelverzahnung auf, die in der Eingriffsstellung mit dem dazu zu koppelnden zweiten Bauteil formschlüssig eingreift.
Die zumindest eine Schaltfeder koppelt die Schiebemuffe und das zumindest eine Koppelelement derart miteinander, dass beim Verschieben der Schiebemuffe aus der Neutralstellung in die Schaltstellung das Koppelelement in Richtung des damit zu koppelnden Bauteils federbeaufschlagt wird. Um zu verhindern, dass das Koppelelement unmittelbar nach dem Betätigen der Schaltfeder mittels der Schiebemuffe zwei der Bauteile des Planetengetriebes miteinander koppelt, weist die Schalteinrichtung eine Verriegelungseinheit auf. Die Verriegelungseinheit hält das Koppelelement im verriegelten Zustand in der Leerlaufstellung, so dass die Federenergie bei in die Schaltstellung verschobener Schiebemuffe speicherbar und zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Entriegelung der Verriegelungseinheit freisetzbar ist. Dies ist insbesondere wegen der Forderung nach einem stillstehenden Getriebeabtrieb vorteilhaft, wonach dieser insbesondere über eine maschinenseitige Bremsscheibe aktiv gebremst ist. Solange der Getriebeabtrieb, insbesondere der mit der Abtriebswelle verbundene Planetenträger, aktiv gebremst ist, kann die Federenergie mittels der Verriegelungseinheit gespeichert werden. Erst zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich vorzugsweise wenn die Bremse gelöst wird, wird die Verriegelungseinheit gelöst, so dass die Verzahnung des Koppelelements in die Verzahnung des nunmehr drehbaren und damit zu koppelnden zweiten Bauteils formschlüssig eingreifen kann. Vorteilhafterweise ist somit keine teure und aufwändige Synchronisation des Getriebes von Nöten.
Vorteilhaft ist es, wenn die Verriegelungseinheit zumindest ein Verriegelungselement, insbesondere einen Schaltstift und/oder ein vorzugsweise schwenkbar ausgebildetes Hackenelement, aufweist. Mittels des Schaltstifts kann hierbei über eine elektronische Steuerung eine sehr exakte Ansteuerung der Verriegelungseinheit erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltstift mittels des Hackenelements von axialen Kräften entkoppelt werden, die von der Schaltfeder aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das Hackenelement hierfür um einen Drehpunkt schwenkbar ausgebildet und/oder mittels eines Federelements in die Verriegelungsstellung gedrückt. Somit kann bei entsprechender Stellung des Koppelelements ein automatisches Einrasten bzw. Verriegeln des Hackenelements in das Koppelelement sicher gestellt werden. Hierfür ist es ferner vorteilhaft, wenn die Verriegelungseinheit einen Eingriffsbereich aufweist, der am Koppelelement ausgebildet ist und mit dem das Verriegelungselement korrespondiert.
Der Eingriffsbereich ist vorzugsweise als Absatz und/oder als eine umlaufende Ringnut ausgebildet. Hierdurch kann der Eingriffsbereich sehr kostengünstig hergestellt werden. Ein als Ringnut ausgebildeter Eingriffsbereich hat ferner den Vorteil, dass das Koppelelement in jede der beiden axialen Richtungen verriegelbar ist. Auch kann das Koppelelement drehbar ausgebildet sein, so dass sich das Verriegelungselement in der Ringnut in Umfangsrichtung des Planetengetriebes bewegen kann.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung zumindest ein Arretierelement, insbesondere einen Schaltstift und/oder ein vorzugsweise schwenkbar ausgebildetes Hackenelement, aufweist, das derart mit der Schiebemuffe gekoppelt ist, dass es diese im aktivierten Zustand in der Schaltstellung zu halten vermag. Mittels der Arretierung wird die Gefahr eines ungewollten Zurückwanderns der Schiebemuffe aus der Schaltstellung, in welche sie über das Stellmittel gezielt geführt worden ist, deutlich vermindert.
Die Schalteinrichtung kann besonders kostengünstig hergestellt werden, wenn sie zumindest eine Rückholfeder aufweist, die mit der Schiebemuffe und/oder dem Koppelelement derart gekoppelt ist, dass sie beim Verschieben der Schiebemuffe aus der Neutralstellung in die Schaltstellung spannbar ist und die Schiebemuffe aus der Schaltstellung in die Neutralstellung und/oder das Koppelelement aus der Eingriffsstellung in die Leerlaufstellung, insbesondere beim Deaktivieren des Arretierungsmittels, zurück zu schieben vermag. Somit können nämlich teure zusätzliche Schaltstifte eingespart werden, um eine derartige Rückhohlbewegung ermöglichen zu können.
Vorteilhafterweise kann das Planetengetriebe sehr kompakt ausgebildet werden, wenn die Schalteinrichtung ein erstes Koppelelement, insbesondere zum drehfesten Koppeln eines Hohlrads mit einem ortsfesten Gehäuse des Planetengetriebes, und ein zweites Koppelelement, insbesondere zum drehfesten Koppeln eines Sonnenrads mit einem Planetenträger des Planetengetriebes, aufweist. Hierdurch können ferner die drehbaren Massen des Planetengetriebes minimiert werden, insbesondere durch die Kopplung des Sonnenrads mit dem Planetenträger des Planetengetriebes.
Der konstruktive Aufwand des Planetengetriebes kann reduziert werden, wenn jeweils die Schaltfeder eines der beiden Koppelelemente als Rückholfeder des anderen Koppelelements ausgebildet ist.
Die drehbaren Massen des Planetengetriebes können reduziert werden, wenn das erste Koppelelement einen radial inneren ersten und einen radial äußeren zweiten Teil aufweist, die drehbar zueinander ausgebildet sind. Somit kann zumindest einer dieser beiden Teile, insbesondere der radial äußere zweite Teil, von der Rotation des damit drehbar gekoppelten Bauteils des Planetengetriebes entkoppelt werden.
Die Schalteinrichtung kann besonders kompakt ausgebildet werden, wenn das erste und zweite Koppelelement eine in Axialrichtung des Planetengetriebes gemeinsam verschiebbare Einheit ausbilden und/oder zugleich zueinander drehbar gelagert sind.
Die Herstellungskosten der Schalteinrichtung können reduziert werden, wenn die Schaltstellung der Schiebemuffe für das erste und die Schaltstellung der Schiebemuffe für das zweite Koppelelement identisch ist. Somit ist für beide Koppelelemente nur ein Arretierelement und eine Rückholfeder von Nöten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung korrespondiert das Stellmittel, insbesondere ein Schaltstift, mit einer Schaltnut. Die Schaltnut ist am Außenumfang einer Welle, insbesondere der Antriebswelle oder der mit der Antriebswelle drehfest gekoppelten Schiebemuffe, angeordnet. Ferner weist die Schaltnut einen sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Welle erstreckenden und mit einer Steigung versehenen, insbesondere helixförmigen, Kurvenverlauf auf. Hierdurch kann die Drehenergie der Antriebswelle zum Schalten genutzt werden, wodurch mit deutlich höherer Schaltkraft geschalten werden kann. Ferner können die zusätzlichen Komponenten, wie Hubmagnete oder E-Motoren, für die Schaltung entfallen. Des Weiteren können auch die Stellmittel kleiner dimensioniert werden, da diese zum Einleiten der Schaltbewegung nur die nötige Kraft zum Einfassen in die Schaltnut, nicht aber die eigentliche Verschiebekraft aufbringen müssen. Diese wird durch die rotierende Getriebewelle erzeugt und schraubenartig in eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe umgesetzt. Dabei kann je nach axialem Verlauf der mindestens einen Schaltnut die Annäherung der Schiebemuffe an das Koppelelement mit einer definierten Näherungsgeschwindigkeit erfolgen. Ferner kann die Schaltfeder mit einer relativ hohen Schubkraft betätigt werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn eine erste und eine zweite Schaltnut vorgesehen ist, die einen gegensätzlichen Verlauf in axialer Richtung aufweisen. Hierbei bewegt vorzugsweise die erste Schaltnut bei Eingreifen des Stellmittels die mindestens eine Schiebemuffe in die Schaltstellung, während die zweite Schaltnut bei Eingreifen eines zweiten Schaltmittels für eine Rückbewegung der Schiebemuffe in die Neutralstellung sorgt. Hierdurch kann die Bewegung der Schiebemuffe sehr präzise gesteuert werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Schaltnut in Drehrichtung im Endbereich auf ein Niveau des Außendurchmessers der Welle ausläuft. Somit muss das Stellmittel nach Erreichen der gewünschten Stellung der Welle, insbesondere der Schiebemuffe, nicht gezielt aus der Schaltnut herausgeführt werden, sondern kann durch das Auslaufen der Nut automatisch in die Ausgangsstellung zurückbewegt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn das Stellmittel ein Schaltstift ist, welcher elektromagnetisch betätigbar ist. Vorteilhafterweise lassen sich die Stellmittel hierdurch sehr platzsparend ausbilden, während gleichzeitig eine einfache und präzise Ansteuerung ermöglicht wird. Es ist hierbei allerdings auch denkbar, den mindestens einen Schaltstift als pneumatisch oder hydraulisch betätigtes Bauteil auszuführen.
Der konstruktive Aufwand kann reduziert werden, wenn das Stellmittel ortsfest ausgebildet ist, insbesondere mit dem Gehäuse verbunden ist. Alternativ ist es aber auch ebenso denkbar, dass das Stellmittel mit der Schiebemuffe in Axialrichtung des Planetengetriebes verschiebbar angeordnet ist. In diesem Fall würde das Stellmittel in eine auf der Antriebswelle ausgebildete Schaltnut eingreifen.
Die bewegbaren Massen der Schalteinrichtung können reduziert werden, wenn die Schiebemuffe einen, insbesondere radial inneren, ersten und einen, insbesondere radial äußeren, zweiten Teil aufweist, die drehbar zueinander ausgebildet sind. Somit kann zumindest einer der beiden Teile von der Rotationsbewegung der Schiebemuffe entkoppelt werden.
Vorteilhafterweise ist die Schiebemuffe drehbar und axial verschiebbar auf der Antriebswelle angeordnet. Alternativ kann die Schiebemuffe aber auch axial verschiebbar und drehfest mit der Antriebswelle gekoppelt sein.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Schiebemuffe aus der Neutralstellung, insbesondere in zueinander entgegengesetzte Richtungen, mittels einer ersten und einer zweiten Schaltfeder in eine erste und eine zweite Schaltstellung verschiebbar ist. Hierdurch können die radialen Abmaße des Planetengetriebes reduziert werden.
Vorteilhafterweise weist die Schalteinrichtung ein mit der Schiebemuffe gekoppeltes erstes und zweites Anschlagselement auf, die jeweils einer der beiden Schaltfedern zugeordnet sind. Ferner sind diese derart voneinander entkoppelt, dass beim Verschieben der Schiebemuffe aus der Neutralstellung in eine der beiden Schaltstellungen nur eine der beiden Schaltfedern gespannt wird und die andere in ihrer Grundstellung verweilt. Somit muss nicht noch zusätzlich die Federkraft der in der Grundstellung verweilenden Schaltfeder überwunden werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schiebemuffe auf der Antriebswelle oder auf einer zu dieser parallelen Vorgelegewelle angeordnet. Die Vorgelegewelle ist mit der Antriebswelle über eine Stirnradstufe und eine ansteuerbare Kupplung gekoppelt. Somit kann das Moment der Antriebswelle mittels der Stirnradstufe und/oder der ansteuerbaren Kupplung auf die Vorgelegewelle übertragen werden, wodurch eine gezielte Verschiebung der Schiebemuffe auf der Vorgelegewelle in die Schaltposition bzw. durch entsprechend entgegengesetzte Drehung in die Neutralposition erfolgen kann. Vorteilhafterweise kann somit auch eine abtriebsseitige Schaltung der Schalteinrichtung erfolgen.
Ferner wird ein Planetengetriebe, insbesondere ein zweistufiges Planetengetriebe für eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, das ein zentrales Sonnenrad, ein Hohlrad, welches das Sonnenrad umgibt, radial zwischen diesen angeordnete Planetenräder, die in einem Planetenträger drehbar gehalten sind, und eine Schalteinrichtung aufweist. Vorzugsweise ist die Antriebswelle des Planetengetriebes mit dem Sonnenrad und die Abtriebeswelle des Planetengetriebes mit dem Planetenträger gekoppelt. Die Schalteinrichtung ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a–1e die einzelnen Schaltschritte der vorliegend schematisch abgebildeten Schalteinrichtung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Planetengetriebes mit einer Schalteinrichtung im Querschnitt, bei der eine Schiebemuffe aus der Neutralstellung in eine erste Schaltstellung und in eine dazu entgegengesetzt ausgebildete zweite Schaltstellung verschiebbar ist,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Planetengetriebes mit einer Schalteinrichtung im Querschnitt, bei der die Schiebemuffe aus der Neutralstellung in eine beiden Koppelelementen zugeordnete Schaltstellung verschiebbar ist,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Planetengetriebes mit Schalteinrichtung im Querschnitt, bei dem ein Stellmittel mit einer Schiebemuffe als Einheit in Axialrichtung verschiebbar ausgebildet ist,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Planetengetriebes mit Vorgelegewelle und
6a–6d die Schaltschritte eines fünften Ausführungsbeispiels zum drehfesten Koppeln des Hohlrades mit dem Gehäuse.
In den 1a–1e sind die einzelnen Schritte eines Schaltvorgangs einer schematisch abgebildeten Schalteinrichtung 1 dargestellt. Gemäß 1a umfasst die Schalteinrichtung 1 ein erstes Bauteil 2 und ein zweites Bauteil 3, die mittels eines Koppelelements 4 drehfest miteinander gekoppelt werden können. Das erste Bauteil 2 ist als Antriebswelle 5 und das zweite Bauteil 3 als Abtriebswelle 6 ausgebildet. Die Abtriebswelle 6 ist auf der Antriebswelle 5 in Axialrichtung fixiert und drehbar auf dieser gelagert. Die Antriebswelle 5 weist eine Außenverzahnung 7 auf, in die das Koppelelement 4 eingreift. Das Koppelelement 4 ist somit drehfest mit der Abtriebswelle 6 gekoppelt und gegenüber dieser in Axialrichtung aus einer in 1a dargestellten Leerlaufstellung in eine in 1d dargestellten Eingriffstellung verschiebbar. In der in 1d dargestellten Eingriffsstellung greift das Koppelelement 4 mit einer vorliegend stirnseitig ausgebildeten Verzahnung 8 in eine ebenfalls stirnseitig angeordnete Verzahnung 9 der Abtriebswelle 6 derart ein, dass das Koppelelement 4 die Antriebswelle 5 mit der Abtriebswelle 6 drehfest koppelt.
Um eine gezielte Kopplung der beiden Bauteile 2, 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt ermöglichen zu können, weist die Schalteinrichtung gemäß 1a ferner eine Schiebemuffe 10 auf. Diese ist mit der Antriebswelle 5, insbesondere mittels der Außenverzahnung 7, drehfest und in Axialrichtung verschiebbar gekoppelt. Die axiale Verschiebung der Schiebemuffe 10 erfolgt aus einer in 1a dargestellten Neutralstellung in eine in 1c dargestellten Schaltstellung. Vorliegend weist die Schiebemuffe 10 nur eine einzige Schaltstellung auf. Es ist aber auch ebenso denkbar, das mehrere Schaltstellungen ausgebildet sind. Diese können wiederum in einer Verschieberichtung der Schiebemuffe 10 und/oder in zueinander entgegengesetzten Verschieberichtungen ausgebildet sein. Die Verschiebung der Schiebemuffe 10 erfolgt mittels eines Stellmittels 11, das gemäß 1a in eine am Außenumfang 12 der Schiebemuffe 10 ausgebildete Schaltnut 13 einzugreifen vermag. Die Schaltnut 13 weist einen sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Schiebemuffe 10 erstreckenden und mit einer Steigung versehenen Kurvenverlauf auf. Vorliegend ist die Schaltnut 13 im Wesentlichen helixförmig ausgebildet.
Ferner umfasst die Schalteinrichtung 1 eine Schaltfeder 14 und eine Rückholfeder 15. Die Schaltfeder 14 koppelt die Schiebemuffe 10 mit dem Koppelelement 4. Die Rückholfeder 15 koppelt die axial verschiebliche Schiebemuffe 10 mit einer in Axialrichtung der Schalteinrichtung 1 feststehenden Basis 16. Zum Verriegeln des Koppelelements 4 in der in 1a dargestellten Leerlaufstellung weist die Schalteinrichtung 1 ferner eine Verriegelungseinheit 17 auf, die ein Verriegelungselement 18 und einen Eingriffsbereich 19 am Koppelelement 4 umfasst. Ferner umfasst die Schalteinrichtung 1 ein Arretierelement 20, das die Schiebemuffe 10 in der Schaltstellung gemäß 1c zu arretieren vermag.
Das Stellmittel 11, das Verriegelungselement 18 und das Arretierelement 20 sind vorliegend als elektrisch ansteuerbare Schaltstifte ausgebildet, welche insbesondere elektromagnetisch betätigbar sind. Vorteilhafterweise lassen sich die Stellmittel hierdurch sehr platzsparend im Bereich der Schiebemuffe 10 umsetzen, während gleichzeitig eine einfache und präzise Regelung möglich ist. Die Schaltstifte können alternativ aber auch pneumatisch oder hydraulisch betätigbar sein.
Bei dem in 1a–1e dargestellten Schaltvorgang befindet sich gemäß 1a das Koppelelement 4 zunächst in der Leerlaufstellung, so dass zwischen dem ersten Bauteil 2 bzw. der Antriebswelle 5 und dem zweiten Bauteil 3 bzw. der Abtriebswelle 6 keine drehfeste Kopplung vorliegt. Ferner befindet sich die Schiebemuffe 10 in ihrer Neutralstellung. Die Schaltfeder 14 und die Rückholfeder 15 sind im Wesentlichen unbelastet. In der in 1a dargestellten Grundstellung der Schalteinrichtung 1 ist von allen Schaltstiften ausschließlich das Verriegelungselement 18 aktiviert. Infolgedessen greift dieses formschlüssig in den Eingriffsbereich 19 des Koppelelements 4 ein, so dass dieses fest in der Leerlaufstellung gehalten ist. Somit kann vermieden werden, dass sich das Koppelelement 4 unbeabsichtigt an die Abtriebswelle 6 annähert. Der Eingriffsbereich 19 ist als Ringnut ausgebildet, so dass sich das Koppelelement 4 trotz Verriegelung zusammen mit der Antriebswelle 5 zu drehen vermag.
Zum Einleiten des Schaltvorgangs wird gemäß 1b das Stellmittel 11 aktiviert, so dass dieses in die Schaltnut 13 formschlüssig eingreift. Durch die Rotation der Antriebswelle 5 und der vorliegend helixförmigen Ausbildung der Schaltnut 13 wird die Schaltmuffe 10 in Axialrichtung aus der in 1b dargestellten Neutralstellung in die in 1c dargestellte Schaltstellung verschoben. Infolgedessen wird hierdurch vorteilhafterweise die Energie des hier nicht dargestellten Antriebsmotors zur Durchführung des Schaltvorgangs genutzt. Somit kann mit deutlich höheren Schaltkräften geschaltet werden, so dass zusätzliche Komponenten wie Hubmagneten oder Elektromotoren für die Schaltung eingespart werden können.
Beim Verschieben der Schiebemuffe 10 werden, wie in 1c dargestellt, sowohl die Schaltfeder 14 als auch die Rückholfeder 15 gespannt. Im Gegensatz zu bisher bekannten Schaltvorrichtungen erfolgt jedoch keine im Wesentlichen zeitgleiche Einkopplung des Koppelelements 4 in die Abtriebswelle 6, da das Koppelelement 4 mittels der Verriegelungseinheit 17 in seiner Leerlaufstellung gehalten ist. Sobald die Schiebemuffe 10 ihre Schaltstellung erreicht hat, koppelt das Stellmittel 11 aus der Schaltnut 13 aus. Dies kann durch ein aktives Ansteuern des Stellmittels 11 erfolgen. Alternativ kann aber auch dieser Zeitpunkt mittels einer entsprechenden Ausbildung der Schaltnut 13 gesteuert werden, indem die Schaltnut 13 in einem hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel entlang ihres Verlaufs kontinuierlich ihre Tiefe gegen Null reduziert, so dass das Stellmittel 11 bei der in 1c dargestellten Schaltstellung der Schiebemuffe 10 auf die Höhe des Außenumfangs 12 der Schiebemuffe 10 zurückgedrängt ist.
In der in 1c dargestellten Schaltstellung ist die Rückholfeder 15 und die Schaltfeder 14 derart gespannt, dass sie die Schiebemuffe 10 in Richtung ihrer Neutralstellung federbeaufschlagen. Um ein Zurückschieben der Schiebemuffe 10 in die Neutralstellung bei ausgerastetem Stellmittel 11 zu vermeiden, greift unmittelbar nachdem die Schiebemuffe 10 die Schaltstellung gemäß 1c erreicht hat, das Arretierelement 20 in einen Eingriffsbereich 21 der Schiebemuffe 10 ein, so dass die Schiebemuffe 10 in der Schaltstellung arretiert ist. Der Eingriffsbereich 21 der Schiebemuffe 10 ist vorliegend als Ringnut ausgebildet. Da sowohl das Koppelelement 4 mittels dem Verriegelungselement 18 in der Leerlaufstellung als auch die Schiebemuffe 10 mittels des Arretierelements 20 in der Schaltstellung festgehalten sind, kann die Federenergie, insbesondere der Schaltfeder 14, im System gespeichert werden.
Zum Freisetzen der gespeicherten Federenergie und um dadurch den Schaltvorgang auszulösen, wird das Verriegelungselement 18 gemäß 1d deaktiviert, wobei sich das Verriegelungselement 18 aus dem Eingriffsbereich 19 des Koppelelements 4 zurückzieht. Das mittels der Schaltfeder 14 in Richtung des damit zu koppelnden zweiten Bauteils 3 federbeaufschlagte Koppelelement 4 wird somit gegen das zweite Bauteil 3 bzw. die Abtriebswelle 6 gedrückt, so dass die beiden Verzahnungen 8, 9 des Koppelelements 4 und der Abtriebswelle 6 ineinander rasten. Jetzt ist das erste Bauteil 2 mit dem zweiten Bauteil 3 derart gekoppelt, dass das antriebsseitige Drehmoment mittels des Koppelelements 4 auf die Abtriebswelle 6 übertragen wird. Vorzugsweise ist die Schaltfeder 14 in dieser Stellung noch derart gespannt, dass sich das Koppelelement 4 nicht antriebsseitig verschieben kann. Hierdurch kann ein unbeabsichtigtes Auskoppeln des Koppelelements 4 vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich könnte aber auch ein hier nicht dargestellter zusätzlicher Schaltstift vorhanden sein, der in den Eingriffsbereich 19 eingreift, so dass das Koppelelement 4 in der Eingriffsstellung gehalten ist.
Zum Entkoppeln wird gemäß 1e das Arretierelement 20 deaktiviert. Da sich die Rückholfeder 15 an der Basis 16 abstützt und die Schiebemuffe 10 in Richtung ihrer Neutralstellung federbeaufschlagt ist, wird die Schiebemuffe 10 mittels der Rückholfeder 15 bei entriegeltem Arretierelement 20 wieder in ihre Neutralstellung zurückgeschoben. Da die Schiebemuffe 10, insbesondere mittels der Schaltfeder 14, mit dem Koppelelement 4 gekoppelt ist, wird beim Verschieben der Schiebmuffe 10 in die Neutralstellung auch das Koppelelement 4 wieder in die Leerlaufstellung zurückgeschoben. Hierdurch wird die drehfeste Kopplung zwischen dem ersten Bauteil 2 bzw. der Antriebswelle 5 und dem zweiten Bauteil 3 bzw. der Abtriebswelle 6 aufgehoben. Sobald das Koppelelement 4 wieder in seiner Leerlaufstellung ist, wird dieses erneut gemäß 1a mittels des Verriegelungselements 18 verriegelt.
Eine derart ausgebildete Schalteinrichtung 1 eignet sich besonders gut für Getriebe, bei denen die Abtriebswelle 6 mittels einer hier nicht dargestellten Bremsvorrichtung, insbesondere einer Bremsscheibe, aktiv gebremst ist. Somit kann während dieses Zeitraums, bei dem die Abtriebswelle 6 aktiv gebremst ist, die von der Antriebswelle 5 genutzte Schaltenergie mittels der Schaltfeder 14 gespeichert werden und zu einem gegebenen Zeitpunkt, insbesondere wenn die Bremsvorrichtung gelöst ist, freigesetzt werden. Somit kann ein sauberes Einrasten der Verzahnung 8 des Koppelelements 4 in die Verzahnung 9 der Abtriebswelle 6 ohne eine teure und aufwändige Synchronisation sichergestellt werden.
Die 2–6 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Schalteinrichtung 1 für ein Planetengetriebe 22. Das Planetengetriebe 22 ist jeweils zweistufig ausgebildet und insbesondere für den Einsatz bei Werkzeugmaschinen vorgesehen. Die unterschiedlichen Ausführungsformen des Planetengetriebes 22 weisen ein zentrales Sonnenrad 23 auf, das drehfest mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist. Ferner umfasst das Planetengetriebe 22 ein drehbar gelagertes Hohlrad 24, das das Sonnerad 23 umgibt. Radial zwischen dem Sonnenrad 23 und dem Hohlrad 24 sind Planetenräder 25 angeordnet, die jeweils mittels eines Planetenbolzens 26 drehbar in einem Planetenträger 27 gehalten sind. Der Planetenträger 27 ist ebenfalls, insbesondere auf dem Sonnenrad 23, drehbar gelagert und bilden die Abtriebswelle 6.
Das in 2 dargestellte Planetengetriebe 22 umfasst ein erstes Koppelelement 28 und ein zweites Koppelelement 29. Das erste und das zweite Koppelelement 28, 29 bilden zusammen eine in Axialrichtung des Planetengetriebes 22 verschiebbare Einheit 32 aus, wobei sie zueinander mittels eines Lagers 30 drehbar zueinander ausgebildet sind. Das erste Koppelelement 28 ist drehfest mit dem Hohlrad 24 gekoppelt und zu diesem in Axialrichtung verschiebbar. Das zweite Koppelelement 29 ist drehfest mit dem Sonnenrad 23 gekoppelt und zu diesem in Axialrichtung verschiebbar. In einer ersten Schaltstellung wird das Hohlrad 24 mittels des ersten Koppelelements 28 mit einem ortsfesten Gehäuse 31 drehfest gekoppelt. Hierzu wird das erste Koppelelement 28 bzw. die Einheit 32, welche das erste Koppelelement 28, das zweite Koppelelement 29 und das Lager 30 umfasst, antriebsseitig, d.h. in Richtung der Antriebswelle 5, verschoben. Sobald das erste Koppelelement 28 aus der in 2 dargestellten Leerlaufstellung in die hier nicht dargestellte Eingriffsstellung verschoben ist, greift eine stirnseitig am ersten Koppelelement 28 angeordnete erste Verzahnung 33 formschlüssig in eine Gehäuseverzahnung 34 ein. Das Hohlrad 24 ist dann mittels des ersten Koppelelements 28 mit dem Gehäuse 31 drehfest gekoppelt.
Der Schaltvorgang läuft im Wesentlichen gemäß dem in 1a–1e visualisierten Schaltvorgang der schematisch abgebildeten Schalteinrichtung 1 ab. Demnach wird zum drehfesten Koppeln des Hohlrads 24 mit dem ortsfesten Gehäuse 31 zunächst das Stellmittel 11, das ebenfalls ortsfest insbesondere mit dem hier nicht dargestellten Gehäuse verbunden ist, in eine Schaltnut 13 der Schiebemuffe 10 eingebracht. Die Schiebemuffe 10 ist, insbesondere über das zweite Koppelelement 29, drehfest mit dem Sonnenrad 23 bzw. mit der Antriebswelle 5 gekoppelt. Aufgrund der helixförmigen Ausbildung der Schaltnut 13 wird diese bei Rotation der Schiebemuffe 10 aus der hier dargestellten Neutralstellung antriebsseitig in eine erste Schaltstellung verschoben. Die Einheit 32 bleibt während dieses Vorgangs ortsfest, da diese mittels des Verriegelungselements 18, das in einen Eingriffsbereich 19 der Einheit 32 eingreift, in der Leerlaufstellung gehalten ist.
Beim Verschieben der Schiebemuffe 10 von der Neutralstellung in die erste Schaltstellung wird eine erste Schaltfeder 35 und eine erste Rückholfeder 36 gespannt. Sobald die Schiebemuffe 10 die Schaltstellung erreicht hat, wird diese mittels eines Arretierelements 20 in der ersten Schaltstellung fixiert. Hierfür greift das Arretierelement 20 in eine erste Ausnehmung 37 eines Trägers 38 ein. Der Träger 38 ist mit der Schiebemuffe 10 drehbar gekoppelt und mit dieser als Einheit axial verschiebbar ausgebildet.
Zum Koppeln des ersten Koppelelements 28 mit dem Gehäuse 31 wird das Verriegelungselement 18 gelöst, wodurch die gespannte erste Schaltfeder 35 die Einheit 32 bzw. das erste Koppelelement 28 antriebsseitig verschiebt, so dass das erste Koppelelement 28 mit dem Gehäuse 31 in Eingriff kommt. Das Hohlrad 24 ist nun drehfest mit dem Gehäuse 31 gekoppelt.
Zum Entkoppeln wird das Arretierelement 20 gelöst, wodurch die erste Rückholfeder 36 den Träger 38 zusammen mit der Schiebemuffe 10 abtriebsseitig in die mittige Neutralstellung verschiebt. Da die Einheit 32 mit der Schiebemuffe 10 über die erste Schaltfeder 35 gekoppelt ist, wird auch das erste Koppelelement 28 aus der Eingriffsstellung zurück in die Leerlaufstellung verschoben.
In einer zweiten Stufe des in 2 dargestellten Planetengetriebes 22 wird der abtriebsseitige Planetenträger 27 mittels des zweiten Koppelelements 29 drehfest mit dem Sonnenrad 23 bzw. der Antriebswelle 5 drehfest gekoppelt. Hierfür wird das zweite Koppelelement 29 bzw. die Einheit 32 abtriebsseitig verschoben, bis eine an der Einheit 32 stirnseitig angeordnete zweite Verzahnung 39, nämlich des zweiten Koppelelements 29, mit einer stirnseitig angeordneten Planetenträgerverzahnung 40 in Eingriff kommt. Der zweite Schaltvorgang läuft zum ersten Schaltvorgang in analoger Weise ab, wobei als Unterschied eine zum ersten Schaltvorgang entgegengesetzte abtriebsseitige Verschiebung der Schiebemuffe 10, des Trägers 38 sowie, zu einem späteren Zeitpunkt, des zweiten Koppelelements 29 erfolgt. Hierfür weist die Schalteinrichtung 1 eine zweite Schaltfeder 41 sowie eine zweite Rückholfeder 42 auf. Die zweite Rückholfeder 42 ist gegenüber der ersten Rückholfeder 36 in Axialrichtung des Planetengetriebes 22 entgegengesetzt orientiert. Gleiches trifft auf die zweite Schaltfeder 41 und die erste Schaltfeder 35 zu.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schiebemuffe 10 nur eine einzige Schaltnut 13 auf. Zum Verschieben der Schiebemuffe 10 aus der Neutralstellung in die erste Schaltstellung (antriebsseitige Verschiebung) und in die zweite Schaltstellung (abtriebsseitige Schaltstellung) muss die Drehrichtung der Antriebswelle 5 entsprechend geändert werden. Alternativ könnte in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel die Schiebemuffe aber auch mehrere Schaltnuten aufweisen, die jeweils mit zumindest einem Stellmittel derart korrespondieren, dass die Schiebemuffe bei entsprechender Ausgestaltung der Schaltnut aus der Neutralstellung in die erste bzw. zweite Schaltstellung und wieder zurück in die Neutralstellung verschoben wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel könnte wenigstens eine der beiden Rückholfedern 36, 42 eingespart werden.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform des Planetengetriebes 22 dargestellt, bei dem die Schalteinrichtung 1 derart ausgebildet ist, dass die drehbaren Massen reduziert sind. Im Unterschied zu dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel erfolgt bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Schaltung der beiden Stufen in eine gemeinsame Richtung, insbesondere durch eine abtriebsseitige Verschiebung der Schiebemuffe 10 sowie des ersten und zweiten Koppelelements 28, 29.
Das erste Koppelelement 28 ist von der Rotation der Schiebemuffe 10 mittels eines Lagers 30 entkoppelt, indem es im Bereich seiner radial äußeren Verzahnung drehfest mit einem hier nicht dargestellten Gehäuse und zu diesem axial verschiebbar gekoppelt ist. Ferner ist das erste Koppelelement 28 mit dem Träger 38 der Schiebemuffe 10 gekoppelt, der wiederum drehbar auf der Schiebemuffe 10 gelagert ist. Zum drehfesten Koppeln des Hohlrads 24 mit dem hier nicht dargestellten Gehäuse wird das erste Koppelelement 28 abtriebsseitig verschoben, so dass die Koppelverzahnungen des ersten Koppelelements 28 mit dem des Hohlrads 24 in Eingriff kommen. Das erste Koppelelement 28 weist somit keine drehbaren Massen auf.
Auch wurden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die drehbaren Massen des zweiten Koppelements 29 reduziert. Hierfür ist das zweite Koppelelement 29 zweiteilig ausgebildet. Ein radial innerer erster Teil 43 ist mit dem Sonnenrad 23 bzw. mit der Antriebswelle 5 drehfest und zu diesem axial verschiebbar gekoppelt. Der radial äußere zweite Teil 44 ist hingegen von dieser Rotation mittels des Lagers 30 entkoppelt. Ferner ist der zweite Teil 44 mit dem ebenfalls von der Rotation entkoppelten Träger 38 der Schiebemuffe 10 gekoppelt. Jedem der beiden Koppelelemente 28, 29 ist eine eigene Verriegelungseinheit 17a, 17b zugeordnet, so dass diese unabhängig voneinander zur Durchführung des Schaltvorgangs entriegelt werden können.
Die beiden Verriegelungseinheiten 17a, 17b und die für beide Schaltstufen gemeinsam ausgebildete Arretiereinheit des Arretierelements 20 umfassen vorliegend jeweils einen Schaltstift 45, ein schwenkbar ausgebildetes Hakenelement 46 und einen als Absatz 47 ausgebildeten Eingriffsbereich 19. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist nur die Verriegelungseinheit 17a des ersten Koppelelements 28 mit Bezugszeichen versehen.
In der in 3 dargestellten Neutralstellung der Schiebemuffe 10 bzw. Leerlaufstellung des ersten und zweiten Koppelelements 28, 29 sind diese in Bezug auf ihren Axialverschiebeweg alle antriebsseitig positioniert. Beide Verriegelungseinheiten 17a, 17b greifen in den jeweiligen Eingriffsbereich 19 des ersten und zweiten Koppelelements 28, 29 ein, so dass diese in ihrer jeweiligen Leerlaufstellung gehalten sind.
Zum Einleiten des Schaltvorgangs wird das Stellmittel 11 in die Schaltnut 13 eingeführt. Aufgrund der drehbaren Kopplung der Schiebemuffe 10 mit der Antriebswelle 5 und der entsprechend helixförmigen Ausgestaltung der Schaltnut 13 wird die Schiebemuffe 10 abtriebsseitig verschoben. Hierbei wird zum einen die Rückholfeder 15 und zum anderen die erste sowie zweite Schaltfeder 35, 41 gespannt. Die Rückholfeder 15 ist vorliegend sowohl dem ersten Koppelelement 28 als auch dem zweiten Koppelelement 29 zugeordnet. Sobald die Schiebemuffe 10 ihre abtriebsseitig angeordnete Schaltstellung erreicht hat, wird diese mittels des Arretierelements 20 arretiert. Hierbei rastet das Hakenelement 46 des Arretierelements 20 automatisch in den Absatz des Trägers 38 ein. Zum gleichen Zeitpunkt wird das Stellmittel 11 durch aktive Ansteuerung oder aber auch durch entsprechende Tiefenreduktion der Schaltnut 13 aus der Schaltnut 13 herausgeführt. Die Federenergie der ersten und zweiten Schaltfeder 35, 41 ist somit durch die Arretierung der Schiebemuffe 10 in der Schaltstellung und durch die Verriegelung des ersten und zweiten Koppelelements 28, 29 in der Leerlaufstellung im System gespeichert.
Zu einem beliebigen Zeitpunkt, insbesondere wenn eine hier nicht dargestellte Bremse der Abtriebswelle 6 gelöst ist, kann die gespeicherte Federenergie durch Lösen einer der beiden Verriegelungseinheiten 17a, 17b freigesetzt werden. Es wird aber stets immer nur eine der Verriegelungseinheiten 17a, 17b gelöst, zu keinem Zeitpunkt jedoch beide gleichzeitig. So verschiebt sich bspw. bei einem Entriegeln der zweiten Verriegelungseinheit 17b das zweite Koppelelement 29 aus seiner Leerlaufstellung in die Eingriffsstellung. Hierbei kommen die stirnseitig angeordneten Verzahnungen des drehbar mit dem Sonnenrad 23 gekoppelten ersten Teils 43 des zweiten Koppelelements 29 mit dem Planetenträger 27 in Zahneingriff, so dass das Sonnenrad 23 drehfest mit dem Planetenträger 27 gekoppelt ist.
Zum Verschieben des zweiten Koppelelements 29 zurück in die Leerlaufstellung wird zu gegebenem Zeitpunkt das Arretierelement 20 deaktiviert, so dass die Schiebemuffe 10 mit seinem Träger 38 aus der Schaltstellung zurück in die Neutralstellung geschoben wird. Dies erfolgt insbesondere mittels der Rückholfeder 15, die die Schiebemuffe 10 in Richtung ihrer Neutralstellung federbeaufschlagt. Zusätzlich oder alternativ kann aber auch die Schaltfeder 35, 41 des nicht geschalteten Koppelelements, im vorliegenden Beispiel des ersten Koppelelements 29, als Rückholfeder wirken. Da somit im vorliegenden exemplarisch beschriebenen Schaltvorgang die erste Schaltfeder 35 nicht freigesetzt wurde, beaufschlagt diese den Träger 38 und somit auch die Schiebemuffe 10 mit einer Federkraft, die antriebsseitig orientiert ist. Infolgedessen könnte die Rückholfeder 15 auch eingespart werden, da ein Zurückschieben der Schiebemuffe 10 in die Neutralstellung bzw. des zweiten Koppelelements 29 in die Leerlaufstellung mit der ersten Schaltfeder 35 erfolgen könnte. Sobald das zweite Koppelelement 29 wieder in der Leerlaufstellung ist, wird dieses automatisch mittels der Verriegelungseinheit 17b verriegelt.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Planetengetriebes 22, das abtriebsseitig im Wesentlichen gemäß dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Im Unterschied weist jedoch dieses dritte Ausführungsbeispiel keine separate Rückholfeder 15 auf (vgl. 3). Stattdessen wirkt hier, wie bereits vorstehend ausgeführt, die Schaltfeder 35, 41 des jeweils nicht entriegelten Koppelelements 28, 29 als Rückholfeder 15 für die Schiebemuffe 10 und für das jeweils in die Eingriffstellung verschobene Koppelelement 28, 29. Ferner ist die Schiebemuffe 10 mit seinem Träger 38 einteilig ausgebildet.
Die Schiebemuffe 10 ist im in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig von der Rotation der Antriebswelle 5 entkoppelt. Hierfür ist die Schaltnut 13 nicht an der Schiebemuffe 10, sondern am Außenumfang 12 der Antriebswelle 5 ausgebildet. Das Stellmittel 11 ist fest mit der Schiebemuffe 10 verbunden, so dass es mit dieser gegenüber der Antriebswelle 5 in Axialrichtung des Planetengetriebes 22 verschiebbar ausgebildet ist. Sobald das Stellmittel 11 in die Schaltnut 13 eingeführt wird, wird die Schiebemuffe 10, der Träger 38 und das Stellmittel 11 zusammen aus der Neutralstellung in die abtriebsseitige Schaltstellung verschoben. Durch diese Anordnung können die drehbaren Massen des Planetengetriebes 22 vorteilhafterweise noch mehr reduziert werden.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Planetengetriebes 22, bei dem der abtriebsseitige Bereich im Wesentlichen identisch zum zweiten und dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Antriebsenergie der Antriebswelle 5 mittels einer Stirnradstufe 48 und einer ansteuerbaren Kupplung 49 auf eine Vorgelegewelle 50 übertragen werden kann. Hierdurch wird auch eine abtriebsseitige Schaltung des Planetengetriebes 22 ermöglicht. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen rotiert die Schiebemuffe 10 nicht kontinuierlich, sondern wird gezielt mittels der Kupplung 49 zwischen der Neutralstellung und der Schaltstellung verschoben. Demnach schließt die Kupplung zum Einleiten des Schaltvorgangs, wodurch die Antriebsenergie der Antriebswelle 5 auf die Vorgelegewelle 50 übertragen wird. Die drehfest und axial verschiebbar mit der Vorgelegewelle 50 gekoppelte Schiebemuffe 10 wird durch das eingreifende Stellmittel 11 aus der Neutralstellung in die Schaltstellung abtriebsseitig verschoben. Hierdurch wird gemäß den vorherigen Ausführungsbeispielen die erste und zweite Schaltfeder 35, 41 und die Rückholfeder 15 gespannt. Sobald die Schiebemuffe 10 die Schaltstellung erreicht hat, kuppelt die Kupplung 49 aus, so dass keine Antriebsenergie mehr von der Antriebswelle 5 auf die Vorgelegewelle 50 übertragen wird. Das Stellmittel 11 wirkt somit als Arretierelement. Nach dem Einkoppeln eines der beiden Koppelelemente 28, 29 kann dieses und die Schiebemuffe 10 durch das Lösen des Stellmittels 11 bzw. des Arretierelements 20 zurück in die Neutralstellung bzw. die Leerlaufstellung gebracht werden. Die hierfür erforderliche Kraft wird wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen durch die Rückholfeder 15 aufgebracht.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel des die Schaltenergie speicherbaren Planetengetriebes 22 ist in den 6a–6d dargestellt. Gemäß den vorherigen Ausführungsbeispielen umfasst das Planetengetriebe 22 ein erstes Koppelelement 28 und ein zweites Koppelelement 29. Die beiden Koppelelemente 28, 29 bilden zusammen eine in Axialrichtung des Planetengetriebes 22 verschiebbare Einheit 32 aus. Sie sind ferner mittels des Lagers 30 drehbar zueinander ausgebildet. Das erste Koppelelement 28 ist in einem ersten Koppelbereich 51 mit dem hier nicht dargestellten Gehäuse des Planetengetriebes 22 drehfest und zu diesem in Axialrichtung verschiebbar gekoppelt. Das zweite Koppelelement 29 ist im Gegensatz dazu mit dem Sonnenrad 23 drehfest und in Axialrichtung verschiebbar gekoppelt. Infolgedessen ist das erste Koppelelement 28 feststehend ausgebildet, wohingegen sich das zweite Koppelelement 29 aufgrund der drehfesten Kopplung im zweiten Koppelbereich 52 mit dem Sonnenrad mitzurotieren vermag.
In der ersten Schaltstellung wird das Hohlrad 24 mittels des ersten Koppelelements 28 mit dem ortsfesten Gehäuse drehfest gekoppelt. Hierzu wird das erste Koppelelement 28 bzw. die Einheit 32, welche das erste Koppelelement 28, das zweite Koppelelement 29 und das Lager 30 umfasst, antriebsseitig, d.h. in Richtung der Antriebswelle 5, verschoben. Sobald das erste Koppelelement 28 aus der in 6a dargestellten Leerlaufstellung in die in 6d dargestellte Eingriffsstellung verschoben ist, greift eine an einem Innenumfang des ersten Koppelelementes 28 ausgebildete erste Verzahnung 33 formschlüssig in eine Hohlradverzahnung 53 des Hohlrades 24 ein, so dass das Hohlrad 24 mittels des ersten Koppelelements 28 drehfest mit dem hier nicht dargestellten ortsfesten Gehäuse bzw. Gehäuseteil im ersten Koppelbereich 51 gekoppelt ist.
Der Schaltvorgang der Schalteinrichtung 1 läuft gemäß dem in 6a–6d visualisierten Verfahren ab. Demnach wird ausgehend von der in 6a dargestellten Neutralstellung der Schalteinrichtung 1, in der keines der beiden Koppelelemente 28, 29 aktiv ist, gemäß 6b zum drehfesten Koppeln des Hohlrads 24 mit dem ortsfesten Gehäuse zunächst das Stellmittel 11 in eine Schaltnut 13 der Antriebswelle 5 eingebracht. Die Schiebemuffe 10 ist somit vollständig von der Rotation der Antriebswelle 5 entkoppelt, da die Schaltnut 13 nicht an der Schiebemuffe 10, sondern am Außenumfang 12 der Antriebswelle 5 ausgebildet ist. Das Stellmittel 11 ist fest mit der Schiebemuffe 10 verbunden, so dass es mit dieser gegenüber der Antriebswelle 5 in Axialrichtung des Planetengetriebes 22 verschiebbar ausgebildet ist.
Sobald das Stellmittel 11 in die Schaltnut 13 eingeführt ist, wird gemäß 6b die Schiebemuffe 10 mit dem Stellmittel 11, der Träger 38 und ein erstes Anschlagselement 54 als Verschiebeeinheit aufgrund der helixförmigen Schaltnut 13 aus der Neutralstellung in die abtriebsseitige Schaltstellung verschoben. Die Einheit 32 bleibt während dieses Vorgangs ortsfest, da diese mittels des Verriegelungselements 18, das in einen Eingriffsbereich 19 der Einheit 32 eingreift, in der Leerlaufstellung gehalten ist. Beim Verschieben der Schiebemuffe 10 aus der Neutralstellung in die erste Schaltstellung wird eine erste Schaltfeder 35 und eine erste Rückholfeder 36 der Schalteinrichtung 1 gespannt. Die erste Schaltfeder 35 wird zwischen dem ersten Anschlagselement 54 und dem ersten Koppelelement 28 – gegenüber diesem das erste Anschlagselement 54 in Axialrichtung verschiebbar ausgebildet ist – gespannt. Die Rückholfeder 36 wird zwischen dem Träger 38 und der gehäusefesten Basis 16b gespannt.
Sobald die Schiebemuffe 10 die in 6b dargestellte Schaltstellung erreicht hat, wird diese bzw. der Träger 38 gemäß 6c mittels eines Arretierelements 20 in der ersten Schaltstellung arretiert. Hierfür greift das Arretierelement 20 in eine erste Ausnehmung 37 des Trägers 38 ein. Die Schalteinrichtung 1 ist jetzt mittels der Antriebsenergie der Antriebswelle 5 aufgeladen und speichert diese Energie so lange bis der Schaltvorgang über das Verriegelungselement 18 aktiviert wird.
Demnach wird zum drehfesten Koppeln des hier nicht dargestellten Gehäuses mit dem Hohlrad 24 das Verriegelungselement 18 gemäß 6d entriegelt, wodurch die gespannte bzw. aufgeladene erste Schaltfeder 35 die Einheit 32 bzw. das erste Koppelelement 28 antriebsseitig verschiebt, so dass die erste Verzahnung 33 des ersten Koppelelementes 28 mit der Hohlradverzahnung 53 in Zahneingriff gelangt. Das Hohlrad 24 ist nun drehfest mit dem hier nicht dargestellten Gehäuse des Planetengetriebes 22 gekoppelt, wobei die beiden Schaltfedern 35, 41 beide entlastet sind und nur noch die erste Rückholfeder 36 unter Spannung steht.
Zum Entkoppeln muss das Arretierelement 20 gelöst bzw. aus der Ausnehmung 37 ausgerastet werden, wodurch die gespannte erste Rückholfeder 36 den Träger 38 zusammen mit der Schiebemuffe 10 abtriebsseitig in die in 6a dargestellte mittige Neutralstellung zurückverschiebt. Hierbei wird zugleich das erste Koppelelement 28 aus der Eingriffsstellung zurück in die Leerlaufstellung verschoben, da die Einheit 32 über das zweite Anschlagselement 55 und die zweite Schaltfeder 41 mit dem Träger 38 bzw. der Schiebemuffe 10 gekoppelt ist. Die erste Verzahnung 33 des ersten Koppelelementes 28 greift somit nicht mehr in die Hohlradverzahnung 53 des Hohlrades 24 ein.
Der zweite Schaltvorgang zum drehfesten Koppeln des Sonnenrades 23 mit dem Planetenträger 27 über das Ineinandergreifen der zweiten Verzahnung 39 des zweiten Koppelelementes 29 in die Planetenträgerverzahnung 40 des Planetenträgers 27 erfolgt im Wesentlichen gespiegelt in analoger Art und Weise. Demnach wird die Schiebemuffe 10 – bei Drehrichtungsumkehr der Antriebswelle 5 oder bei einer zweiten mit einem im Vergleich zur ersten Schaltnut 13 mit einem inversen Steigungswinkel ausgebildeten zweiten Schaltnut – antriebsseitig in Richtung der Abtriebswelle 6 verschoben, sobald das Stellmittel 11 in die Schaltnut 13 eingreift. Hierbei wird die zweite Schaltfeder 41, insbesondere durch das Verschieben des zweiten Anschlagselementes 55, und die zweite Rückholfeder 42 gespannt, da die Einheit 32 aufgrund des Verriegelungselementes 18 in ihrer Neutralstellung gehalten sind. Sobald das Verriegelungselement gelöst wird, setzt die zweite Schaltfeder 41 ihre Federenergie frei, wodurch das zweite Koppelelement 29 abtriebsseitig verschoben und die zweite Verzahnung 39 in die Planetenverzahnung 40 eingreift. Das Sonnenrad 23 und der Planetenträger 27 sind jetzt drehfest miteinander gekoppelt.
Zum Entkoppeln wird das Arretierelement 20 gelöst, wodurch die gespannte zweite Rückholfeder 42 den Träger 38 zusammen mit der Schiebemuffe 10 abtriebsseitig in die mittige Neutralstellung zurückverschiebt. Hierbei wird zugleich das zweite Koppelelement 29 aus der Eingriffsstellung zurück in die Leerlaufstellung verschoben, da die Einheit 32 über das erste Anschlagselement 54 und die erste Schaltfeder 35 mit dem Träger 38 bzw. der Schiebemuffe 10 gekoppelt ist. Die zweite Verzahnung 39 des zweiten Koppelelementes 29 greift somit nicht mehr in die Planetenträgerverzahnung 40 ein.
Der wesentliche Vorteil des in den 6a–6d dargestellten fünften Ausführungsbeispiels besteht darin, dass alle elektronischen Schaltteile, d.h. das Stellmittel 11, das Verriegelungselement 18 und das Arretierelement 20, von der Rotation entkoppelt sind. Ferner ist das Verriegelungselement 18 und das Arretierelement 20 ortsfest mit dem Gehäuse gekoppelt. Des Weiteren weist die Schalteinrichtung 1 rotationssymmetrische Bauteile auf, die nicht ineinander verschachtelt sind. Außerdem kann die Schalteinrichtung 1 als vormontierte Baugruppe ausgebildet sein, die an ein Planetengetriebe 22 montierbar ist. Auch erlaubt die konstruktive Umsetzung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, dass nur die Schaltstifte der Aktuatoren, d.h. des Stellmittels 11, des Verriegelungselementes 18 und des Arretierelementes 20, im Ölraum angeordnet sind. Die Federpakete können für beide Schalt- 35, 41 und/oder Rückholfedern 36, 42 mit unterschiedlichen Kräften ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Schalteinrichtung
2: erstes Bauteil
3: zweites Bauteil
4: Koppelelement
5: Antriebswelle
6: Abtriebswelle
7: Außenverzahnung
8: Verzahnung des Koppelelements
9: Verzahnung der Abtriebswelle
10: Schiebemuffe
11: Stellmittel
12: Außenumfang
13: Schaltnut
14: Schaltfeder
15: Rückholfeder
16: Basis
17: Verriegelungseinheit
18: Verriegelungselement
19: Eingriffsbereich des Koppelelements
20: Arretierelement
21: Eingriffsbereich der Schiebemuffe
22: Planetengetriebe
23: Sonnenrad
24: Hohlrad
25: Planetenrad
26: Planetenbolzen
27: Planetenträger
28: erstes Koppelelement
29: zweites Koppelelement
30: Lager
31: Gehäuse
32: Einheit
33: erste Verzahnung
34: Gehäuseverzahnung
35: erste Schaltfeder
36: erste Rückholfeder
37: erste Ausnehmung
38: Träger
39: zweite Verzahnung
40: Planetenträgerverzahnung
41: zweite Schaltfeder
42: zweite Rückholfeder
43: erster Teil
44: zweiter Teil
45: Schaltstift
46: Hakenelement
47: Absatz
48: Stirnradstufe
49: Kupplung
50: Vorgelegewelle
51: erster Koppelbereich
52: zweiter Koppelbereich
53: Hohlradverzahnung
54: erstes Anschlagselement
55: zweites Anschlagselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19917673 A1 [0003]

Claims

Schalteinrichtung (1) für ein Planetengetriebe (22), mit einer Schiebemuffe (10), die durch die Betätigung eines Stellmittels (11) in Axialrichtung des Planetengetriebes (22) aus einer Neutralstellung in eine Schaltstellung verschiebbar ist, zumindest einem Koppelelement (4), das zum drehfesten Koppeln zweier Bauteile (2; 3) des Planetengetriebes (22) in Axialrichtung des Planetengetriebes (22) aus einer Leerlaufstellung in eine Eingriffsstellung verschiebbar ist, und zumindest einer Schaltfeder (14), welche die Schiebemuffe (10) und das zumindest eine Koppelelement (4) derart miteinander koppelt, dass beim Verschieben der Schiebemuffe (10) aus der Neutralstellung in die Schaltstellung das Koppelelement (4) in Richtung des damit zu koppelnden Bauteils (3) federbeaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (1) eine Verriegelungseinheit (17) aufweist, die das Koppelelement (4) im verriegelten Zustand in der Leerlaufstellung hält, so dass die Federenergie bei in die Schaltstellung verschobener Schiebemuffe (10) speicherbar und zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Entriegelung der Verriegelungseinheit (17) freisetzbar ist.
Schalteinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinheit (17) zumindest ein Verriegelungselement (18), insbesondere einen Schaltstift (45) und/oder ein vorzugsweise schwenkbar ausgebildetes Hakenelement (46), aufweist, das mit einem Eingriffsbereich (19) des Koppelelements, insbesondere einem Absatz (47) und/oder einer umlaufenden Ringnut, korrespondiert.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (1) zumindest ein Arretierelement (20), insbesondere einen Schaltstift (45) und/oder ein vorzugsweise schwenkbar ausgebildetes Hakenelement (46), aufweist, das derart mit der Schiebemuffe (10) gekoppelt ist, dass es diese im aktivierten Zustand in der Schaltstellung zu halten vermag.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (1) zumindest eine Rückholfeder (15) aufweist, die mit der Schiebemuffe (10) und/oder dem Koppelelement (4) derart gekoppelt ist, dass sie beim Verschieben der Schiebemuffe (10) aus der Neutralstellung in die Schaltstellung spannbar ist und die Schiebemuffe (10) aus der Schaltstellung in die Neutralstellung und/oder das Koppelelement (4) aus der Eingriffsstellung in die Leerlaufstellung, insbesondere beim Deaktivieren des Arretierelements (20), zurückzuschieben vermag.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (1) ein erstes Koppelelement (28), insbesondere zum drehfesten Koppeln eines Hohlrads (24) mit einem ortsfesten Gehäuse (31) des Planetengetriebes (22), und ein zweites Koppelelement (29), insbesondere zum drehfesten Koppeln eines Sonnenrads (23) mit einem Planetenträger (27) des Planetengetriebes (22), aufweist.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Schaltfeder (14) eines der beiden Koppelelemente (28; 29) als Rückholfeder (15) des anderen Koppelelements (28; 29) ausgebildet ist.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Koppelelement (28; 29) einen radial inneren ersten (43) und einen radial äußeren zweiten Teil (44) aufweist, die drehbar zueinander ausgebildet sind.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Koppelelement (28; 29) eine in Axialrichtung des Planetengetriebes (22) verschiebbare Einheit (32) ausbilden und zueinander drehbar ausgebildet sind.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstellung der Schiebemuffe (10) für das erste und zweite Koppelelement (28; 29) gleich ist.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (11), insbesondere ein Schaltstift, mit einer Schaltnut (13) korrespondiert, die am Außenumfang (12) einer Welle, insbesondere der Antriebswelle (5) oder der mit der Antriebswelle (5) drehfest gekoppelten Schiebemuffe (10), angeordnet ist und einen sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Welle erstreckenden und mit einer Steigung versehenen, insbesondere helixförmigen, Kurvenverlauf aufweist.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (11) ortsfest oder mit der Schiebemuffe (10) in Axialrichtung des Planetengetriebes (22) verschiebbar angeordnet ist.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (10) einen, insbesondere radial inneren, ersten und einen, insbesondere radial äußeren, zweiten Teil, insbesondere einen Träger (38), aufweist, die drehbar zueinander ausgebildet sind.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (10) aus der Neutralstellung, insbesondere in zueinander entgegengesetzte Richtungen, mittels einer ersten und einer zweiten Schaltfeder (35; 41) in eine erste und eine zweite Schaltstellung verschiebbar ist.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung ein mit der Schiebemuffe (10) gekoppeltes erstes und zweites Anschlagselement (54; 55) aufweist, die jeweils einer der beiden Schaltfedern (35; 41) zugeordnet und derart voneinander entkoppelt sind, dass beim Verschieben der Schiebemuffe (10) aus der Neutralstellung in eine der beiden Schaltstellungen nur eine der beiden Schaltfedern (35; 41) gespannt wird und die andere in ihrer Grundstellung verweilt.
Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (10) auf der Antriebswelle (5) oder auf einer zu dieser parallelen Vorgelegewelle (50) angeordnet ist, wobei die Vorgelegewelle (50) mittels einer Stirnradstufe (48) und/oder einer ansteuerbaren Kupplung (49) mit der Antriebswelle (5) gekoppelt ist.
Planetengetriebe (22), insbesondere zweistufiges Planetengetriebe (22) für eine Werkzeugmaschine, mit einem zentralen Sonnenrad (23), einem Hohlrad (24), welches das Sonnenrad (23) umgibt, radial zwischen diesen angeordneten Planetenrädern (25), die in einem Planetenträger (27) drehbar gehalten sind, und einer Schalteinrichtung (1), wobei insbesondere dessen Antriebswelle (5) mit dem Sonnenrad (23) und dessen Abtriebswelle (6) mit dem Planetenträger (27) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (1) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.