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Die Erfindung betrifft Schaltaktuatoren zur Betätigung automatischer oder automatisierter Getriebe von Fahrzeugen.
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Bei automatischen oder automatisierten Getrieben werden auf dem Stand der Technik manuelle Schaltbetätigungen von Handschaltgetrieben von einer Systemsteuerung durchgeführt, die elektronisch gesteuerte mechatronische Aktuatoren nutzt.
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Solche mechatronischen Getriebesteuerungen bestehen aus Aktuatoren, die die notwendigen Schaltwege und die Schaltkraft zur Betätigung von Kupplungselementen aufbringen müssen und aus Sensoren, die den jeweiligen Zustand des Getriebes erfassen.
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Sensoren sind z. B. Positions- oder Wegsensoren, mit denen die Position der Schaltelemente, z. B. Stellwege, ermittelt werden können.
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Aktuatoren sind z. B. Schaltzylinder mit pneumatisch oder hydraulisch betätigten Kolben, die – z. B. über elektronisch angesteuerte Ventile – mit dem jeweiligen Medium (Druckluft oder Hydrauliköl) mit Druck beaufschlagt werden. Die Kolben dieser Schaltzylinder sind z. B. mit Schaltschienen verbunden, mit denen Schaltgabeln oder Schaltschwingen betätigt werden, die ihrerseits z. B. die Klauen einer Kupplung nach rechts oder links bewegen.
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Eine elektronische Steuerung legt unter Auswertung der Sensordaten Schaltabläufe fest und organisiert die Ansteuerung der Aktuatoren, mittels derer die Schaltvorgänge durchgeführt werden. Dies wird als Getriebeverstellung bezeichnet.
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Um aber mit solchen Zylinder-Kolben-Aktuatoren den erforderlichen Axialhub in beiden Richtungen über eine Stangenanordnung (Schaltschienen) aufzubringen, fallen derartige Konstruktionen – inklusive aller anfallenden Toleranzen – entsprechend lang aus. So gibt es z. B. Konstruktionen, bei denen sich an beiden Enden der Schaltschienen (mit denen die Schaltgabeln oder Schaltschwingen hin- und her-bewegt werden) jeweils ein druckbetätigter Kolben in einem Zylinder befindet. Die Schaltstange erstreckt sich praktisch über die gesamte Länge aller beweglichen Elemente des jeweiligen Getriebes.
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Derartige, notwendigerweise lange Konstruktionen müssen neben dem eigentlichen Getriebe im Bauraum des Getriebes Platz finden.
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Aus unterschiedlichen Schaltungsprinzipen (Schalten/Schalten, Wählen/Schalten, Klauenschaltung, Synchronschaltungen) ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Dimensionierung dieser Schaltzylinder, vor allem wegen der jeweils aufzubringenden, notwendigen Schaltkräfte. Während z. B. bei Klauenschaltungen im Wesentlichen nur die jeweilige Stellkraft aufgebracht werden muss, ist es bei Schaltungen mit mechanischen Synchronisierungen zusätzlich notwendig, auch die zur Synchronisierung benötigte Synchronkraft aufzubringen.
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Derartige Schaltkräfte können nur mittels entsprechend ausgelegter Zylinder-Durchmesser erzeugt werden. Um die jeweils benötigte Schaltkraft aufzubringen, müssen diese Schaltaktuatoren geeignet ausgelegte Durchmesser haben und sowohl in der Länge, als auch im Durchmesser im vorhandenen Bauraum des Getriebes Platz finden.
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Neben solchen pneumatisch oder hydraulisch betriebenen Aktuatoren zur Getriebeverstellung sind Aktuatoren mit einer elektromotorischen Betätigung bekannt. Derartige elektromotorisch betriebene Betätigungen kommen bei kleineren Getrieben (PKW und Verteilerfahrzeuge) zum Einsatz, weil dort die benötigten Schaltkräfte weitaus geringer sind.
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In der Regel kommen bei größeren Nutzfahrzeugen hydraulische und oftmals pneumatisch betriebene Systeme zum Einsatz, da in diesen Nutzfahrzeugen ohnehin ein pneumatisches Bordnetz vorhanden ist. Diese werden z. B. für die Bremsbetätigung, für Luftfederungen und Nebenabtriebs-Steuerungen genutzt.
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Diese auf dem Stand der Technik unter Nutzung von Schaltzylindern eingesetzten hydraulischen und/oder pneumatischen Systeme haben eine Reihe von Nachteilen:
- – Besonders der für Schaltzylinder und Schaltschienen benötigte Bauraum beeinflusst die Getriebemaße. Das führt neben den ungünstigeren Einbaumaßen (bezogen auf ein KFZ) auch zu einem größeren Gewicht, was durchaus wettbewerbsbestimmende Faktoren sind.
- – Für die Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder werden Dichtungen benötigt, an die extrem hohe Anforderungen gestellt werden (z. B. dürfen diese Dichtungen keinen funktionell nachteiligen Verschleiß über die gesamte Lebensdauer des Getriebes aufweisen und die Dichtheit muss über einen sehr großen Temperaturbereich – z. B. von –40°C bis +150°C – gewährleistet werden, zudem unempfindlich gegenüber verschiedenen Chemikalien sein, usw.). Das Einhalten dieser Anforderungen stellt in der Praxis oftmals ein Problem dar, tatsächlich sind diese Probleme oftmals Grund für einen vorzeitigen Ausfall des Systems.
- – Die zu bewegenden Massen (also die Kolben mit stabilen Schaltschienen und Schaltgabeln oder Schaltschwingen) müssen durch mechanische Anschläge abgebremst werden. Dies führt bei pneumatischen Systemen – wegen der hohen Beschleunigungs- und Abbremskräfte – zu einem hohen Verschleiß, somit zu einer verringerten Lebensdauer und zu oftmals nicht akzeptablen Anschlagsgeräuschen.
- – Um derartige Anschlagsgeräusche zu reduzieren, sind Dämpfungsmaßnahmen erforderlich, die zusätzliche Produktkosten verursachen.
- – Für die bisherigen pneumatischen Systeme ist typisch, dass von der elektronischen Ansteuerung über die Ventilaktivitäten bzw. -bewegungen bis zu einer tatsächlichen Bewegung der Kolben deutliche Totzeiten liegen. Die Schalteinrichtung wird daher vorgespannt, um danach mit einer höheren Beschleunigung loslaufen zu können. Hierdurch entstehen oft Störungen im Schaltablauf und ebenfalls ein erhöhter Verschleiß. Verstärkt werden diese Störungen bekanntermaßen durch die normaler zu überwindenden Rastierkräfte.
- – Bei sehr tiefen Temperaturen besteht auf dem Stand der Technik zudem das Problem, dass das Getriebe u. U. z. B. wegen verklebter Dichtungen zunächst gar nicht geschaltet werden kann.
- – Bei hydraulischen Systemen sind diese Schalteinrichtungen meist außen an das jeweilige Getriebe angebaut und erfordern erheblichen Bauraum.
- – Das an das Getriebe angebaute hydraulische System besteht meist aus zwei Baugruppen,
– eine erste Baugruppe, der die Pumpe mit Druckspeicher, Ventilblock und Elektronik zuzurechnen sind, sowie
– einer zweiten Baugruppe mit den Schaltzylindern.
- – Da die hydraulische Steuerung nicht mit den üblichen Getriebeölen betrieben werden kann, bedeutet das, dass ein Hydrauliköl zum Einsatz kommen muss, mit Nachteilen wie Umweltbelastung, Kosten und Entsorgung.
- – Hydraulische Verbindungen zwischen den Baugruppen sind meist als Rohrverbindungen ausgeführt, die auf Grund von Schwingungsbelastungen und möglichen mechanischen Schädigungen ein relativ hohes Stör- und Ausfallrisiko haben.
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In diesem dargestellten Rahmen des Stands der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein pneumatisch betriebenes Aktuatorsystem zur Schaltbetätigung eines Getriebes vorzuschlagen und zu definieren, das die angeführten Nachteile hydraulischer und pneumatischer Systeme nicht mehr aufweist und das über die gesamte Lebensdauer des Getriebes robust, betriebssicher und kostengünstig ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach werden die Schaltelemente eines Getriebes, also Klauen oder Synchronisierungsringe von einem direkt in den Zwischenraum zwischen zwei Übersetzungsstufen eingebauten, die Welle des Antriebsstrangs und die Schiebemuffe ringförmig umfassenden, bevorzugt einem Druckluftmotor angetrieben, wobei eine Spindel oder ein spindelähnlicher Vortrieb eine rotatorische Bewegung in eine translatorische Bewegung übersetzt.
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Dabei werden hier zwar bevorzugt nur durch Druckluft angetriebene Motoren dargestellt, und z. B. pneumatische Lamellenmotoren angenommen, aber das soll keine Einschränkung der Erfindung auf nur pneumatisch betriebene Motoren bedeuten.
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Die Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung mittels einer motorisch angetriebenen Spindel und einer sich auf dieser Spindel befindlichen Mutter, ist eine wohlbekannte Anordnung. In dieser Anordnung wird die Drehbewegung der Mutter verhindert. Jede Umdrehung der Spindel wird in eine translatorische Bewegung der Mutter in der Weite einer Gewindesteigung umgesetzt.
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In diesem bekannten Fall wird also die Gewindespindel von einem Motor angetrieben; die Kraft mit der die Mutter (translatorisch) vorwärts bewegt wird, ist dabei sehr groß, kann aber über den Druck und die Luftmenge für den Druckluftmotor geregelt bzw. gesteuert werden.
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Dass in einer solchen Anordnung die Kraftleitung prinzipiell umkehrbar ist, ist bekannt.
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Mit einem sehr großen Kraftaufwand könnte eine translatorisch vorwärts getriebene Mutter in der Spindel eine Rotation und somit eine Rückstellung aus einer einmal angenommenen Position bewirken. Diese Kräfte müssten dazu allerdings sehr groß sein, was im gegebenen Rahmen kaum vorkommen wird.
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Eine solche Anordnung ist funktionell aber noch in einer anderen Hinsicht umkehrbar, indem nämlich die Translationsbewegung der Mutter verhindert, diese aber rotatorisch angetrieben wird. Die Mutter erzeugt dann an der Spindel ebenfalls eine translatorische Bewegung von genau einer Gewindesteigung je Umdrehung. In diesem Fall wird die Mutter, z. B. von einem geeigneten Motor rotatorisch angetrieben; die Kraft mit der die Spindel vorwärts bewegt wird, ist wieder sehr groß.
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Vorteilhafterweise wird durch diese unterschiedliche Kraftübersetzung eine Selbsthemmung der Schaltanordnung bezüglich nicht rotatorischer Antriebskräfte erreicht, wodurch eine normalerweise ungewollte aber zu erwartende Rückstellbewegung oder eine ungewollte Bewegung verhindert wird.
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Diese Selbsthemmung erlaubt es im erfindungsgemäßen Rahmen, eine einmal eingenommene Gangschaltpositionen (z. B. Neutral oder rechts oder links verbundene Klauen der Kupplung) fast ohne zusätzliche Kraftaufwendung oder anderer Maßnahmen, auch und besonders mit stromlosen Elektromotoren oder mit entlüfteten Druckluftmotoren, zu halten.
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Während bei einem Stangen-Kolben-Zylinder-Aktuator eine einmal eingenommene Stellung der Schaltgabel nur unter Kraftbeibehaltung durch die Rastierungen gehalten werden kann, genügt es bei der erfindungsgemäßen Anordnung, den Motor einfach nur abzuschalten. Zumindest genügt eine ganz geringe Kraft, um eine einmal eingenommene Stellung beizubehalten.
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In dieser gerade beschriebenen Anordnung stehen Spindel und Mutter über das Spindel-Mutter-Gewinde derart in Beziehung, dass rotatorische und translatorische Bewegungen dadurch ineinander überführt werden, dass die jeweils andere Bewegungsart unterdrückt wird: Die (drehende) Spindel wird an einer translatorischen Bewegung behindert und überträgt ihre rotatorische Bewegung auf die translatorische Bewegung einer Mutter, die in ihrer rotatorischen Bewegung behindert ist.
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Stellt man sich eine solche Spindel-Mutter-Anordnung derart modifiziert vor, dass die Durchmesser von Spindel und Mutter sehr stark vergrößert werden und die Spindel (mit einem Gewinde auf der Außenschicht) praktisch eine große Hohl-Spindel darstellt, auf der sich die Mutteranordnung dreht, dann ist damit eine konstruktiv nachvollziehbare Anordnung gegeben.
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Dreht sich die rotatorisch angetriebene (translatorisch fixierte) Mutter auf einer (rotatorisch fixierten) Spindel, dann bewegt sich das Hohlspindelstück in einer translatorischen Richtung.
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Abhängig von der (umschaltbaren) Drehrichtung des Druckluftmotors kann ein Schaltelement des Getriebes mit konstruktiv definierter Kraft über eine konstruktiv festlegbare Strecke nach rechts oder links bewegt werden. Die Wahl der Parameterpaare „Gewindesteigung” und „ausgeübtes Drehmoment der Antriebsseite” bestimmen die wirksame Parameterkombination „Kraftentwicklung” (und vorteilhafterweise damit auch die Selbsthaltekraft) und den „Weg”.
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Damit können die rechts und links vom Schaltelement befindlichen Zahnradpaare über geeignete Kupplungseinrichtungen aus- oder eingeschaltet werden und somit das wirksame Drehmoment und dadurch wiederum der Leistungsfluss (bzw. der Energiefluss) geändert oder auch das Getriebe nach Neutral geschaltet werden.
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Funktionen oder Funktionsschritte, die – darüber hinaus gehend – ebenfalls Voraussetzungen zum Aus- oder Einschalten eines Ganges sind, wie z. B.
- – vor einer Schaltausführung zunächst ein Drehmomentabbau im Antriebsstrang und/oder
- – die Drehzahlsynchronisierung für eine Klauenverzahnung
werden nicht näher betrachtet, da diese Funktionen – unabhängig von der erfindungsgemäßen Schalt-Aktuatorik ablaufen bzw. ablaufen können und zwar genauso, wie das auf dem Stand der Technik bekannt ist, gehandhabt werden können.
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Die Kombination von Druckluftmotor, bevorzugt einem Lamellenmotor mit Spindelantrieb, mit einer Schiebemuffe und Kupplungselementen, die sich seitlich an dieser Schiebemuffe und seitlich an den rechts und links liegenden Zahnrädern befinden, soll im Folgenden zur Vereinfachung nur als „Schalteinheit” bezeichnet werden.
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Das ist Teil des gesamten „Schaltsystems”, das bevorzugt mit Druckluft aus dem meist ohnehin vorhandenen Druckluftsystem des Fahrzeuges gespeist wird. Aber auch eine gesonderte Druckluftversorgung kann vorgesehen werden, z. B. eine, bei der die oftmals ungenutzt an die Außenwelt abgegebenen Energien – z. B. aus Bremsvorgängen – gezielt für die Betätigungen dieser Aktuatoren bzw. Schaltaktivitäten eingesetzt werden.
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Schaltkräfte und Schaltgeschwindigkeiten können in einer auf dem Stand der Technik bekannten Weise z. B. über Pneumatikventile geregelt oder gesteuert werden, wofür an sich bekannte Ventilen-Bauformen und auch bekannte Ansteuerungsstrategien eingesetzt werden können, z. B. Proportionalventile oder getaktete Ventile (direkt gesteuert oder vorgesteuert), usw.
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Alle für die Schalteinheit genutzten Ventile können zweckmäßigerweise in einem Ventilblock zusammengeführt werden und stellen dann die „Ventileinheit” dar. Das sind auf dem Stand der Technik an sich bekannte Konstruktionen und Bauweisen.
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Dabei ist es u. U. (wenn der Getriebeaufbau das zulässt) möglich, Regelventile mehrfach zu nutzen; die Zuweisung zu der zu schaltenden Schalteinheit wird z. B. über Umschaltventile erreicht. Druckluftverbindungen zwischen der Ventileinheit und den Schalteinheiten können als Kanäle in einem Gehäuse oder auch als Luftleitungen jeglicher Bauart ausgeführt sein.
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Die verbreitetste Form bei den Schaltaktuatoren (bei in Serie befindlichen Schaltsystemen) liegt im Stand der Technik mit Pneumatik- oder Hydraulikzylindern vor, deren Kolben die Schaltschienen betätigen, die Schaltschwingen oder Schaltgabeln bewegen und so mittels Klauenverbindungen die unterschiedlichen Zahnrad-Übersetzungsstufen ein-, aus- oder umschalten.
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Es gibt zwar eine Vielzahl von konstruktiv unterschiedlichen Varianten, allen gemeinsam ist aber der Nachteil, dass in die Betätigungskette die Schaltschienen und Schaltgabeln oder -Schwingen eingebunden sind. Durch diese Bauteile vergrößern sich nachteilig der erforderliche Bauraum und das Gewicht des Getriebes.
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Der prinzipiell sehr einfache Aufbau von Druckluftmotoren und die Art der Krafterzeugung, z. B. bei Lamellenmotoren, erlaubt variable Abmessungen und bieten damit etliche neue Freiheitsgrade für die Integration der Schalteinheiten in das Getriebe.
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Indem der zum Schalten notwendige Schaltweg und die zur Schaltung benötigte Schaltkraft aus der Rotation des zwischen jeweils zwei Zahnrädern liegenden, ringförmig um die Schaltklaue herum positionierten Antriebes gewonnen wird. kann in einem Getriebe der ringförmige Freiraum, der sonst von den Schaltgabeln beansprucht wird, für die Druckluftmotor-Anordnung benutzt werden. Dadurch kann das Getriebe wesentlich kompakter gestaltet werden.
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Etwas abstrahiert kann man den Aufbau unter Beachtung von von außen nach innen gehend so beschreiben, dass alle Aktuatorelemente ringförmig ausgelegt sind und einen kreisringförmigen Aufbau haben: Der Stator des Antriebsmotors, der im Wesentlichen durch das zugehörige Motorgehäuse (4)(8) gebildet wird, bildet einen äußeren Kreisring und ist mit dem Getriebegehäuse (3) verbunden.
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(Da der Stator dieses Aktuator-Antriebsmotors nicht unbedingt direkt oder massiv mit dem Getriebegehäuse verbunden sein muss, sondern evtl. nur punktweise oder über zuschaltbare Verbindungen wirkungsmäßig mit dem Gehäuse verbunden ist, soll im Folgenden unter der Bezeichnung „Verbindung zwischen Gehäuse und Stator” eine Verbindung verstanden werden, die direkt und/oder nur funktionell (funktionelle Verbindung) besteht.
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Alle anderen Aktuatorelemente liegen innerhalb des vom Stator (4)(8) gebildeten ersten Kreisrings, der so alle anderen Aktuatorelemente, auch den Rotor dieses Antriebsmotors, ringförmig umfasst. (In sind die Außenkanten dieses Rotors (37)(36) mit (9) und (10) gekennzeichnet).
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Dieser ringförmige Rotor, der mit dem Stator die eigentliche Antriebseinheit des Aktuators bildet, umfasst wiederum weiter innen liegende Aktuatorelemente; so auch die Hohlspindel (5)(19), mit einer Außenoberfläche (18), die mit der Rotor-Innenfläche (18) eine Spindel-Verbindung ausbildet.
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Durch diese Spindel-Mutter-Konstruktion wird über die Spindel (in durch die Kugeln (6)(7) einer Kugelspindel angedeutet) eine Rotationsbewegung des Rotors in eine Translationsbewegung der Hohlspindel umgesetzt. Ein Vergleich der mit zeigt die Art der translatorischen Bewegung der Hohlspindel in dieser Anordnung. (man vergleiche z. B. (5) in und (33) in und (37)(36).
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Diese Hohlspindel (5) (in bzw. (33) in ) kann wiederum die Schiebemuffe (15) (23) durch eine Zapfen(38)-Nut(29)-Konstruktion mitnehmen. Dazu befindet sich im Inneren der Hohlspindel (33)(24) ein nach innen gerichteter Zapfen, vgl. dazu in (38), der in eine Nut (29) der mit der Welle (26) rotierenden Schiebemuffe (23) einfasst, wodurch durch diese Zapfen-Nut-Führung die Schiebemuffe seitlich verschoben werden kann.
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An der Seite der Schiebmuffe (23) und an den Zahnradseiten (25) befinden sich die Klauen einer Kupplung, durch deren Verbindungen eine Moment-übertragende Verbindung von der Welle (26) zu den Zahnrädern (22)(27) hergestellt wird.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand der beigefügten Abbildungen erläutert werden.
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zeigt die Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Schaltung eines Getriebes unter Nutzung eines Luftdruckmotors im Zustand Neutral.
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zeigt die gleiche Anordnung wie , aber im Zustand einer betätigten Getriebestufe.
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zeigt die Anordnungen der bzw. , so wie diese in einem Getriebe eingebaut sein werden und wie das Getriebe durch Anwahl eines der rechts oder links liegenden Zahnradpaare betätigt wird.
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zeigt eine erfindungsgemäße erste Anordnung, die in den Zwischenraum zwischen zwei, in dieser rechts (1) und links (2) liegenden Zahnrädern eingebettet ist. Jedes dieser Zahnräder (1), (2) gehört jeweils zu einer Zahnradstufe, die aus jeweils zwei kämmenden Zahnrädern besteht. (Das mit diesen beiden Zahnrädern (1)(2) jeweils verbundene zweite Zahnrad ist nicht dargestellt, der Aufbau wird aber durch die deutlich).
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Die drehfest mit der Welle (11) verbundene, aber nach rechts oder links verschiebliche Muffe (12)(14)(15) (Schiebemuffe) kann auf der rechten oder auf der linken Seite jeweils bis zur Position des dort liegenden, auf der Welle frei drehenden, axial nicht verschieblichen Zahnrades verschoben werden, wo über z. B. eine Klauenkopplung (16)(17) das dort liegende Zahnrad mit der Welle und somit mit dem Antriebsstrang verbunden werden kann.
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Mittels dieser Schiebemuffe, die drehfest mit der darunter liegenden Welle verbunden, aber auf dieser Welle verschieblich ist, kann also wahlweise die Welle mit dem jeweils rechts oder linksliegenden Zahnrad über die Klauenkupplung verbunden werden.
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In die Nut (14) der Schiebemuffe greift auf dem Stand der Technik normalerweise von außen die Schaltgabel einer Schaltschwinge ein, die diese Schiebemuffe (12)(14)(15) nach rechts oder links verschiebt. Die Schaltgabel der Schaltschwinge wird häufig von einem Stangen-Kolben-Zylinder-Aktuator angetrieben, der neben der Getriebeanordnung, parallel zur Welle geführt wird und damit relativ viel Bauraum benötigt.
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Erfindungsgemäß wird hier diese Schiebemuffe (12)(14)(15) als Kupplungselement von einem diese Anordnung umschließenden Motor angetrieben, was sowohl durch einen Elektromotor (z. B. ein Normalmotor, oder eine das Kupplungselement (12)(14)(15) umschließenden Linearmotor-Anordnung), hier aber bevorzugt durch einen mit Druckluft angetriebenen Motor erfolgen soll.
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Der Elektro- oder Luftdruckmotor liegt damit zwischen zwei Zahnrädern (2)(1) derart angeordnet vor, dass dieser Motor die Schiebemuffe praktisch umschließt und selbst noch in den zwischen den Zahnrädern (2)(1) liegenden Raum hineinpasst. Der Stator dieses Motors, der hier in der praktisch durch die Gehäusewände (4)(8) eines Druckluftmotors gebildet wird, muss mit dem Getriebe-Gehäuse (3)(13) verbunden sein. In dem von diesen Wänden (4)(8) als Stator gebildeten Innenraum liegt hier der Rotor, der praktisch als Motoranordnung auf einer Hohlspindel liegt und dessen zentral zur Welle hin liegende Innenlochkante (6)(18) rund ist, der aber als Teil der Kugel-Spindelanordnung ausgebildet ist. Die Außenkanten (9)(10) dieses Rotors sind exzentrisch ausgebildet. Dieser Ring, der z. B. die Lamellen eines typischen Lamellenmotors aufnehmen kann, ist in dieser durch die unterschiedlich hoch liegenden Kanten (9)(10) des exzentrischen Rotors angedeutet.
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Diese zeigt eine Getriebe-Teilstufe im Zustand Neutral; die Schiebemuffe liegt mittig, so dass keine der beiden Klauenkupplungen (16)(17) eine Verbindung der Schiebemuffe mit einem der Zahnräder herstellt, dreht sich aber – von der Welle angetrieben – mit dieser Welle mit, während sich die beiden rechts und links liegenden Zahnräder ohne Verbindung zur Welle drehen.
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Oberhalb und unterhalb der Schiebemuffe (12)(14)(15) in dieser ist ein Schnitt durch die verwendeten Druckluftmotoren dargestellt, der mindestens an einer Seite mit dem Getriebegehäuse befestigt sein muss; hier in der ist das oben (3) und unten (13) angedeutet.
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Die zu Grunde liegende Vorstellung eines Lamellenmotors ist nur beispielhaft zu verstehen. Im außen liegenden Motorgehäuse werden in einer an sich bekannterweise Weise Lamellen geführt. Die Führung der Lamellen ist durch Schlitzführungen in der exzentrisch im Innenraum des Motors liegenden Welle des Druckluftmotors realisiert.
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Durch Zuführung von Druckluft wird der innen liegende Rotor des Druckluftmotors in Rotation versetzt. Diese Rotation kann über eine Gewindeschnecke oder über eine vergleichbare Schnecken-Anordnung in eine Translations-bewegung umgesetzt werden. Hier geschieht das durch die ringförmig angedeuteten Konturen (6)(7), die man sich hier gewissermaßen als Gewinde oder als die Kugeln einer Kugelschnecke vorstellen kann. Eine einfache Spindel-Mutter-Kombination mit definierter Gewindesteigung reicht hier aber bereits aus.
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Der Druckluftmotor (z. B. als Lamellenmotor ausgelegt) hat ein Gehäuse (4)(8), das als außen liegender Stator mit dem Getriebegehäuse (4)(8) verbunden ist, und einen innen liegenden, exzentrisch ausgestalteten Rotor. Dieser – bezogen auf die Außenkanten – exzentrisch ausgestaltete Rotor ist in durch die unterschiedlich hoch liegenden Kanten (9)(10) angedeutet.
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Alternativ kann hier ein elektrischer Linearmotor oder ein hydrodynamischer Antrieb eingesetzt werden.
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Die dabei zu Grunde liegende Vorstellung eines Lamellenmotors ist in der und nur angedeutet: Im außen liegenden Motorgehäuse werden in einer an sich bekannten Weise Lamellen geführt. Die Führung der Lamellen ist durch Schlitzführungen in der exzentrisch im Innenraum des Motors liegenden Welle des Druckluftmotors realisiert.
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Der in dieser Darstellung zentral liegende Innenkern der Spindel entspricht der Kante (18) in der Darstellung der . Durch Zuführung von Druckluft wird der innen liegende Rotor des Druckluftmotors in Rotation versetzt. Diese Rotation kann über eine Gewindeschnecke oder über eine vergleichbare Schnecken-Anordnung in eine Translations-bewegung umgesetzt werden. Hier geschieht das durch die ringförmigen Konturen (6)(7), die man sich hier als Kugelschnecke vorstellen kann
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Die Schiebemuffe (12)(14)(15) bewegt sich bei Drehung des Rotors des Druckluftmotors so, wie das auch bei einer Klauenbewegung, die auf dem bisherigen Stand der Technik in einem Getriebe von einer Schaltgabel getrieben erfolgen würde. Dies geschieht hier aber jetzt so, dass dafür neben dem Getriebe kein Platz mehr für eine Zylinder-Kolben-Stangen-Anordnung benötigt wird.
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Die zeigt einen Zustand, bei dem eine mittels Klauen-Kupplung hergestellte formschlüssige Verbindung zum rechten Zahnrad vorliegt.
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zeigt den bevorzugten Einbau der erfindungsgemäßen Druckluftmotor-Aktuatoren mit Stellgliedern zum Schalten eines Getriebes, so wie das in den und dargestellt worden ist. Gezeigt sind rechts (50) und links (48) die Stellung der Schaltanordnungen in neutral. In der Mitte (49) ist eine Anordnung dargestellt, die in den detailliert dargestellt wurde und die eine Verbindung der Welle (47) mit dem jeweils rechten Zahnrad (51) der Anordnung verbunden ist.
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Durch Zuführung von Druckluft wird der innen liegende Rotor des Druckluftmotors in Rotation versetzt. Der Start des Druckluftmotors erfolgt praktisch sofort und ohne Zeitverzögerung mit vollem Drehmoment. Diese Rotation kann über die Gewindeschnecke oder über eine vergleichbare Schnecken-Anordnung in eine Translations-bewegung umgesetzt werden.
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zeigt die gleiche Anordnung wie , aber in einem Zustand, in dem eine mittels einer Klauen-Kupplung (25) hergestellte formschlüssige Verbindung zwischen der Welle (26) und dem rechten Zahnrad (22) bereits vorliegt.
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Die in dargestellte Anordnung mit
- – dem als Stator genutzten Gehäuse (21), das mit dem Getriebegehäuse (20) fest verbunden ist,
- – dem zwischen Rotor und Stator sich ausbildende Druckluftraum (28), sowie
- – die beiden rechts und links liegenden Zahnrädern (27) und (22)
- – den seitlich an diesen Zahnrädern liegenden Kupplungsklauen (30)(25)
ist mit der vergleichbar. Lediglich die veränderte Lage des Rotors des Luftdruckmotors ist durch die gegenüber verändert liegenden Rotorkanten (31), (32) (in der sind das die Kanten (9) und (10)) in dieser angedeutet.
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Da dieses Spindel-Zwischenstück (24)(32) zwischen der Schiebmuffe (23) und dem Rotor des Druckluftmotors liegt, hat sich das oben als Hohlspindel beschriebene und hier für die translatorische Bewegungsumsetzung genutzte Spindel-Zwischenstück (24)(32) nach rechts bewegt und hat dabei mit der dort am Zahnrad liegenden Klauenkupplung eine Verbindung hergestellt. Die Umsetzung der rotatorischen Bewegung des Rotors des Druckluftmotors nach rechts in Richtung des dort liegenden Zahnrades (22) erfolgte durch die Spindel, hier in angedeutet durch die Kugeln (34)(35) (Kugelspindel).
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Da die Schiebemuffe (23) mit der Welle (26) dreht, ist es u. U. sinnvoll, den in die Nut (29) der Schiebemuffe eingreifenden Zapfen (38) nicht auf dem ganzen Umfang auszubilden, was auch für die Montage nützlich sein kann.
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Die Schiebemuffe (23) hat sich aber durch diese axiale Bewegung nach rechts formschlüssig mit den Klauenelementen (25) des in rechts liegenden Zahnrades (22) verbunden. Dadurch besteht eine momentübertragende Verbindung zwischen der Welle (26) (zu der die Schiebemuffen (23) eine drehfeste Verbindung hat) und (über die Kupplungsverbindung (25) der sich mit der Welle (26) drehenden Schiebemuffe (23) dem rechten Zahnrad (22).
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Eine mittels Umschaltung der Druckluftzufuhr erreichbare Umkehrung der Drehrichtung des Druckluftmotors kehrt auch die Bewegung der Schiebemuffe (23) um und bewegt diese zunächst von der rechts liegende Klauenkupplung weg nach links, so dass diese Getriebestufe zunächst über die Stellung neutral geht, dann aber eine Verbindung zum linken Zahnrad herstellt.
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Das würde eine – mit dem gerade beschriebenen vergleichbar – eine Verbindung der Welle (26) über das dort liegende Kupplungselement (30) mit dem dort liegenden Zahnrad (27) herstellen.
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Auf Grund der unterschiedlichen Zahnradübersetzungen können so stufenweise unterschiedliche Übersetzungen für das Getriebes gewählt werden.
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stellt ein mehrstufiges Getriebe mit mehreren Zahnradpaaren (42)(43)(44)(45)(51)(52) und mehreren, sich zwischen diesen Zahnradpaaren befindlichen, erfindungsgemäßen Umschalt-Anordnungen (48)(49)(50) dar. Die Lage der Zahnradpaare (42)(43)(44)(45)(51)(52), die Lage der Wellen (40)(41)(47)(46) und die Lage der erfindungsgemäß durch Druckluftmotoren getriebenen Umschaltanordnungen (48)(49)(50) liegen in dieser Anordnung fest.
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Unterschiedliche Übersetzungen der Drehmomenten-Weitergabe werden dadurch gewählt, dass die Umschaltelemente (48)(49)(50) je nach Stellung das jeweilige rechte oder linke Zahnradpaar mit der jeweiligen Welle verbinden können. In der Darstellung der . hat nur das Zahnrad (51) eine Verbindung mit der dort liegenden Welle (47), da nur die dort liegende druckluftgetriebene Aktuator-Anordnung eine Verbindung zum rechts liegenden Zahnrad hergestellt hat.
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Da die grundsätzliche Konstruktion eines solchen Getriebes der dem Fachmann bekannt ist, muss der genaue Schaltungsablauf und auch die über das Zahnrad (45) mögliche Richtungsumkehr nicht näher dargestellt werden. Man kann der Darstellung der aber entnehmen, wie kompakt der Aufbau der Getriebeanordnung durch die erfindungsgemäßen Schaltaktuatoren werden kann, wenn man bedenkt, dass die im Stand der Technik üblichen Zylinder-Stangen-Schaltschwingen-Schaltgabel-Anordnungen den gleichen Grundaufbau aufweisen, aber Kolben und Schaltstangen noch zusätzlich neben dieser Anordnung positionieren werden müssten.
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Mit derartigen Schaltaktuatoren kann also umschaltbar eine Verbindung zwischen einer Welle und zwei Zahnrädern (oder nur etwas anders gesehen) zwei Zahnrad-Übersetzungspaaren hergestellt werden, indem mittels einer auf der Welle axial verschieblichen Schiebemuffe, die sich mit der Welle dreht, eine formschlüssige Verbindung umschaltbar hergestellt werden kann, da sich seitlich an der Schiebemuffe und seitlich an den Zahnrädern Kupplungsklauen befinden. Der zum Schalten notwendige Schaltweg und die zur Schaltung letztendlich benötigte Schaltkraft werden also aus der Rotation des ringförmig um die Schaltklaue herum positionierten Antriebes gewonnen, der ebenfalls noch vollständig zwischen jeweils zwei Zahnrädern (Zahnradpaaren) Platz finden kann.
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Als Antrieb für diese Aktuatoren kommen pneumatische Antriebe, also durch Luftdruck betriebene, umschaltbare Motoren, hydraulische, aber auch Elektromotoren in Frage.
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Die Drehrichtungen, die diese Antriebsmotoren bereitstellen, müssen naturgemäß beide Richtungen umfassen, was für elektrische Antriebe keine Problem darstellt, aber z. B. bei den mittels Luftdruck betriebene Motor über eine elektropneumatische Ventilsteuerung derart erfolgen muss, dass dieser Motor umschaltbar in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann.
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Mit den erfindungsgemäßen Schaltaktuatoren ergeben sich Vorteile gegenüber den Anordnungen auf dem Stand der Technik:
- • Vorteilhaft ist die Reduktion von Bauraum und Gewicht
- • Anschlaggeräusche können vermieden werden.
- • Die Wahl einer variablen Schaltgeschwindigkeit und einer variabel einstellbaren Schaltkraft ist auch noch während des Schaltablaufes möglich und kann bei Bedarf sogar noch während des Schaltablaufes angepasst werden (z. B. bei Synchronisierungen).
- • Über die Lebensdauer des Getriebes hinweg können robuste automatische Schaltantriebe mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls durch Verschleiß angeboten werden, als das auf dem Stand der Technik möglich ist, da die Lebensdauer von z. B. Lamellenmotoren bei richtiger Auslegung weit über der bisherigen Getriebelebensdauer liegt
- • Andere geeignetere Druckluft_Motorkonstruktionen werden im Laufe der Zeit entstehen, wodurch die Haltbarkeit derartiger Getriebe noch einmal erhöht werden kann.
