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Die Erfindung betrifft eine Klauenschaltung für ein Fahrzeuggetriebe.
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Klauenschaltungen für Fahrzeuggetriebe sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und zeichnen sich durch ihre konstruktiv einfache und damit preiswerte Bauweise aus. Allerdings weisen Klauenschaltungen, insbesondere bei hohen Differenzdrehzahlen und/oder hohen Trägheitsmomenten der zu koppelnden Bauteile, einen geringen Schaltkomfort sowie eine unerwünscht hohe Geräuschentwicklung und Bauteilbeanspruchung auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klauenschaltung für ein Fahrzeuggetriebe zu schaffen, welche bei hohem Schaltkomfort einen geräusch- und verschleißarmen Schaltungsbetrieb ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Klauenschaltung für ein Fahrzeuggetriebe, mit wenigstens einem Kupplungskörper, der an einem Gangrad des Fahrzeuggetriebes befestigt sowie auf einer um eine Getriebeachse drehbaren Getriebewelle drehbar und im Wesentlichen axial unverschieblich gelagert ist, einer Nabe, die auf der um die Getriebeachse drehbaren Getriebewelle im Wesentlichen drehfest und axial verschieblich gelagert ist, und einem axial verschieblichen Schaltelement, das in axialer Richtung mit der Nabe verbunden und axial verspannt ist sowie in Umfangsrichtung mit der Nabe eine Reibverbindung ausbildet, wobei das Schaltelement und die Nabe relativ zum Kupplungskörper axial zwischen einer Neutralstellung, einer Synchronisationsstellung und einer Schaltstellung verstellbar sind, wobei der Kupplungskörper in der Neutralstellung sowohl relativ zum Schaltelement als auch relativ zur Nabe im Wesentlichen frei drehbar ist, in der Synchronisationsstellung mit dem Schaltelement in Umfangsrichtung formschlüssig verbunden sowie über die Reibverbindung mit der Nabe gekoppelt ist, und in der Schaltstellung sowohl mit dem Schaltelement als auch mit der Nabe in Umfangsrichtung formschlüssig verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die Getriebewelle in Umfangsrichtung zunächst formschlüssig mit dem Schaltelement verbinden, welches ein geringes Trägheitsmoment aufweist. Eine Formschlussverbindung zwischen der Getriebewelle und dem am Kupplungskörper befestigten Gangrad, welche jeweils große Trägheitsmomente aufweisen, erfolgt hingegen erst nach einer teilweisen oder nahezu vollständigen Drehzahlsynchronisierung zwischen der Getriebewelle und dem Gangrad. Dies führt zu einem deutlich erhöhten Schaltkomfort sowie einem geräusch- und verschleißreduzierten Betrieb der Klauenschaltung.
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Der Schaltkomfort nähert sich dabei dem Schaltkomfort einer (sperr-)synchronisierten Schaltung an, wobei die Klauenschaltung mit Reibungsdämpfung konstruktiv einfacher aufgebaut ist, einen geringeren axialen Bauraum benötigt sowie geringere Schleppmomente erzeugt, wodurch sich ein besonders hoher Wirkungsgrad ergibt.
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In einer Ausführungsform der Klauenschaltung ist ein Spannmittel vorgesehen, welches das Schaltelement und die Nabe axial gegeneinander beaufschlagt. Als Spannmittel eignen sich zum Beispiel Schrauben oder Niete, insbesondere in Verbindung mit Spann- oder Federscheiben. Die zur Schaltung des Fahrzeuggetriebes notwendige Schaltkraft ist im Vergleich zu herkömmlichen (sperr-)synchronisierten Schaltungen (beispielsweise nach Borg-Warner) geringer, da aufgrund der vom Spannmittel aufgebrachten Vorspannkraft zwischen Schaltelement und Nabe keine Synchronisationskraft aufgebracht werden muss.
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Es ist bevorzugt, dass der Kupplungskörper axial vorstehende Klauen und das Schaltelement Klauenausnehmungen aufweist oder umgekehrt, wobei die Klauen zur formschlüssigen Verbindung zwischen dem Kupplungskörper und dem Schaltelement in die Klauenausnehmungen eingreifen. Axial vorstehende Klauen sowie entsprechende Ausnehmungen lassen sich mit geringem fertigungstechnischen Aufwand am Kupplungskörper bzw. am Schaltelement anformen und sorgen für eine robuste und zuverlässige Formschlussverbindung.
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Ferner ist bevorzugt, dass die Nabe axial vorstehende Klauen und der Kupplungskörper Klauenausnehmungen aufweist oder umgekehrt, wobei die Klauen zur formschlüssigen Verbindung zwischen dem Kupplungskörper und der Nabe in die Klauenausnehmungen eingreifen. Wiederum gilt, dass sich die axial vorstehenden Klauen sowie die entsprechende Ausnehmungen mit geringem konstruktiven Aufwand an der Nabe bzw. am Kupplungskörper anformen lassen und darüber hinaus eine robuste und zuverlässige Formschlussverbindung bilden. Insbesondere sind die Abmessungen der Klauen und der Klauenausnehmungen in Umfangsrichtung so aufeinander abgestimmt, dass die Nabe und der Kupplungskörper mittels der Formschlussverbindung im Wesentlichen drehfest verbunden sind.
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Die Klauen und/oder Klauenausnehmungen können mit einer Beschichtung zur Anschlagdämpfung versehen sein. Insbesondere sind die in Umfangsrichtung als Anschlagflächen wirkenden Abschnitte der Klauen und/oder Klauenausnehmungen beschichtet, wodurch sich im Betrieb der Klauenschaltung eine geringere Bauteilbeanspruchung und Geräuschentwicklung ergibt. Alternativ zur Beschichtung der Anschlagflächen kann auch gezielt die Oberflächenbeschaffenheit oder Oberflächenelastizität der Klauen und/oder Klauenausnehmungen verändert werden, um eine Anschlagdämpfung zu erreichen.
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Besonders bevorzugt ist die Nabe zweiteilig ausgebildet, wobei ein erstes Nabenteil und ein zweites Nabenteil axial gegeneinander verspannt sind und sich jeweils am Schaltelement abstützen.
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In einer Ausführungsform der Klauenschaltung ist das Schaltelement eine ringförmige, ebene Transmitterscheibe, die an wenigstens einer axialen Stirnseite eine Reibfläche aufweist. Derartige Transmitterscheiben sind beispielsweise als Blechstanzteil ausgebildet und mit geringem fertigungstechnischen Aufwand preiswert herstellbar.
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Bevorzugt ist die Transmitterscheibe in dieser Ausführungsform axial zwischen den beiden Nabenteilen angeordnet und weist an ihren entgegengesetzten axialen Stirnseiten jeweils eine Reibfläche auf, wobei jedes Nabenteil eine Nabenreibfläche umfasst, die flächig an der angrenzenden Reibfläche der Transmitterscheibe anliegt. Auf diese Weise lässt sich über die Reibverbindung zwischen Schaltelement und Nabe ein gewünschtes Reibmoment einfach aufbringen und einstellen, beispielsweise mittels der Vorspannkraft eines Spannmittels.
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Das Schaltelement oder die Nabenteile können optional mit einem Reibbelag beschichtet sein, wobei sich die beiden Nabenteile jeweils über den Reibbelag am Schaltelement abstützen. Der Reibbelag trägt zu einem über die Lebensdauer der Klauenschaltung weitgehend konstanten Reibmoment der Reibverbindung zwischen dem Schaltelement und der Nabe bei. Durch den Reibbelag wird darüber hinaus ein gewünschtes Reibmoment der Reibverbindung üblicherweise bereits bei einer vergleichsweise geringen axialen Vorspannkraft erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Klauenschaltung ist das Schaltelement ein ringförmiger Schaltkonus, dessen radiale Innenseite sich von den axialen Rändern zur axialen Mitte hin konusförmig verjüngt und zwei Konusflächen ausbildet, wobei der Schaltkonus an wenigstens einer Konusfläche eine Reibfläche aufweist. Die zum Beispiel durch ein Spannmittel aufgebrachte Vorspannkraft wird über den Konuswinkel verstärkt. Dadurch wird einerseits ein höheres Reibmoment bei geringerer Vorspannkraft realisiert und andererseits ein geringerer Einfluss der Federkräfte bei nicht-konstanter Federkennlinie des Spannmittels erreicht. Ein Spannmittel mit eher geringer Federkraft hat in der Regel eine flache Federkennlinie und weist daher im Arbeitsbereich eine geringe Differenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Federkraft auf.
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In dieser Ausführungsform kann der Schaltkonus die beiden Nabenteile umschließen und an seinen Konusflächen jeweils eine Reibfläche aufweisen, wobei jedes Nabenteil an einer radialen Außenseite eine Nabenreibfläche aufweist, die flächig an der angrenzenden Reibfläche des Schaltkonus anliegt.
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In einer besonderen Variante dieser Ausführungsform ist der Schaltkonus zweiteilig ausgebildet, wobei ein erstes ringförmiges Konuselement und ein axial angrenzendes, zweites ringförmiges Konuselement an ihren einander zugewandten Stirnseiten in Umfangsrichtung abwechselnd jeweils axiale Vorsprünge und Aussparungen aufweisen, wobei die Vorsprünge und Aussparungen der beiden Konuselemente ineinandergreifen und die Konuselemente in Umfangsrichtung koppeln.
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Vorzugsweise sind in dieser Ausführungsvariante der Klauenschaltung die Vorsprünge und Aussparungen in Umfangsrichtung gesehen durch Flanken verbunden, wobei zumindest einige der Flanken Kraftverstärkungsflächen bilden und so abgeschrägt sind, dass sich die beiden Konuselemente bei einer Relativdrehung in Umfangsrichtung auch in axialer Richtung relativ zueinander bewegen. Diese Kraftverstärkungsflächen führen in der Synchronisationsstellung der Klauenschaltung zu einer Reibkraftverstärkung aufgrund der axialen Spreizung der Konuselemente und somit zu einer Erhöhung der Anpresskräfte zwischen den Reibkonen durch zusätzliches Spannen der Spannmittel. Somit kann in der Neutralstellung die axiale Vorspannung zwischen dem Schaltelement und der Nabe deutlich verringert werden. Durch das aufgrund des Kraftverstärkungseffekts erhöhte Reibmoment reduziert sich die Differenzdrehzahl zwischen der Nabe und dem Kupplungskörper zunächst rasch. Sofern sich anschließend das Schaltelement und die Nabe nicht in die Schaltstellung verstellen lassen, wird der Kraftverstärkungseffekt durch die axiale Schaltkraft reduziert, wodurch sich die verbliebene Differenzdrehzahl zwischen der Nabe und dem Kupplungskörper langsamer reduziert. Dies ermöglicht schließlich die Formschlussverbindung zwischen der Nabe und dem Kupplungskörper und damit ein sicheres Schalten der Klauenkupplung.
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Ferner können die Vorsprünge und Aussparungen in Umfangsrichtung gesehen durch Flanken verbunden sein, wobei zumindest einige der Flanken Anschlagflächen bilden und eine Relativdrehung der Konuselemente begrenzen. Über diese Anschlagflächen lässt sich auch die axiale Aufspreizung der Konuselemente begrenzen, wodurch wiederum die axiale Anpresskraft bzw. das Reibmoment zwischen dem Schaltelement und der Nabe limitiert wird. Dies schützt die Reibflächen vor einer Überbelastung. Außerdem lässt sich dadurch das Reibmoment mit geringem Aufwand auf den jeweiligen Antriebsstrang abstimmen, um unerwünschte Schwingungen im Antriebsstrang zu vermeiden, die beispielsweise durch ein zu hohes Reibmoment hervorgerufen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 Längsschnitte durch einen Fahrzeuggetriebeausschnitt mit einer erfindungsgemäßen Klauenschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Neutralstellung, einer Synchronisationsstellung und einer Schaltstellung;
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2 eine perspektivische Explosionsansicht eines Fahrzeuggetriebeausschnitts mit einer erfindungsgemäßen Klauenschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 einen Längsschnitt durch den Fahrzeuggetriebeausschnitt gemäß 2;
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4 einen weiteren Längsschnitt durch den Fahrzeuggetriebeausschnitt gemäß 2;
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5 eine perspektivische Explosionsansicht einer vormontierbaren Reibeinheit der Klauenschaltung gemäß 2;
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6 einen Längsschnitt durch die Reibeinheit gemäß 5;
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7 eine perspektivische Explosionsansicht eines Schaltelements für eine erfindungsgemäße Klauenschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform;
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8 eine perspektivische Ansicht des Schaltelements gemäß 7; und
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9 eine Seitenansicht des Schaltelements gemäß 8.
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Die 1 bis 9 betreffen ein Fahrzeuggetriebe 10, insbesondere ein Doppelkupplungsgetriebe oder ein automatisiertes Schaltgetriebe, mit einer um eine Getriebeachse A drehbaren Getriebewelle 12, zwei auf der Getriebewelle 12 drehbar und (mit Ausnahme eines fertigungsbedingten sowie für die sichere Funktion der Gangräder gewünschten Lagerspiels) axial unverschieblich gelagerten Gangrädern 14 sowie einer Klauenschaltung 16. Die Gangräder 14 des Fahrzeuggetriebes 10 sind dabei jeweils mit einem Kupplungskörper 18 der Klauenschaltung 16 fest verbunden, insbesondere einstückig ausgeführt oder verschweißt. Gemäß den 2 bis 4 ist auf der dem kleineren Gangrad 14 zugewandten (linken) Seite der Klauenschaltung 16 eine zum Kupplungskörper 18 gehörige, separate Kupplungsscheibe 19 vorgesehen, die fest mit dem Gangrad 14 verpresst ist.
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Die Klauenschaltung 16 für das Fahrzeuggetriebe 10 umfasst zwei Kupplungskörper 18, welche jeweils an einem der Gangräder 14 des Fahrzeuggetriebes 10 befestigt und damit auf der Getriebewelle 12 drehbar und axial unverschieblich gelagert sind, eine Nabe 20, welche auf der Getriebewelle 12 im Wesentlichen drehfest und axial verschieblich gelagert ist, sowie ein axial verschiebliches Schaltelement 22, welches in axialer Richtung 24 mit der Nabe 20 im Wesentlichen fest verbunden und axial verspannt ist sowie in Umfangsrichtung 26 mit der Nabe 20 eine Reibverbindung ausbildet. Das Schaltelement 22 und die Nabe 20 sind relativ zum Kupplungskörper 18 axial zwischen einer Neutralstellung (linke Abbildung der 1), einer Synchronisationsstellung (mittlere Abbildung der 1) und einer Schaltstellung (rechte Abbildung der 1) verstellbar. Dabei ist der Kupplungskörper 18 in der Neutralstellung sowohl relativ zum Schaltelement 22 als auch relativ zur Nabe 20 im Wesentlichen frei drehbar, in der Synchronisationsstellung mit dem Schaltelement 22 in Umfangsrichtung 26 formschlüssig verbunden sowie über die Reibverbindung mit der Nabe 20 gekoppelt und in der Schaltstellung sowohl mit dem Schaltelement 22 als auch mit der Nabe 20 in Umfangsrichtung 26 formschlüssig verbunden.
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Die Nabe 20 der Klauenschaltung 16 ist mehrteilig ausgebildet, in den dargestellten Ausführungsbeispielen insbesondere zweiteilig, wobei ein erstes Nabenteil 28 und ein zweites Nabenteil 30 durch eine einstellbare Vorspannkraft FV axial gegeneinander verspannt sind und sich jeweils am Schaltelement 22 abstützen (siehe insbesondere 1, 4 und 6).
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Zum Verspannen der Nabe 20 ist ein Spannmittel 32 vorgesehen, welches das Schaltelement 22 und die Nabenteile 28, 30 axial gegeneinander beaufschlagt. Geeignete Spannmittel 32 sind beispielsweise Schrauben, insbesondere Spannschrauben 34 wie in 1 angedeutet, oder Niete 36, insbesondere mit Spannoder Federscheiben 38 wie in den 2, 4, 5 und 6 dargestellt. Durch das Spannmittel 32 lässt sich die axiale Vorspannkraft FV einstellen, welche die beiden Nabenteile 28, 30 axial aufeinander zu und gegen das Schaltelement 22 beaufschlagt.
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Wie im Detailausschnitt der 1 sowie in 5 angedeutet, können das Schaltelement 22 oder die Nabenteile 28, 30 mit einem Reibbelag 39 beschichtet sein, wobei sich die beiden Nabenteile 28, 30 jeweils über den Reibbelag 39 am Schaltelement 22 abstützen. Der Reibbelag 39 sorgt dabei für ein einstellbares sowie über die Lebensdauer der Klauenschaltung 16 weitgehend konstantes Reibmoment zwischen dem Schaltelement 22 und der Nabe 20 bzw. den Nabenteilen 28, 30.
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Die 1 zeigt drei schematische Längsschnitte durch einen Ausschnitt des Fahrzeuggetriebes 10 in der Neutralstellung, der Synchronisationsstellung und der Schaltstellung, mit der Klauenschaltung 16 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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In dieser ersten Ausführungsform der Klauenschaltung 16 weist jeder Kupplungskörper 18 axial vorstehende Klauen 40 und das Schaltelement 22 Klauenausnehmungen 42 auf, wobei die Klauen 40 sowohl in der Synchronisationsstellung als auch in der Schaltstellung der Klauenschaltung 16 in die Klauenausnehmungen 42 eingreifen, um den Kupplungskörper 18 und das Schaltelement 22 formschlüssig zu verbinden.
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Ferner weist die Nabe 20, konkret jedes Nabenteil 28, 30, axial vorstehende Klauen 44 und jeder Kupplungskörper 18 Klauenausnehmungen 46 auf, wobei die Klauen 44 in der Schaltstellung der Klauenschaltung 16 in die Klauenausnehmungen 46 eingreifen, um den Kupplungskörper 18 mit der Nabe 20 bzw. dem zugeordneten Nabenteil 28, 30 formschlüssig zu verbinden. Die Abmessungen der Klauen 44 und Klauenausnehmungen 46 sind dabei in Umfangsrichtung 26 bevorzugt so aufeinander abgestimmt, dass die Nabe 20 und der Kupplungskörper 18 in der Schaltstellung (rechte Abbildung der 1) durch die Formschlussverbindung im Wesentlichen drehfest verbunden sind.
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Das Schaltelement 22 der Klauenschaltung 16 ist gemäß 1 eine ringförmige, ebene Transmitterscheibe, die an wenigstens einer axialen Stirnseite 48 eine Reibfläche 50 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit zweiteiliger Nabe 20 ist die Transmitterscheibe axial zwischen den beiden Nabenteilen 28, 30 angeordnet und weist an ihren entgegengesetzten axialen Stirnseiten 48 jeweils eine Reibfläche 50 auf, wobei jedes Nabenteil 28, 30 eine Nabenreibfläche 52 umfasst, welche flächig an der angrenzenden Reibfläche 50 der Transmitterscheibe anliegt.
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Die 2 bis 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Klauenschaltung 16 für das Fahrzeuggetriebe 10, welches insbesondere als Doppelkupplungsgetriebe oder automatisiertes Getriebe ausgeführt ist.
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Das Schaltelement 22 der Klauenschaltung 16 ist gemäß den 2 bis 6 ein ringförmiger Schaltkonus, dessen radiale Innenseite sich von den axialen Rändern zur axialen Mittelebene E hin konusförmig verjüngt und zwei Konusflächen 54 ausbildet, wobei der Schaltkonus an wenigstens einer Konusfläche 54 eine Reibfläche 50 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit zweiteiliger Nabe 20 umschließt der Schaltkonus die beiden Nabenteile 28, 30 und weist an beiden Konusflächen 54 jeweils eine Reibfläche 50 auf, wobei jedes Nabenteil 28, 30 an seiner radialen Außenseite eine konische Nabenreibfläche 52 aufweist, die flächig an der angrenzenden Reibfläche 50 des Schaltkonus anliegt. Im Unterschied zur stirnseitigen, ebenen Nabenreibfläche 52 gemäß 1 ist die Nabenreibfläche 52 in der zweiten Ausführungsform der Klauenschaltung 16 als Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet, wobei ein Konuswinkel der Nabenreibfläche 52 und ein Konuswinkel der Konusfläche 54 einander angepasst, insbesondere sogar identisch sind.
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Genau wie in der ersten Ausführungsform gemäß 1 weist die Nabe 20 bzw. das jeweilige Nabenteil 28, 30 axial vorstehende Klauen 44 und der Kupplungskörper 18 Klauenausnehmungen 46 auf, wobei die Klauen 44 in der Schaltstellung der Klauenschaltung 16 in die Klauenausnehmungen 46 eingreifen, um den Kupplungskörper 18 mit der Nabe 20 bzw. dem zugeordneten Nabenteil 28, 30 formschlüssig zu verbinden. Wiederum sind die Klauen 44 und die Klauenausnehmungen 46 bevorzugt weitgehend passgenau ausgeführt, sodass die Nabe 20 und der Kupplungskörper 18 in der Schaltstellung durch die Formschlussverbindung im Wesentlichen drehfest miteinander verbunden sind.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform der Klauenschaltung 16 gemäß 1 weisen in der zweiten Ausführungsform gemäß den 2 bis 6 das Schaltelement 22 axial vorstehende Klauen 56 und jeder Kupplungskörper 18 Klauenausnehmungen 58 auf, wobei die Klauen 56 sowohl in der Synchronisationsstellung als auch in der Schaltstellung der Klauenschaltung 16 in die Klauenausnehmungen 58 eingreifen, um den Kupplungskörper 18 und das Schaltelement 22 formschlüssig zu verbinden. Dieser konstruktive Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen ist dabei im Wesentlichen auf fertigungstechnische Gründe zurückzuführen.
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Die 5 und 6 zeigen eine perspektivische Explosionsansicht sowie einen Längsschnitt durch eine vormontierbare Reibeinheit 76 der Klauenschaltung 16 gemäß der zweiten Ausführungsform.
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Insbesondere im Schnitt gemäß 6 ist dabei gut zu erkennen, dass die Klauen 56 des Schaltelements 22 bezogen auf eine axiale Mittelebene E axial weiter vorstehen als die Klauen 44 der Nabe 20 bzw. der Nabenteile 28, 30.
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Die Bedeutung dieser unterschiedlich weit auskragenden Klauen 56, 44 wird anhand der folgenden Funktionsbeschreibung der Klauenschaltung 16 bzw. des Fahrzeuggetriebes 10 deutlich.
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Soll das Fahrzeuggetriebe 10, welches insbesondere als automatisiertes Getriebe ausgeführt ist, in einen anderen Gang geschaltet werden, so wird auf das Schaltelement 22 der Klauenschaltung 16 eine axiale Schaltkraft FS aufgebracht (siehe linke Abbildung der 1 und 3). Das Schaltelement 22 wird entsprechend in axialer Richtung 24 zu dem zu schaltenden Gangrad 14 hin bewegt. Dabei wird über die Klauen 40, 56 und Klauenausnehmungen 42, 58 eine Formschlussverbindung zwischen dem Kupplungskörper 18 und dem Schaltelement 22 hergestellt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Schaltelement 22 und die Nabe 20 relativ zum Kupplungskörper 18 axial von der Neutralstellung (linke Abbildung der 1), in welcher der Kupplungskörper 18 sowohl relativ zum Schaltelement 22 als auch relativ zur Nabe 20 im Wesentlichen frei drehbar ist, in die Synchronisationsstellung (mittlere Abbildung der 1) bewegt wird, in welcher der Kupplungskörper 18 mit dem Schaltelement 22 in Umfangsrichtung 25 formschlüssig verbunden und über die Reibverbindung mit der Nabe 20 gekoppelt ist.
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Da die Klauen 40, 56 zur Formschlussverbindung zwischen dem Schaltelement 22 und dem Kupplungskörper 18 axial weiter auskragen als die Klauen 44 zur Formschlussverbindung zwischen der Nabe 20 und dem Kupplungskörper 18, entsteht in der Synchronisationsstellung zwar bereits eine Formschlussverbindung zwischen dem Kupplungskörper 18 und dem Schaltelement 22, jedoch noch keine Formschlussverbindung zwischen dem Kupplungskörper 18 und der Nabe 20.
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Durch die Formschlussverbindung zwischen dem Kupplungskörper 18 und dem Schaltelement 22 ergibt sich aufgrund der Drehzahldifferenz zwischen der Nabe 20 und dem Gangrad 14 eine Relativdrehung zwischen dem Schaltelement 22 und der Nabe 20. Aufgrund der axialen Verspannung (Vorspannkraft FV) sowie der aneinander anliegenden Reibflächen 50, 52 entsteht bei dieser Relativdrehung ein Reibmoment, welches die Drehzahlen der Getriebewelle 12 und des Gangrads 14 aneinander angleicht. Sobald die Drehzahldifferenz einen Grenzwert unterschritten hat und/oder eine vorgegebene Synchronisationszeit verstrichen ist, wird erneut eine Schaltkraft FS auf das Schaltelement 22 aufgebracht (vgl. mittlere Abbildung der 1), wodurch das Schaltelement 22 und die Nabe 20 axial weiter in Richtung zu dem zu schaltenden Gangrad 14 geschoben werden, bis sich eine Formschlussverbindung zwischen dem Kupplungskörper 18 und der Nabe 20 einstellt. Mit anderen Worten werden das Schaltelement 22 und die Nabe 20 in axialer Richtung 24 von der Synchronisationsstellung (mittlere Abbildung der 1), in welcher der Kupplungskörper 18 mit dem Schaltelement 22 in Umfangsrichtung 26 formschlüssig verbunden und über die Reibverbindung mit der Nabe 20 gekoppelt ist, in die Schaltstellung (rechte Abbildung der 1) verstellt, in welcher der Kupplungskörper 18 sowohl mit dem Schaltelement 22 als auch mit der Nabe 20 in Umfangsrichtung 26 formschlüssig verbunden ist. Der gewünschte Gang ist damit geschaltet.
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Über den Kupplungskörper 18 wird das Gangrad 14 somit zunächst mit dem Schaltelement 22 verbunden, welches ein geringes Trägheitsmoment aufweist. Erst nach einer teilweisen oder nahezu vollständigen Drehzahlsynchronisierung erfolgt dann über die Nabe 20 eine Formschlussverbindung mit der Getriebewelle 12, welche ein vergleichsweise großes Trägheitsmoment aufweist. Gegenüber herkömmlichen Klauenschaltungen ergibt sich eine geringere Materialbeanspruchung sowie ein deutlich verbesserter Schaltkomfort in Bezug auf unerwünschte Geräusche und Schwingungen.
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Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Sperrsynchronisierungen, zum Beispiel nach Borg-Warner, ist der konstruktive Aufbau weniger komplex und axial kompakter. Ferner lässt sich gegenüber Sperrsynchronisierungen die axiale Schaltkraft FS verringern, da aufgrund der vorgespannten Reibflächen keine Synchronisierkraft mehr aufgebracht werden muss.
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Die Verweildauer in der Synchronisationsstellung sowie das beispielsweise über den Reibbelag 39 und/oder die Vorspannkraft FV einstellbare Reibmoment zwischen dem Schaltelement 22 und der Nabe 20 müssen dabei so aufeinander abgestimmt sein, dass beim Verstellen des Schaltelements 22 und der Nabe 20 von der Synchronisationsstellung in die Schaltstellung noch eine geringe Drehzahldifferenz besteht, um das Durchschalten in die Schaltstellung zuverlässig zu gewährleisten. Sofern kein sofortiger Eingriff der Klauen 44 der Nabe 20 in die Klauenausnehmungen 46 des Kupplungskörpers 18 möglich ist, gleiten die Klauen 44 aufgrund der verbliebenen Drehzahldifferenz nämlich so lange am Kupplungskörper 18 entlang, bis sie eine Klauenausnehmung 46 erreichen und aufgrund der Schaltkraft FS axial in diese eingreifen.
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Für den Fall, dass eine vollständige Drehzahlangleichung bereits stattgefunden hat, bevor die Klauen 44 in die Klauenausnehmungen 46 eingreifen, kann über die Trennkupplung des Fahrzeuggetriebes 10 ein Antriebsmoment in die Klauenschaltung 16 eingeleitet werden. Dieses Moment bewirkt eine gewisse Relativdrehung zwischen der Nabe 20 und dem Kupplungskörper 18, sodass die Klauen 44 nun sicher in die Klauenausnehmungen 46 eingreifen und ein zuverlässiges Durchschalten in die Schaltstellung gewährleistet ist.
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Wie in den 5 und 6 angedeutet, können die Klauen 40, 44, 56 und/oder die Klauenausnehmungen 42, 46, 58 mit einer Beschichtung 60 zur Anschlagdämpfung versehen sein, wobei die Beschichtung 60 insbesondere an Flächen vorgesehen ist, welche in Umfangsrichtung 26 als Anschlagflächen dienen. Alternativ zur Beschichtung 60 können in diesen Bereichen auch Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit oder Oberflächenelastizität vorgesehen sein.
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Die 7 bis 9 zeigen Ansichten eines Schaltelements 22 für die Klauenschaltung 16 gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Die dritte Ausführungsform der Klauenschaltung 16 unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform lediglich dadurch, dass das einstückige Schaltelement 22 gemäß den 2 bis 6 durch den zweiteiligen Schaltkonus gemäß den 7 bis 9 ersetzt ist.
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Hinsichtlich des allgemeinen Aufbaus der Klauenschaltung 16 sowie des Funktionsprinzips wird daher auf die obigen Erläuterungen zu den anderen Ausführungsformen verwiesen und im Folgenden lediglich auf konstruktive und funktionale Unterschiede gegenüber der zweiten Ausführungsform eingegangen.
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Gemäß den 7 bis 9 ist der Schaltkonus zweiteilig ausgebildet, wobei ein erstes ringförmiges Konuselement 62 und ein axial angrenzendes, zweites ringförmiges Konuselement 64 an ihren einander zugewandten Stirnseiten in Umfangsrichtung 26 abwechselnd jeweils axiale Vorsprünge 66 und Aussparungen 68 aufweisen, wobei die Vorsprünge 66 und die Aussparungen 68 der beiden Konuselemente 62, 64 ineinandergreifen und die Konuselemente 62, 64 in Umfangsrichtung 26 miteinander koppeln.
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Die Vorsprünge 66 und Aussparungen 68 sind in Umfangsrichtung 26 gesehen durch Flanken verbunden, wobei zumindest einige der Flanken Kraftverstärkungsflächen 70 bilden und so abgeschrägt sind, dass die beiden Konuselemente 62, 64 bei einer Relativdrehung in Umfangsrichtung 26 so aneinander entlang gleiten, dass sie sich auch in axialer Richtung 24 relativ zueinander bewegen. Die Kraftverstärkungsflächen 70 liegen dabei in einer Ebene, welche sich in Radialrichtung sowie geneigt zur Axialrichtung erstreckt.
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Ferner bilden zumindest einige der Flanken Anschlagflächen 72 und begrenzen damit eine Relativdrehung der Konuselemente 62, 64. Die Anschlagflächen 72 liegen dabei in einer Ebene, welche sich sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung erstreckt.
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Soll bei einem Fahrzeuggetriebe 10 mit einer Klauenschaltung 16 gemäß der dritten Ausführungsform ein Gang eingelegt werden, so wird analog zu den beiden vorhergehenden Ausführungsformen eine axiale Schaltkraft FS auf das Schaltelement 22 der Klauenschaltung 16 aufgebracht, beispielsweise mittels einer Schaltgabel 74 gemäß 9. Das Schaltelement 22 und die Nabe 20 werden dadurch ausgehend von der Neutralstellung in die Synchronisationsstellung bewegt.
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In der Synchronisationsstellung greifen die Klauen 56 des einen Konuselements 62, 64 in die Klauenausnehmungen 58 des zugeordneten Kupplungskörpers 18 ein, sodass sich dieses Konuselement 62, 64 relativ zum anderen Konuselement 64, 62 bis zu einem durch die Anschlagflächen 72 gebildeten Anschlag verdreht. Dieser Anschlag zur Begrenzung der Relativdrehung zwischen den Konuselementen 62, 64 kann alternativ oder zusätzlich zu den Anschlagflächen 72 auch durch eine passgenaue axiale Abmessung der Schaltgabel 74 realisiert werden.
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Durch das Verdrehen der Konuselemente 62, 64 relativ zueinander werden die Konuselemente 62, 64 über die Kraftverstärkungsflächen 70 axial aufgespreizt, wodurch sich die Axialkraft auf die Reibflächen 50, 52 und somit das Reibmoment zwischen dem Schaltelement 22 und der Nabe 20 erhöht. Dieses durch den Kraftverstärkungseffekt erhöhte Reibmoment sorgt für eine rasche Reduktion der Drehzahldifferenz zwischen der Nabe 20 und dem Kupplungskörper 18, wobei sich mit zunehmender Drehzahlangleichung der Kraftverstärkungseffekt verringert.
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Sobald die Differenzdrehzahl einen Grenzwert unterschreitet und/oder eine vorgegebene Synchronisationszeit abgelaufen ist, werden das zweiteilige Schaltelement 22 und die zweiteilige Nabe 20 axial weiter zu dem zu schaltenden Gangrad 14 hin bewegt. Treffen nun die Klauen 44 der Nabe 20 auf angrenzende Klauenausnehmungen 46 des Kupplungskörpers 18, so können das Schaltelement 22 und die Nabe 20 axial in ihre Schaltstellung verstellt werden. Der gewünschte Gang ist somit geschaltet.
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Treffen die Klauen 44 der Nabe 20 nicht auf Klauenausnehmungen 46 des Kupplungskörpers 18, so werden die Konuselemente 62, 64 wieder zurückgedreht und axial zusammengeschoben, das heißt axial aufeinander zu bewegt. Das Reibmoment wird dadurch auf ein Minimum reduziert. Aufgrund des geringen Reibmoments wird die Drehzahldifferenz zwischen der Nabe 20 und dem Kupplungskörper 18 langsamer abgebaut als bei vollem Reibmoment. Diese langsamere Drehzahlsynchronisierung am Ende des Schaltvorgangs stellt sicher, dass jede Klaue 44 der Nabe 20 wenigstens so lange am Kupplungskörper 18 entlang gleitet, bis sie eine Klauenausnehmung 46 erreicht und in diese eingreift. Der gewünschte Gang ist somit geschaltet.
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Der Vorteil bei dieser dritten Ausführungsform der Klauenschaltung 16 liegt darin, dass das Reibmoment über die axiale Vorspannung in vorteilhafter Weise beeinflussbar ist, wohingegen das Reibmoment in den anderen Ausführungsformen der Klauenschaltung 16 durch die in der Neutralstellung aufgebrachte Vorspannkraft FV vorgegeben ist und im Wesentlichen konstant bleibt. Durch das am Ende des Schaltvorgangs reduzierte Reibmoment lässt sich die Klauenschaltung 16 besonders einfach und zuverlässig in die Schaltstellung durchschalten.
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Diesem Vorteil der dritten Ausführung der Klauenschaltung 16 steht allerdings der Nachteil eines deutlich erhöhten Fertigungsaufwands für das zweiteilige Schaltelement 22 gegenüber.
