DE102013204787A1

DE102013204787A1 - Schaltvorrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes

Info

Publication number: DE102013204787A1
Application number: DE102013204787.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Ege; Rainer Novak
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-09-25
Also published as: US9249839B2; CN104061324B; CN104061324A; US20140284166A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes, umfassend eine als Hohlwelle ausgebildete, Radialbohrungen (5, 6, 7, 8) aufweisende Antriebswelle (2), mindestens ein auf der Antriebswelle (2) angeordnetes Abtriebsglied (3), ein in der Hohlwelle (2) axial verschiebbar angeordnetes Schaltelement (4), in den Radialbohrungen (5, 6, 7, 8) radial verschiebbare, als Kugeln ausgebildete Kupplungskörper (9, 10, 11, 12), wobei das Abtriebsglied (3) durch axiale Verschiebung des Schaltelements (4) und radiale Verschiebung der Kugeln (9, 10, 11, 12) mit der Abtriebswelle (2) kuppelbar und entkuppelbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement als Schaltkolben (4) und die Hohlwelle (2) als Schaltzylinder (2a) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bekannt durch die DE 937 990 .
Durch die DE 937 990 wurde eine Schaltvorrichtung für ein Kraftfahrzeuggetriebe bekannt, bei welchem die einzelnen Gänge durch eine so genannte Ziehkeilwelle geschaltet werden. Eine als Hohlwelle ausgebildete Getriebehauptwelle, auf welcher Zahnräder angeordnet sind, nimmt die axial verschiebbare Ziehkeilwelle in sich auf. Im Bereich der Zahnräder weist die Hohlwelle Radialbohrungen auf, in welchen Schaltkugeln radial beweglich angeordnet sind und zum Kuppeln durch die Ziehkeilwelle auseinanderdrückt werden. Damit wird eine drehfeste Verbindung zwischen dem jeweiligen Zahnrad und der Getriebehauptwelle hergestellt.
Es ist bekannt, dass in heutigen Kraftfahrzeuggetrieben, auch Automatikgetrieben Klauenkupplungen zum Schalten von einzelnen Gängen eingesetzt werden. Die Klauenkupplungen haben den Vorteil, dass sie relativ kompakt bauen und dabei relativ große Drehmomente übertragen können. Nachteilig bei den Klauenkupplungen ist, dass sie praktisch nur bei einer Differenzdrehzahl von Null geschaltet werden können, wobei es immer zu einer so genannten Zahn-auf-Zahn-Stellung kommen kann, in welcher die Kupplung nicht eingerückt werden kann. Dieses Problem konnte bisher nicht zufriedenstellend gelöst werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine geeignete Kupplung vorzuschlagen, die einerseits die Übertragung relativ großer Drehmomente zulässt und andererseits eine Zahn-auf-Zahn-Stellung vermeidet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausgehend von der bekannten Schaltvorrichtung, ist nach einem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das Schaltelement als Schaltkolben und die Hohlwelle als Schaltzylinder ausgebildet sind. Damit wird der Vorteil erreicht, dass das oder die auf der Hohlwelle angeordneten Abtriebsglieder, vorzugsweise Zahnräder, durch Axialverschiebung des Schaltkolbens geschaltet werden können. Bevorzugt erfolgt die Beaufschlagung des Schaltkolbens durch ein hydraulisches oder pneumatisches Druckmedium. Damit wird eine kompakte Schaltvorrichtung erreicht, die eine Synchronisierung überflüssig macht. Die erfindungsgemäße Kupplung kann bei leichter Last und innerhalb eines geringen Differenzdrehzahlfensters geschaltet werden – zur Einleitung des Schaltvorganges ist es also nicht erforderlich, dass das Antriebs- und das Abtriebsglied die gleiche Drehzahl aufweisen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist im Bereich des mindestens einem Abtriebsgliedes mindestens eine Reihe von Radialbohrungen angeordnet, denen am Schaltkolben angeordnete Ringnuten zugeordnet sind. Im Falle, dass die Ringnuten in radialer Richtung mit den Radialbohrungen ausgerichtet sind, werden die Kugeln durch die Innenkontur des Abtriebsgliedes nach innen in die Ringnuten gedrückt, sodass das Abtriebsglied oder das Zahnrad entkuppelt ist. Für den anderen Fall, dass die Ringnuten nicht mit den Radialbohrungen ausgerichtet sind, sondern die Umfangsfläche des Schaltkolbens die Radialbohrungen nach innen verschließt, werden die Kugeln nach außen gedrückt, und das Abtriebsglied bzw. das Zahnrad ist mit der Antriebswelle drehfest verbunden, d. h. gekuppelt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Abtriebsglied eine Bohrung mit einer Bohrungswand auf, in welche taschenförmige Aussparungen, die in Anzahl und Verteilung den Radialbohrungen entsprechen, eingearbeitet sind. Die taschenförmigen Aussparungen nehmen die Kugeln im eingekuppelten Zustand teilweise auf, sodass zwischen An- und Abtriebsglied ein Formschluss hergestellt ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die taschenförmigen Aussparungen als Längsnuten mit einem asymmetrischen Querschnittsprofil ausgebildet, wobei das Querschnittsprofil eine den Kugeln angepasste Rundung und eine flach auslaufende Schräge aufweist. Damit wird ein weiches Einkuppeln erreicht. Das asymmetrische Querschnittsprofil ist drehrichtungsabhängig, d. h. entweder für Rechtslauf oder für Linkslauf.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die taschenförmigen Aussparungen als Längsnuten mit einem radialsymmetrischen Querschnittsprofil ausgebildet, wobei das Profil des Querschnittes den Kugeln angepasst und drehrichtungsunabhängig ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Schaltkolben hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch betätigt werden. Die zu wählende Aktuatorik kann somit an die gegebenen Bedingungen angepasst werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Abtriebsglied als Zahnrad ausgebildet. Das Zahnrad kann somit als Losrad einer Gangstufe des Getriebes auf der Antriebswelle angeordnet und bei Bedarf mit der Antriebswelle gekuppelt werden. Dabei können mehrere Zahnräder nebeneinander auf der Antriebswelle angeordnet sein. In diesem Falle ist der Schaltkolben entsprechend zu verlängern.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung besonders vorteilhaft in einem Automatikgetriebe verwendbar. Als Vorteil ergibt sich dabei, dass die erfindungsgemäße formschlüssige Kupplung eine Klauenkupplung mit den oben genannten Nachteilen ersetzen kann. Damit werden Vorteile hinsichtlich des Schaltkomforts – größeres Differenzdrehzahlfenster – und des benötigten Bauraumes erzielt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
1 einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung,
2a einen Radialhalbschnitt bei gekuppeltem Abtriebsglied,
2b einen Radialhalbschnitt bei entkuppeltem Abtriebsglied,
3 einen Schaltkolben der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,
4 eine als Schaltzylinder ausgebildete Hohlwelle der Schaltvorrichtung,
5 eine erste Innenkonturkontur mit taschenförmigen Aussparungen im Abtriebsglied,
6 eine zweite Innenkontur mit taschenförmigen Aussparungen und
7 eine dritte Innenkontur mit taschenförmigen Aussparungen.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 1, welche eine als Hohlwelle 2 ausgebildete Antriebswelle sowie ein als Zahnrad 3 ausgebildetes Abtriebsglied aufweist. Die Hohlwelle 2 ist als Schaltzylinder 2a ausgebildet und nimmt einen Schaltkolben 4 in sich auf. In der Wandung der Hohlwelle 2 sind Radialbohrungen 5, 6 in einer ersten Reihe und Radialbohrungen 7, 8 in einer zweiten Reihe angeordnet, welche jeweils als Kugeln 9, 10, 11, 12 ausgebildete Kupplungskörper radial beweglich in sich aufnehmen. Die Hohlwelle 2 weist eine Stirnwand 2b auf, an welcher sich eine Druckfeder 13 zur Rückstellung des Schaltkolbens 4 abstützt. Andererseits ist der Weg des Schaltkolbens 4 durch einen Sicherungsring 14, welcher in eine Nut 15 in der Hohlwelle 2 eingesetzt ist, begrenzt. Der Schaltkolben 4 ist in zwei Positionen dargestellt, nämlich als obere Hälfte 4a in einer Verriegelungsposition und in einer unteren Hälfte 4b im entriegelten Zustand. Der Schaltkolben weist zwei umlaufende Ringnuten 16, 17 auf, deren Nutquerschnitt an die Kugeln 9 bis 12 angepasst sind. Das Zahnrad 3 ist durch axiale Sicherungselemente 18, 19 auf der Antriebswelle 2 fixiert und weist eine Bohrung 20 auf, in welche, über den Umfang verteilt, als Längsnuten ausgebildete taschenförmige Aussparungen 21 eingearbeitet sind. Die Aussparungen 21 dienen der Aufnahme der Kugeln 9, 11 im verriegelten, d. h. gekuppelten Zustand. Für die Fixierung einer Schaltposition ist ein Rastelement 22 vorgesehen.
2a und 2b zeigen jeweils halbe Radialschnitte gemäß der Schnittebene IIa-IIb in 1. 2a zeigt also die obere Hälfte mit der Schaltkolbenstellung 4a in 1. Die Kugel 11 ist einerseits in der Längsnut 21 des Zahnrades 3 formschlüssig aufgenommen und stützt sich radial innen am Umfang 4c des Schaltkolbens 4 ab. Das Zahnrad 3 ist in dieser Position somit mit der Antriebswelle 2 drehfest verbunden. 2b zeigt die untere Hälfte mit der Schaltposition 4b (1): Dabei ist die Kugel 12 durch den Umfang der Bohrung 20 in die Nut 17 hineingedrückt. Das Zahnrad 3 ist somit entkuppelt. Die Darstellung der 2a und 2b ist schematisch, d. h. nicht vollständig; beispielsweise sind die Radialbohrungen 7, 8 nicht dargestellt, was jedoch 4 genauer zeigt.
3 zeigt den Schaltkolben 4 als Einzelteil mit einem zylindrischen Umfang 4c, in welchen zwei Ringnuten 16, 17 eingearbeitet sind, deren Radius dem Radius der Kugeln (1) angepasst ist.
4 zeigt die Hohlwelle 2, welche als Schaltzylinder 2a mit einem Zylinderboden 2b ausgebildet ist, als Einzelteil. In die Wandung der Hohlwelle 2 sind über den Umfang verteilte Bohrungen 5, 6, 7, 8, die zwei in axial versetzten Reihen angeordnet sind, eingebracht. Die Bohrungen 5 bis 8 sind an die Durchmesser der Kugeln 9 bis 12 angepasst, sodass sich diese in radialer Richtung bewegen können.
5 zeigt eine Innenkontur 23 des Zahnrades 3 (vgl. 1) und einen Teilschnitt im Bereich einer Radialbohrung 24 durch die Antriebswelle 2, den Schaltkolben 4 sowie das Zahnrad 3. In die Umfangsfläche der Bohrung 20 des Zahnrades 3 sind mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel acht taschenförmige Aussparungen 25 eingearbeitet, welche einen asymmetrischen Querschnitt, bezogen auf einen Radialstrahl r, aufweisen. Die taschenförmigen Aussparungen 25 sind als Längsnuten ausgebildet und entsprechen der Längsnut 21 in 1. Die Querschnittskontur, auch Querschnittsprofil genannt, der Aussparung 25 setzt sich aus einem etwa viertelkreisförmigen Bogen 25a und einer flach auslaufenden Schräge oder Rampe 25b zusammen. Dieses Querschnittsprofil 25a, 25b ist für eine vorwiegend linksdrehende Antriebswelle 2, angedeutet durch den Drehpfeil L, bestimmt. Damit wird eine „sanfte“ Mitnahme des Zahnrades 3 beim Einkuppeln erreicht. Die im Teilschnitt dargestellte Kugel 26 befindet sich teilweise in der Radialbohrung 24 und teilweise in der taschenförmigen Aussparung 25, wodurch ein Formschluss zwischen der Antriebswelle 2 und dem Abtriebsglied 3 hergestellt wird. Die Kugel 26 bzw. die Kugeln 9 bis 12 in 1 bilden somit keine Klemmkörper (wie bei einem Freilauf), sondern Kupplungskörper zur Herstellung eines Formschlusses. Die hierbei auftretenden Kräfte in Umfangsrichtung sind wesentlich geringer als bei Klemmkörpern. Durch die Anzahl der Kugeln auf dem Umfang und in axialer Richtung kann die Schaltvorrichtung an das zu übertragende Drehmoment angepasst werden.
6 zeigt eine weitere Innenkontur 27 für das Abtriebsglied, wobei auf dem Umfang taschenförmige Aussparungen 28 mit einem radialsymmetrischen Querschnitt angeordnet sind. Der Querschnitt der Aussparung 28 ist, bezogen auf einen Radialstrahl r, symmetrisch und weist ungefähr die Kontur eines Halbkreises auf, welcher dem Kugeldurchmesser entspricht. Die Innenkontur 27 ist sowohl für Rechts- als auch Linkslauf des Abtriebsgliedes geeignet, was durch einen Doppel-Drehpfeil N angedeutet ist.
7 zeigt eine Innenkontur 29 als Pendant zur Innenkontur 23 gemäß 5 für einen Rechtslauf, gekennzeichnet durch einen Drehpfeil R. Die Innenkontur 29 weist, auf dem Umfang verteilt, taschenförmige Aussparungen 30 auf, welche ein asymmetrisches Querschnittsprofil, analog dem Profil der Aussparungen 25 in 5, aufweisen. Durch diese Geometrie erfolgt ein relativ weiches Einkuppeln zwischen Antriebs- und Abtriebsglied, was für Differenzdrehzahlen in einem relativ engen Bereich möglich ist.
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 1 arbeitet wie folgt: Bei eingekuppeltem Zahnrad 3 gemäß Position 4a (1) wird der Schaltkolben 4 durch die Druckfeder 13 gegen den axialen Sicherungsring 14 gedrückt und ist in dieser Position fixiert. Eine Druckbeaufschlagung des Schaltkolbens 4 findet bei Position 4a nicht statt. Soll das Zahnrad 3 ausgekuppelt, d. h. in die Position 4b überführt werden, so wird die Stirnfläche des Schaltkolbens 4 mit Druck, pneumatisch oder hydraulisch, beaufschlagt und – in der Zeichnung – nach links bewegt, bis das Rastelement 22 erreicht und der Schaltkolben 4 in Position 4b fixiert ist. Dabei werden die Kugeln 9 bis 12 oder 26 durch die Innenkontur 23 (vgl. 5) des Zahnrades 3 radial nach innen in die Radialnuten 16, 17 gedrückt. Damit ist der Formschluss aufgehoben, und das Zahnrad 3 ist entkuppelt.
Bezugszeichenliste

1: Schaltvorrichtung
2: Antriebswelle
2a: Schaltzylinder
2b: Stirnwand
3: Abtriebsglied/Zahnrad
4: Schaltkolben
4a: Schaltposition, verriegelt
4b: Schaltposition, entriegelt
4c: Umfang
5: Radialbohrung
6: Radialbohrung
7: Radialbohrung
8: Radialbohrung
9: Kugel
10: Kugel
11: Kugel
12: Kugel
13: Druckfeder
14: Sicherungsring
15: Nut
16: Ringnut
17: Ringnut
18: Sicherungselement
19: Sicherungselement
20: Bohrung von Zahnrad
21: Längsnut
22: Rastelement
23: Innenkontur
24: Radialbohrung
25: Aussparung/Längsnut
25a: Rundung
25b: Schräge
26: Kugel
27: Innenkontur
28: Aussparung
29: Innenkontur
30: Aussparung
L: Pfeil, Linkslauf
N: Doppelpfeil, neutral
R: Pfeil, Rechtslauf
r: Radialstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 937990 [0001, 0002]

Claims

Schaltvorrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes, umfassend eine als Hohlwelle ausgebildete, Radialbohrungen (5, 6, 7, 8, 24) aufweisende Antriebswelle (2), mindestens ein auf der Antriebswelle (2) angeordnetes Abtriebsglied (3), ein in der Hohlwelle (2) axial verschiebbar angeordnetes Schaltelement (4), in den Radialbohrungen (5, 6, 7, 8; 24) radial verschiebbare, als Kugeln ausgebildete Kupplungskörper (9, 10, 11, 12, 26), wobei das Abtriebsglied (3) durch axiale Verschiebung des Schaltelements (4) und radiale Verschiebung der Kugeln (9, 10, 11, 12; 26) mit der Abtriebswelle (2) kuppelbar und entkuppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement als Schaltkolben (4) und die Hohlwelle (2) als Schaltzylinder (2a) ausgebildet sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des mindestens einen Abtriebsgliedes (3) mindestens eine Reihe von Radialbohrungen (5, 6; 7, 8) angeordnet ist und dass der Schaltkolben (4) umfangsseitig mindestens eine den Radialbohrungen (5, 6, 7, 8) und den Kugeln (9, 10, 11, 12) zugeordnete Ringnut (16, 17) aufweist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebsglied (3) eine Bohrung (20) mit einer Bohrungswand aufweist und dass in die Bohrungswand taschenförmige Aussparungen (21; 25, 28, 30) eingearbeitet sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenförmigen Aussparungen als Längsnuten mit einem asymmetrischen Querschnitt (25, 30) ausgebildet sind, wobei die Kontur des Querschnittes eine den Kugeln (26) angepasste Rundung (25a) und eine flach auslaufende Schräge (25b) aufweist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenförmigen Aussparungen als Längsnuten mit einem radialsymmetrischen Querschnitt (28) ausgebildet sind, wobei die Kontur des Querschnittes (28) den Kugeln (26) angepasst ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkolben (4) hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch betätigbar ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abtriebsglied als Zahnrad (3) ausgebildet ist.
Verwendung der Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Automatgetrieben.