DE102013213156A1

DE102013213156A1 - Schaltvorrichtung und Fahrzeugantriebsstrang sowie Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und eines Fahrzeugantriebsstranges

Info

Publication number: DE102013213156A1
Application number: DE102013213156.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Merl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Es wird ein Fahrzeugantriebsstrang (1) mit einer Antriebsmaschine (2) und mit einer Schaltvorrichtung (11) mit zwei Schaltelementhälften (11A, 11B) beschrieben, die im Bereich von mit Zahnprofilen (12, 13) ausgeführten Bereichen miteinander drehfest verbindbar sind. Ein Formschluss zwischen den Schaltelementhälften (11A, 11B) ist durch axiales Verschieben wenigstens einer Schaltelementhälfte (11B) gegenüber der anderen Schaltelementhälfte (11A) schaltbar. Die Zahnprofile (12, 13) sind schrägverzahnt ausgeführt, wobei ein Schrägungswinkel der Zahnprofile in Bezug auf die Schaltrichtung als positiver oder negativer spitzer Winkel ausgeführt ist. Bei Vorliegen einer Anforderung zum Herstellen des Formschlusses im Bereich der Schaltvorrichtung (11) wird eine Drehzahl der einen Schaltelementhälfte (11B) kleiner als die Drehzahl der anderen Schaltelementhälfte (11A) eingestellt, wenn der Schrägungswinkel positiv ist, während die Drehzahl der einen Schaltelementhälfte (11B) bei vorliegendem negativem Schrägungswinkel auf Werte größer als die Drehzahl der anderen Schaltelementhälfte (11A) geführt wird, wobei der Formschluss anschließend geschlossen wird. Dabei wird jeweils die Drehzahl der Schaltelementhälfte (11B) eingestellt, die mit einem reibschlüssigen Schaltelement (9) des Fahrzeugantriebsstranges (1) wirkverbunden ist, über die die Schaltvorrichtung (11) mit der Antriebsmaschine (2) oder einem Rad einer antreibbaren Fahrzeugachse koppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung und einen Fahrzeugantriebsstrang gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 5 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung jeweils ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und eines Fahrzeugantriebsstranges gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 4 und 8 näher definierten Art.
Bei aus der Praxis bekannten Schaltvorrichtungen mit zwei Schaltelementhälften, wie Klauenkupplungen oder dergleichen, die im Bereich von mit Zahnprofilen ausgeführten Bereichen miteinander drehfest verbindbar sind, ist zwischen den Schaltelementhälften bei aufgehobenem Formschluss eine Relativdrehbewegung darstellbar. Darüber hinaus ist der Formschluss zwischen den Schaltelementhälften üblicherweise durch axiales Verschieben wenigstens einer Schaltelementhälfte gegenüber der anderen Schaltelementhälfte schaltbar. Da derartige Schaltvorrichtungen bzw. formschlüssige Schaltelemente im Allgemeinen nur innerhalb eines sehr schmalen Differenzdrehzahlbandes um die Synchrondrehzahl herum aus einem geöffneten Betriebszustand in einen geschlossenen Betriebszustand überführbar sind, wird die Synchronisierung eines zuzuschaltenden formschlüssigen Schaltelementes ohne zusätzliche konstruktive Ausführungen durch entsprechende Betätigung reibschlüssiger Schaltelemente oder über einen Motoreingriff bei einer Verwendung im Bereich eines Fahrzeugantriebsstranges unterstützt bzw. vollständig realisiert. Des Weiteren werden geschlossene formschlüssige Schaltelemente bei Vorliegen einer Anforderung zum Öffnen des formschlüssigen Schaltelementes in einen wenigstens annähernd lastfreien Betriebszustand überführt, um das formschlüssige Schaltelement mit geringen Schaltkräften sicher aus dem geschlossenen Betriebszustand in den geöffneten Betriebszustand überführen zu können.
Um besonders beim Schließen eines formschlüssigen Schaltelementes einen Fahrkomfort beeinträchtigende Geräusche im Fahrzeug vermeiden zu können, wird versucht, ein formschlüssiges Schaltelement innerhalb eines definierten Differenzdrehzahlfensters zwischen den Schaltelementhälften zu schließen. Oberhalb dieses Differenzdrehzahlfensters treten beim Einlegen eines formschlüssigen Schaltelementes akustisch wahrnehmbare Geräusche in einem Fahrzeug auf. Die Ursache für dieses Problem liegt darin, dass beim Einlegen eines formschlüssigen Schaltelementes die Differenzdrehzahl zwischen den beiden Schaltelementhälften mit der ersten Flankenberührung der bekannterweise gradverzahnten Zahnprofile schlagartig auf null reduziert wird. Dieser harte Aufprall erzeugt einen Drehmomentschlag, dessen Rückwirkung auf die Lager und auf eine Getriebeaufhängung in einen Fahrzeuginnenraum übertragen wird. Das bedeutet, dass eine Zuschaltung eines formschlüssigen Schaltelementes außerhalb des vorgenannten definierten Differenzdrehzahlfensters einen Drehmomentstoß im System verursacht, der im Bereich der Zahnprofile zu einer kurzzeitigen Erhöhung der Flächenpressung im Berührungsbereich zwischen den Schaltelementhälften führt. Die Erhöhung der Reibkraft im Bereich der Kontaktflächen zwischen den Schaltelementhälften verursacht einen Stillstand zwischen den Schaltelementhälften, da eine Zuschaltfeder die Schaltelementhälften nicht komplett durch die Zahnlücken der Zahnprofile durchschieben kann. Erst nach Abbau des Drehmomentstoßes ist die Feder in der Lage, die Zuschaltung bzw. den Schließvorgang der Schaltvorrichtung zu Ende zu führen. Dabei ist das im Fahrzeuginnenraum wahrnehmbare Geräusch umso höher, je größer der eingeleitete Drehmomentstoß ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung mit zwei Schaltelementhälften, einen Fahrzeugantriebsstrang mit einer solchen Schaltvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schaltvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugantriebsstranges zur Verfügung zu stellen, mittels welchen ein Fahrzeug auf einfache Art und Weise mit hohem Fahrkomfort betreibbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Schaltvorrichtung und einem Fahrzeugantriebsstrang gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 5 sowie einem Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und einem Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugantriebsstranges gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 4 bzw. 8 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit zwei Schaltelementhälften, die im Bereich von mit Zahnprofilen ausgeführten Bereichen miteinander drehfest verbindbar sind, ist zwischen den Schaltelementhälften bei aufgehobenem Formschluss eine Relativdrehbewegung darstellbar. Der Formschluss ist durch axiales Verschieben wenigstens einer Schaltelementhälfte gegenüber der anderen Schaltelementhälfte schaltbar.
Erfindungsgemäß sind die Zahnprofile in Bezug auf die axiale Schaltrichtung der wenigstens einen Schaltelementhälfte schrägverzahnt ausgeführt, wobei ein Schrägungswinkel der Zahnprofile in Bezug auf die Schaltrichtung als positiver oder negativer spitzer Winkel ausgeführt ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen schrägverzahnten Ausführung der Zahnprofile der Schaltvorrichtung wird das Differenzdrehzahlfenster, innerhalb welchem ein formschlüssiges Schaltelement bzw. die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ohne einen Fahrkomfort beeinträchtigende Schaltgeräusche aus einem geöffneten Betriebszustand in einen geschlossenen Betriebszustand überführbar ist, im Vergleich zu gradverzahnten Schaltvorrichtungen vergrößert. Dies resultiert aus der Tatsache, dass bei schrägverzahnten Schaltvorrichtungen bei der ersten Flankenberührung der Verzahnungen nicht wie bei gradverzahnten formschlüssigen Schaltelementen die gesamte Differenzdrehzahl zwischen den miteinander formschlüssig zu verbindenden Schaltelementhälften abgebaut wird. Der erste Kontakt zwischen den Schaltelementhälften führt lediglich zu einem teilweisen Angleichen der Drehzahlen der beiden Schaltelementhälften. Erst zum Ende des Einlegevorganges bzw. des Schließvorganges der Schaltvorrichtung wird die restliche Drehzahldifferenz zwischen den Verzahnungsteilen bzw. den Schaltelementhälften der Schaltvorrichtung egalisiert. Die Verbesserung besteht darin, dass der Abbau der Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften und der damit verbundene Impuls bzw. Drehmomentstoß auf zwei verschiedene, aufeinander folgende Zeitpunkte und somit auf einen längeren Zeitraum verteilt wird.
Bei einer konstruktiv einfachen und bauraumgünstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung sind die Schaltelementhälften koaxial zueinander angeordnet, wobei die eine Schaltelementhälfte mit einem Hülsenbereich mit einer Innenverzahnung ausgeführt ist, die mit einer Außenverzahnung der anderen Schaltelementhälfte in Eingriff bringbar ist.
Um einen Schaltvorgang der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einem definierten Schaltweg durchführen zu können, ist ein axialer Schaltweg der wenigstens einen axial verschiebbaren Schaltelementhälfte bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung durch einen oder mehrere Anschläge begrenzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer vorstehend näher beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung wird bei Vorliegen einer Anforderung zum Herstellen des Formschlusses im Bereich der Schaltvorrichtung eine Drehzahl der einen Schaltelementhälfte kleiner als die Drehzahl der anderen Schaltelementhälfte eingestellt, wenn der Schrägungswinkel positiv ist, während die Drehzahl der einen Schaltelementhälfte bei vorliegendem negativem Schrägungswinkel auf Werte größer als die Drehzahl der anderen Schaltelementhälfte geführt wird, wobei der Formschluss anschließend geschlossen wird.
Damit wird erreicht, dass die zum Schließen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung formschlüssig miteinander in Eingriff zu bringenden Zahnprofile während des Schließvorganges mit einer definierten Differenzdrehzahl betrieben werden und die Zuschaltung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ohne den Schließvorgang nachteilig beeinflussende Flankenberührung stattfindet. Dabei steht die Relativgeschwindigkeit zwischen den Schaltelementhälften in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Schrägungswinkels der Zahnprofile.
Der erfindungsgemäße Fahrzeugantriebsstrang ist mit einer Antriebsmaschine und mit einer in vorbeschriebenem Umfang ausgebildeten erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ausgeführt, wobei die Schaltvorrichtung über ein reibschlüssiges Schaltelement, deren Übertragungsfähigkeit stufenlos variierbar ist, mit der Antriebsmaschine oder einem Rad einer antreibbaren Fahrzeugachse in Wirkverbindung bringbar ist. Damit ist bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsstrang beispielsweise ein über die Schaltvorrichtung zuschaltbarer Allradantrieb in Abhängigkeit einer Anforderung innerhalb eines im Vergleich zu herkömmlich gradverzahnt ausgeführten Schaltvorrichtungen größeren Differenzdrehzahlfensters zwischen den Schaltelementhälften der Schaltvorrichtung zuschaltbar, ohne einen Fahrkomfort in unerwünschtem Umfang zu beeinträchtigen. Dies bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, einen Allradantrieb im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Fahrzeugantriebssträngen innerhalb kürzerer Betriebszeiten zuzuschalten, da bestehende Drehzahldifferenzen im Bereich der Schaltvorrichtung vor der Zuschaltung in geringerem Umfang zu minimieren sind.
Ist eine der Schaltelementhälften der Schaltvorrichtung über das reibschlüssige Schaltelement mit der Antriebsmaschine in Wirkverbindung bringbar, während die weitere Schaltelementhälfte mit einem Rad einer antreibbaren Fahrzeugachse verbunden ist, ist ein mehrachsiger Antrieb eines Fahrzeuges mit geringem konstruktivem Aufwand schaltbar ausgeführt.
Die Schaltvorrichtung ist bei einer einfach montierbaren und bauraumgünstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsstranges im Leistungsfluss des Fahrzeugantriebsstranges zwischen dem Rad und einem Querverteilergetriebe der antreibbaren Fahrzeugachse angeordnet.
Bei Vorliegen einer Anforderung zum Herstellen des Formschlusses im Bereich der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines in vorbeschriebenem Umfang ausgebildeten Fahrzeugantriebsstranges eine Drehzahl der mit dem reibschlüssigen Schaltelement wirkverbundenen Schaltelementhälfte kleiner als die Drehzahl der mit dem Rad gekoppelten Schaltelementhälfte eingestellt, wenn der Schrägungswinkel der Zahnprofile positiv ist, während die Drehzahl der mit dem reibschlüssigen Schaltelement gekoppelten Schaltelementhälfte bei vorliegendem negativem Schrägungswinkel der Zahnprofile auf Werte größer als die Drehzahl der mit dem Rad verbundenen Schaltelementhälfte geführt wird, wobei der Formschluss anschließend geschlossen wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Schrägungswinkels der Zahnprofile erreicht, dass zwischen den formschlüssig miteinander in Eingriff zu bringenden Schaltelementhälften jeweils die erforderliche Differenzdrehzahl vorliegt und die Zuschaltung ohne Flankenberührung zwischen den Zahnprofilen der Schaltelementhälften stattfinden kann.
Bei einer mit geringem Steuer- und Regelaufwand durchführbaren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Fahrzeugantriebsstranges ist die Drehzahl der über das reibschlüssige Schaltelement mit der Antriebsmaschine in Wirkverbindung bringbaren Schaltelementhälfte durch Variieren der Übertragungsfähigkeit und/oder Einstellen der Drehzahl der Antriebsmaschine veränderbar.
Um ein mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsstrang ausgeführtes Fahrzeug möglichst verbrauchsgünstig betreiben zu können, ist der Formschluss im Bereich der Schaltvorrichtung bei einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahrens aufhebbar, wenn im Bereich eines zwischen der Antriebsmaschine und der Schaltvorrichtung angeordneten Getriebes eine Übersetzung für Vorwärtsfahrt eingelegt ist.
Der Formschluss wird bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich der Schaltvorrichtung hergestellt oder ein Auslegen des Formschlusses unterbleibt, wenn eine Anforderung zum Einlegen einer Übersetzung für Rückwärtsfahrt im Getriebe vorliegt. Damit ist gewährleistet, dass ein mit dem Fahrzeugantriebsstrang ausgeführtes Fahrzeug auch in Rückwärtsfahrtrichtung mit einem mehrachsigen Fahrantrieb darstellbar ist.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Gegenstandes angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei in der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele zugunsten der Übersichtlichkeit für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung eines Fahrzeugantriebsstranges mit einer Schaltvorrichtung;
2 eine stark schematisierte Darstellung der Schaltvorrichtung gemäß 1, wobei die beiden Schaltelementhälften im Bereich von Zahnprofilen in Bezug auf eine axiale Schaltrichtung mit einem positiven Schrägungswinkel ausgeführt sind;
3 eine 2 entsprechende Darstellung der Schaltvorrichtung mit im Bereich der Zahnprofile negativem Schrägungswinkel;
4a bis 4c 2 entsprechende Darstellungen der Schaltvorrichtung mit positivem Schrägungswinkel während eines Betriebszustandswechsels von einem vollständig geöffneten Betriebszustand in Richtung eines vollständig geschlossenen Betriebszustandes der Schaltvorrichtung; und
5 eine schematisierte Teildarstellung der Zahnprofile der Schaltelementhälften der Schaltvorrichtung gemäß 1.
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines Fahrzeugantriebsstranges 1 mit einer Antriebsmaschine 2, einem Getriebe 3 und zwei antreibbaren Fahrzeugachsen 4, 5, wobei die Fahrzeugachse 4 vorliegend die Fahrzeugvorderachse und die Fahrzeugachse 5 die Fahrzeughinterachse darstellt. In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Fahrzeugachse 5 die Fahrzeugvorderachse und die Fahrzeugachse 4 die Fahrzeughinterachse ist. Im Bereich des Getriebes 3 sind verschiedene Übersetzungen für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt darstellbar, wobei ein Drehmoment der Antriebsmaschine 2 in Abhängigkeit der jeweils im Bereich des Getriebes 3 eingelegten Übersetzungen entsprechend gewandelt in Richtung eines Querverteilergetriebes 6 der Fahrzeugachse 4 weiterleitbar ist. Im Bereich des Querverteilergetriebes 6 wird das über eine Getriebeausgangswelle 7 des Getriebes 3 eingeleitete Drehmoment in Fahrzeugquerrichtung in Richtung der beiden Räder 4A, 4B weitergeleitet. Zusätzlich liegt das Getriebeausgangsmoment über die Getriebeausgangswelle 7 auch im Bereich eines Verteilergetriebes 8 an, das vorliegend mit einem reibschlüssigen Schaltelement 9 ausgeführt ist. In geöffnetem Betriebszustand des reibschlüssigen Schaltelementes 9 ist ein Querverteilergetriebe 10 der Fahrzeugachse 5 vom Leistungsfluss des Fahrzeugantriebsstranges 1 im Bereich des Verteilergetriebes 8 getrennt, womit die Fahrzeugachse 5 in geöffnetem Betriebszustand des reibschlüssigen Schaltelementes 9 nicht mit Drehmoment der Antriebsmaschine 2 versorgt wird.
In geschlossenem Betriebszustand des reibschlüssigen Schaltelementes 9 wird das von der Getriebeausgangswelle 7 am Verteilergetriebe 8 anliegende Drehmoment weiter in Richtung des Querverteilergetriebes 10 der Fahrzeugachse 5 und somit in Richtung der beiden Räder 5A und 5B der Fahrzeugachse 5 in Fahrzeugquerrichtung weitergeleitet.
Um Schleppmomente im Bereich des reibschlüssigen Schaltelementes 9 und Verlustleistungen im Bereich des Querverteilergetriebes 10 in geöffnetem Betriebszustand des reibschlüssigen Schaltelementes 9 auf ein Minimum reduzieren zu können, ist im Bereich zwischen dem Querverteilergetriebe 10 und dem Rad 5B der Fahrzeugachse 5 eine Schaltvorrichtung 11 vorgesehen, die mit zwei Schaltelementhälften 11A und 11B ausgebildet ist. Die beiden Schaltelementhälften 11A und 11B sind in der in 2 bis 5 näher dargestellten Art und Weise im Bereich von mit Zahnprofilen 12, 13 ausgeführten Bereichen miteinander drehfest verbindbar, wobei zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B bei aufgehobenem Formschluss eine Relativdrehbewegung darstellbar ist und der Formschluss durch axiales Verschieben der Schaltelementhälfte 11B gegenüber der Schaltelementhälfte 11A in die durch den Doppelpfeil 14 gekennzeichneten Schaltrichtungen schaltbar ist.
Die Zahnprofile 12 und 13 sind in Bezug auf die axialen Schaltrichtungen der Schaltelementhälfte 11B schrägverzahnt ausgeführt, wobei ein Schrägungswinkel α zwischen den Schaltrichtungen 14 und der Längserstreckungsrichtung der Zahnprofile 12 und 13 vorliegend definitionsgemäß als positiver spitzer Winkel ausgeführt ist und der in 2, 4a bis 4c und 5 dargestellten Schrägungsrichtung entspricht. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, die Zahnprofile 12 und 13 mit einem Schrägungswinkel β auszuführen, der vorliegend definitionsgemäß als negativer spitzer Winkel ausgebildet ist.
Die Schaltelementhälften 11A und 11B sind koaxial zueinander angeordnet, wobei die Schaltelementhälfte 11B mit einem Hülsenbereich 14A mit dem als Innenverzahnung ausgeführten Zahnprofil 13 ausgebildet ist, die mit dem als Außenverzahnung ausgeführten Zahnprofil 12 der anderen Schaltelementhälfte 11A durch entsprechendes axiales Verschieben der Schaltelementhälfte 11B in Eingriff oder außer Eingriff bringbar ist.
Die schrägverzahnte Ausführung der Schaltvorrichtung 11 bietet im Vergleich zu aus der Praxis bekannten gradverzahnten Klauenschaltelementen die Möglichkeit, die Schaltvorrichtung 11 bei größeren Differenzdrehzahlen zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B ohne Beeinträchtigung eines Fahrkomforts eines mit dem Fahrzeugantriebsstrang 1 ausgeführten Fahrzeuges aus einem vollständig geöffneten Betriebszustand in einen vollständig geschlossenen Betriebszustand zu überführen. Die resultiert aus der Tatsache, dass bei einer ersten Flankenberührung der Zahnprofile 12 und 13 nicht die gesamte Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B abgebaut wird, wie es bei gradverzahnten Klauenschaltelementen der Fall ist. Bei der ersten Flankenberührung wird die Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B zunächst nur teilweise abgebaut. Erst zum Ende des Einlegevorganges der Schaltvorrichtung 11 wird die gesamte Drehzahldifferenz bzw. die noch vorliegende Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B vollständig abgebaut.
Weiter Bezug nehmend auf 4a bis 4c wird nachfolgend der zweistufige Abbau der zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B vorliegenden Differenzdrehzahl nochmals näher erläutert.
Die beiden Schaltelementhälften 11A und 11B rotieren in vollständig geöffnetem Betriebszustand, der in 4a dargestellt ist, mit identischer Drehrichtung, wobei zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B eine Differenzdrehzahl vorliegt. Die Schaltelementhälfte 11B steht vorliegend mit dem Querverteilergetriebe 10 und damit dem Verteilergetriebe 8 in Wirkverbindung, während die Schaltelementhälfte 11A der Schaltvorrichtung 11 mit dem Rad 5B gekoppelt ist.
Bei Vorliegen einer entsprechenden Anforderung für einen Betrieb des Fahrzeugantriebsstranges 1 mit einem einachsigen Antrieb wird die Schaltvorrichtung 11 zur Reduzierung von Verlustleistungen vollständig geöffnet betrieben und das reibschlüssige Schaltelement 9 wird hierfür auch in seinen vollständig geöffneten Betriebszustand überführt. Soll ausgehend vom letztbeschriebenen Betriebszustand der Schaltvorrichtung 11 und des reibschlüssigen Schaltelementes 9 bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit größer null sowohl im Bereich der Fahrzeugachse 4 als auch im Bereich der Fahrzeugachse 5 Drehmoment in Richtung aller Räder 4A bis 5B geführt werden, wird die Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes 9 in entsprechendem Umfang angehoben, wenn die Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B größer als eine definierte Differenzdrehzahl ist, oberhalb der ein Schließen der Schaltvorrichtung 11 unerwünschte Schaltgeräusche verursacht.
Dies führt dazu, dass zunehmend Drehmoment von der Getriebeausgangswelle 7 in Richtung des Querverteilergetriebes 10 geführt wird und die Schaltelementhälfte 11B beschleunigt wird. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. einer Abtriebsgeschwindigkeit größer null und einer entsprechend eingestellten Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes 9 dreht die Schaltelementhälfte 11A im letztbeschriebenen Betriebspunkt des Fahrzeugantriebsstranges 1 in gewünschtem Umfang schneller als die Schaltelementhälfte 11B. Wird im Bereich der Schaltvorrichtung 11 ein für die Zuschaltung der Schaltvorrichtung 11 günstiges Differenzdrehzahlfenster zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B erkannt, wird die Schaltelementhälfte 11B mit einer entsprechenden Schaltkraft beaufschlagt, vorzugsweise über eine Federeinrichtung, und die Schaltelementhälfte 11B in Richtung der Schaltelementhälfte 11A bewegt. Mit zunehmendem Schaltweg wird die Schaltvorrichtung 11 aus dem in 4a dargestellten Betriebszustand in den in 4b dargestellten Betriebszustand überführt, zu dem die erste Flankenberührung zwischen den Zahnprofilen 12 und 13 der Schaltelementhälften 11A und 11B vorliegt.
Vor dem Eingleiten des Zahnprofiles 13 in die Zahnzwischenräume des Zahnprofiles 12 berühren sich zunächst die Stirnflächen der Zahnprofile 11A und 11B der Schaltelementhälften 11A und 11B mit der vorliegenden Differenzgeschwindigkeit. Gleitet die Schaltelementhälfte 11B in der in 4b dargestellten Art und Weise in das Zahnprofil 12 der Schaltelementhälfte 11A ein, führt die erste Flankenberührung zum teilweisen Abbau der Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B. Bis zum Vorliegen des vollständigen Formschlusses zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B bleibt eine Restdifferenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B bestehen, welche die Schaltvorrichtung 11 zum weiteren Hineingleiten bis zum Endanschlag benötigt.
Beim ersten Kontakt zwischen den Schrägverzahnungen bzw. den Zahnprofilen 12 und 13 wird durch das an der Schaltelementhälfte 11B anliegende Drehmoment und die daraus entstehende Verzahnungskraft F_Z, die in 5 näher dargestellt ist, eine zusätzliche Axialkraft F_A in das System eingeleitet. Diese Axialkraft F_A unterstützt die weitere Axialbewegung der Schaltelementhälfte 11B und sorgt dafür, dass die Möglichkeit eines Steckenbleibens bzw. Klemmens im Bereich der Schaltvorrichtung 11 während des Schließvorganges der Schaltvorrichtung 11 verringert wird. Dabei zeigt 5 die Aufteilung der Verzahnungskraft F_Z aufgrund der Schrägstellung der Zahnprofile 12 und 13, wobei in 5 zum leichteren Verständnis ein sehr großer Schrägungswinkel α dargestellt ist.
Des Weiteren greift beim ersten Kontakt der Verzahnung im Bereich der Schaltvorrichtung 11 neben der Verzahnungsaxialkraft F_A auch die aus der Verzahnungskraft F_Z resultierende Verzahnungsnormalkraft F_N an. Die in Bezug auf die Verzahnungskraft F_Z reduzierte Normalkraft F_N führt beim ersten Kontakt zwischen den Verzahnungsflanken der Zahnprofile 12 und 13 zu einer Verringerung des Drehmomentstoßes.
Zum Zeitpunkt, zu dem die Schaltvorrichtung 11 vollständig geschlossen ist, wird die restliche Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B vollständig abgebaut. Der dabei auftretende zweite Drehmomentstoß liegt zeitlich je nach Schaltgeschwindigkeit etwa 10 bis 15 ms hinter dem ersten Drehmomentstoß, der bei der ersten Flankenberührung zwischen den Zahnprofilen 12 und 13 der Schaltelementhälften 11A und 11B auftritt. Die Aufteilung des während der gesamten Schaltung auftretenden Drehmomentstoßes auf zwei voneinander getrennte Zeitpunkte führt dazu, dass das Einlegen der Schaltvorrichtung 11 ohne akustische Auffälligkeiten bei höheren Differenzdrehzahlwerten als bei gradverzahnten Schaltvorrichtungen durchführbar ist. Da der Abbau der Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B zu zwei verschiedenen Zeitpunkten geschieht, ist es möglich, die von gradverzahnten Schaltvorrichtungen bekannte Differenzdrehzahlschwelle in etwa mit dem Faktor zwei höher anzusetzen. Die schrägverzahnte Schaltvorrichtung 11 ist somit bereits bei Vorliegen einer Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B aus ihrem geöffneten Betriebszustand in ihren geschlossenen Betriebszustand überführbar, die in etwa doppelt so groß ist wie die Differenzdrehzahl, von der ausgehend gradverzahnte Schaltvorrichtungen ohne Beeinträchtigung des Fahrkomforts in ihren geschlossenen Betriebszustand überführbar sind.
Die Wahl, ob der Schrägungswinkel der Zahnprofile 12 und 13 der Schaltvorrichtung 11 als positiver oder als negativer spitzer Winkel ausgeführt ist, führt zu unterschiedlichen Vorgehensweisen beim Schließen der Schaltvorrichtung 11. Sind die Zahnprofile 12 und 13 mit dem negativen Schrägungswinkel β ausgeführt, ist die Drehgeschwindigkeit der Schaltelementhälfte 11B während des Schließvorganges größer als die Drehgeschwindigkeit der Schaltelementhälfte 11A einzustellen. Im Unterschied hierzu ist die Drehgeschwindigkeit der Schaltelementhälfte 11B bei positivem Schrägungswinkel α der Zahnprofile 12 und 13 kleiner einzustellen, als die Drehgeschwindigkeit der Schaltelementhälfte 11A. Beide Bedingungen ermöglichen in Abhängigkeit des jeweils gewählten Schrägungswinkels ein Einlegen der Schaltvorrichtung 11 ohne Zahnflankenberührung.
Sind die Zahnprofile 12 und 13 mit dem negativen Schrägungswinkel β ausgeführt, ist die Schaltvorrichtung 11 dann auf einfache Art und Weise in ihren geschlossenen Betriebszustand überführbar, wenn der Fahrzeugantriebsstrang 1 so aufgebaut ist, dass das Schaltelement 11A, beispielsweise über eine Lamellenkupplung, auf die Drehzahl des Schaltelementes 11B hochbeschleunigt wird. Ist die Differenzdrehzahl zwischen den beiden Schaltelementhälften 11A und 11B im Wesentlichen gleich null, führt ein Schlupfereignis im Bereich der Schaltelementhälfte 11B ebenfalls zu einer höheren Drehgeschwindigkeit, womit die Schaltvorrichtung 11 in ihren geschlossenen Betriebszustand überführbar ist.
Im Unterschied hierzu ist die Schaltvorrichtung 11 bei einer Ausführung der Zahnprofile 12 und 13 mit einem positiven Schrägungswinkel α mit geringem Aufwand in ihren geschlossenen Betriebszustand überführbar, wenn das Schaltelement 11B im vorbeschriebenen Umfang vom reibschlüssigen Schaltelement 9 in Richtung der Drehzahl der mit dem Rad 5B verbundenen Schaltelementhälfte 11A beschleunigt bzw. geführt wird. Die Zuschaltung der Schaltvorrichtung 11 ist auch bei einem Anfahrvorgang eines Fahrzeuges mit geringem Betätigungsaufwand durchführbar, da während des Anfahrvorganges das reibschlüssige Schaltelement 9 in geöffnetem Betriebszustand belassen werden kann, wobei dann eine das Verteilergetriebe 8 und das Querverteilergetriebe 10 verbindende Kardanwelle 15 des Fahrzeugantriebsstranges 1 nicht hochbeschleunigt wird. Während des Anfahrvorganges des Fahrzeugantriebsstranges 1 beginnen sich die Räder 5A und 5B zu drehen, womit die zum Schließen der Schaltvorrichtung 11 benötigte Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B ohne zusätzliche Betätigung des reibschlüssigen Schaltelementes 9 vorliegt.
Nachfolgend wird der Zusammenhang zwischen dem Schrägungswinkel α oder β der Zahnprofile 12 und 13 und einer festgelegten Differenzdrehzahl zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B zum Einlegen der Schaltvorrichtung 11 ohne Zahnflankenberührung näher erläutert, zu denen jeweils ein Fahrzeug mit hohem Fahrkomfort betreibbar ist. Dabei wird nicht die genaue Geometrie der Zahnprofile 12 und 13 abgebildet, sondern ein vereinfachtes Modell berechnet, um eine erste Abschätzung über den Schrägungswinkel zu erhalten. Die zur Berechnung erforderlichen Parameter ergeben sich aus den technischen Daten einer als Klauenkupplung ausgeführten Schaltvorrichtung und sind ein sogenannter Teilkreisdurchmesser D_TK der jeweils im Bereich des Zahnprofils 12 oder 13 als Welle ausgeführten Schaltelementhälfte 11A oder 11B, eine Anzahl N_Z der Zähne der Zahnprofile 12 oder 13 sowie eine Zahnlänge y der Zahnprofile 12 und 13 in Schaltrichtung der Schaltvorrichtung 11. Zusätzlich findet in die Berechnung des Schrägungswinkels α oder β auch eine vordefinierte Einlegezeit bzw. Schließzeit t der Schaltvorrichtung 11 Eingang, wobei der Berechnung der Zeitraum zugrunde gelegt wird, innerhalb dem die Schaltvorrichtung 11 ohne Flankenberührung zwischen den Zahnprofilen 12 und 13 aus dem geöffneten Betriebszustand in den geschlossenen Betriebszustand überführt wird. Zusätzlich wird auch die an der Schaltvorrichtung 11 anliegende Schaltkraft bzw. Federkraft F_F berücksichtigt, die in geschlossenem Betriebszustand der Schaltvorrichtung 11 an dieser anliegt.
Aus dem Teilkreisdurchmesser D_TK und der Anzahl der Zähne N_Z ist zunächst eine mittlere Zahn- bzw. Lückenbreite Z_B der Zahnprofile 12 und 13 gemäß folgendem formelmäßigem Zusammenhang ermittelbar:
Unter Annahme einer konstanten Differenzdrehzahl zum Einlegen der Schaltvorrichtung 11 ohne Flankenberührung ergibt sich aus der mittleren Zahnbreite Z_B gemäß folgendem formelmäßigem Zusammenhang ein Verdrehweg pro Minute: φ_1min = n_Diff·π·D_TK
Dabei entspricht n_Diff der konstanten Differenzdrehzahl zum Einlegen der Schaltvorrichtung 11 ohne Flankenberührung.
Die Zeit φ_t ohne Flankenberührung ist über folgende Gleichung bestimmbar: φ_t = φ_1min·t
Somit lässt sich aus den vorstehend näher bestimmbaren Größen der Schrägungswinkel α oder β wie folgt ermitteln:
wobei die Variable y der Tiefe der Zahnprofile 12 und 13 in Schaltrichtung der Schaltvorrichtung 11 entspricht.
Aufgrund der Schrägstellung der Zahnprofile 12 und 13 treten sowohl im eingelegten Zustand der Schaltvorrichtung 11 als auch beim Herausziehen bzw. Öffnen der Schaltvorrichtung 11 zusätzliche Kräfte auf, welche bei einer Systemauslegung zu berücksichtigen sind.
So entsteht bei eingelegter Schaltvorrichtung 11 durch das zu übertragende Drehmoment eine axiale Komponente der Verzahnungskraft, die an der Schaltelementhälfte 11B in Öffnungsrichtung der Schaltvorrichtung 11 angreift. Das maximal von der Schaltvorrichtung 11 übertragbare Drehmoment wird durch die Zahnfußfestigkeit der Verzahnung der Schaltvorrichtung 11 festgelegt. Über den Teilkreisdurchmesser D_TK der als Welle ausgeführten Schaltelementhälfte 11A oder 11B ergibt sich die Verzahnungskraft F_Z gemäß folgender Gleichung:
Mit dem vorbestimmten Schrägungswinkel α entsteht in Abhängigkeit der Verzahnungskraft F_Z eine austreibende Kraft F_A: F_A = F_Z·sin(α)
Zusätzlich ist die vorgenannte Normalkraft F_N wie folgt bestimmbar: F_N = F_Z·cos(α)
Auf Basis der Normalkraft F_N sind Haftreibungs- und Gleitreibungskräfte F_RO und F_R bestimmbar. Die Haftreibungs- und Gleitreibungskräfte F_RO und F_R geben Aufschluss darüber, ob das System zusammen mit der Federkraft F_F die Schaltvorrichtung 11 bei anliegendem maximalem über die Schaltvorrichtung 11 führbaren Drehmoment im geschlossenen Betriebszustand halten kann. Dabei ergibt sich die Haftreibungskraft F_RO aus dem Produkt des Haftreibungskoeffizienten und der Normalkraft F_N. Selbst unter Annahme des geringsten aus der Literatur bekannten Haftreibungskoeffizienten ist die Haftreibungskraft F_RO deutlich größer als die austreibende Kraft F_A, womit im Falle der Haftreibung ein Herauswandern der Schaltvorrichtung 11 unterbleibt.
Die Ausführung der Schaltvorrichtung 11 mit schrägverzahnten Zahnprofilen 12 und 13 bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, das Zuschalten eines Allradsystems eines Fahrzeuges, wie beispielsweise das gemäß 1, durch Erhöhung eines verwendbaren Differenzdrehzahlfensters im Bereich der Schaltvorrichtung 11 mit deutlichen Verbesserungen hinsichtlich der Zuschaltzeit und der Schaltakustik durchführen zu können.
Bei gradverzahnten formschlüssigen Schaltelementen ist der Grund für eine Geräuschentwicklung beim Einlegen einer Klauenkupplung der unmittelbare Abbau der Differenzdrehzahl beim ersten Flankenkontakt der Verzahnungsteile. Der dadurch entstehende Drehmomentstoß stützt sich im Bereich von Lagern ab und wird beispielsweise über eine Getriebeaufhängung in einen Fahrzeuginnenraum übertragen. Durch die schrägverzahnte Ausführung der Schaltvorrichtung 11 baut sich dieser Drehmomentstoß nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt, sondern zu zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten ab. Deshalb ist es möglich, die Hörschwelle beim Einlegen der Schaltvorrichtung 11 auf einen wesentlich höheren Differenzdrehzahlwert im Bereich zwischen den Schaltelementhälften 11A und 11B zu erhöhen. Dies bietet Vorteile während des Schaltablaufes, da eine Zuschaltung der Schaltvorrichtung 11 weit vor Erreichen der Synchrondrehzahl möglich ist. Dies hat einen deutlichen Zeitgewinn zur Folge. Erste Berechnungen des Schrägungswinkels haben ergeben, dass bereits ein kleiner Winkel von wenigen Grad die vorbeschriebenen Vorteile bietet.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeugantriebsstrang
2: Antriebsmaschine
3: Getriebe
4: Fahrzeugachse
4A, 4B: Rad
5: Fahrzeugachse
5A, 5B: Rad
6: Querverteilergetriebe
7: Getriebeausgangswelle
8: Verteilergetriebe
9: reibschlüssiges Schaltelement
10: Querverteilergetriebe
11: Schaltvorrichtung
11A, 11B: Schaltelementhälfte
12: Zahnprofil
13: Zahnprofil
14: Schaltrichtungen
14A: Hülsenbereich
15: Kardanwelle
α, β: Schrägungswinkel

Claims

Schaltvorrichtung (11) mit zwei Schaltelementhälften (11A, 11B), die im Bereich von mit Zahnprofilen (12, 13) ausgeführten Bereichen miteinander drehfest verbindbar sind, wobei zwischen den Schaltelementhälften (11A, 11B) bei aufgehobenem Formschluss eine Relativdrehbewegung darstellbar ist und der Formschluss durch axiales Verschieben wenigstens einer Schaltelementhälfte (11B) gegenüber der anderen Schaltelementhälfte (11A) schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnprofile (12, 13) in Bezug auf die axiale Schaltrichtung (14) der wenigstens einen Schaltelementhälfte (11B) schrägverzahnt ausgeführt sind, wobei ein Schrägungswinkel (α; β) der Zahnprofile (12, 13) in Bezug auf die Schaltrichtung (14) als positiver oder negativer spitzer Winkel ausgeführt ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelementhälften (11A, 11B) koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die eine Schaltelementhälfte (11B) mit einem Hülsenbereich mit einer Innenverzahnung ausgeführt ist, die mit einer Außenverzahnung der anderen Schaltelementhälfte (11A) in Eingriff bringbar ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Schaltweg der wenigstens einen axial verschiebbaren Schaltelementhälfte durch einen oder mehrere Anschläge begrenzt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Anforderung zum Herstellen des Formschlusses im Bereich der Schaltvorrichtung (11) eine Drehzahl der einen Schaltelementhälfte (11B) kleiner als die Drehzahl der anderen Schaltelementhälfte (11A) eingestellt wird, wenn der Schrägungswinkel (α) positiv ist, während die Drehzahl der einen Schaltelementhälfte (11B) bei vorliegendem negativem Schrägungswinkel (β) auf Werte größer als die Drehzahl der anderen Schaltelementhälfte (11A) geführt wird, wobei der Formschluss anschließend geschlossen wird.
Fahrzeugantriebsstrang (1) mit einer Antriebsmaschine (2) und mit einer Schaltvorrichtung (11) gemäß einem der vorstehend genannten Patentansprüche, wobei die Schaltvorrichtung (11) über ein reibschlüssiges Schaltelement (9), deren Übertragungsfähigkeit stufenlos variierbar ist, mit der Antriebsmaschine (2) oder einem Rad einer antreibbaren Fahrzeugachse in Wirkverbindung bringbar ist.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schaltelementhälften (11B) der Schaltvorrichtung (11) über das reibschlüssige Schaltelement (9) mit der Antriebsmaschine (2) in Wirkverbindung bringbar ist, während die weitere Schaltelementhälfte (11A) mit einem Rad (5B) einer antreibbaren Fahrzeugachse (5) verbunden ist.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (11) im Leistungsfluss des Fahrzeugantriebsstranges (1) zwischen dem Rad (5B) und einem Querverteilergetriebe (10) der antreibbaren Fahrzeugachse (5) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugantriebsstranges (1) gemäß einem der Patentansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Anforderung zum Herstellen des Formschlusses im Bereich der Schaltvorrichtung (11) eine Drehzahl der mit dem reibschlüssigen Schaltelement (9) wirkverbundenen Schaltelementhälfte (11B) kleiner als die Drehzahl der mit dem Rad (5B) gekoppelten Schaltelementhälfte (11A) eingestellt wird, wenn der Schrägungswinkel (α) der Zahnprofile (12, 13) positiv ist, während die Drehzahl der mit dem reibschlüssigen Schaltelement (9) gekoppelten Schaltelementhälfte (11B) bei vorliegendem negativen Schrägungswinkel (β) der Zahnprofile (12, 13) auf Werte größer als die Drehzahl der mit dem Rad (5B) verbundenen Schaltelementhälfte (11A) geführt wird, wobei der Formschluss anschließend geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der über das reibschlüssige Schaltelement (9) mit der Antriebsmaschine (2) in Wirkverbindung bringbaren Schaltelementhälfte (11B) durch Variieren der Übertragungsfähigkeit des reibschlüssigen Schaltelementes (9) und/oder Einstellen der Drehzahl der Antriebsmaschine (2) veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss im Bereich der Schaltvorrichtung (11) aufhebbar ist, wenn im Bereich eines zwischen der Antriebsmaschine (2) und der Schaltvorrichtung (11) angeordneten Getriebes (3) eine Übersetzung für Vorwärtsfahrt eingelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss im Bereich der Schaltvorrichtung (11) hergestellt wird oder ein Auslegen des Formschlusses unterbleibt, wenn eine Anforderung zum Einlegen einer Übersetzung für Rückwärtsfahrt im Getriebe (3) vorliegt.