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Die Erfindung betrifft eine Synchronbaugruppe mit einer Nabe, mindestens einem Druckstück und mindestens einem Synchronring. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Synchronbaugruppe, die bei einer Synchronisierung des Typs „BorgWarner“ verwendet wird.
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Bei einer BorgWarner-Synchronisierung wird auf einer Welle eines Schaltgetriebes, wie es insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendet wird, drehfest eine Nabe (auch bezeichnet als Synchronkörper) angebracht. Drehfest auf der Nabe, jedoch in axialer Richtung verschiebbar, ist eine Schiebemuffe angeordnet, die dazu dient, eine drehfeste Verbindung zu Getriebezahnrädern herzustellen, die beiderseits der Nabe drehbar auf der Getriebewelle gelagert sind. Zu diesem Zweck sind die Zahnräder mit einer Schaltverzahnung versehen, auf die ein Randabschnitt der Schiebemuffe aufgeschoben werden kann.
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Bevor die Schiebemuffe in die Schaltverzahnung eingreift, muss die Drehzahl von Nabe und Schiebemuffe einerseits und Getriebezahnrad andererseits synchronisiert werden. Zu diesem Zweck ist der mindestens eine Synchronring vorgesehen, der an der Nabe angeordnet ist und, sobald die Schiebemuffe aus ihrer Mittel- bzw. Neutralstellung herausbewegt wird, mit einer entsprechenden Reibfläche in Eingriff gelangt, die dem Getriebezahnrad zugeordnet ist. Solange eine Relativdrehzahl zwischen Nabe und Getriebezahnrad besteht, wird der Synchronring relativ zur Nabe in Umfangsrichtung in eine Sperrstellung beaufschlagt, in der es der Schiebemuffe nicht möglich ist, in die Schaltverzahnung des Getriebezahnrads einzugreifen. Erst wenn die Drehzahlen vollständig (oder zumindest nahezu vollständig) angeglichen sind und dadurch auf den Synchronring kein (oder nur noch ein geringes) Schleppmoment mehr wirkt, kann der Synchronring relativ zur Nabe so verschoben werden, dass die Schiebemuffe durchgeschaltet werden kann. Diese Funktionsweise ist allgemein bekannt.
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Da die Synchronringe sich funktionsbedingt sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung relativ zur Nabe verstellen müssen, kann nicht zuverlässig verhindert werden, dass die Synchronringe sich unkontrolliert relativ zur Nabe und zur Schiebemuffe bewegen und dabei zum Schwingen angeregt werden. Diese Schwingungen führen zu inneren Beanspruchungen des Synchronrings selbst und können auch dazu führen, dass der Synchronring an den ihn umgebenden Bauteilen im Getriebe unkontrolliert anstößt und dabei unter Umständen weiter zum Schwingen angeregt wird. Schwingungen können außerdem angeregt werden durch einen unrunden Lauf der Getriebewellen, was verstärkt wird durch den Trend hin zu geringeren Zylinderzahlen der Verbrennungsmotoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden; ein Dreizylindermotor läuft unrunder als ein Vierzylindermotor.
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Die
DE 10 2010 005 705 A1 zeigt eine Synchronbaugruppe mit einer Nabe und einem Druckstück, das in einer Ausnehmung der Nabe gelagert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Synchronbaugruppe dahingehend weiterzubilden, dass das Entstehen von Schwingungen der Synchronringe reduziert oder ganz verhindert wird, sodass die auf die Synchronringe wirkenden Belastungen, der sich ergebende Verschleiß sowie die Geräuschentwicklung verringert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Synchronbaugruppe vorgesehen mit einer Nabe, mindestens einem Druckstück, das in einer Ausnehmung der Nabe so gelagert ist, dass es Spiel in Umfangsrichtung hat, mindestens einem Synchronring, der mit mehreren Zentrierfortsätzen versehen ist, die jeweils in eine Zentrieraufnahme des Druckstücks so eingreifen, dass sie in Umfangsrichtung im Wesentlichen spielfrei gehalten sind, und einer Schiebemuffe, die verschiebbar auf der Nabe gelagert ist, wobei ein Kippmechanismus vorgesehen ist, der gewährleistet, dass das Druckstück in Umfangsrichtung in eine Endstellung innerhalb der Ausnehmung beaufschlagt wird. Der Kippmechanismus weist hierbei einen Totpunkt auf, der sich mittig zwischen den beiden Endstellungen befindet. Der Totpunkt gewährleistet, dass sich das Druckstück zuverlässig von der einen Stellung in die andere Stellung umschlägt. Ferner ist vorgesehen, dass die Schiebemuffe im Bereich des Druckstücks eine Sattelfläche aufweist, deren Scheitel den Totpunkt darstellt.
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Die Erfindung beruht ganz allgemein auf dem Grundgedanken, den Synchronring in einer möglichst definierten Position zu halten, sodass er sich nicht unkontrolliert bewegen kann und auch von einem etwaigen unrunden Lauf der Getriebewelle nicht unbeabsichtigt in Schwingungen versetzt wird.
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Konkret ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Synchronring über die Zentrierfortsätze in Umfangsrichtung (nahezu) spielfrei am Druckstück gehalten ist und dass das Druckstück selbst ebenfalls in Umfangsrichtung spielfrei dadurch gehalten wird, dass es vom Kippmechanismus in eine von zwei Endstellungen beaufschlagt wird. Dadurch ist der Synchronring mindestens in Umfangsrichtung jederzeit präzise festgelegt, während er dennoch die für seine technische Funktion notwendige Relativdrehung relativ zur Nabe ausführen kann; in diesem Fall wird das Druckstück in Umfangsrichtung mitgenommen, bis es die andere Endstellung erreicht.
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Indem die Schiebemuffe im Bereich des Druckstücks eine Sattelfläche aufweist, kann das üblicherweise sowieso vorhandene Rastelement auch dafür verwendet werden, die Beaufschlagung in Umfangsrichtung in die eine oder andere Endstellung zu gewährleisten.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckstück mit einer Feder versehen ist, die mittel- oder unmittelbar mit der Schiebemuffe zusammenwirkt. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand eine Federvorspannung erzeugt werden, die dafür sorgt, dass das Druckstück in die eine oder andere Endstellung beaufschlagt wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Feder auf ein Rastelement wirkt und dieses elastisch gegen eine Innenfläche der Schiebemuffe beaufschlagt. Mit dieser Ausgestaltung kann ein verschleißunempfindlicher Kippmechanismus gebildet werden, der noch dazu mit geringer Reibung arbeitet.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zentrieraufnahme den ihr zugeordneten Zentrierfortsatz in axialer Richtung verschiebbar aufnimmt. Bei dieser Ausgestaltung ergeben sich größere Freiheiten hinsichtlich der Gestaltung des Synchronrings, da er in axialer Richtung nicht relativ zum Druckstück fixiert ist.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Zentrieraufnahme den ihr zugeordneten Zentrierfortsatz in axialer Richtung fest aufnimmt. Auf diese Weise ergibt sich über die Positionierung in Umfangsrichtung hinaus auch eine präzise Positionierung des Synchronrings in axialer Richtung, sodass Schwingungen verringert sind.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Zentrierfortsatz an einer Lasche gebildet ist, die einstückig mit dem Synchronring ausgeführt ist. Diese Gestaltung führt zu geringen Herstellungskosten, da keine separate Zentrierlasche mit dem Synchronring verbunden werden muss. Insbesondere wenn der Synchronring auf der Basis eines Blechzuschnitts hergestellt wird, kann der Zentrierfortsatz mit sehr geringem Aufwand einfach ausgestanzt und umgebogen werden.
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Vorzugsweise sind drei Zentrierfortsätze vorgesehen. Diese können insbesondere in Umfangsrichtung in einem Abstand von 120° zueinander angeordnet sein, sodass der Synchronring zuverlässig abgestützt und dadurch am Schwingen gehindert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
- - 1 in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Synchronbaugruppe mit zwei schematisch dargestellten Getriebezahnrädern;
- - 2 in vergrößertem Maßstab das Detail II von 1;
- - 3 einen Schnitt entlang der Ebene III-III von 1;
- - 4 einen Schnitt entlang der Ebene IV-IV von 3; und
- - 5 die Synchronbaugruppe in einer perspektivischen Ansicht.
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In den Figuren ist eine Synchronbaugruppe 5 gezeigt, die dazu dient, zwei hier schematisch gezeigte Getriebezahnräder 7, 9 drehfest mit einer (nicht dargestellten) Getriebewelle zu verbinden. Die Getriebezahnräder 7, 9 sind hier zur Vereinfachung mit identischem Durchmesser gezeigt; in der Praxis haben sie unterschiedliche Durchmesser. Es ist natürlich auch möglich, der Synchronbaugruppe nur einen einzigen Gang und damit ein einziges Getriebezahnrad zuzuordnen.
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Die Synchronbaugruppe 5 enthält eine Nabe 10 (auch bezeichnet als Synchronkörper), der mittels einer Nabenverzahnung 12 drehfest auf der Getriebewelle angeordnet ist. Die Getriebewelle erstreckt sich entlang einer Mittelachse M, die gleichzeitig auch die Mittel- und Rotationsachse für die Getriebezahnräder 7, 9 sowie die Synchronbaugruppe 5 ist.
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Die Getriebezahnräder 7, 9 sind als Losräder auf der Getriebewelle angeordnet. Wenn einer der Gänge benutzt werden soll, dem das entsprechende Getriebezahnrad 7, 9 zugeordnet ist, muss dieses drehfest mit der Getriebewelle verbunden werden. Dies erfolgt hier mittels einer BorgWarner-Synchronisierung, die an sich bekannt ist und nachfolgend nur in ihren Grundzügen erläutert wird.
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Die Nabe 10 ist entlang ihrem Außenumfang mit einer Schiebemuffenverzahnung 14 versehen, auf der eine Schiebemuffe 16 drehfest, aber in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Hierfür ist am Innenumfang der Schiebemuffe 16 eine Innenverzahnung 17 vorgesehen. Mit der Schiebemuffe 16 kann eine (nicht dargestellte) Schaltgabel zusammenwirken, um die Gänge zu schalten.
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Jedes der Getriebezahnräder 7, 9 ist mit einer Schaltverzahnung 18 versehen, auf die die Schiebemuffe 16 mit ihrer Innenverzahnung 17 aufgeschoben werden kann, indem sie aus ihrer in den Figuren gezeigten Mittel- bzw. Neutralstellung in axialer Richtung entsprechend weit verschoben wird. Hierdurch ist eine drehfeste Verbindung von der Getriebewelle über die Nabe 10 und die Schiebemuffe 16 zum entsprechenden Getriebezahnrad 7 bzw. 9 hergestellt, so dass der entsprechende Gang zur Drehmomentübertragung verwendet werden kann.
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Die drehfeste Verbindung zwischen der Schiebemuffe 16 und der entsprechenden Schaltverzahnung 18 kann im Hinblick auf Verschleiß und Komfort nur dann sinnvoll hergestellt werden, wenn die Drehzahlen der Schiebemuffe 16 und des entsprechenden Getriebezahnrads 7 bzw. 9 identisch oder zumindest annähernd identisch sind. Um dies zu gewährleisten, werden die Drehzahlen der Bauteile zu Beginn des Schaltvorgangs synchronisiert.
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Hierfür ist für jedes Getriebezahnrad mindestens ein Synchronring 20 vorgesehen, dessen Hauptaufgabe darin besteht, mit einer dem entsprechenden Getriebezahnrad 7 bzw. 9 zugeordneten Reibfläche in Reibeingriff zu gelangen, sobald die Schiebemuffe 16 aus ihrer Mittelstellung heraus hin zu einem Getriebezahnrad 7 bzw. 9 bewegt wird. Der entsprechende Synchronring 20 hat weiterhin die Funktion, ein Durchschalten der Schiebemuffe, also einen Eingriff in die Schaltverzahnung 18, so lange zu verhindern, wie die Drehzahlen von Nabe 10 und damit Schiebemuffe 16 einerseits und dem entsprechenden Getriebezahnrad 7 bzw. 9 andererseits noch nicht ausreichend aneinander angeglichen sind. Zu diesem Zweck weist jeder Synchronring 20 eine Sperrverzahnung 22 auf, deren Verzahnungsmodul dem der Schiebemuffenverzahnung 14 sowie der Innenverzahnung 17 der Schiebemuffe 16 entspricht.
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Jeder Synchronring 20 ist an der Nabe 10 so angebracht, dass er in Umfangsrichtung begrenzt verdrehbar ist. Der mögliche Drehwinkel ist dabei so eingestellt, dass die Zähne der Sperrverzahnung 22 des Synchronrings 20, wenn er sich in der maximal verdrehten Position befindet, den Zähnen der Innenverzahnung der Schiebemuffe 16 gegenüberliegt. Erst wenn die Drehzahlen von Schiebemuffe 16 und entsprechendem Getriebezahnrad 7, 9 mindestens nahezu angeglichen wird und dadurch kein oder mindestens nahezu kein Schleppmoment mehr auf den Synchronring 20 wirkt, kann dieser durch Zusammenwirken von geeigneten Facetten an der Schiebemuffe 16 und an der Sperrverzahnung 22 in Umfangsrichtung zurück in eine Position gedreht werden, in der die Schiebemuffe 16 in axialer Richtung verstellt werden kann, bis sie in die Schaltverzahnung 18 des entsprechenden Getriebezahnrads bzw. 9 eingreift.
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Um die Schiebemuffe 16 in ihrer Mittelstellung zu zentrieren und auch um zu Beginn des Schaltvorgangs den entsprechenden Synchronring 20 mit der ihm zugeordneten Reibfläche in Eingriff zu bringen, sind an der Nabe mehrere Druckstücke 30 vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen 32 der Nabe 10 eingesetzt sind. Üblich sind drei Druckstücke, die gleichmäßig um den Umfang der Nabe 10 herum verteilt sind.
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Jedes Druckstück 30 weist ein Rastelement 34 in der Form einer gehärteten Kugel auf, die von einer Feder 36 aus dem Druckstück 30 heraus und gegen eine Rastfläche 38 auf der Innenseite der Schiebemuffe 16 beaufschlagt wird. Wie insbesondere in den 1 und 2 zu sehen ist, ist die Rastfläche 38 als in radialer Richtung sich nach außen vertiefende Aussparung ausgeführt, in die das Rastelement 34 eingreift, wenn sich die Schiebemuffe 16 in ihrer Mittelstellung befindet. Um die Schiebemuffe 16 in axialer Richtung zu verschieben, muss also das Rastelement 34 in radialer Richtung nach innen entgegen der Wirkung der Feder 36 verstellt werden.
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Der bis hier beschriebene Aufbau einer BorgWarner-Synchronisierung ist allgemein bekannt. Ebenso bekannt ist, dass der konkret in den Figuren gezeigte Aufbau im Hinblick auf verschiedene Randbedingungen modifiziert werden kann. Dennoch ist die Grundfunktion der BorgWarner-Synchronisierung immer dieselbe.
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Nachfolgend wird insbesondere anhand der 3 bis 5 beschrieben, wie die erfindungsgemäße Synchronbaugruppe ausgeführt ist, um Schwingungen der Synchronringe 20 zu verringern oder ganz zu vermeiden.
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Die wesentliche Modifikation besteht darin, dass ein Kippmechanismus vorgesehen ist, der dafür sorgt, dass im unbetätigten Zustand (Neutral-Mittelstellung) die Druckstücke und somit die Synchronringe in einer von zwei möglichen Endstellungen stabilisiert werden. In die jeweilige Endstellung gelangen die Druckstücke und die Synchronringe durch die auftretenden Schleppmomente und Reibungsverluste.
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Der Kippmechanismus ist hier gebildet durch die Rastfläche 38, die in Umfangsrichtung betrachtet zwei schräg zueinander ausgerichtete Abschnitte 38A, 38B aufweist, die einen stumpfen Winkel miteinander einschließen. Dieser kann beispielsweise in der Größenordnung von 170° liegen; andere Werte sind jedoch auch geeignet.
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Die Abschnitte 38A, 38B treffen einander in einem Totpunkt 40 des Kippmechanismus, der in Umfangsrichtung betrachtet mittig innerhalb der Ausnehmung 32 liegt. Im Totpunkt 40 hat die Rastfläche 38, in Umfangsrichtung betrachtet, den kleinsten Abstand von der Mittelachse M; wandert man ausgehend vom Totpunkt 40 in einer der beiden Umfangsrichtungen entlang der Rastfläche 38, erhöht sich der Abstand von der Mittelachse M. Dies gewährleistet, dass das Druckstück 30 sich eigentlich nicht in der in 4 gezeigten Mittelstellung befindet, sondern normalerweise gegenüber der dort gezeigten Stellung in Umfangsrichtung nach rechts oder nach links verschoben ist, bis es an einer Anschlagfläche 42 der Ausnehmung 32 in Anlage gelangt. Hierfür sorgt das Rastelement 34, welches unter der Wirkung der Feder 36 gegen die Rastfläche 38 beaufschlagt wird.
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Wie insbesondere in 3 zu sehen ist, ist das Druckstück 30 mit zwei Zentrieraufnahmen 50 versehen, die als seitliche Aussparungen im Druckstück 30 ausgeführt sind und zwischen zwei einander in Umfangsrichtung jeweils gegenüberliegenden Nasen 52 ausgebildet sind.
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In die Zentrieraufnahmen 50 greifen Zentrierfortsätze 54 ein, die an den Synchronringen 20 gebildet sind. Die Abmessungen der Zentrierfortsätze 54 sind relativ zu den Abmessungen der Zentrieraufnahmen 50 so gewählt, dass die Zentrierfortsätze 54 in Umfangsrichtung nahezu kein Spiel haben.
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Die Zentrierfortsätze 54 sind gebildet am Ende von Laschen 56, die einstückig mit den Synchronringen 20 ausgebildet sind. Die Laschen 56 können insbesondere bei der Herstellung des Grundkörpers des Synchronrings, der aus Blech gebildet sein kann, mit diesem als Teil desselben Zuschnitts ausgestanzt werden. Anschließend werden sie umgebogen, sodass sie sich im Wesentlichen parallel zum Grundkörper des Synchronrings 20 erstrecken, der mit der Reibfläche versehen ist (siehe 2). Die an den Laschen 56 ausgebildeten Zentrierfortsätze 54 erstrecken sich also im Wesentlichen in axialer Richtung.
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Da die Synchronringe 20 in Umfangsrichtung nahezu spielfrei in den Druckstücken 30 aufgenommen sind und dieses wiederum durch den Kippmechanismus in Umfangsrichtung in Anlage an einer der Anschlagflächen 42 gehalten wird, wird jeder der Synchronringe 20 normalerweise in Umfangsrichtung in einer definierten Position gehalten. Hierdurch wird verhindert, dass er unkontrolliert in Schwingungen versetzt wird. Dennoch erlaubt der Kippmechanismus die Relativbewegung des entsprechenden Synchronrings relativ zur Nabe 10, wenn ein Gang geschaltet werden soll; die dabei wirkenden Kräfte sind merklich größer als die Kräfte, die vom Zentriermechanismus durch Zusammenwirken des Rastelements 34 mit einem der Abschnitte 38A, 38B der Rastfläche 38 erzeugt wird.
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Da außerdem die Zentrierfortsätze gleichmäßig entlang dem Umfang des Synchronrings 20 verteilt sind, wird der Synchronring 20 durch das Zusammenwirken mit den Druckstücken 30 auf die Mittelachse M der Nabe zentriert und somit in gleichmäßigem Abstand vom Getriebezahnrad bzw. der an diesem angeordneten Reibfläche gehalten. Auch dies verhindert, dass der Synchronring 20 zum Schwingen angeregt wird.
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Die Schrägen der Rampen 38A, 38B können auf die Rastkontur beschränkt sein, da sich die Druckstücke bzw. Synchronringe im geschalteten Zustand der entsprechenden Getriebezahnräder gar nicht in einer der beiden Endlagen befinden können, weil in diesem Zustand die Position des Synchronrings und damit des Druckstücks durch die Verzahnung der Schiebemuffe vorgegeben ist. Mit anderen Worten ist der Umschlag und das Erreichen der Endstellungen nur in der Neutral- bzw. Mittelstellung möglich und notwendig. Ist der Synchronring nach dem Synchronvorgang entsperrt, d.h. durch die Verzahnung der Schiebemuffe in die Mittellage zurückverdreht, ist das Umschlagspiel sowieso auf ein Minimum reduziert (für beide Synchronringe durch die spielfrei Aufnahme in den Zentrieraufnahmen).
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Gemäß einer nicht dargestellten Weiterbildung ist grundsätzlich auch möglich, die Synchronringe 20 in axialer Richtung fest mit dem Druckstück zu koppeln, um Schwingungen in axialer Richtung zu verringern bzw. vollständig zu unterbinden. In diesem Fall müssten die Abmessungen des Synchronrings und die Verschiebbarkeit des Druckstücks 30 dahingehend gewählt werden, dass die in axialer Richtung für die Funktion des Synchronrings notwendige Verschiebbarkeit möglich ist.
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Bei der beschriebenen Synchronbaugruppe werden die Synchronringe über die Zentrierfortsätze in Umfangsrichtung zentriert und fixiert, sodass die Synchronringe festgelegt sind und daher verhindert ist, dass sie zu Schwingungen angeregt werden. Hieraus resultieren eine insgesamt geringere Belastung aller Bauteile und eine reduzierte Geräuschentwicklung (Rasseln) aufgrund der verringerten Schwingungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Synchronringe an den Druckstücken der Synchronbaugruppe vormontiert werden können, sodass die gesamte Synchronbaugruppe als vormontierte Einheit im Getriebe montiert werden kann. Wenn die Druckstücke aus Kunststoff ausgeführt werden, wird das Anschlaggeräusch beim Umschlagen innerhalb der Ausnehmung 32 verringert.
