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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 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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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Synchronbaugruppe gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die Synchronbaugruppe hat eine Nabe, mindestens ein Druckstück, das an der Nabe gelagert ist, und mindestens einen Synchronring, wobei der Synchronring mit mehreren Zentrierfortsätzen versehen ist, die sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung formschlüssig in das jeweilige Druckstück eingreifen. 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. Konkret ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Synchronringe formschlüssig mit dem Druckstück und damit auch miteinander gekoppelt sind. In der Neutral-/Mittelstellung der Schiebemuffe sind daher auch die Synchronringe (über das mittig positionierte Druckstück) zwangsgelüftet und axial positioniert.
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Hierdurch ist verhindert, dass die Synchronringe unkontrolliert zum Schwingen angeregt werden. Darüber hinaus kann auch eine Positionierung in Umfangsrichtung erfolgen.
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Ferner ist vorgesehen, dass jeder Zentrierfortsatz einen sich zum Druckstück hin erweiternden Kopfabschnitt aufweist, der so in eine Zentrierausnehmung des Druckstücks eingreift, dass er in Umfangsrichtung an beiden Seiten gleichzeitig mit der Zentrierausnehmung zusammenwirkt. Diese Gestaltung ermöglicht mit geringem konstruktivem Aufwand, den entsprechenden Synchronring zuverlässig mit den Druckstücken zu koppeln.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zentrierausnehmung zwischen zwei massiven Zentrierhaken gebildet ist. Dies gewährleistet, dass Relativbewegungen zwischen dem Synchronring und den Druckstücken auf ein toleranzbedingtes Mindestmaß reduziert werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zentrierhaken einstückig mit dem Druckstück ausgeführt sind. Somit ist es nicht notwendig, die Zentrierhaken am Druckstück zu montieren.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Zentrierausnehmung zwischen zwei einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Federlaschen gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform werden die Synchronringe, wenn sie nicht aktiv sind, mittels der Federlaschen in einer präzise definierten Stellung gehalten, in der Schwingungen weitestmöglich unterdrückt sind. Wenn jedoch eine axiale Bewegung und gegebenenfalls eine Bewegung in Umfangsrichtung relativ zu den Druckstücken notwendig ist, können die Federlaschen so nachgeben, dass die nötige Relativbewegung nicht behindert wird.
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Die Federlaschen können insbesondere Teil eines Federelements sein, das am Druckstück montiert ist. Dies ermöglicht, für die Federlaschen einen Federstahl zu verwenden, während das Druckstück aus einem anderen geeigneten Material ausgeführt werden kann, beispielsweise Kunststoff oder Sintermetall.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist in Umfangsrichtung ein Spiel zwischen dem Druckstück und der Nabe vorgesehen. Das Relativspiel ermöglicht die Relativdrehung zwischen der Nabe und dem Synchronring, die notwendig ist, damit der Synchronring zwischen seiner Sperrstellung und seiner Durchschaltstellung verstellt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckstück aus Kunststoff gebildet ist. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung und führt im Vergleich zu einem Druckstück aus Metall zu geringerer Geräuschbildung, wenn das Druckstück während eines Synchronvorgangs in der Ausnehmung in der Nabe umschlägt.
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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 2;
- - 4 das bei der Synchronbaugruppe der 1 bis 3 verwendete Druckstück in einer perspektivischen Ansicht;
- - 5 ein Detail des bei der Synchronbaugruppe der 1 bis 3 verwendeten Synchronrings im Bereich der Kopplung mit einer Druckstück;
- - 6 die Synchronbaugruppe der 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht, wobei der besseren Übersichtlichkeit einer der beiden Synchronringe weggelassen wurde; und
- - 7 in einer schematischen Draufsicht ein Druckstück für eine Synchronbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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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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An der Nabe sind mehrere Druckstücke 30 vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen 32 der Nabe eingesetzt sind. Die Druckstücke 30 dienen dazu, zu Beginn des Schaltvorgangs den entsprechenden Synchronring 20 mit der ihm zugeordneten Reibfläche in Eingriff zu bringen. 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 6 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 die Synchronringe sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung fest mit den Druckstücken 30 gekoppelt sind.
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Wie insbesondere in den 3, 4 und 6 zu sehen ist, weist jedes Druckstück 30 an seinen in axialer Richtung ausgerichteten Seitenflächen jeweils eine Zentrierausnehmung 40 auf, die zwischen zwei einander gegenüberliegenden Zentrierhaken 42 gebildet ist. Die Zentrierhaken 42 sind massiv und einstückig mit dem Druckstück 30 ausgebildet. In Umfangsrichtung betrachtet ist die Länge der Zentrierausnehmung 40 auf der dem Rastelement 34 zugewandten Seite größer als im Bereich der freien Enden der Zentrierhaken 42. Anders ausgedrückt: in axialer Richtung von außen betrachtet ist jede Zentrierausnehmung 40 hinterschnitten ausgeführt.
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Jeder Synchronring 20 weist drei gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Zentrierfortsätze 50 auf (siehe insbesondere die 3 und 5), die als einstückig mit dem Grundkörper des Synchronrings ausgeführte Laschen ausgebildet sind. Am freien Ende jeder Lasche ist ein sich erweiternder Kopfabschnitt 52 vorgesehen. Anders ausgedrückt hat der Kopfabschnitt 52, in Umfangsrichtung betrachtet, eine Breite, die größer als die in Umfangsrichtung gemessene Breite des Zentrierfortsatzes im Bereich des Übergangs zum Synchronring 20.
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Die Abmessungen der Zentrierfortsätze und insbesondere der Kopfabschnitte 52 der Zentrierfortsätze 50 sind so an die Abmessungen der Zentrierausnehmungen 40 in den Druckstücken 30 angepasst, dass die Zentrierfortsätze sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung formschlüssig nahezu spielfrei in den Zentrierausnehmungen 40 aufgenommen (siehe insbesondere 3).
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Grundsätzlich kann die formschlüssige Verbindung auch auf andere Weise hergestellt werden. Beispielweise können an den Druckstücken Fortsätze vorgesehen sein, die in Aufnahmen am Synchronring eingreifen.
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Da die Synchronringe 20 (zumindest nahezu) spielfrei in den Druckstücken 30 aufgenommen sind, ist verhindert, dass die Synchronringe unkontrolliert an Bauteilen der Synchronbaugruppe anschlagen können oder in Schwingungen versetzt werden. Um den Synchronringen dennoch die in Umfangsrichtung nötige Verdrehung relativ zur Nabe 10 zu ermöglichen, ist die Ausnehmung 32, innerhalb der jedes Druckstück 30 angeordnet ist, in Umfangsrichtung gemessen länger als das entsprechende Druckstück 30. Dadurch wird es jedem Druckstück und damit auch den Synchronringen ermöglicht, sich ausgehend von der beispielsweise in 3 gezeigten Mittelstellung des Druckstücks um etwa die Hälfte der Zahnteilung der Sperrverzahnung 22 der Synchronringe 20 in der einen oder der anderen Richtung zu verstellen.
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Das Druckstück 30 kann insbesondere aus Kunststoff ausgeführt werden. Dies hat neben geringen Herstellungskosten den Vorteil, dass der Aufprall des Druckstücks am entsprechenden Endanschlag in der Ausnehmung 32 gedämpft ist, der dann auftritt, wenn der Synchronring zu Beginn einer Synchronisierung in seine Sperrstellung relativ zur Nabe verdreht wird und hier das Druckstück 30 mitnimmt.
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Da außerdem die beiden Synchronringe fest mit den Druckstücken 30 gekoppelt sind, können die Druckstücke sich relativ zur Nabe 10 in axialer Richtung in dem Maße bewegen, wie dies während eines Schalt- und Synchronisiervorgangs notwendig ist.
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In 7 ist eine Ausführungsvariante gezeigt, die sich von der in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Verbindung zwischen den Zentrierfortsätzen 50 der Synchronringe 20 und den Druckstücken 30 nicht starr ist, sondern elastisch nachgiebig. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zentrierausnehmung 40 zwischen zwei einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Federlaschen 60 ausgebildet sind, die Teil eines einstückigen Federelements sind. Die Federlaschen 60 liegen an der Einschnürung hinter dem Kopfabschnitt 52 des entsprechenden Zentrierfortsatzes 50 an und fixieren dadurch den Synchronring, wenn dieser nicht gerade aktiv ist, in einer definierten Stellung relativ zu den Druckstücken 30 und damit zur Nabe 10. Wenn einer der Synchronringe 20 während eines Synchronisiervorgangs in axialer Richtung relativ zu den Druckstücken 30 verstellt werden muss, geben die Federlaschen 60 elastisch nach. Nach Abschluss des Synchronisiervorgangs ziehen sie den Zentrierfortsatz wieder in die in 7 gezeigte Ausgangsstellung zurück, in der jeder Synchronring am entsprechenden Druckstück 30 und damit an der Nabe 10 fixiert ist.
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Insgesamt ergibt sich mit der beschriebenen Synchronbaugruppe der Vorteil, dass das axiale Spiel und das Kippspiel des Synchronrings verringert sind. Da die Synchronringe in einer präzisen Stellung an den Druckstücken 30 gehalten sind und dieser über das Rastelement 34 präzise in seiner Mittelstellung fixiert ist, werden die Synchronringe 20 zuverlässig gelüftet bzw. zurückgestellt. Insgesamt ergeben sich geringere Bauteilschwingungen und dadurch eine geringere Belastung des Synchronrings. Hinzu kommt, dass die Geräuschentwicklung (Rasseln) durch Schwingungen reduziert ist. Aufgrund des kontrollierten Lüftens der Synchronringe ergibt sich ein geringeres Schleppmoment und somit ein höherer Wirkungsgrad. Schließlich können die Synchronringe, aufgrund des Formschlusses zwischen den Druckstücken und den Zentrieransätzen, an den Druckstücken und an der Nabe vormontiert werden, sodass eine insgesamt fertig montierte Synchronbaugruppe bereitgestellt werden kann.
