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Die Erfindung betrifft eine Synchronisationseinheit für ein Getriebe.
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Bei einem Schaltvorgang in einem Getriebe wird ein Synchronkörper, der drehfest auf einer Welle gelagert ist, über eine Schaltmuffe mit einem als Losrad auf der Welle angeordneten Gangrad verbunden. Zur Synchronisation des Schaltvorgangs sind Synchronisationseinheiten nach dem weit verbreiteten BorgWarner-Prinzip so aufgebaut, dass ein Synchronring mit einer Sperrverzahnung vorgesehen ist, der in Umfangsrichtung begrenzt beweglich am Synchronkörper fixiert ist.
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Wenn über die Schaltmuffe eine axiale Schaltkraft auf den Synchronring aufgebracht wird, wird dieser gegen eine mit dem Gangrad gekoppelte Reibfläche gepresst, um die Drehzahlen von Synchronkörper und Gangrad anzugleichen. Durch die in Umfangsrichtung wirkende Reibkraft wird bei der Vorsynchronisation der Synchronring gegenüber dem Synchronkörper verdreht, sodass die Verzahnung des Synchronrings eine weitere Axialbewegung der Schaltmuffe zunächst sperrt.
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Mit Erreichen des Gleichlaufs lässt sich der Synchronring in Umfangsrichtung zurückstellen, und die Schaltmuffe kann in die Verzahnung des Gangrads eingespurt werden.
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Um in einem solchen System die Synchronisationskraft zu erhöhen, ist es bekannt, eine Kraftverstärkung über miteinander in Eingriff kommende, geneigte Kraftverstärkungsflächen zu erzeugen, die eine Umfangskraft in eine Axialkraft umsetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Synchronisationseinheit zu optimieren.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Synchronisationseinheit für ein Getriebe erreicht, die einen Synchronring hat, der um einen vorgegebenen Winkel drehbar mit einem Synchronkörper gekoppelt ist und der eine erste Reibfläche aufweist. Es ist ein äußerer Reibring mit einer radial nach außen weisenden Reibfläche vorhanden, die in Kontakt mit der ersten Reibfläche kommen kann. Außerdem ist ein koaxial innerhalb des äußeren Reibrings liegender innerer Reibring vorgesehen, der drehfest mit einem Gangrad gekoppelt ist und der eine radial nach innen weisende Reibfläche hat. An einer radial außen liegenden Umfangsfläche des inneren Reibrings und an einer radial innen liegenden Umfangsfläche des äußeren Reibrings sind ineinandergreifende Konturen ausgebildet, die den inneren und den äußeren Reibring in Umfangsrichtung formschlüssig koppeln. Die Konturen umfassen Kraftverstärkungsflächen, die so ausgerichtet sind, dass bei einer Relativdrehung von äußerem und innerem Reibring der innere Reibring nach innen, insbesondere in Radialrichtung bewegt wird, sodass die Reibfläche des inneren Reibrings in Kontakt mit einer zweiten Reibfläche kommt. So lässt sich eine kompakte Synchronisationseinheit mit einer hohen Synchronisationskraft realisieren.
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Beim Schaltvorgang wird der Synchronring durch eine bekannte Schaltmuffe axial verschoben, wodurch die Reibfläche des äußeren Reibrings mit der ersten Reibfläche am Synchronring in Kontakt kommt. Aufgrund der Drehzahlunterschiede zwischen Synchronkörper und Gangrad wird der äußere Reibring vom Synchronring in Umfangsrichtung mitgenommen. Bei dieser Bewegung verdreht sich auch der Synchronring gegenüber dem Synchronkörper um den vorgegebenen Winkel. Die ineinandergreifenden Konturen von äußerem und innerem Reibring sorgen dafür, dass eine Kraft in Umfangsrichtung auf den inneren Reibring übertragen wird. Hierdurch bewegen sich die Kraftverstärkungsflächen gegeneinander, und der innere Reibring wird nach innen ausgelenkt, wobei seine Reibfläche in Kontakt mit der zweiten Reibfläche kommt, was in einer Verstärkung der Schaltkraft resultiert.
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Nach Angleich der Drehzahlen von Gangrad und Synchronkörper entfällt die relative Umfangskraft zwischen äußerem und innerem Reibring, wodurch sich der innere Reibring aufgrund der herrschenden Fliehkräfte radial nach außen zurückstellt und den Kontakt mit der zweiten Reibfläche löst. Dies geschieht vorzugsweise automatisch ohne Einwirkung weiterer Komponenten. Auf diese Weise wird eine Zwangslüftung des inneren Reibrings erreicht. Der so entstehende definierte Spalt zwischen dem inneren Reibring und der zweiten Reibfläche verringert das Schleppmoment, wenn ein Drehzahlunterschied zwischen dem Synchronkörper und dem Gangrad besteht.
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In seiner Neutralstellung bei axial unbelastetem Synchronring liegt der innere Reibring vorzugsweise aufgrund der herrschenden Fliehkräfte am äußeren Reibring an und hat keinen Kontakt mit der zweiten Reibfläche, sodass kein Schleppmoment vorhanden ist.
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Selbstverständlich kann die Synchronisationseinheit auf beiden Seiten des Synchronkörpers eine oben beschriebene Reibringanordnung aufweisen.
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Die Kraftverstärkungsflächen sind vorzugsweise durch entlang der Umfangsrichtung geneigte Flächen, insbesondere Ebenen, gebildet. Bezüglich der Axialrichtung sind die Kraftverstärkungsflächen vorzugsweise nicht geneigt, sodass sich ihr radialer Abstand zur Achse entlang der Axialrichtung gesehen nicht ändert. Auf diese Weise wird eine nach innen gerichtete Kraft ohne axiale Komponente bei einer Verdrehung des äußeren und des inneren Reibrings gegeneinander erzeugt, die den inneren Reibring nach innen verlagert. Die Kraftverstärkungsflächen haben vorzugsweise eine gleichbleibende Neigung über die gesamte Fläche.
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Bevorzugt sind Kraftverstärkungsflächen sowohl am inneren als auch am äußeren Reibring vorgesehen. Dabei weisen die Kraftverstärkungsflächen der beiden Reibringe vorzugsweise die gleiche Neigung auf und haben eine komplementäre Anordnung, sodass die Kraftverstärkungsflächen von innerem und äußerem Reibring über ihre ganze Fläche aneinander entlang gleiten können. Es wäre aber auch denkbar, nur Kraftverstärkungsflächen am inneren oder am äußeren Reibring vorzusehen.
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Die Konturen an den Umfangsflächen des inneren und des äußeren Reibrings dienen gleichzeitig zur drehfesten Kopplung der beiden Reibringe. Beispielsweise sind die Konturen durch mehrere ineinandergreifende Vorsprünge und/oder Vertiefungen entlang der einander zugewandten Umfangsflächen des inneren und des äußeren Reibrings gebildet, die möglichst formschlüssig ineinandergreifen können. An den Umfangsrändern der Vorsprünge lassen sich die Kraftverstärkungsflächen anordnen.
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Für eine bessere Beweglichkeit in Radialrichtung ist der innere Reibring vorzugsweise aus mehreren separaten Ringsegmenten zusammengesetzt. Beispielsweise sind drei Ringsegmente vorgesehen. Es wäre auch möglich, einen ganz oder teilweise in Axialrichtung geschlitzten Reibring oder einen in sich flexiblen Reibring zu verwenden.
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Der äußere Reibring ist hingegen umfangsmäßig vorzugsweise geschlossen, sodass er den inneren Reibring über den gesamten Umfang sicher abstützen kann und eine gleichmäßige, nach innen gerichtete Kraft aufgebaut werden kann.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine der Reibflächen konusförmig. Sämtliche Reibflächen können aber auch konisch ausgebildet sein, mit einem sich entlang der Axialrichtung öffnenden Konuswinkel von knapp über 0° bis etwa 11°, wie dies von herkömmlichen Anordnungen bekannt ist. Unter dem Begriff einer „radial nach außen“ bzw. „radial nach innen weisenden Reibfläche“ ist im Rahmen dieser Anmeldung stets auch eine konische, nach innen oder nach außen gerichtete Reibfläche zu verstehen.
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Die erste Reibfläche am Synchronring sowie die damit in Anlage kommende radial äußere Reibfläche am äußeren Reibring weisen vorzugsweise einen relativ großen Konuswinkel auf, der oberhalb eines Winkels liegt, bei dem ein Selbsthemmungseffekt auftritt
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Insbesondere die zweite Reibfläche und die Reibfläche des inneren Reibrings können jedoch entweder einen sehr geringen Konuswinkel oder aber einen Konuswinkel von 0° besitzen, da durch die automatische Rückstellung und die Zwangsbelüftung der innere Reibring auch bei einem kleinen, eine Selbsthemmung hervorrufenden Konuswinkel sicher von der zweiten Reibfläche gelöst wird. Die Kraftverstärkungsflächen haben jedoch einen so großen Neigungswinkel, dass zwischen ihnen keine Selbsthemmung auftritt.
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Der innere Reibring weist in einer bevorzugten Ausführungsform axial abstehende Vorsprünge auf, die in Ausnehmungen am Gangrad eingreifen und die die drehfeste Kopplung des inneren Reibrings mit dem Gangrad bewirken.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Reibfläche am Synchronring vorgesehen.
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Hierbei kann der Synchronring zwei koaxial angeordnete, umfangsmäßig geschlossene Ringabschnitte aufweisen, wobei die erste Reibfläche radial nach innen weisend am äußeren Ringabschnitt und die zweite Reibfläche radial nach außen weisend am inneren Ringabschnitt liegt. Beide Reibflächen lassen sich konusförmig gestalten, wobei aber vorzugsweise die zweite Reibfläche einen kleineren Konuswinkel aufweist.
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Es ist möglich, einen solchen Synchronring als Blechumformteil zu fertigen und den ausgestanzten Rohling im Querschnitt in Umfangsrichtung umlaufend U-förmig umzuformen, sodass die Schenkel des U die beiden Ringabschnitte bilden.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Reibfläche am Synchronkörper vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der größeren Abmessung des Synchronkörpers eine größere Reibfläche und somit eine geringere Abnutzung des Reibbelags realisierbar ist.
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In diesem Fall kann der Synchronkörper beispielsweise eine geschlossen umlaufende, seitliche Aussparung haben, die eine radial innen liegende Umfangsfläche aufweist, an der die zweite Reibfläche angeordnet ist.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, in Umfangsrichtung schräggestellte Servoflächen zur Erzeugung einer nach innen gerichteten Bewegung bei Auftreten einer Relativbewegung in Umfangsrichtung einzusetzen. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist diese Funktion durch den inneren und den äußeren Reibring verwirklicht, die als separate Bauteile mit je einer Reibfläche ausgebildet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische Schnittansicht entlang der Axialrichtung der Synchronisationseinheit aus 1 entlang der Axialrichtung im Bereich eines Druckstücks;
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3 eine schematische Schnittansicht der Synchronisationseinheit aus 1 entlang der Axialrichtung neben einem Druckstück;
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4 eine schematische Explosionsdarstellung einer Baugruppe aus einem Synchronring, einem inneren und einem äußeren Reibring der Synchronisationseinheit aus 1;
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5 die Baugruppe aus 4 in einer schematischen perspektivischen Darstellung in zusammengesetztem Zustand;
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6 eine erfindungsgemäße Synchronisationseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Explosionsansicht;
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7 eine schematische Schnittansicht der Synchronisationseinheit aus 6 entlang der Axialrichtung auf Höhe eines Druckstücks;
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8 eine schematische Schnittansicht der Synchronisationseinheit aus 6 in axialer Richtung neben einem Druckstück; und
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9 eine schematische perspektivische Darstellung eines Synchronrings sowie eines inneren und eines äußeren Reibrings des Synchronisationseinheit nach 6 im zusammengesetzten Zustand.
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1 zeigt eine Synchronisationseinheit 10 mit einem drehfest auf einer nicht dargestellten Welle angeordneten Synchronkörper 12 und einer Schiebemuffe 14, die mit einer Innenverzahnung in eine Außenverzahnung des Synchronkörpers 12 eingreift und relativ zu diesem in Axialrichtung A verschieblich ist. Beim Schalten eines Gangs wird die Schiebemuffe 14 in Axialrichtung A so weit verschoben, bis sie in eine Außenverzahnung eines Gangrads 16, oder bei Verschiebung in die Gegenrichtung in die Außenverzahnung eines zweiten Gangrads 18 einspurt (in 1 sind von den Gangrädern 16, 18 jeweils nur die die Schaltverzahnung tragenden Kupplungskörper gezeigt).
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Im Folgenden ist nur die in den Figuren linke Seite der Synchronisationseinheit 10 im Detail beschrieben. Die in den Figuren rechte Seite ist hier jedoch identisch aufgebaut.
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In Axialrichtung A anschließend an den Synchronkörper 12 ist ein Synchronring 20 angeordnet, der auf bekannte Weise mit einer außenseitigen Sperrverzahnung 22 versehen ist und der sich um einen vorgegebenen Winkel relativ zum Synchronkörper 12 verdrehen kann.
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Außerdem sind ein äußerer Reibring 24 und ein innerer Reibring 26 vorgesehen. Der innere Reibring 26 liegt koaxial innerhalb des äußeren Reibrings 24. An einer radial außen liegenden Umfangsfläche des inneren Reibrings 26 sowie an einer radial innen liegenden Umfangsfläche des äußeren Reibrings 24 ist jeweils eine Kontur 28 ausgebildet, wobei die Konturen 28 komplementär zueinander gestaltet sind und formschlüssig ineinandergreifen. Im gezeigten Beispiel bestehen beide Konturen 28 aus einer abwechselnden Abfolge von im Wesentlichen rechteckigen Vorsprüngen und Vertiefungen entlang der Umfangsflächen.
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Der innere Reibring 26 ist hier als segmentierter Ring aus insgesamt drei separaten, in Umfangsrichtung U voneinander beanstandeten Ringsegmenten gestaltet. Die Verwendung beispielsweise eines geschlitzten Rings oder eines Rings mit mehr oder weniger Ringsegmenten wäre auch möglich.
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Durch das formschlüssige Ineinandergreifen der Konturen 28 sind der innere Reibring 26 und der äußere Reibring 24 in Umfangsrichtung U drehfest miteinander gekoppelt.
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Am inneren Reibring 26 sind mehrere in Axialrichtung A abstehende Koppelnocken 30 ausgebildet. Im gezeigten Beispiel sind an jedem der Ringsegmente des inneren Reibrings 26 zwei Koppelnocken 30 vorgesehen. Die Koppelnocken 30 greifen in radiale Ausnehmungen 32 am Innenumfang des Gangrads 16 ein und verbinden so den inneren Reibring 26 drehfest mit dem Gangrad 16.
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An der Außenumfangsfläche des äußeren Reibrings 24 ist eine radial nach außen weisende Reibfläche 34 angeordnet, der eine erste Reibfläche 36 am Synchronring 20 zugeordnet ist.
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Der Synchronring 20 weist in dieser Ausführungsform einen U-förmigen, umlaufenden Querschnitt auf, wobei die beiden Schenkel des U koaxial zueinander angeordnete Ringabschnitte 38, 40 bilden und sich das U zum inneren Reibring 26 und äußeren Reibring 24 hin öffnet. Im montierten Zustand sind der innere Reibring 26 und der äußere Reibring 24 zwischen den Ringabschnitten 38, 40 des Synchronrings 20 aufgenommen. Am radial außen liegenden Ringabschnitt 40 ist radial außen nach außen abstehend die Sperrverzahnung 22 ausgebildet. An der radial nach innen weisenden Umfangsfläche des äußeren Ringabschnitts 40 ist die erste Reibfläche 36 ausgebildet.
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Die Reibflächen 34, 36 können konusförmig sein, mit aufeinander abgestimmten Konuswinkeln, wobei der Konuswinkel vorzugsweise so groß gewählt ist, dass keine Selbsthemmung zwischen den Reibflächen 34, 36 auftritt.
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Am radial innen liegenden Ringabschnitt 38 ist an einer radial nach außen weisenden Umfangsfläche eine zweite Reibfläche 42 ausgebildet, die in Kontakt mit einer radial nach innen weisenden Reibfläche 44 am Innenumfang des inneren Reibrings 26 zusammenwirken kann.
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Die zweite Reibfläche 42 sowie die Reibfläche 44 haben ebenfalls aufeinander abgestimmte Konuswinkel, wobei der Konuswinkel vorzugsweise kleiner ist als der Konuswinkel der ersten Reibfläche 36 und durchaus im Selbsthemmungsbereich liegen und gegebenenfalls auch 0° betragen kann.
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Die Konturen 28 umfassen Kraftverstärkungsflächen 46, die jeweils an den Umfangsrändern der Vorsprünge bzw. Vertiefungen der Konturen 28 ausgebildet und als in Umfangsrichtung geneigte Ebenen gestaltet sind. Die Kraftverstärkungsflächen 46 ändern hier parallel zur Axialrichtung A ihre Neigung nicht.
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Kraftverstärkungsflächen 46 sind in diesem Beispiel sowohl an der Kontur 28 des äußeren Reibrings 24 als auch an der Kontur 28 des inneren Reibrings 26 vorgesehen. Die Neigungswinkel der Kraftverstärkungsflächen 46 am inneren Reibring 26 und am äußeren Reibring 24 sind hier gleich gewählt.
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Um sowohl beim Schalten in einen höheren als auch beim Schalten in einen niedrigeren Gang eine Kraftverstärkung zu erhalten, sind Kraftverstärkungsflächen 46 jeweils an beiden Umfangsrändern der Vorsprünge der Konturen 28 vorgesehen.
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Wird beim Schaltvorgang die Schiebemuffe 14 in Richtung zum Gangrad 16 axial verschoben, so wird über Druckstücke 48, die am Umfang des Synchronkörpers 12 angeordnet sind, eine Axialkraft auf den Synchronring 20 ausgeübt. Dieser wird in Axialrichtung A verschoben, wobei die erste Reibfläche 36 am Synchronring 20 in Kontakt mit der Reibfläche 34 des äußeren Reibrings 24 kommt. Aufgrund der Drehzahlunterschiede des Synchronkörpers 12 und des Gangrads 16, mit dem der äußere Reibring 24 über den inneren Reibring 26 und die Konturen 28 in Umfangsrichtung gekoppelt ist, entsteht eine Umfangskraft zwischen den Reibflächen 34, 36, durch die der Synchronring 20 in Umfangsrichtung mitgenommen wird und um einen vorgegebenen Winkel umschlägt.
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Durch die wirkenden Umfangskräfte werden auch die Kraftverstärkungsflächen 46 an den Konturen 28 von innerem und äußerem Reibring 24, 26 in Umfangsrichtung U belastet und gegeneinander verschoben. Dies führt dazu, dass die Ringsegmente des inneren Reibrings 26 radial nach innen gedrückt werden, wodurch die Reibfläche 44 in Kontakt mit der zweiten Reibfläche 42 am Synchronring 20 kommt.
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Wird über die Schiebemuffe 14 eine höhere Schaltkraft in Axialrichtung A eingeleitet, entsteht ein höheres Reibmoment, welches über die Kraftverstärkungsflächen 46 auch zu einem stärkeren Verschieben der Ringsegmente des inneren Reibrings 26 und somit zu einer stärkeren Anpresskraft der Reibflächen 44, 42 aneinander führt, sodass eine höhere Schaltkraft auch eine höhere verstärkte Kraft zur Folge hat.
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Sind die Drehzahlen von Synchronkörper 12 und Gangrad 16 angeglichen, so verringert sich die zwischen dem Synchronring 20 und dem äußeren Reibring 24 wirkende Umfangskraft und somit auch die in Umfangsrichtung U auf die Kraftverstärkungsflächen 46 wirkende Kraft. Die Ringsegmente des inneren Reibrings 26 stellen sich durch die Fliehkrafteinwirkung automatisch in Radialrichtung r zurück, wobei sich die Reibfläche 44 von der zweiten Reibfläche 42 des Synchronrings 20 löst. In seiner Neutralstellung liegt der innere Reibring 26 aufgrund der Fliehkräfte an der Kontur 28 des äußeren Reibrings 24 an, sodass die Reibflächen 44, 42 voneinander beabstandet sind. Eine Selbstauslösung ist somit verhindert.
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Nach Beenden des Synchronisationsvorgangs wird der Synchronring 20 wieder in seine Neutralstellung zurückgedreht, und die Verzahnung der Schiebemuffe 14 kann die Sperrverzahnung 22 passieren, die bisher ein Einspuren in die Verzahnung des Gangrads 16 verhindert hat.
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In den 6 bis 9 ist eine zweite Ausführungsform einer Synchronisationseinheit 100 dargestellt. Für die Bauteile, die gegenüber der ersten Ausführungsform gleich oder nur unwesentlich verändert sind, werden aus Gründen der Übersichtlichkeit die bisher eingeführten Bezugszeichen beibehalten.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist die zweite Reibfläche 142 nicht am Synchronring 120, sondern am Synchronkörper 112 ausgebildet. Der Synchronkörper 112 weist eine umfangsmäßig umlaufende, seitliche, zum Gangrad 16 weisende Aussparung 150 in Form einer Nut auf, an deren radial nach außen weisender Umfangsfläche die zweite Reibfläche 142 ausgebildet ist.
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Bei der Aufbringung der radial nach innen wirkenden Kraft durch die Kraftverstärkungsflächen 46 wird die Reibfläche 44 des inneren Reibrings 26 auf die Reibfläche 142 des Synchronkörpers 112 gedrückt. Die Reibfläche 142 kann eine größere Fläche aufweisen als die Reibfläche 42 am Synchronring 20 in der ersten Ausführungsform, was die Abnutzung verringert.
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Der Synchronring 120 ist einfacher gestaltet als in der ersten Ausführungsform und weist nur eine einzige Reibfläche, nämlich die erste Reibfläche 36 auf. Hier kann ein herkömmlich bekannter Synchronring verwendet werden.
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Die Funktion der Synchronisationseinheit 100 ist ansonsten identisch zu der oben beschriebenen Synchronisationseinheit 10.
