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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. 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. 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 Kraftverstärkungsflächen zu erzeugen, die eine Umfangskraft in eine Axialkraft umsetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Synchronisationseinheit zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird mit einer Synchronisationseinheit für ein Getriebe gelöst, mit einem Gangrad, einem Synchronkörper, einem Synchronring, einem Innenring und einem Anpressring. Der Synchronring kann sich dabei um einen vorbestimmten Winkel gegenüber dem Synchronkörper verdrehen. Zwischen dem Synchronring und dem Innenring sind Reibflächen ausgebildet. Der Anpressring ist drehfest mit dem Gangrad verbunden. Der Innenring und der Anpressring sind über erste und zweite zusammenwirkende Kraftverstärkungsflächen miteinander gekoppelt, wobei die Kraftverstärkungsflächen eine Umfangskraft in eine Axialkraft umsetzen, sodass eine Verstärkung der Reibkraft zwischen Synchronring und Innenring eintritt, wenn über den Anpressring eine axial wirkende Kraft auf den Synchronring übertragen wird. Erfindungsgemäß sind also die Kraftverstärkungsflächen an vom Gangrad und vom Synchronkörper separaten Teilen ausgebildet, was es erlaubt, die Komplexität der einzelnen Bauteile zu reduzieren und somit die Fertigung zu vereinfachen.
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Selbstverständlich kann die Synchronisationseinheit auf beiden Seiten des Synchronkörpers mit einem Gangrad mit entsprechenden vorerwähnten Ringen ausgeführt sein.
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Die Auslenkung des Anpressrings erfolgt vorzugsweise bei der Verschiebung der Schaltmuffe in Schaltrichtung durch Kontakt mit am Synchronkörper angeordneten Druckstücken.
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Wenn die Synchronisationseinheit als Einfachsynchronisationseinheit ausgelegt ist, muss weder das Gangrad noch der Anpressring eine Reibfläche aufweisen. Es ist dann ausreichend, Reibflächen am Synchronring und am Innenring vorzusehen.
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Es wäre aber auch denkbar, den Anpressring zusätzlich mit einem Konusabschnitt auszuführen und mit einem Reibbelag zu versehen, um eine Doppelkonussynchronisationseinheit zu realisieren. Beispielsweise kann der Anpressring einen gewinkelten Querschnitt aufweisen, wobei radial außen anschließend an einen ringscheibenförmigen Abschnitt ein Konusabschnitt ausgebildet ist, der mit einer Reibfläche versehen ist, die an eine Außenkonusfläche des Synchronrings in Anlage kommen kann.
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Der Anpressring ist vorzugsweise unmittelbar axial an den Synchronkörper angrenzend angeordnet. Auf diese Weise kann das Druckstück bei der Auslenkung durch die Schaltmuffe direkt auf den Anpressring einwirken und diesen in Axialrichtung verschieben.
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Der Anpressring ist vorzugsweise als ebenes, sich senkrecht zur Axialrichtung erstreckendes, scheibenförmiges Bauteil, also als Ringscheibe, ausgebildet. Ein derartiges Bauteil eignet sich sehr gut zur gleichmäßigen Übertragung einer Axialkraft. Außerdem ist es einfach zu fertigen und benötigt wenig Platz in der Synchronisationseinheit.
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Für eine optimale Kraftübertragung ist der Anpressring vorteilhaft so angeordnet, dass er bei axialer Bewegung auf eine Stirnseite des Synchronrings einwirkt und diesen gleichmäßig in Axialrichtung bewegen kann.
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Der Synchronring sitzt in seiner Neutralstellung vorzugsweise mit axialem Spiel auf dem Innenring axial zwischen dem Gangrad und dem Anpressring.
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Durch die Verwendung eines Anpressrings in Kombination mit dem Innenring können klassische Synchronringe mit Sperrverzahnung und Außenindexierung eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es, den Innenring, den Anpressring und/oder den Synchronring als einfache Blechumformteile auszubilden, was die Fertigungskosten reduziert.
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Um den Anpressring in seine Neutralstellung zurückzustellen, kann der Anpressring in Axialrichtung zum Synchronkörper hin durch eine Feder beaufschlagt sein.
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Der Innenring weist vorzugsweise einen umfangsmäßig geschlossenen Konusabschnitt sowie mehrere in Axialrichtung abstehende Vorsprünge auf, wobei an den Vorsprüngen die ersten Kraftverstärkungsflächen ausgebildet sind. Am Konusabschnitt ist dabei radial außenseitig die Reibfläche des Innenrings vorgesehen.
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Der Anpressring hat vorteilhaft mehrere vorzugsweise fensterförmige Ausnehmungen, an deren in Umfangrichtung gelegenen Rändern die zweiten Kraftverstärkungsflächen ausgebildet sind. Die Vorsprünge des Innenrings ragen in die Ausnehmungen des Anpressrings hinein, sodass der Innenring in Umfangsrichtung an den Anpressring gekoppelt ist. In dem Rahmen, in dem dies die Kraftverstärkungsflächen erlauben, können sich Anpressring und Innenring gegeneinander verdrehen, wobei eine Verdrehung mit Kontakt der Kraftverstärkungsflächen von Anpressring und Innenring die Erzeugung einer Kraft in axialer Richtung zur Folge hat.
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In Axialrichtung sind der Anpressring und der Innenring vorteilhaft um ein gewisses Maß gegeneinander beweglich. Die ersten und die zweiten Kraftverstärkungsflächen sind dabei vorzugsweise so angeordnet, dass sie erst bei einer axialen Verschiebung des Anpressrings aus der Neutralstellung und insbesondere einer axialen Relativbewegung des Anpressrings zum Innenring in Kontakt miteinander kommen können.
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Diese Gestaltung trägt dazu bei, das axiale Lösen des Synchronrings zu begünstigen und ungewollte Reibungsverluste im unbetätigten Zustand zu verhindern. Beim Lösen des Synchronrings werden die Kraftverstärkungsflächen vorzugsweise entlang der Axialrichtung durch die Federn außer Eingriff gebracht.
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Um eine drehfeste Kopplung des Anpressrings mit dem Gangrad zu erreichen, können vom Gangrad radiale Vorsprünge abstehen, die in Ausnehmungen am Anpressring eingreifen. Die Ausnehmungen am Anpressring sind vorzugsweise am Innenumfang des Anpressrings ausgespart. Es ist möglich, zwischen Gangrad und Anpressring kein oder nur ein sehr geringes Spiel in Umfangsrichtung zuzulassen, eine axiale Bewegung zwischen Anpressring und Gangrad muss jedoch möglich sein, um eine Übertragung der Schaltkraft vom Anpressring auf den Synchronring zu ermöglichen.
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Wird eine Schaltkraft über die Schaltmuffe und den Synchronkörper auf den Anpressring übertragen, so verschiebt sich dieser in Axialrichtung und kommt schließlich in Kontakt mit dem Synchronring. Bei weiterer axialer Verschiebung, bei der das axiale Spiel des Synchronrings überwunden wird, kommen die Reibflächen von Synchronring und Innenring in Eingriff, und der Innenring wird in Umfangsrichtung mitgenommen. Durch die Axialbewegung des Anpressrings werden die zweiten Kraftverstärkungsflächen in eine Position gebracht, in der sie mit den ersten Kraftverstärkungsflächen des Innenrings in Eingriff kommen können. Da der Drehzahlangleich von Synchronkörper und Gangrad noch nicht abgeschlossen ist, wirkt nach wie vor eine Umfangskraft zwischen dem Innenring und dem Anpressring, sodass die Kraftverstärkungsflächen gegeneinander verschoben werden. Hieraus resultiert eine axiale Kraft zwischen diesen Bauteilen, die eine axiale Relativbewegung von Innenring und Anpressring aufeinander zu zur Folge hat. Diese Bewegung erhöht wiederum die axiale Kraft, mit der die Reibflächen aufeinander gepresst werden, und die über die Schaltmuffe eingeleitete Schaltkraft wird über die Kraftverstärkungsflächen verstärkt. Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung z.B. eine Verstärkung um den Faktor 3 zur eingeleiteten Schaltkraft in Axialrichtung möglich ist.
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Aufgrund der direkten Krafteinwirkung des Anpressrings auf den Synchronring führt eine höhere axiale Schaltkraft auch zu einer höheren zusätzlichen, verstärkten Axialkraft.
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Nach dem Drehzahlangleich von Synchronkörper und Gangrad erfolgt das Einspuren der Schaltmuffenzähne in die Gangradverzahnung auf die übliche Weise durch ein Zurückstellen des Synchronrings in Umfangsrichtung.
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Der Anpressring wird durch die Kraft der Rückstellfedern wieder in seine Neutralstellung zurückbewegt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische perspektivische teilgeschnittene Darstellung von Komponenten der erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit aus 1;
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3 eine schematische Schnittansicht, die die Kraftverstärkungsflächen von Anpressring und Innenring der erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit zeigt;
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4 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit entlang der Axialrichtung auf Höhe eines Druckstücks;
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5 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit entlang der Axialrichtung neben einem Druckstück; und
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6 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Synchronisationseinheit 10 mit einem Synchronkörper 12, der drehfest auf einer nicht dargestellten, sich in Axialrichtung A erstreckenden Welle angeordnet ist. Eine in Axialrichtung A bewegliche Schaltmuffe 14 greift mit einer Innenverzahnung in eine Außenverzahnung des Synchronkörpers 12 und kann entweder mit der Außenverzahnung eines ersten Gangrads 16 oder mit der eines zweiten Gangrads 18 in Eingriff gebracht werden (in 1 ist von den Gangrädern 16, 18 jeweils lediglich eine Kupplungsscheibe mit einer Schaltverzahnung gezeigt).
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Am Synchronkörper 12 sind auf bekannte Weise über den Umfang verteilt mehrere Drückstücke 20 angeordnet, die in Radial- und Axialrichtung durch eine Bewegung der Schaltmuffe 14 auslenkbar sind.
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Im Folgenden ist nur der zum Gangrad 16 gehörige Teil der Synchronisationseinheit 10 näher beschrieben, der zum Gangrad 18 gehörige Teil ist aber identisch aufgebaut.
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Unmittelbar neben dem Synchronkörper 12 in Axialrichtung A ist ein Anpressring 22 platziert, der hier als scheibenförmiges Stanzteil ausgebildet ist.
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In Axialrichtung A anschließend an den Anpressring 22 sind ein Synchronring 24 mit einer bekannten Sperrverzahnung 25 sowie ein Innenring 26 angeordnet, wobei der Innenring 26 einen Konusabschnitt 28 aufweist, der radial innerhalb eines Konusabschnitts 30 des Synchronrings 24 liegt.
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Radial außen am Konusabschnitt 28 des Innenrings 26 sowie radial innen am Konusabschnitt 30 des Synchronrings 24 sind Reibflächen vorgesehen, und die Konusabschnitte 28, 30 sind so ausgebildet, dass die Reibflächen bei axialer Relativverschiebung in Kontakt miteinander kommen.
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Der Anpressring 22 ist in diesem Beispiel über Federn 32 gehalten, wobei die Federn 32 in dafür vorgesehenen Ausnehmungen am Gangrad 16 abgestützt sind (siehe 2). Der Anpressring 22 ist in Axialrichtung A gegen die Kraft der Federn 32 um ein gewisses Maß verschiebbar.
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Die 2 zeigt das Gangrad 16, den Synchronring 24, den Innenring 26 sowie den Anpressring 22 zusammengesetzt in der Synchronisationseinheit 10.
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Das Gangrad 16 weist radial abstehende Vorsprünge 34 auf, die in radiale Ausnehmungen 36 am Innendurchmesser des Anpressrings 22 eingreifen und so den Anpressring 22 im Wesentlichen ohne Spiel drehfest mit dem Gangrad 16 koppeln.
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Am Anpressring 22 sind über den Umfang verteilt mehrere fensterförmige Aussparungen 38 vorgesehen, in die in Axialrichtung A abstehende Vorsprünge 40 des Innenrings 26 eingreifen.
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An den umfangsseitigen Rändern der Vorsprünge 40 sind erste Kraftverstärkungsflächen 42 ausgebildet, die zum freien Ende der Vorsprünge 40 schräg voneinander weg laufen. Der Vorsprung 40 weist eine Einschnürung auf, und die Schrägflächen 42 liegen an der der Stirnfläche 44 des Vorsprungs 40 abgewandten Seite, sind also zum Körper des Innenrings 26 hin gerichtet.
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An den einander zugewandten Umfangsrändern der fensterförmigen Aussparungen 38 im Anpressring 22 sind korrespondierende zweite Kraftverstärkungsflächen 46 ausgebildet, die denselben Neigungswinkel aufweisen wie die ersten Kraftverstärkungsflächen 42 am Innenring 26 und die zum Innenring 26 aufeinander zulaufen.
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In diesem Beispiel erstrecken sich die zweiten Kraftverstärkungsflächen 46 von einer synchronkörperseitigen Stirnfläche bis fast zu einer gangradseitigen Stirnfläche des scheibenförmigen Anpressrings 22 mit gleichbleibender Neigung. Am Übergang zur gangradseitigen Stirnfläche ist jeweils eine kurze, senkrecht zur Umfangsrichtung U ausgerichtete Anlagefläche 47 ausgebildet.
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Die ersten und die zweiten Kraftverstärkungsflächen 42, 46 sind jeweils durch Ebenen definiert, die von zwei parallelen in Radialrichtung r verlaufenden Geraden aufgespannt werden, die ein Stück in Umfangsrichtung U sowie in Axialrichtung A gegeneinander versetzt sind. Die Kraftverstärkungsflächen 42, 46 verlaufen hier in Umfangsrichtung U betrachtet gegenüber der Axialrichtung A verkippt, wobei der Neigungswinkel zur Axialrichtung A entlang der Radialrichtung r betrachtet gleich bleibt.
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In der in den 2 bis 5 dargestellten Neutralstellung ist der Anpressring 22 nicht in Axialrichtung A zum Gangrad 16 hin ausgelenkt, und die zweiten Kraftverstärkungsflächen 46 liegen mit axialem Abstand gegenüber den ersten Kraftverstärkungsflächen 42 am Innenring 26.
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Zwischen der axialen Stirnfläche 44 des Vorsprungs 40 und dem Beginn der ersten Kraftverstärkungsflächen 42 in Axialrichtung A sind die Ränder 48 des Vorsprungs 40 parallel zur Axialrichtung A ausgerichtet, sodass ein Kontakt zwischen der Anlagefläche 47 am Ende der ersten Kraftverstärkungsflächen 42 am Anpressring 22 und dem Vorsprung 40 lediglich eine weitere Relativbewegung zwischen Anpressring 22 und Innenring 26 in Umfangsrichtung U verhindert, nicht aber zu einer Kraftverstärkung führt.
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Erst bei Aufbringen einer Schaltkraft in Axialrichtung A in Richtung zum Gangrad 16 hin durch die Schaltmuffe 14 und die damit verbundene Auslenkung der Druckstücke 20 wird der Anpressring 22 in Richtung zum ersten Gangrad 16 hin verschoben.
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Dabei kommt die gangradseitige Stirnfläche des Anpressrings 22 in Kontakt mit einer Stirnfläche 50 des Synchronrings 24 und verschiebt diesen in Axialrichtung A in Richtung zum Gangrad 16. Durch die so hervorgerufene Relativbewegung zwischen Synchronring 24 und Innenring 26 kommen die Reibflächen auf den beiden Konusabschnitten 28, 30 von Innenring 26 und Synchronring 24 miteinander in Eingriff, und der Innenring 26 wird in Umfangsrichtung aufgrund der Reibungskräfte mitgenommen. Ebenfalls aufgrund der Reibungskräfte schlägt der Synchronring 24 um, sodass seine Sperrverzahnung 25 eine weitere Axialbewegung der Schaltmuffe 14 zunächst verhindert.
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Aufgrund des Eingriffs der Vorsprünge 40 in die Aussparungen 38 ist auch der Innenring 26 drehfest mit dem Gangrad 16 verbunden. Die Mitnahme des Innenrings 26 durch den Synchronring 24 führt somit zu einer Mitnahme des Gangrads 16.
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Bei einer weiteren axialen Verschiebung des Anpressrings 22 bewegen sich die Anlageflächen 47 außer Eingriff mit den axial verlaufenden Rändern 48 des Innenrings 26, und die zweiten Kraftverstärkungsflächen 46 kommen in Kontakt mit den ersten Kraftverstärkungsflächen 42 an der Rückseite der Vorsprünge 40 des Innenrings 26.
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Aufgrund der noch bestehenden Drehzahlunterschiede herrscht eine in Umfangsrichtung U wirkende Kraft zwischen dem Innenring 26, der über die Reibflächen der Konusabschnitte 28, 30 mit dem Synchronkörper 12 gekoppelt ist, und dem Anpressring 22, der über die Vorsprünge 34 drehfest mit dem Gangrad 16 verbunden ist. Somit bewegen sich die ersten und zweiten Kraftverstärkungsflächen 42, 46 in Umfangsrichtung U gegeneinander, was aufgrund der Anschrägung zu einer Axialbewegung des Anpressrings 22 in Richtung zum Gangrad 16 (nach links in 3) führt. Hieraus resultiert eine Verstärkung der Axialkraft, da eine Bewegung des Anpressrings 22 zum Gangrad 16 hin eine Erhöhung der Kraft auf die Stirnfläche 50 des Synchronrings 24 zur Folge hat, die wiederum eine höhere Anpresskraft auf den Innenring 26 bewirkt.
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Es ist auch möglich, dass anstatt einer Bewegung des Anpressrings 22 der Innenring 26 in Axialrichtung A zum Synchronkörper 12 hingezogen wird (oder dass eine Mischung aus beiden Bewegungen stattfindet). Auch in diesem Fall erfolgt eine Kraftverstärkung, da durch eine Bewegung des Innenrings 26 zum Synchronkörper 12 hin die Klemmkraft zwischen den Konusabschnitten 28, 30 verstärkt und somit die Reibkraft erhöht wird.
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Es hat sich herausgestellt, dass die hier beschriebene Kraftverstärkung z.B. um den Faktor 3 gegenüber einer unverstärkten Schaltkraft höher liegen kann.
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Auch das Reibmoment, das zwischen dem Anpressring und dem Synchronring 24 entsteht, trägt natürlich zum Gesamtreibmoment bei.
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Ist der Drehzahlangleich erfolgt und die Schaltmuffe 14 in die Verzahnung des Gangrads 16 eingespurt, so wird der Anpressring 22 durch die Rückstellkraft der Federn 32 wieder in seine Ausgangslage zurückgestellt, wo er vom Synchronring 24 in Axialrichtung A beabstandet ist. Der Synchronring 24 sitzt dann wieder in Axialrichtung A mit Spiel auf dem Innenring 26. Die Federn 32 verhindern in der Neutralstellung einen ungewollten Eingriff der Kraftverstärkungsflächen 42, 46.
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6 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die Synchronisationseinheit 100 als Doppelkonus-Synchronisationseinheit ausgebildet ist.
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Der Anpressring 122 weist radial außen anschließend an einen ringscheibenförmigen Abschnitt 150 einen Konusabschnitt 152 auf, sodass der Anpressring 122 einen gewinkelten Querschnitt hat. Am Konusabschnitt 152 ist eine radial nach innen weisende Reibfläche 154 in Form eines Reibbelags ausgebildet.
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Der Synchronring 124 hat eine radial nach außen weisende Konusfläche 156, die ebenfalls als Reibfläche ausgebildet ist.
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Wird der Anpressring A axial verschoben, so kommen die Reibflächen 154, 156 in Anlage aneinander, zusätzlich zu den Reibflächen des Konusabschnitts 28 des Innenrings 26 und des Konusabschnitts 30 des Synchronrings 124.
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Ansonsten sind Gestaltung und Funktion der Synchronisationseinheit 100 identisch zu der der oben beschriebenen Synchronisationseinheit 10.
