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Die Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe für Fahrzeuge, insbesondere für Motorräder.
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Schaltgetriebe von Motorrädern sind üblicherweise nicht synchronisiert. Das Drehmoment wird von der Antriebswelle über eine Verzahnung auf eine axial verschiebbare Schaltmuffe und von der Schaltmuffe über eine Klauenverbindung auf ein sogenanntes Losrad oder Gangrad des Schaltgetriebes übertragen. In einer Schaltstellung des Schaltgetriebes, d. h. bei geschaltetem Gang, greifen dabei axiale Klauen der Schaltmuffe in entsprechende Ausnehmungen des Losrads, um eine Formschlussverbindung in Umfangsrichtung herzustellen.
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Beim Schaltvorgang können die Klauen jedoch axial auf Stege zwischen den Ausnehmungen treffen, sodass keine Kraftübertragung möglich ist. Insbesondere beim automatisierten Schalten muss dann durch geeignete Schaltstrategien der Schaltvorgang wiederholt werden, wodurch sich unerwünscht lange Zugkraftunterbrechungen ergeben.
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Um derartige „Fehlschaltungen” zu vermeiden, soll der Schaltvorgang stets zu einem Zeitpunkt stattfinden, an dem die Klauen der Schaltmuffe zuverlässig in die Ausnehmungen zwischen den Stegen des Losrads treffen. Hierzu muss die Winkelposition der Schaltmuffe relativ zum Losrad ermittelt werden.
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Im Stand der Technik wird die Winkelposition von Zahnrädern bei Verbrennungsmotoren üblicherweise durch Induktiv- oder Hall-Sensoren bestimmt, wobei jeder Sensor in der Regel die absolute Winkelposition eines bestimmten Zahnrads angibt. Zur Bestimmung einer relativen Winkelposition zwischen zwei Zahnrädern muss dementsprechend die Differenz zweier absoluter Winkelpositionen gebildet werden. Bei einem konventionellen Sechs-Gang-Getriebe sind folglich mindestens sieben Sensoren notwendig, um für jeden Gang die Relativposition der relevanten Getriebeteile zu bestimmen. Die vielen Sensoren tragen dazu bei, dass das Schaltgetriebe konstruktiv aufwendig und teuer ist sowie einen unerwünscht großen Bauraum benötigt.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Schaltgetriebes, welches zuverlässig und mit geringem Aufwand Schaltstellungen des Getriebes identifizieren kann, sodass Fehlschaltungen und damit einhergehende, lange Zugkraftunterbrechungen vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Schaltgetriebe für Fahrzeuge, insbesondere für Motorräder, mit einer Antriebswelle, die um eine Antriebsachse rotiert, einer zur Antriebswelle parallel angeordneten Abtriebswelle, einer Strahlungsquelle zum Aussenden einer elektromagnetischen Strahlung, einem Strahlungsdetektor zum Erfassen der von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahlung sowie mehreren Gängen, die jeweils eine Schaltstellung einnehmen können, in der die Antriebswelle und die Abtriebswelle in Umfangsrichtung gekoppelt sind, oder eine Leerlaufstellung, in der die Antriebswelle und die Abtriebswelle in Umfangsrichtung entkoppelt sind, wobei jeder Gang ein Losrad umfasst, welches auf einer der Wellen drehbar und axial unverschieblich angeordnet ist, wobei jedem Losrad eine koaxiale Schaltmuffe zugeordnet ist, welche drehfest und axial verschieblich auf der jeweiligen Welle angeordnet ist, wobei das Losrad jedes Gangs und die zugeordnete Schaltmuffe in axialer Richtung relativ zueinander bewegbar sind und in der Schaltstellung des jeweiligen Gangs eine Klauenverbindung ausbilden, bei der axiale Klauen der Schaltmuffe in axiale Aufnahmetaschen des Losrads eingreifen oder umgekehrt, wobei jedes Losrad und jede Welle, auf der eine Schaltmuffe sitzt, jeweils drehfest mit einem Durchlass für die von der Strahlungsquelle ausgesendete elektromagnetische Strahlung gekoppelt sind, welcher die Strahlung je nach Drehstellung des Durchlasses unterbrechen oder durchlassen kann, und wobei die Durchlässe in Umfangsrichtung so ausgerichtet sind, dass die von der Strahlungsquelle ausgesendete elektromagnetische Strahlung nur dann auf den Strahlungsdetektor auftrifft, wenn sich alle Klauen und Aufnahmetaschen der Klauenverbindung in Umfangsrichtung relativ zueinander in einer definierten Stellung befinden. Auf diese Weise lassen sich mit nur einem Sensor nach Art einer Lichtschranke mögliche Schaltstellungen für alle vorhandenen Gänge identifizieren. Da lediglich ein Sensor benötigt wird, lässt sich das Schaltgetriebe in diesem Fall besonders kompakt und preiswert herstellen.
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Vorzugsweise sind die Durchlässe in Umfangsrichtung so ausgerichtet, dass die von der Strahlungsquelle ausgesendete elektromagnetische Strahlung nur dann auf den Strahlungsdetektor auftrifft, wenn alle Klauen der Schaltmuffen und/oder Losräder axial an Aufnahmetaschen angrenzen. In diesem Fall empfängt der Strahlungsdetektor genau dann ein Lichtsignal, wenn (theoretisch) alle vorhandenen Gänge des Schaltgetriebes geschaltet werden könnten. Eine solche „schaltbare Stellung” aller Gänge kommt vergleichsweise selten vor und ist für das Schalten eines bestimmten Gangs auch nicht notwendig. Zwischen zwei solchen Lichtsignalen lassen sich in Kenntnis der Übersetzungen im Schaltgetriebe jedoch individuell die „schaltbaren Stellungen” jedes einzelnen Gangs berechnen und geeignete Schaltzeiten identifizieren. Durch das wiederkehrende Lichtsignal werden fortwährend tatsächlich schaltbare Stellungen des Schaltgetriebes erkannt, sodass sich gegebenenfalls auftretende Ungenauigkeiten oder Fehler nicht fortsetzen, sondern korrigiert werden.
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In einer Ausführungsform des Schaltgetriebes ist wenigstens ein Durchlass als axiale Durchgangsöffnung in einem der Losräder ausgebildet. Ein solcher Durchlass lässt sich mit minimalem Aufwand als einfache Axialbohrung im Losrad herstellen. Die Schwächung des Losrads durch eine oder mehrere Bohrungen im Losradkörper ist dabei in der Regel vernachlässigbar und beeinflusst das übertragbare Drehmoment kaum.
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In einer weiteren Ausführungsform des Schaltgetriebes ist wenigstens ein Durchlass als axiale Durchgangsöffnung in einer separaten Ringscheibe ausgebildet, wobei die Ringscheibe mit einem der Losräder koaxial ausgerichtet und drehfest verbunden ist. Auf diese Weise werden die Losräder überhaupt nicht geschwächt und das übertragbare Drehmoment bleibt vollständig erhalten.
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Die Ringscheibe weist hierbei auf einem vorgegebenen Strahlungsradius wenigstens eine axiale Durchgangsöffnung für die elektromagnetische Strahlung auf, wobei die Durchgangsöffnung vorzugsweise radial außerhalb des drehfest gekoppelten Losrads angeordnet ist. Dies ermöglicht eine variablere Konstruktion des Schaltgetriebes, da der Strahlungsradius auch größer als der Durchmesser des kleinsten Losrads gewählt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des Schaltgetriebes ist wenigstens ein Durchlass als axiale Durchgangsöffnung in einer Schaltmuffe ausgebildet. Ein solcher Durchlass lässt sich mit minimalem Aufwand als einfache Axialbohrung in der Schaltmuffe herstellen. Die durch die Bohrung(en) entstehende Schwächung der Schaltmuffe ist dabei in der Regel vernachlässigbar und beeinflusst das übertragbare Drehmoment kaum.
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Ferner kann eine Welle, auf der eine Schaltmuffe sitzt, drehfest mit einem Festrad gekoppelt sein, wobei wenigstens einer der Durchlässe als axiale Durchgangsöffnung im Festrad ausgebildet ist. Ein solcher Durchlass lässt sich mit minimalem Aufwand als einfache Axialbohrung im Festrad herstellen. Die durch die Bohrung(en) entstehende Schwächung des Festrads ist dabei in der Regel vernachlässigbar und beeinflusst das übertragbare Drehmoment kaum.
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Ferner kann wenigstens ein Durchlass als axiale Durchgangsöffnung in einer separaten Ringscheibe ausgebildet sein, wobei die Ringscheibe drehfest an einer Welle befestigt ist, auf der eine Schaltmuffe sitzt. Auf diese Weise wird die Schaltmuffe nicht geschwächt und das übertragbare Drehmoment bleibt vollständig erhalten.
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Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle ein Laser und die elektromagnetische Strahlung ein Lichtstrahl. Laser stellen in vorteilhafter Weise eine besonders konzentrierte elektromagnetische Strahlung bereit, benötigen wenig Bauraum und sind darüber hinaus preiswert erhältlich.
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Besonders bevorzugt ist die elektromagnetische Strahlung eine Infrarot-Strahlung. Strahlungsstörungen, die durch einen Ölnebel im Getriebe hervorgerufen werden können, lassen sich dadurch in vorteilhafter Weise minimieren.
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Vorzugsweise ist jeder Durchlass als axiale Durchgangsöffnung für die elektromagnetische Strahlung ausgebildet.
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In einer Ausführungsform des Schaltgetriebes liegen die Strahlungsquelle, der Strahlungsdetektor und alle Durchgangsöffnungen auf einem vorgegebenen Strahlungsradius. Die Strahlungsquelle ist in diesem Fall an einem axialen Ende des Schaltgetriebes angeordnet und sendet einen linearen, geradlinigen elektromagnetischen Strahl aus, der bei geeigneter Umfangsposition der Durchlässe auf den am entgegengesetzten axialen Ende des Schaltgetriebes angeordneten Strahlungsdetektor auftrifft.
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In einer alternativen Ausführungsform des Schaltgetriebes ist zusätzlich ein Lichtleiter zum Umlenken der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen. Dadurch können die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor am selben axialen Ende des Schaltgetriebes angeordnet werden, wodurch sich besonders kompakte Bauformen ergeben.
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Der Lichtleiter lenkt die elektromagnetische Strahlung vorzugsweise um 180° um, wobei die Strahlungsquelle und ein Strahlungseingang des Lichtleiters einen ersten Strahlungsradius sowie ein Strahlungsausgang des Lichtleiters und der Strahlungsdetektor einen zweiten Strahlungsradius definieren, und wobei alle Durchgangsöffnungen auf dem ersten oder zweiten Strahlungsradius liegen.
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Im Übrigen kann jeder Gang ein Festrad umfassen, wobei sich die elektromagnetische Strahlung radial außerhalb aller Festräder, Losräder und Schaltmuffen erstreckt. Dies bietet den Vorteil, dass einzelne Getriebekomponenten nicht geschwächt und konstruktiv kaum verändert werden müssen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Schaltgetriebe gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 einen schematischen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Schaltgetriebe gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
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3 einen schematischen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Schaltgetriebe gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Die 1 bis 3 zeigen jeweils ein Schaltgetriebe 10 für Fahrzeuge, insbesondere für Motorräder, mit einer Antriebswelle 12, die um eine Antriebsachse A rotiert, einer zur Antriebswelle 12 parallel angeordneten Abtriebswelle 14, genau einer Strahlungsquelle 16 zum Aussenden einer elektromagnetischen Strahlung 18, genau einem Strahlungsdetektor 20 zum Erfassen der von der Strahlungsquelle 16 ausgesendeten Strahlung 18 sowie mehreren Gängen 22, die jeweils eine Schaltstellung einnehmen können, in der die Antriebswelle 12 und die Abtriebswelle 14 in Umfangsrichtung gekoppelt sind, oder eine Leerlaufstellung, in der die Antriebswelle 12 und die Abtriebswelle 14 in Umfangsrichtung entkoppelt sind.
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Jeder Gang 22 umfasst dabei ein auch als Gangrad bezeichnetes Losrad 24, welches auf einer der Wellen 12, 14 drehbar und axial unverschieblich angeordnet ist.
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Jedem Losrad 24 ist eine koaxiale Schaltmuffe 26 zugeordnet, welche drehfest und axial verschieblich auf der jeweiligen Welle 12, 14 angeordnet ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Sechsganggetriebe mit sechs Losrädern 24 und drei Schaltmuffen 26 dargestellt, sodass jeder Schaltmuffe 26 jeweils zwei axial angrenzende Losräder 24 zugeordnet sind.
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Das Losrad 24 jedes Gangs 22 und eine zugeordnete Schaltmuffe 26 sind in axialer Richtung 28 relativ zueinander bewegbar und bilden in der Schaltstellung des jeweiligen Gangs 22 eine Klauenverbindung aus, bei der axiale Klauen 30 der Schaltmuffe 26 in axiale Aufnahmetaschen 32 des Losrads 24 eingreifen oder umgekehrt.
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Jedes Losrad 24 und jede Welle 12, 14, auf der eine Schaltmuffe 26 sitzt, ist jeweils drehfest mit einem Durchlass 34 für die von der Strahlungsquelle 16 ausgesendete elektromagnetische Strahlung 18 gekoppelt, wobei jeder Durchlass 34 die Strahlung 18 je nach Drehstellung des Durchlasses 34 unterbrechen oder durchlassen kann. Die Durchlässe 34 sind dabei in Umfangsrichtung so ausgerichtet, dass die von der Strahlungsquelle 16 ausgesendete elektromagnetische Strahlung 18 nur dann auf den Strahlungsdetektor 20 auftrifft, wenn sich alle Klauen 30 und Aufnahmetaschen 32 der Klauenverbindung in Umfangsrichtung relativ zueinander in einer definierten Stellung befinden. Besonders bevorzugt ist diese definierte Stellung eine „schaltbare Stellung” aller Gänge 22. In dieser schaltbaren Stellung aller Gänge 22 liegen alle Klauen 30 der Schaltmuffen 26 jeweils einer Aufnahmetasche 32 der Losräder 24 axial gegenüber.
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In den Schemaskizzen der 1 bis 3 befinden sich die Schaltgetriebe 10 jeweils in der schaltbaren Stellung aller Gänge 22, wobei jeweils der ganz rechts dargestellte Gang 22 eingelegt bzw. geschaltet ist. Mit anderen Worten befindet sich dieser ganz rechts dargestellte Gang 22 in seiner Schaltstellung und koppelt die Antriebswelle 12 in Umfangsrichtung formschlüssig mit der Abtriebswelle 14, wohingegen die übrigen fünf Gänge 22 eine Leerlaufstellung einnehmen, in der die Antriebswelle 12 und die Abtriebswelle 14 in Umfangsrichtung entkoppelt sind.
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Die Strahlungsquelle 16 ist insbesondere eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl aussendet, wobei der Lichtstrahl von dem als Lichtsensor ausgebildeten Strahlungsdetektor 20 erfasst und als elektrisches Signal an eine (nicht gezeigte) Steuereinheit des Schaltgetriebes 10 weitergeleitet wird, und wobei es sich bei dem Schaltgetriebe 10 vorzugsweise um ein automatisiertes Schaltgetriebe 10 handelt.
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Gemäß den 1 bis 3 ist die Strahlungsquelle 16 konkret ein Laser und die elektromagnetische Strahlung 18 ein Lichtstrahl, insbesondere im Infrarotbereich. Die Verwendung einer Infrarotstrahlung ist besonders vorteilhaft, da die elektromagnetische Strahlung 18 in diesem Fall durch einen im Schaltgetriebe 10 üblicherweise vorhandenen „Ölnebel” kaum gestört oder beeinträchtigt wird. Der Strahlungsdetektor 20 ist dann entsprechend als Infrarotsensor ausgebildet.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeder Durchlass 34 als axiale Durchgangsöffnung für die elektromagnetische Strahlung 18 ausgebildet.
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In einer ersten Ausführungsform des Schaltgetriebes 10 gemäß 1 liegen die Strahlungsquelle 16, der Strahlungsdetektor 20 und alle Durchgangsöffnungen auf einem vorgegebenen Strahlungsradius r. Die Strahlungsquelle 16 und der Strahlungsdetektor 20 sind dabei an entgegengesetzten axialen Enden 36, 38 des Schaltgetriebes 10 angeordnet.
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In der in 1 dargestellten, schaltbaren Stellung aller Gänge 22 erstreckt sich die elektromagnetische Strahlung 18 somit auf dem vorgegebenen Strahlungsradius r in axialer Richtung 28 ausgehend von der Strahlungsquelle 16 geradlinig durch die Durchlässe 34 bis zum Strahlungsdetektor 20, welcher die elektromagnetische Strahlung 18 erfasst und daraufhin ein Signal an die Steuereinheit des Schaltgetriebes 10 sendet.
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Gemäß 1 sind alle drehfest mit einem Losrad 24 gekoppelten Durchlässe 34 als axiale Durchgangsöffnungen in den jeweiligen Losrädern 24 ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich eine definierte Winkelposition der einzelnen Losräder 24 und damit der Aufnahmetaschen 32 in den Losrädern 24 erfassen.
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Um auch die Winkelposition der Schaltmuffen 26 und damit der Klauen 30 der Schaltmuffen 26 zu erfassen, ist in der Ausführungsform gemäß 1 eine separate Ringscheibe 40 vorgesehen, die wenigstens einen als axiale Durchgangsöffnung ausgebildeten Durchlass 34 aufweist und drehfest mit der Abtriebswelle 14 verbunden ist.
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Im Allgemeinen ist eine derartige Ringscheibe 40 drehfest auf derjenigen Welle 12, 14 angeordnet, auf der wenigstens eine Schaltmuffe 26 sitzt (siehe auch 3).
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Die 2 und 3 zeigen eine zweite bzw. dritte Ausführungsform des Schaltgetriebes 10, welche sich von der ersten Ausführungsform gemäß 1 insbesondere dadurch unterscheiden, dass ein Lichtleiter 42 zum Umlenken der elektromagnetischen Strahlung 18 vorgesehen ist. Die Strahlung 18 wird dabei vom Lichtleiter 42 um 180° umgelenkt, wobei die Strahlungsquelle 16 und ein Strahlungseingang 44 des Lichtleiters 42 einen ersten Strahlungsradius r1 sowie ein Strahlungsausgang 46 des Lichtleiters 42 und der Strahlungsdetektor 20 einen zweiten Strahlungsradius r2 definieren, und wobei alle Durchgangsöffnungen auf dem ersten oder zweiten Strahlungsradius r1, r2 liegen. Die Strahlungsquelle 16 und der Strahlungsdetektor 20 sind folglich gemeinsam an einem axialen Ende 38 angeordnet, wohingegen der Lichtleiter 42 an einem entgegengesetzten axialen Ende 36 des Schaltgetriebes 10 vorgesehen ist.
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Jedes Schaltgetriebe 10 weist zusätzlich zu den auch als Gangrädern bezeichneten Losrädern 24 noch Festräder 48 auf, wobei jeder Gang 22 üblicherweise ein Festrad 48 umfasst.
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Während in der ersten Ausführungsform gemäß 1 alle Festräder 48 auf der Antriebswelle 12 und alle Losräder 24 auf der Abtriebswelle 14 angeordnet sind, sitzen in der zweiten und dritten Ausführungsform des Schaltgetriebes 10 gemäß den 2 und 3 auf jeder der Wellen 12, 14 sowohl Losräder 24 als auch Festräder 48. In den letztgenannten Ausführungsformen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Strahlumlenkung mittels eines Lichtleiters 42 vorzusehen.
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Im Allgemeinen ist jede Welle 12, 14, auf der eine Schaltmuffe 26 sitzt, drehfest mit einem Festrad 48 gekoppelt, wobei wenigstens einer der Durchlässe 34 als axiale Durchgangsöffnung im Festrad 48 ausgebildet ist.
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Gemäß 2 weisen alle Losräder 24 sowie alle Festräder 48 des Schaltgetriebes 10 Durchlässe 34 auf, um einen Strahlungsweg von der Strahlungsquelle 16 über den Lichtleiter 42 zum Strahlungsdetektor 20 zu ermöglichen.
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Darüber hinaus ist gemäß 2 auch in der auf der Antriebswelle 12 sitzenden Schaltmuffe 26 wenigstens ein als axiale Durchgangsöffnung ausgebildeter Durchlass 34 vorgesehen.
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Die 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Schaltgetriebes 10, bei der weder die Losräder 24 noch die Festräder 48 Durchlässe 34 aufweisen. Stattdessen sind separate Ringscheiben 50 vorgesehen, in denen jeweils wenigstens ein Durchlass 34 für die elektromagnetische Strahlung 18 ausgebildet ist. Gemäß 3 ist mit jedem Losrad 24 genau eine Ringscheibe 50 koaxial ausgerichtet und drehfest verbunden. Die als axiale Durchgangsöffnung ausgebildeten Durchlässe 34 in den Ringscheiben 50 sind dabei jeweils radial außerhalb des drehfest gekoppelten Losrads 24 angeordnet. Somit erstreckt sich die elektromagnetische Strahlung 18 in 3 radial außerhalb aller Festräder 48, Losräder 24 und Schaltmuffen 26.
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Um auch die Winkelposition der Schaltmuffen 26, konkret der Klauen 30 der Schaltmuffen 26 zu erfassen, sind in der Ausführungsform des Schaltgetriebes 10 gemäß 3 analog zu 1 auch Ringscheiben 40 vorgesehen. Da in 3 sowohl auf der Antriebswelle 12 als auch auf der Abtriebswelle 14 wenigstens eine Schaltmuffe 26 sitzt, ist auch an beiden Wellen 12, 14 jeweils eine Ringscheibe 40 drehfest befestigt.
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In allen dargestellten Ausführungsformen des Schaltgetriebes 10 wird durch den Strahlungsdetektor 20 eine schaltbare Stellung aller Gänge 22 des Schaltgetriebes 10 erfasst. In einer solchen schaltbaren Stellung könnten theoretisch alle Gänge 22 des Schaltgetriebes 10 eingelegt werden. Die schaltbare Stellung aller Gänge 22 kommt abhängig von der Drehzahl und den Übersetzungsverhältnissen vergleichsweise selten vor und ist zum Einlegen eines bestimmten Gangs 22 auch nicht notwendig. Ausgehend von der schaltbaren Stellung aller Gänge 22 lassen sich jedoch durch die bekannten Übersetzungsverhältnisse im Schaltgetriebe 10 mit geringem Aufwand alle schaltbaren Stellungen jedes einzelnen Gangs 22 sowie die entsprechenden Schaltzeitpunkte berechnen. Die wiederkehrende Schaltstellung aller Gänge 22 dient dabei jeweils als Ausgangspunkt für die Berechnung der schaltbaren Stellungen jedes einzelnen Gangs 22, bis die nächste schaltbare Stellung aller Gänge 22 wieder erreicht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass sich Fehler oder Ungenauigkeiten beim Bestimmen der Schaltstellungen im Schaltgetriebe 10 nicht beliebig fortsetzen und stets ein sicheres Durchschalten der einzelnen Gänge 22 gewährleistet ist.
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Um die Frequenz des Lichtsignals zum Erfassen von schaltbaren Stellungen aller Gänge 22 zu erhöhen, können in den Losrädern 24, Festrädern 48, Schaltmuffen 26 und/oder Ringscheiben 40, 50 selbstverständlich auch mehrere Durchlässe 34 vorgesehen sein, wobei diese Durchlässe 34 dann jeweils auf demselben Strahlungsradius r liegen. Dabei entspricht die Anzahl der in Umfangsrichtung verteilten Durchlässe 34 in den jeweiligen Bauteilen maximal der Anzahl der in Umfangsrichtung vorgesehenen Klauen 30 bzw. Aufnahmetaschen 32.
