DE102014201970A1

DE102014201970A1 - Schalteinrichtung für ein Planetengetriebe

Info

Publication number: DE102014201970A1
Application number: DE102014201970.2A
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmitz; Frank Richter
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-08-06
Also published as: WO2015117777A1; TW201531636A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung (5) für ein Getriebe, insbesondere ein zweistufiges Planetengetriebe, mit einer drehbar ausgebildeten Schalthülse (10), die zum Schalten des Getriebes entlang ihrer Drehachse (27) in zumindest eine Schaltstellung verschiebbar ist, wobei die Schalthülse (10) einen Verbindungsbereich (6) aufweist, in dem diese derart mit einer Antriebswelle (1) des Getriebes verbindbar ist, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle (1) auf die Schalthülse (10) übertragbar ist, und mit zumindest einem ortsfest ausgebildeten Schaltelement (8), das bei seiner Betätigung zum axialen Verschieben der Schalthülse (10) in die Schaltstellung mit dieser formschlüssig koppelbar ist. Erfindungsgemäß weist die Schalthülse (10) in Umfangsrichtung einen Anschlag (32) auf, an den das betätigte Schaltelement (8) anzuschlagen vermag, sodass eine Drehbewegung der Schalthülse (10) gegenüber einer Drehbewegung der Antriebswelle (1) abgestoppt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für ein Planetengetriebe gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art.
Schalteinrichtungen für Getriebe, insbesondere Planetengetriebe, finden beispielsweise in Werkzeugmaschinen, Dreh-, Fräs- und Bearbeitungszentren Verwendung. Als Antriebsmotoren dienen DC/AC-Hauptspindelmotoren. Die Getriebe vergrößern die Leistungsbandbreite der Hauptspindelmotoren, um die Flexibilität der Werkzeugmaschinen bei der Bearbeitung von unterschiedlichen Werkstoffen bzw. Schnittkräften durch hohe Drehmomente oder Drehzahlen zu vergrößern. Bei bislang bekannten Planetengetrieben für Werkzeugmaschinen werden zwei Übersetzungsstufen gebildet.
Aus der DE 10 2009 054 942 A1 ist eine Schalteinrichtung für ein Zahnräderwechselgetriebe bekannt, das mindestens eine Schiebemuffe aufweist, welche drehfest und axial verschiebbar auf einer Getriebewelle aufgesetzt ist. Zu dieser Schiebemuffe ist zumindest auf einer Seite je ein Losrad benachbart platziert, das frei rotierbar auf der Getriebewelle angeordnet ist. Die mindestens eine Schiebemuffe ist durch eine Betätigung von zugehörigen Stellmitteln aus einer Neutralstellung axial in Richtung des je einen Losrades in eine Schaltstellung bewegbar. Bei Erreichen der Schaltstellung wird eine Kopplung des je einen Losrades mit der Getriebewelle hervorgerufen. Die zugehörigen Stellmittel sind ortsfest angeordnet und greifen bei Betätigung in mindestens eine Schaltnut ein. Die Schaltnut ist auf einem Außendurchmesser der mindestens einen Schiebemuffe vorgesehen. Sie weist einen in axialer Richtung kurvenförmigen Verlauf auf. Hierdurch wird entsprechend dem Verlauf der mindestens einen Schaltnut bei Rotation der Getriebewelle eine axiale Verschiebung der mindestens einen Schiebemuffe hervorgerufen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
Es wird eine Schalteinrichtung für ein Getriebe, insbesondere ein zweistufiges Planetengetriebe, vorgeschlagen, das eine drehbar ausgebildete Schalthülse und zumindest ein ortsfest ausgebildetes Schaltelement aufweist. Die Schalthülse ist zum Schalten des Getriebes entlang ihrer Drehachse in zumindest eine Schaltstellung verschiebbar. Hierdurch kann ein erster Schaltzustand des Getriebes erzeugt werden, in dem die Antriebswelle mit der Abtriebswelle des Getriebes übersetzungsfrei, untersetzt und/oder übersetzt gekoppelt ist. Die Schalthülse weist einen ersten Verbindungsbereich auf, in dem diese derart mit einer Antriebswelle des Getriebes verbindbar ist, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle auf die Schalthülse übertragbar ist.
Das Schaltelement ist vorzugsweise ein Schaltstift, der insbesondere im Bereich des Außenumfangs der Schalthülse und/oder von dieser radial beanstandet angeordnet ist. Das Schaltelement ist bei seiner Betätigung zum axialen Verschieben der Schalthülse in die Schaltstellung mit der Schalthülse formschlüssig koppelbar. Vorzugsweise kann das Schaltelement, insbesondere der Schaltstift, zum formschlüssigen Koppeln bzw. Verbinden mit der Schalthülse aus einer radial außenliegenden ersten Stellung in Radialrichtung in eine radial innenliegende zweite Stellung verfahren werden.
Die Schalthülse weist in Umfangsrichtung einen Anschlag auf. Der Anschlag ist derart ausgebildet, dass an diesem das betätigte Schaltelement anzuschlagen vermag, sodass die Drehbewegung der Schalthülse gegenüber einer Drehbewegung der Antriebswelle abgestoppt wird. Das heißt, im betätigten Zustand des Schaltelements gelangt dieses in Kontakt mit dem Anschlag der Schalthülse. Hierdurch wird eine weitere Drehbewegung der Schalthülse weitestgehend gesperrt.
Im Gegensatz zu bekannten technischen Lösungen, bei denen die axiale Verschiebung der Schalthülse über eine spiralförmige Nut erfolgt – wodurch die Schalthülse nicht abgebremst wird, sondern weiterhin drehfest mit der Antriebswelle gekoppelt rotiert –, kann mittels des Anschlags eine in der Herstellung sehr kostengünstige Schalteinrichtung geschaffen werden. Des Weiteren kann vorteilhafterweise mittels des Anschlags die auf das Schaltelement einwirkende Kraft reduziert werden. Zur Betätigung des Schaltelementes ist somit ebenfalls ein stark reduzierter Kraftaufwand erforderlich. Ferner ist das Schaltelement vorteilhafterweise nur während des Schaltvorgangs belastet. Es genügt ein kleiner Elektromagnet für die Betätigung des Schaltelemetes. Das Schaltelement ist somit vorzugsweise ein elektromagnetischer Schaltstift. Hierbei erfolgt das Verfahren des Schaltstiftes zwischen der radial außenliegenden ersten Stellung und der radial innenliegende zweiten Stellung elektromagnetisch. Dies kann allerdings auch elektromotorisch, hydraulisch oder pneumatisch oder auf sonstige andere Art erfolgen. Durch die Reduktion der auf die Schalteinrichtung wirkenden Schalt- und Haltekräfte kann die Schalteinrichtung sehr klein und kostengünstig ausgebildet werden.
Vorzugsweise ist der Anschlag im Bereich des Außen- und/oder Innenumfangs der Schalthülse durch eine in Radialrichtung erstreckende Erhebung und/oder Vertiefung ausgebildet. Hierdurch ist eine sehr kostengünstige Herstellung der Schalthülse möglich. Der Anschlag kann somit nutförmig (Vertiefung) oder schienenförmig (Erhebung) auf dem Außen- bzw. Innenumfang der Schalthülse ausgeführt sein.
Um ein vollständiges Abstoppen der Schalthülse gegenüber der weiterhin rotierenden Antriebswelle sicherstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn sich der Anschlag im Wesentlichen parallel zur Drehachse erstreckt. Alternativ ist es aber auch ebenso denkbar, dass der Anschlag gegenüber der Drehachse schräg gestellt ist, so dass sich die Schalthülse beim Verschieben in Axialrichtung leicht verdreht. Grundsätzlich muss der Anschlag derart ausgebildet sein, dass bei betätigtem Schaltelement zwischen der Antriebswelle und der Schalthülse ein Drehzahlunterschied bewirkt wird, wobei sich die Schalthülse langsamer dreht als die Antriebswelle.
Vorteilhaft ist es ebenso, wenn an einem der beiden Enden des Anschlags ein Einführbereich zum Einführen des betätigten Schaltelementes und/oder am anderen Ende des Anschlags ein Ausführbereich zum Ausführen des betätigten Schaltelementes angeordnet ist. Hierdurch kann ein zuverlässiges Abstoppen sowie erneutes Antreiben der Schalthülse sichergestellt werden. Zum Verschieben der Schalthülse wird das betätigte Schaltelement somit über den Einführbereich in Kontakt mit dem Anschlag gebracht. Sobald das Schaltelement am Anschlag anliegt, wird die Schalthülse entlang ihrer Drehachse in Richtung der Schaltstellung axial verschoben. Hierbei bewegt sich der Anschlag an dem ortsfesten Schaltelement in Axialrichtung entlang. Sobald die Schalthülse die Schaltstellung erreicht hat, wird mittels des Ausführbereichs der Anlagekontakt zwischen Schaltelement und Anschlag aufgehoben, so dass die Schalthülse wieder erneut zusammen mit der Antriebswelle zu Rotieren beginnt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Schalthülse einen zweiten Anschlag aufweist, an den das betätigte Schaltelement bei Drehrichtungsumkehr der Antriebswelle und/oder bei in Schaltstellung befindlicher Schalthülse anzustoßen vermag. Hierdurch kann die Schalthülse wieder aus ihrer Schaltstellung in ihre vorherige Ausgangsstellung zurückgeschoben werden. Der zweite Anschlag kann auch als eine im Bereich des Außen- und/oder Innenumfang der Schalthülse in Radialrichtung erstreckende Erhebung und/oder Vertiefung ausgebildet sein.
Die Schalthülse kann besonders kostengünstig hergestellt werden, wenn der erste und/oder zweite Anschlag, vorzugsweise mit ihrem jeweiligen Einführ- und/oder Ausführbereich, mittels einer Aussparung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Aussparung am Außenumfang der Schalthülse ausgebildet. Die Aussparung kann vorteilhafterweise in nur einem einzigen Fertigungsschritt ausgebildet werden, wenn diese vorzugsweise als, insbesondere Z-förmige, Nut ausgebildet ist. Die beiden gegenüberliegenden Flanken der Nut bilden hierbei den ersten und zweiten Anschlag.
Um ein selbstständiges Ein- und Ausführen des Schaltelementes in bzw. aus der Aussparung sicherstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn sich die radiale Tiefe der Aussparung im Einführ- und/oder Ausführbereich vom ersten und/oder zweiten Anschlag ausgehend in Umfangsrichtung auf das Niveau des Außendurchmessers der Schalthülse verringert.
Die Aussparung kann sehr kostengünstig hergestellt werden, wenn der Grund der Aussparung im Wesentlichen über ihre gesamte Fläche plan ausgebildet ist.
Um unterschiedliche Schaltzustände des Getriebes ermöglichen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Schalthülse zumindest eine erste Aussparung aufweist, mittels derer diese zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung verschiebbar ist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn die Schalthülse zumindest eine zweite Aussparung aufweist, mittels derer diese zwischen einer Neutralstellung und zumindest einer der beiden Schaltstellungen verschiebbar ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die beiden Anschläge der ersten Aussparung in Axialrichtung der Schalthülse länger ausgebildet sind als diejenigen der zweiten Aussparung. Hierdurch können vorteilhafterweise unterschiedliche axiale Verschiebungslängen der Schalthülse bewirkt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der erste Verbindungsbereich derart ausgebildet ist, dass sich die abgestoppte Schalthülse in Abhängigkeit der Antriebswellendrehrichtung in Axialrichtung zur Antriebswelle hin- oder von dieser wegbewegt. Hierdurch kann das Schaltelement von den zum Verschieben der Schalthülse benötigten Axialkräften entkoppelt werden, da die im Wesentlichen vollständig vom ersten Verbindungsbereich aufgenommen werden. Das Schaltelement ist somit nur während des Schaltvorgangs belastet. Vorteilhafterweise kann das Schaltelement somit sehr klein und kostengünstig ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn die Schalthülse zum axialen Verschieben entlang der Drehachse im Verbindungsbereich ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde und/oder Feingewinde, aufweist. Hierdurch kann der erste Verbindungsbereich zur Aufnahme der axialen Kräfte sehr kostengünstig ausgebildet werden.
Die Schalthülse kann sehr bauraumsparend ausgebildet werden, wenn die Schalteinrichtung ein in Axialrichtung verschiebbares Koppelelement zum drehfesten Verbinden zumindest zweier Bauteile des Getriebes umfasst, das mit der Schalthülse in einem zweiten Verbindungsbereich form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist. Die beim Koppeln der zumindest zwei Bauteile des Getriebes auftretenden Kräfte werden somit vom Koppelelement aufgenommen, wodurch die Schalthülse ausschließlich die Aufgabe des Schaltens übernimmt. Hierdurch kann das Getriebe sehr bauraumsparend ausgebildet werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Koppelelement mit der Schalthülse in Axialrichtung formschlüssig und/oder in Umfangsrichtung kraftschlüssig verbunden ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise beim axialen Verschieben der Schalthülse zugleich auch das Koppelelement in die entsprechende Schaltstellung und/oder Neutralstellung verschoben werden. Des Weiteren kann mittels einer in Umfangsrichtung kraftschlüssigen Verbindung zwischen Koppelelement und Schalthülse eine ungewollte Axialverschiebung der Schalthülse beim Abbremsen und/oder Beschleunigen der Antriebswelle vermieden werden.
Um beim Beschleunigen und/oder Abbremsen der Antriebswelle eine relative Verdrehung der Schalthülse gegenüber der Antriebswelle im ersten Verbindungsbereich vermeiden zu können, ist es vorteilhaft, wenn im zweiten Verbindungsbereich das Reibmoment des in Umfangsrichtung ausgebildeten Kraftschlusses zwischen Koppelelement und Schalthülse größer ist als das im ersten Verbindungsbereich maximal auftretende Trägheitsmoment der Schalthülse.
Des Weiteren wird ein schaltbares Planetengetriebe, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, vorgeschlagen, das eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle, eine Planetenanordnung und eine axial verschiebbar gelagerte Zentralwelle aufweist. Die Zentralwelle ist mittels einer Schalteinrichtung zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung verschiebbar, wobei die Zentralwelle, die Antriebswelle, die Planetenanordnung und/oder die Abtriebswelle in den beiden Schaltstellungen unterschiedlich miteinander koppelbar sind. Die Schalteinrichtung ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Bei der Erfindung kann es sich demnach auch um ein Werkzeugmaschinengetriebe handeln, das über dieses schaltbare Planetengetriebe verfügt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein Werkzeugmaschinengetriebe zum Antrieb einer Spindel oder eines anderen drehbaren Teils der Werkzeugmaschine.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1, 1a eine schematische Darstellung eines schaltbaren Planetengetriebes mit einer Schalteinrichtung in einem ersten Schaltzustand,
2 eine perspektivische Detailansicht einer Schalthülse der Schalteinrichtung,
3a–3d einen sequenziellen Schaltvorgang des Planetengetriebes vom in 1 dargestellten ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand,
4 eine perspektivische Detailansicht der Schalthülse mit einer zweiten und dritten Aussparung zum Verschieben der Schalthülse in eine Neutralstellung,
5 das Planetengetriebe mit in die zweite Aussparung eingreifendem Schaltelement zum Schalten des Getriebes in den Neutralzustand und
6 das Planetengetriebe in Neutralstellung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines schaltbaren Planetengetriebes. Derartige Planetengetriebe kommen bevorzugt in Werkzeugmaschinen zum Einsatz, beispielsweise zum Antrieb einer Spindel der Werkzeugmaschine. Das Planetengetriebe verfügt über eine mit einem nicht gezeigten Antrieb (beispielsweise einem Elektromotor) verbindbare Antriebswelle 1, die über entsprechende Lager 29 drehbar in einem Gehäuse 28 gelagert ist. Ferner verfügt das Planetengetriebe über eine drehbar gelagerte, vorzugsweise koaxial mit der Antriebswelle 1 verlaufende, Abtriebswelle 2, mit der das Planetengetriebe mit einem anzutreibenden Bauteil (beispielsweise einer Werkzeugmaschinenspindel), das vorliegend nicht gezeigt ist, verbindbar ist. Über die Abtriebswelle 2 ist die Drehbewegung des Antriebs auf das anzutreibende Bauteil übertragbar.
Die genannte Übertragung der Drehbewegung erfolgt mithilfe einer drehbar gelagerten Zentralwelle 3, die einerseits mit der Antriebswelle 1 drehfest gekoppelt ist und die, wie im Folgenden noch näher erläutert, auf unterschiedliche Weise mit der Abtriebswelle 2 in Wirkverbindung bringbar ist, um wenigstens einen ersten (vgl. 1) und einen zweiten Schaltzustand (vgl. 3d) des Planetengetriebes realisieren zu können, bei denen das Drehzahlverhältnis zwischen Antriebswelle 1 und Abtriebswelle 2 unterschiedlich ist.
1 zeigt den ersten Schaltzustand des Planetengetriebes, in dem die Drehbewegungsübertragung der Antriebswelle 1 auf die Abtriebswelle 2 über eine zwischengeschaltete Planetenanordnung 4 erfolgt. Die Planetenanordnung 4 verfügt vorzugsweise über eine um eine Drehachse 27 drehbar gelagerte Planetensonne 26, die von mehreren Planetenrädern 24 umgeben ist. Die Planetenräder 24 weisen eine Außenverzahnung auf und sind mithilfe von Radbolzen 25 drehbar in einem Planetenträger 19 gelagert, der die Zentralwelle 3 ringförmig umgibt. Schließlich umfasst die Planetenanordnung 4 vorzugsweise ein mit einer Innenverzahnung versehenes und starr mit dem Gehäuse 28 verbundenes Hohlrad 23, mit dem die mit der korrespondierenden Außenverzahnung versehenen Planetenräder 24 kämmend in Kontakt stehen.
Wie aus 1 hervorgeht, weist die Planetensonne 26 der Planetenanordnung 4 eine, als Außenverzahnung ausgebildete, erste Verzahnung 30 auf, die im ersten Schaltzustand mit einer als Innenverzahnung ausgebildeten zweiten Verzahnung 31 der Zentralwelle 3 drehfest gekoppelt ist. Hierdurch wird eine Drehbewegung der Zentralwelle 3 auf die Planetensonne 26 und von dieser über die in dem äußeren Hohlrad 23 geführten Planetenräder 24 auf den Planetenträger 19 übertragen. Der Planetenträger 19 weist ein mit der Innenverzahnung versehenes Planetenzahnrad auf, mit dem er über ein Verbindungselement 21, das über ein Wälzlager 16 auf der Zentralwelle 3 gelagert und mit dieser axial verschiebbar ist, mit einem Abtriebswellenzahnrad 17 der Abtriebswelle 2 gekoppelt ist. Bei dem Verbindungselement 21 handelt es sich insbesondere um eine außenverzahnte Hülse bzw. ein Verbindungszahnrad.
Im in 1 gezeigten ersten Schaltzustand wird die mithilfe eines Antriebs erzeugte Drehbewegung somit zunächst auf die starr mit der Antriebswelle 1 verbundene Zentralwelle 3 übertragen. Von dort erfolgt die weitere Übertragung über die erste und zweite Verzahnung 30, 31 auf die Planetensonne 26, deren Drehung eine Bewegung der Planetenräder 24 und damit eine Drehbewegung des Planetenträgers 19 bewirkt. Die Drehung des Planetenträgers 19 wird schließlich mithilfe des Planetenträgerzahnrads 20 auf das Verbindungselement 21 und von dort auf das Abtriebswellenzahnrad 17 übertragen, so dass im Ergebnis ein untersetzter Antrieb der Abtriebswelle 2 sichergestellt ist. Der Planetenträger 19 und das Planetenträgerzahnrad 20 können insbesondere als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt sein, anstatt der in 1 gezeigten beiden separaten Bauteile.
Das Planetengetriebe bzw. die Planetenanordnung 4 kann nun aus dem in 1 dargestellten ersten Schaltzustand in den in 3d dargestellten zweiten Schaltzustand geschalten werden. Hierfür weist das Getriebe eine Schalteinrichtung 5 auf. Die Schalteinrichtung 5 verfügt über eine Schalthülse 10, die um die Drehachse 27 drehbar ausgebildet ist. Zum Schalten des Getriebes ist die Schalthülse 10 entlang ihrer Drehachse 27 axial verschiebbar ausgebildet. Die Schalthülse 10 weist einen ersten und einen zweiten Verbindungsbereich 6, 7 auf. Der erste Verbindungsbereich 6 ist derart ausgebildet, dass sich die Schalthülse 10 in Abhängigkeit der Antriebswellendrehrichtung in Axialrichtung zur Antriebswelle 1 hin- oder von dieser wegbewegt, sobald die Drehbewegung der Schalthülse 10 abgestoppt wird. Hierfür weist die Schalthülse 10 im ersten Verbindungsbereich 6 ein Gewinde 12 auf. Das Gewinde 12 ist beispielsweise als Innengewinde am Innenumfang der Schalthülse 10 ausgebildet. Dieses Gewinde 12 der Schalthülse 10 ist im ersten Verbindungsbereich 6 auf ein damit korrespondierendes Gewinde 14 der Antriebswelle 1 aufgeschraubt. Das Gewinde 14 der Antriebswelle 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Außengewinde ausgebildet und an dem der Schalthülse 10 zugewandten Ende der Antriebswelle 1 angeordnet.
Die Schalteinrichtung 5 umfasst ferner ein Koppelelement 15, mittels dem, wie bereits vorstehend erläutert, die Zentralwelle 3 drehfest mit der Planetensonne 26 über die erste und zweite Verzahnung 30, 31 gekoppelt werden kann. Das Koppelelement 15 ist mit der Zentralwelle 3 in Axial- und Umfangsrichtung fest verbunden. Infolgedessen kann eine Drehbewegung der Zentralwelle 3 sowie eine axiale Verschiebung der Zentralwelle 3 auf das Koppelelement 15 übertragen werden. Das heißt, dass das Koppelelement 15 der Bewegung der Zentralwelle 3 folgt. Alternativ kann das Koppelelement 15 daher auch ein Bestandteil der Zentralwelle 3 sein.
Die Schalthülse 10 ist in ihrem zweiten Verbindungsbereich 7 mit dem Koppelelement 15 verbunden. Die Verbindung zwischen der Schalthülse 10 und dem Koppelelement 15 kann form- und/oder kraftschlüssig ausgebildet sein. So kann die Schalthülse 10 und das Koppelelement 15 in Axialrichtung eine formschlüssige Verbindung aufweisen, so dass sich beim axialen Verschieben der Schalthülse 10 auch das Koppelelement 15 mit der Schalthülse 10 mitbewegt wird. Die Zentralwelle 3, das Koppelelement 15 und die Schalthülse 10 bilden somit eine in Axialrichtung des Planetengetriebes verschiebbare Einheit aus. In Umfangsrichtung ist der zweite Verbindungsbereich 7 kraftschlüssig ausgebildet. Das Reibmoment des in Umfangsrichtung ausgebildeten Kraftschlusses zwischen Koppelelement 15 und Schalthülse 10 ist im zweiten Verbindungsbereich 7 größer als das im ersten Verbindungsbereich 6 maximal auftretende Trägheitsmoment der Schalthülse 10. Hierdurch kann vermieden werden, dass beim Beschleunigen oder Abbremsen der Antriebswelle 1 eine Schraubbewegung zwischen Antriebswelle 1 und Schalthülse 10 im ersten Verbindungsbereich 6 erfolgt. Eine Axialverschiebung der Schalthülse 10 erfolgt somit ausschließlich beim aktiven Abbremsen oder Stoppen mittels eines ersten Schaltelementes 8.
Dieses erste Schaltelement 8, das Bestandteil der Schaltvorrichtung 5 ist, ist in 1 ersichtlich. Das Schaltelement 8 ist bezüglich der Umfangsrichtung und Axialrichtung der Schalthülse 10 ortsfest am Gehäuse 28 angeordnet. Das Schaltelement 8 kann zum formschlüssigen Koppeln bzw. Verbinden mit der Schalthülse 10 aus der in 1 gezeigten radial außenliegenden ersten Stellung in Radialrichtung in eine radial innenliegende zweite Stellung (vergleiche 3a) verfahren werden. Es ist im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielhaft als Schaltstift ausgeführt. Das Schaltelement 8 korrespondiert mit einer ersten Aussparung 11 der Schalthülse 10. Die erste Aussparung 11 ist am Außenumfang 9 der Schalthülse 10 ausgebildet. Die Aussparung 11 ist nutförmig ausgeführt. Alternativ kann sie als Schiene ausgebildet sein und entsprechend vom Außenumfang 9 hervorstehen. Eine beispielhafte Form der Aussparung 11 auf dem Außenumfang 9 der Schalthülse 10 ist mit gestrichelten Linien im Bereich der Zentralwelle 3 in den 1, 3, 5 und 6 eingezeichnet.
1a zeigt eine vergrößerte Ansicht des mit A bezeichneten Bereichs der 1. Die kraftschlüssige Verbindung in Umfangsrichtung zwischen der Schalthülse 10 und dem Koppelelement 15 wird gemäß 1a durch zwei vorgespannte Federelementen 10A und 10B bewirkt. Diese erzeugen ein definiertes Reibmoment zwischen Koppelelement 15 und Schalthülse 10. Somit wird eine Art Rutschkupplung bereitgestellt, die bei einer Drehbewegung des Koppelelements 15 ein Abbremsen der Schalthülse 10 gegenüber dem Koppelelement 15 gestattet, sobald eine an der Schalthülse 10 anliegende Bremskraft das Reibmoment zwischen Koppelelement 15 und Schalthülse 10 übersteigt. Durch Vorsehen eine relativ hohe Steifigkeit der Federelemente 10A, 10B kann dabei eine quasi formschlüssige Verbindung zwischen Schalthülse 10 und Koppelelement 15 in Axialrichtung bewirkt werden. Die gezeigte angefederte Koppelung von Schalthülse 10 und Koppelelement 15 in Axialrichtung hilft zudem mögliche Zahn-auf-Zahn-Stellungen zwischen den Verzahnungen 30, 31 aufzulösen. Als Federelement 10A, 10B kann dabei jedes geeignete Federmittel eingesetzt werden, beispielsweise eine oder mehrere Tellerfedern, Spiralfedern oder Wellfedern. In alternativen Ausführungsformen können eines oder beide der Federelemente 10A, 10B auch entfallen. In letzterem Fall wird der Kraftschluss in Umfangsrichtung zwischen dem Koppelelement 15 und der Schalthülse 10 dann anderweitig hergestellt.
2 zeigt die Schalthülse 10 mit ihrer ersten Aussparung 11 in einer Detailansicht. Die erste Aussparung 11 umfasst einen ersten Anschlag 32, an den das betätigte erste Schaltelement 8 zum axialen Verschieben der Schalthülse 10 anzuschlagen vermag, wodurch die Drehbewegung der Schalthülse 10 gegenüber der rotierenden Antriebswelle 1 abgestoppt werden kann. An einem der beiden Enden des ersten Anschlags 32 ist ein Einführbereich 34 zum Einführen des betätigten ersten Schaltelements 8 und am anderen Ende des ersten Anschlags 32 ein Ausführbereich 35 zum Ausführen des betätigten ersten Schaltelements 8 angeordnet. Das Innengewinde 12 der Schalthülse 10 am ersten Verbindungsbereich 6 (siehe 1) ist in 2 nicht dargestellt.
Zum Schalten des Planetengetriebes aus dem in 1 dargestellten ersten Schaltzustand in den in 3d dargestellten zweiten Schaltzustand wird gemäß 3a zunächst das erste Schaltelement 8 betätigt. Hierdurch rückt das erste Schaltelement 8, wie in 3a dargestellt, aus einer radial äußeren Position (vgl. 1) in eine radial innere Position, wodurch es in Wirkverbindung mit der ersten Aussparung 11 gelangt. Aufgrund des ersten und/oder zweiten Verbindungsbereichs 6, 7 rotiert die Schalthülse 10 gemeinsam mit der Antriebswelle 1, der Zentralwelle 3 und dem Koppelelement 15. Insbesondere wird die Schalthülse 10 durch den Kraftschluss bzw. das Reibmoment zwischen Schalthülse 10 und Koppelelement 15 im zweiten Verbindungsbereich 7 mit der Drehbewegung der Zentralwelle 3 mitgerissen. Durch diese Drehbewegung der Schalthülse 10 gelangt das erste Schaltelement 8 bei seiner Betätigung über den Einführbereich 34 in die erste Aussparung 11. Hierbei schlägt das erste Schaltelement 8 an den ersten Anschlag 32 an, wodurch die Drehbewegung der Schalthülse 10 abgebremst bzw. abrupt gestoppt wird. Die Antriebswelle 1, die Zentralwelle 3 und das Koppelelement 15 können hingegen aufgrund des Durchrutschens der im zweiten Verbindungsbereich 7 vorgesehenen kraftschlüssigen Verbindung weiter rotieren. Somit findet nun eine Relativdrehung zwischen Schalthülse 10 und Koppelelement 15 statt. Das dabei zwischen Schalthülse 10 und Koppelelement 15 vorliegende Reibmoment wird durch das erste Schaltelement 8 am Gehäuse 28 abgestützt. Da sich nun die Antriebswelle 1 rotiert und die Schalthülse 10 steht, schraubt sich die Schalthülse 10 aufgrund der im ersten Verbindungsbereich 6 ineinandergreifenden Gewinde 12, 14 auf die in Axialrichtung ortsfest ausgebildete Antriebswelle 1 auf. Hierbei wird das Koppelelement 15 gemeinsam mit der Schalthülse 10 in Richtung der Antriebswelle 1 verschoben, da dieses im zweiten Verbindungsbereich 7 in Axialrichtung formschlüssig mit der Schalthülse 10 gekoppelt ist.
Bei dieser Verschiebung gleitet das erste Schaltelement 8 gemäß 3b an dem ersten Anschlag 32 in Axialrichtung des Getriebes entlang, bis die Schalthülse 10 gemäß 3c in ihrer zweiten Schaltstellung angelangt ist. In dieser Stellung verliert das betätigte erste Schaltelement 8 den Kontakt zum ersten Anschlag 32 und rutscht über den Ausführbereich 35 aus der ersten Aussparung 11 heraus. Da sich die radiale Tiefe der ersten Aussparung 11 im Einführ- und/oder Ausführbereich 34, 35 vom Anschlag 32 ausgehend in Umfangsrichtung auf das Niveau des Außendurchmessers der Schalthülse 10 verringert, wird das erste Schaltelement 8 radial nach außen gedrückt, so dass es erneut in seine deaktivierte Ausgangsstellung zurückgedrückt wird.
Das Planetengetriebe befindet sich nun gemäß 3d in seiner zweiten Schaltstellung. Um die Schalteinrichtung 5 bzw. die Schalthülse 10 in dieser Position halten zu können, sind keine aktiven Schaltelemente 8, 13 notwendig. Ein Halten der Schalthülse 10 in dieser Position wird ausschließlich mittels des ersten Verbindungsbereiches 6, insbesondere mit der Schraubverbindung, d.h. den ineinandergreifenden Gewinden 12, 14, zwischen Schalthülse 10 und Antriebswelle 1, bewirkt. Vorteilhafterweise muss das Schaltelement 8 somit lediglich die Kraft zum Abstoppen der Rotationsbewegung der Schalthülse 10 aufnehmen. Die axiale Verschiebung der Schalthülse 10 erfolgt ausschließlich im ersten Verbindungsbereich 6 durch die Gewindeverbindung zwischen Schalthülse 10 und Antriebswelle 1.
Wie 3d zeigt, wurde die Verbindung aus erster und zweiter Verzahnung 30, 31, die die Zentralwelle in ihrer ersten Stellung (vgl. 1) mit der Planetensonne 26 verband, durch die axiale Bewegung der Zentralwelle 3 gelöst, so dass die Zentralwelle 3 und die Planetensonne 26 nun entkoppelt sind. Ebenso wurde auch das Verbindungselement 21 gemeinsam mit der Zentralwelle 3 in Richtung der Antriebswelle 1 verschoben, so dass auch die Kopplung zwischen dem Planetenträgerzahnrad 20 und dem Antriebswellenzahnrad 17 aufgehoben wurde. Im Ergebnis ist somit die Abtriebswelle 2 von der Planetenanordnung 4 entkoppelt. Im Gegensatz hierzu erfolgt nun durch die axiale Bewegung der Zentralwelle 3 in ihre zweite Stellung gemäß 3d eine direkte Kopplung von Zentralwelle 3 und Abtriebswelle 2, indem das Antriebswellenzahnrad 17 mit dem Zentralwellenzahnrad 18 kämmend in Eingriff gebracht wurde. Eine Drehbewegung der Antriebswelle 1 wird in diesem Schaltzustand nun auf die Abtriebswelle 2 übertragen, ohne dass hierbei die Planetenanordnung 4 beteiligt ist. Die unweigerlich auftretenden Reibverluste sind in diesem Schaltzustand somit minimiert.
Um das Getriebe aus dem in 3d dargestellten zweiten Schaltzustand erneut in den in 1 dargestellten ersten Schaltzustand zu bringen, muss die Drehrichtung der Antriebswelle 1 umgekehrt werden. Danach kann durch erneute Betätigung des ersten Schaltelementes 8 die Schalthülse 10 in entgegengesetzter Axialrichtung derart verschoben werden, dass sich diese von der Antriebswelle 1 in die erste Schaltstellung zurückbewegt. Hierfür gelangt das aktivierte erste Schaltelement 8 gemäß 2 über einen Einführbereich in die erste Aussparung 11. Der Einführbereich ist aufgrund der Drehrichtungsumkehr nun der Ausführbereich 35 des ersten Anschlags 32. Die erste Aussparung 11 weist ferner einen zweiten Anschlag 33 auf. Wie vorstehend beschrieben, wird auf analoger Art und Weise die Schalthülse 10 durch das Anschlagen des ersten Schaltelementes 8 an dem zweiten Anschlag 33 abgestoppt, wodurch aufgrund der Gewindeverbindung im ersten Verbindungsbereich 6 eine axiale Verschiebung der Hülse zurück in die erste Schaltstellung erfolgt. Sobald die erste Schaltstellung erreicht ist, verliert das betätigte erste Schaltelement 8 den Wirkkontakt zum zweiten Anschlag 33 und wird durch einen Ausführbereich, der dem Einführbereich 34 des ersten Anschlags 32 entspricht, aus der ersten Aussparung 11 erneut herausgeführt, da die Schalthülse 10 aufgrund der kraftschlüssigen Verbindung mit dem Koppelelement 15 erneut zu rotieren beginnt. Der Ausführbereich des zweiten Anschlags 33 entspricht dem Einführbereich 34 des ersten Anschlags 32. Die erste Aussparung 11 ist vorliegend als Z-förmige Schaltnut ausgebildet.
Neben der ersten und zweiten Schaltstellung kann das Planetengetriebe ferner in eine Neutralstellung geschalten werden (vgl. 6). Hierfür kann die Schalthülse 10 gemäß 4 optional eine zweite Aussparung 22 aufweisen, in die ein zweites Schaltelement 13 eingreifen kann. Das zweite Schaltelement 13 kann gegenüber dem ersten Schaltelement 8 axial bezüglich der Schalthülse 10 versetzt sein und/oder eine größere axiale Erstreckung als das erste Schaltelement 8 aufweisen, beispielsweise durch einen gegenüber dem ersten Schaltelement 8 vergrößerten Durchmesser. Hierdurch wird verhindert, dass das zweite Schaltelement 13 in Wirkverbindung mit der ersten Aussparung 11 geraten kann, beispielsweise indem es in die Aussparung 11 einfährt. Demnach sind die Abmessungen des Schaltelements 13 und der Aussparung 11 insbesondere so gewählt, dass ein Eingreifen des Schaltelements 13 in die Aussparung 11 verhindert wird. Die zweite Aussparung 22 ist derart angeordnet und orientiert, dass die Schalthülse 10 aus der zweiten Schaltstellung in die mittige Neutralstellung verschoben werden kann. Eine beispielhafte Form der Aussparung 22 auf dem Außenumfang 9 der Schalthülse 10 ist mit gestrichelten Linien im Bereich der Zentralwelle 3 in den 1, 3, 5 und 6 eingezeichnet.
Optional weist die Schalthülse 10 eine dritte Aussparung auf (in 4 nicht gezeigt), in die das zweite Schaltelement 13 eingreifen kann. Die zweite und dritte Aussparung 22 sind an unterschiedliche Enden der Schalthülse 10 ausgebildet. Die dritte Aussparung ist derart orientiert und angeordnet, dass die Schalthülse 10 aus ihrer ersten Schaltstellung in die Neutralstellung bewegbar ist, wenn das zweite Schaltelement 13 darin eingreift (also analog zur zweiten Aussparung 22, die derart orientiert und angeordnet, dass die Schalthülse 10 aus ihrer zweiten Schaltstellung in die Neutralstellung bewegbar ist, wenn das zweite Schaltelement 13 darin eingreift). Die zweite und dritte Aussparung 22 weisen vergleichbar zur ersten Aussparung 11 einen Einführbereich 34, einen Anschlag 33 sowie einen Ausführbereich 35 auf. Das Wirkprinzip der zweiten und dritten Aussparung 22 entspricht dem der ersten Aussparung 11. Die erste, zweite und gegebenenfalls dritte Aussparung 11, 22 sind bevorzugt gleichmäßig auf dem Umfang der Schalthülse 10 angeordnet. Insbesondere die zweite und dritte Aussparung 22 oder die erste und zweite Aussparung 11, 22 können auch auf gegenüberliegenden Seiten der Schalthülse 10 angeordnet sein, also um 180° in Umfangsrichtung der Schalthülse 10 versetzt zueinander liegen. Die erste Aussparung 11 kann auch insbesondere um 90° in Umfangsrichtung von der zweiten oder der dritten Aussparung 22 versetzt angeordnet sein.
6 zeigt die Neutralstellung des Planetengetriebes, in der die Zentralwelle 3 in axialer Richtung gesehen eine Stellung einnimmt, die zwischen ihrer ersten und ihrer zweiten Stellung liegt und in der sie sowohl von der Antriebswelle 1 als auch der Abtriebswelle 2 entkoppelt ist. Die axiale Fixierung erfolgt in dieser Stellung wie auch in der ersten und zweiten Schaltstellung über den ersten Verbindungsbereich 6 und den zweiten Verbindungsbereich 7. So vermeidet die reibschlüssige Verbindung in Umfangsrichtung zwischen der Schalthülse 10 und dem Koppelelement 15 ein Ein- bzw. Ausschrauben der Schalthülse 10 gegenüber der Antriebswelle 1, wenn die Antriebswelle 1 abgebremst oder beschleunigt wird. Des Weiteren hält die Schraubverbindung zwischen Schalthülse 10 und Antriebswelle 1 die Schalthülse 10 in der entsprechenden Neutralposition.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind. Insbesondere ist es möglich, einzelne oder alle der in den Figuren gezeigten Innenverzahnungen bzw. Innengewinde, wie beispielsweise die 14, 31, stattdessen als Außenverzahnungen bzw. Außengewinde auszuführen, wobei dann jeweils korrespondierenden Außenverzahnungen bzw. Außengewinde, wie beispielsweise 12, 30, als Innenverzahnungen oder Innengewinde ausgeführt werden. Jeweils korrespondierende Innen- und Außenverzahnungen, beispielsweise die 12, 14 könne ebenso durch stirnseitige Verzahnungen, beispielsweise Klauenkupplungsverzahnungen, ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle
2: Abtriebswelle
3: Zentralwelle
4: Planetenanordnung
5: Schalteinrichtung
6: erster Verbindungsbereich
7: zweiter Verbindungsbereich
8: erstes Schaltelement
9: Außenumfang
10: Schalthülse
10A: Federelement
10B: Federelement
11: erste Aussparung
12: Gewinde der Schalthülse
13: zweites Schaltelement
14: Gewinde der Antriebswelle
15: Koppelelement
16: Wälzlager
17: Abtriebswellenzahnrad
18: Zentralwellenzahnrad
19: Planetenträger
20: Planetenträgerzahnrad
21: Verbindungselement
22: zweite Aussparung
23: Hohlrad
24: Planetenrad
25: Radbolzen
26: Planetensonne
27: Drehachse
28: Gehäuse
29: Lager
30: erste Verzahnung
31: zweite Verzahnung
32: erster Anschlag
33: zweiter Anschlag
34: Einführbereich
35: Ausführbereich
36: dritte Aussparung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009054942 A1 [0003]

Claims

Schalteinrichtung (5) für ein Getriebe, insbesondere ein zweistufiges Planetengetriebe, mit einer drehbar ausgebildeten Schalthülse (10), die zum Schalten des Getriebes entlang ihrer Drehachse (27) in zumindest eine Schaltstellung verschiebbar ist, wobei die Schalthülse (10) einen Verbindungsbereich (6) aufweist, in dem diese derart mit einer Antriebswelle (1) des Getriebes verbindbar ist, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle (1) auf die Schalthülse (10) übertragbar ist, und mit zumindest einem ortsfest ausgebildeten Schaltelement (8), das bei seiner Betätigung zum axialen Verschieben der Schalthülse (10) in die Schaltstellung mit dieser formschlüssig koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalthülse (10) in Umfangsrichtung einen Anschlag (32) aufweist, an den das betätigte Schaltelement (8) anzuschlagen vermag, sodass eine Drehbewegung der Schalthülse (10) gegenüber einer Drehbewegung der Antriebswelle (1) abgestoppt wird.
Schalteinrichtung (5) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschlag (32) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (27) erstreckt.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der beiden Enden des Anschlags (27) ein Einführbereich (34) zum Einführen des betätigten Schaltelements (8) und/oder am anderen Ende des Anschlags (27) ein Ausführbereich (35) zum Ausführen des betätigten Schaltelementes (8) angeordnet ist.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalthülse (10) einen zweiten Anschlag (33) aufweist, an den das betätigte Schaltelement bei Drehrichtungsumkehr der Antriebswelle (1) und/oder bei in Schaltstellung befindlicher Schalthülse (10) anzustoßen vermag, wodurch die Schalthülse (10) wieder aus ihrer Schaltstellung zurückschiebbar ist.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (32) und/oder zweite Anschlag (33), vorzugsweise mit ihrem jeweiligen Einführ- (34) und/oder Ausführbereich (35), mittels einer Aussparung (11), insbesondere mittels einer Nut, vorzugsweise einer Z-förmigen Nut, am Außenumfang (9) der Schalthülse (10) ausgebildet ist.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radiale Tiefe der Aussparung (11; 22; 36) im Einführ- (34) und/oder Ausführbereich (35) vom ersten (32) und/oder zweiten Anschlag (33) ausgehend in Umfangsrichtung auf das Niveau des Außendurchmessers der Schalthülse (10) verringert.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalthülse (10) zumindest eine erste Aussparung (11) aufweist, mittels derer diese zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung verschiebbar ist, und/oder zumindest eine zweite Aussparung (22; 36) aufweist, mittels derer diese zwischen einer Neutralstellung und zumindest einer der beiden Schaltstellungen verschiebbar ist.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (6) derart ausgebildet ist, dass sich die abgestoppte Schalthülse (10) in Abhängigkeit der Antriebswellendrehrichtung in Axialrichtung zur Antriebswelle (1) hin- oder von dieser wegbewegt.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalthülse (10) zum axialen Verschieben entlang der Drehachse (27) im Verbindungsbereich (6) ein Gewinde (12), insbesondere ein Innengewinde und/oder Feingewinde, aufweist.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (5) ein in Axialrichtung verschiebbares Koppelelement (15), zum drehfesten Verbinden zumindest zweier Bauteile des Getriebes umfasst, das mit der Schalthülse (10) in einem zweiten Verbindungsbereich (7) form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (15) mit der Schalthülse (10) in Axialrichtung formschlüssig und/oder in Umfangsrichtung kraftschlüssig verbunden ist.
Schalteinrichtung (5) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verbindungsbereich (7) das Reibmoment des in Umfangsrichtung ausgebildeten Kraftschlusses zwischen Koppelelement (15) und Schalthülse (10) größer ist als das im ersten Verbindungsbereich (6) maximal auftretende Trägheitsmoment der Schalthülse (10).
Schaltbares Planetengetriebe, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, mit einer Antriebswelle (1), einer Abtriebswelle (2), einer Planetenanordnung (4) und einer axial verschiebbar gelagerten Zentralwelle (3), die mittels einer Schalteinrichtung (5) zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung verschiebbar ist, wobei die Zentralwelle (3) die Antriebswelle (1), die Planetenanordnung (4) und/oder die Abtriebswelle (2) in den beiden Schaltstellungen unterschiedlich miteinander koppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (5) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.