DE102014215144A1

DE102014215144A1 - Reibungsarmes Schaltgetriebe mit zentrifugalkraftbetätigtem Schaltelement

Info

Publication number: DE102014215144A1
Application number: DE102014215144.9A
Authority: DE
Inventors: Mario Kettlitz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-02-04

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Schaltgetriebe, insbesondere für ein Schienenfahrzeug und/oder eine Werkzeugmaschine, mit einer ersten Welle (2), einer zu dieser parallelversetzten zweiten Welle (3), zumindest zwei sich zwischen diesen beiden Wellen erstreckenden Zahnradstufen (40, 41), einem Koppelelement (5), das koaxial auf der zweiten Welle (3) angeordnet und axial zu dieser zumindest zwischen einer ersten und zweiten Schaltstellung, in denen das Koppelelement (5) die zweite Welle (3) mit jeweils einer der beiden Zahnradstufen (40, 41) kraftübertragend verbindet, verschiebbar ist, und einer Schalteinheit (42) zum Verschieben des Koppelelements (3) in die jeweilige Schaltstellung, wobei die Schalteinheit (42) Mittel zum Erzeugen zweier zueinander in entgegengesetzte Richtungen wirkender axialer Schaltkräfte und ein Schaltelement (4) zum Übertragen dieser axialen Schaltkräfte auf das Koppelelement (5) umfasst. Erfindungsgemäß ist das Schaltelement (4) koaxial auf der ersten Welle (2) angeordnet, zu dieser axial verschiebbar und derart mit dem Koppelelement (5) verbunden, dass das Koppelelement (5) bei einer axialen Verschiebung des Schaltelementes (4) parallel mit diesem mitbewegbar ist. Des Weiteren weist die Schalteinheit (42) zum Erzeugen zumindest einer der beiden axialen Schaltkräfte zumindest einen Fliehkraftkörper (10) auf, der derart mit der ersten Welle (2) in Wirkverbindung steht, dass dieser bei Wellenrotation auf einer Umlaufbahn um die Wellendrehachse (43) mitrotierbar ist, und der derart gegenüber dieser ersten Welle (2) radial verschiebbar und mit dem Schaltelement (4) in Wirkverbindung stehend ausgebildet ist, dass das Schaltelement (4) bei einer durch die Zentrifugalkraft bedingten radial nach außen gerichteten Verschiebung des Fliehkraftkörpers (10) gemeinsam mit dem Koppelelement (5) aus der ersten in die zweite Schaltstellung axial verschiebbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein reibungsarmes Schaltgetriebe, insbesondere ein Zweiganggetriebe, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher definierten Art sowie ein Schienenfahrzeug und eine Werkzeugmaschine mit einem derartigen Schaltgetriebe gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 18 näher definierten Art.
Aus der DE 1 177 671 B ist ein zweigängiges Schaltgetriebe für ein Schienenfahrzeug bekannt. Es weist zwei ständig im Eingriff stehende Zahnradpaare mit unterschiedlichen Übersetzungen auf, von denen jeweils ein Zahnrad fest auf der Abtriebswelle und das andere Zahnrad drehbar auf der Antriebswelle gelagert ist. Die Zahnradpaare sind voneinander im Abstand angeordnet, wobei zwischen den lose drehbaren Zahnrädern auf der Antriebswelle ein Schaltglied vorgesehen ist, das verschiebbar jedoch undrehbar auf der Antriebswelle geführt ist. Durch Verschieben des Schaltgliedes kann das eine oder andere Zahnrad formschlüssig mit der Antriebswelle gekuppelt werden. Zum Verschieben des Schaltgliedes ist eine im Gehäuse des Schaltgetriebes verschiebbare, in das Schaltglied eingreifende Schaltgabel vorgesehen, die mit dem Ende der Kolbenstange eines doppelwirkenden, in einem Arbeitszylinder bewegbaren Kolbens eines Stellgerätes verbunden ist. Der Kolben ist mittels Rückstellfeder in die der Leerlaufstellung des Schaltgetriebes entsprechende Mittelstellung rückführbar.
Aus der US 2012/0031229 A1 ist ein Getriebe für Hybridfahrzeuge bekannt, das eine erste Übertragungswelle aufweist, die mit einem Verbrennungsmotor über eine ausrückbare Kupplung verbunden ist und mindestens zwei erste Zahnräder trägt, die mit mindestens zwei zweiten Zahnrädern zusammenwirken. Diese zweiten Zahnräder werden von einer Übertragungshilfswelle, die mit einer Achswelle des Fahrzeugs und einem Elektromotor verbunden ist, getragen, wobei eines der zweiten Zahnräder von der Hilfswelle über eine unidirektionale Kupplung getragen ist. Des Weiteren umfasst das Getriebe eine Zentrifugalkraftkupplung, welche eine Verbindungsoberfläche, die an einer Außenseite eines Zahnrades ausgebildet ist, und eine Kupplungsscheibe umfasst. Die Kupplungsscheibe ist in axialer Richtung durch Fliehkraftkörper und Federn bewegt, die auf einer Scheibe angeordnet und drehfest mit der zweiten Welle verbunden sind. Bei einer Rotation der zweiten Welle wird die Kupplungsscheibe durch die daraus folgende auf den Fliehkraftkörper einwirkende Zentrifugalkraft in axialer Richtung an die Verbindungsoberfläche des Zahnrades gedrückt, bis ein Reibkontakt zwischen der zweiten Welle und dem Zahnrad entsteht.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 18 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
Es wird ein Schaltgetriebe, insbesondere für ein Schienenfahrzeug und/oder eine Werkzeugmaschine, vorgeschlagen. Das Schaltgetriebe ist vorzugsweise als Zweiganggetriebe ausgebildet. Es umfasst eine erste Welle, insbesondere eine Antriebswelle, und eine zu dieser parallelversetzte zweite Welle, insbesondere eine Abtriebswelle. Über eine der beiden Wellen kann von einem Antriebsmotor ein Drehmoment in das Schaltgetriebe hineingeführt und von der anderen Welle wieder abgeführt werden. Hierbei ist vorzugsweise die erste Welle als Antriebswelle und die zweite Welle als Abtriebswelle ausgebildet. Alternativ dazu kann auch die zweite Welle als Antriebswelle und die erste Welle als Abtriebswelle ausgebildet sein. Das Schaltgetriebe umfasst des Weiteren zumindest zwei Zahnradstufen, die sich zwischen diesen beiden Wellen erstrecken. Diese weisen zueinander vorzugsweise unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse auf, so dass das Schaltgetriebe mehrere Gänge umfasst. Über die Zahnradstufen kann eine Antriebskraft zwischen den beiden Wellen übertragen werden. Ebenso umfasst das Schaltgetriebe ein Koppelelement, das koaxial auf der zweiten Welle angeordnet und axial zu dieser zumindest zwischen einer ersten und zweiten Schaltstellung verschiebbar ist. In den Schaltstellungen verbindet das Koppelelement die zweite Welle mit jeweils einer der beiden Zahnradstufen kraftübertragend, so dass die Antriebskraft von einer der beiden Wellen auf die andere Welle übertragbar ist. Beim Verschieben des Koppelelements aus einer der beiden Schaltstellungen in die andere wird die kraftübertragende Verbindung zwischen der Welle und der einen Zahnradstufe gelöst und, sobald das Koppelelement bis in die andere Schaltstellung vorschoben ist, mit der anderen Zahnradstufe hergestellt. Ebenfalls umfasst das Schaltgetriebe eine Schalteinheit, mittels der das Koppelelement in die jeweilige Schaltstellung verschiebbar ist. Hierfür umfasst die Schalteinheit Mittel zum Erzeugen zweier axialer Schaltkräfte, die zueinander in entgegengesetzte Richtungen wirken. Des Weiteren weist die Schalteinheit ein Schaltelement auf, mittels dem diese axialen Schaltkräfte auf das Koppelelement übertragbar sind. Mit den Mitteln wird somit die axiale Schaltkraft erzeugt, die über das Schaltelement auf das Koppelelement übertragen wird, wodurch die axiale Verschiebung des Koppelelements hervorrufen wird.
Das Schaltelement ist koaxial auf der ersten Welle angeordnet und zu dieser axial verschieblich ausgebildet. Hierbei ist das Schaltelement vorzugsweise im Bereich seiner radialen Innenfläche auf der Welle axial verschieblich geführt. Des Weiteren ist das Schaltelement, insbesondere im Bereich seiner radialen Außenfläche, derart mit dem Koppelelement verbunden, dass das Koppelelement bei einer axialen Verschiebung des Schaltelementes parallel mit diesem mitbewegbar ist. Vorteilhafterweise kann die Schalteinheit hierdurch sehr kompakt und bauraumsparend ausgebildet werden. Hierdurch kann letztendlich auch das Bauvolumen des gesamten Schaltgetriebes stark reduziert werden.
Es liegt demnach zwischen Schaltelement und Koppelelement eine Kopplung in Axialrichtung vor, wobei das Koppelelement und das Schaltelement vorzugsweise zusätzlich voneinander rotationsentkoppelt sind, so dass sich diese jeweils zueinander frei bzw. ungehindert, insbesondere drehfest mit ihrer jeweiligen Welle gekoppelt, um ihre jeweilige Drehachse drehen können.
Außerdem weist die Schalteinheit zum Erzeugen zumindest einer der beiden axialen Schaltkräfte zumindest einen, insbesondere kugelförmigen, Fliehkraftkörper auf. Dabei steht der Fliehkraftkörper derart, insbesondere mittels Form- und/oder Reibschluss, mit der ersten Welle in Wirkverbindung, dass dieser bei Wellenrotation auf einer Umlaufbahn um die Wellendrehachse mitrotierbar ist. Bei Wellenrotation wirkt somit auf den Fliehraftkörper eine radial nach außen gerichtete Zentrifugalkraft ein. Der Fliehkraftkörper ist des Weiteren derart gegenüber der ersten Welle radial verschiebbar und mit dem Schaltelement in Wirkverbindung stehend ausgebildet, dass das Schaltelement bei einer durch die Zentrifugalkraft bedingten radial nach außen gerichteten Verschiebung des Fliehkraftkörpers gemeinsam mit dem Koppelelement aus der ersten in die zweite Schaltstellung axial verschiebbar ist. Die Wirkverbindung zwischen dem Fliehkraftkörper und dem Schaltelement ist demnach vorzugsweise derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil der auf den Fliehkraftkörper einwirkenden Zentrifugalkraft in eine axiale Schaltkraft umwandelbar und/oder, insbesondere um 90°, umlenkbar ist. Durch diese zentrifugalkraftbetätigte Axialverschiebung des Schaltelementes bzw. des mit diesem axialverschieblich verbundenen Koppelelementes können teure elektrische oder hydraulische Stellmotoren entfallen. Hierdurch kann die Schalteinheit sehr kostengünstig ausgebildet werden. Des Weiteren wird das Bauvolumen der Schalteinheit, insbesondere durch die kompakte Anordnung des Fliehkraftkörpers im Inneren des Schaltelementes, stark reduziert.
Vorteilhaft ist es, wenn der Fliehkraftkörper in der ersten Welle in Axial- und Umfangsrichtung geführt aufgenommen ist, so dass dieser in Radialrichtung eine geführte Bewegung vollziehen kann. Vorzugsweise weist hierfür die erste Welle an ihrem Außenumfang zumindest eine radiale Bohrung oder eine sich in Umfangsrichtung über einen begrenzten Winkelbereich erstreckende Tasche auf, so dass der Fliehkraftkörper in Axial- und Umfangsrichtung geführt ist. Alternativ dazu kann die erste Welle an ihrem Außenumfang aber auch eine Ringnut aufweisen, so dass der Fliehkraftkörper in Axialrichtung geführt und in Umfangsrichtung ungeführt ist. Durch die Bohrung, die Tasche oder die Ringnut wird mit dem Schaltelement die Wirkverbindung hergestellt, mittels der der Fliehkraftkörper auf einer Umlaufbahn mit dem Schaltelement mitrotierbar ist. Im Falle der Ringnut wirkt im Wesentlichen die Reibung der Ringnut auf den Fliehkraftkörper ein und bewegt diesen somit auf einer Umlaufbahn um die Drehachse der ersten Welle. Wenn der Fliehkraftkörper in einer Bohrung oder Tasche aufgenommen ist, ist zwischen dem Fliehkraftkörper und der Welle im Gegensatz zur Ringnut zusätzlich in Umfangsrichtung ein Formschluss ausgebildet. Infolgedessen wird der Fliehkraftkörper, insbesondere von einer Bohrungswand oder einer Flanke der Tasche, mitbewegt, so dass dieser die gleiche Rotationsgeschwindigkeit wie die Tasche und somit wie die erste Welle aufweist. Dies führt zu einer synchronen Bewegung des Fliehkraftkörpers mit der ersten Welle und somit zu einer eindeutig bestimmbaren Zentrifugalkraft.
Ein weiterer Vorteil ist, wenn das Schaltelement hülsenförmig ausgebildet ist. Hierdurch kann das Schaltelement sehr bauraumsparend auf der ersten Welle angeordnet werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Schaltelement an seiner Innenfläche einen ersten und/oder zweiten Lagerabschnitt aufweist, in denen das Schaltelement auf der ersten Welle axial verschiebbar und/oder gegenüber dieser drehbar oder drehfest gelagert ist. Durch die Lagerabschnitte wird das Schaltelement auf der ersten Welle derart geführt, dass nur eine axiale Verschiebung des Schaltelements ausführbar ist. Das Schaltelement ist somit in einer Bewegung in Radialrichtung eingeschränkt, was zu einer gleichmäßigen Drehung des Schaltelementes um die Drehachse der ersten Welle führt.
Ebenso von Vorteil ist es, wenn das Schaltelement an seiner Innenfläche einen, insbesondere zwischen den beiden Lagerabschnitten ausgebildeten, Umlenkabschnitt aufweist. Dieser ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass mittels diesem der Fliehkraftkörper bei Wellenrotation in Radialrichtung auf einer Umlaufbahn führbar ist. Hierdurch kann der Fliehkraftkörper nicht beliebig nach außen wandern, sondern wird auf der Umlaufbahn gehalten. Zusätzlich oder alternativ ist es auch vorteilhaft, wenn der Umlenkabschnitt derart ausgebildet ist, dass mittels diesem zumindest ein Teil der auf den Fliehkraftkörper einwirkenden Zentrifugalkraft zum Verschieben des Schaltelements, insbesondere von der ersten in die zweite Schaltstellung, in eine axiale Schaltkraft umwandelbar und/oder, insbesondere um 90°, umlenkbar ist. Infolgedessen führt der Umlenkabschnitt dazu, dass ein Teil, der nur radial wirkenden Zentrifugalkraft, in einen axialen Anteil, welcher die axiale Schaltkraft darstellt, aufgespalten wird. Da das Schaltelement axial verschiebbar auf der ersten Welle angeordnet ist, führt die axiale Schaltkraft zu dem Verschieben des Schaltelements von der ersten in die zweite Schaltstellung. Hierfür weist der Umlenkabschnitt zu Drehachse in einer Längsschnittansicht vorzugsweise einen Winkel auf, womit von der auf den Fliehkraftkörper wirkenden radialen Zentrifugalkraft die axiale Schaltkraft abspaltbar ist.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Umlenkabschnitt im Längsschnitt des Schaltelements gegenüber der Drehachse eine Steigung aufweist, so dass der Fliehkraftkörper bei einer zentrifugalkraftbetätigten Axialverschiebung des Schaltelements von einer ersten auf eine dazu größere, d.h. in Radialrichtung weiter außen liegende, Umlaufbahn bewegbar ist. Dabei kann die Steigung des Umlenkabschnitts über seine axiale Länge hinweg konstant und/oder variabel ausgebildet sein. Die Steigung entspricht vorzugsweise dem Winkel zwischen Umlenkabschnitt und Drehachse der ersten Welle. Zur Ausbildung einer variablen Steigung kann der Umlenkabschnitt in einer Längsschnittansicht mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Steigungen aufweisen und/oder dieser oder diese konkav und/oder konvex ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Umlenkabschnitt im Wesentlichen konisch ausgebildet. Dies führt zu einer einfachen und somit kostengünstigen Herstellung des Umlenkabschnittes bzw. des Schaltelementes.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Schalteinheit zumindest ein Federelement, insbesondere eine in Axialrichtung wirkende Spiralfeder, umfasst, mittels dem das Schaltelement federbeaufschlagt vorzugsweise in die erste Schaltstellung gedrückt ist. Wenn sich die Welle nicht dreht, ist das Schaltelement somit mittels des Federelementes in die erste Schaltstellung gedrückt. Erst wenn bei einer bestimmten Drehzahl die durch den Fliehkraftkörper und den Umlenkabschnitt erzeugte axiale Schaltkraft einen über der entgegengerichteten Federkraft liegenden Schwellwert überschreitet, kann eine zentrifugalkraftbetätigte Verschiebung des Schaltelementes gemeinsam mit dem Koppelelement erfolgen.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn das Schaltelement mittels des Fliehkraftkörpers und des Umlenkabschnitts dann von der ersten in die zweite Schaltstellung verschiebbar ist, wenn die auf den Fliehkraftkörper einwirkende Zentrifugalkraft größer oder gleich einem ersten Schwellwert ist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn das Schaltelement mittels des Federelementes dann wieder von der zweiten in die erste Schaltstellung zurückverschiebbar ist, wenn die Zentrifugalkraft kleiner oder gleich einem zweiten Schwellwert ist. Insbesondere bei einem auf der Antriebswelle angeordneten Schaltelement kann infolgedessen das Schaltgetriebe ab dem ersten Schwellwert durch die auf den Fliehkraftkörper wirkende Zentrifugalkraft und daraus resultierende axiale Schaltkraft in die zweite Schaltstellung geschalten werden. In der zweiten Schaltstellung, was einem zweiten Gang mit einem im Vergleich zur ersten Schaltstellung größeren Übersetzungsverhältnis entspricht, sinkt die Eingangsdrehzahl – und somit auch die Zentrifugalkraft – wieder ab. Sobald der zweite Schwellwert erreicht oder unterschritten ist – d.h. sobald die durch die Zentrifugalkraft hervorgerufene erste axiale Schaltkraft kleiner als die durch die Federkraft hervorgerufenen und entgegengerichtete zweite axiale Schaltkraft ist – kann das Schaltelement wieder in die erste Schaltstellung zurückverschoben werden.
Auch von Vorteil ist es, wenn die Schalteinheit eine Verriegelungseinheit umfasst, mittels der das Schaltelement, insbesondere über eine formschlüssige lösbare Verbindung mit der ersten Welle, in der ersten und/oder zweiten Schaltstellung verriegelbar ist. Somit kann das Schaltelement in der ersten und/oder zweiten Schaltstellung gehalten werden, auch wenn sich die Drehzahl der ersten Welle ändert. Damit kann das Schaltelement auch dann bei einem Ansteigen der Drehzahl der ersten Welle in der ersten Schaltstellung gehalten werden, wenn die Zentrifugalkraft den ersten Schwellwert bereits überstiegen hat, was ohne Verriegelungseinheit zu einer automatischen Verschiebung des Schaltelements von der ersten zur zweiten Schaltstellung führen würde. Wenn die Verriegelungseinheit das Schaltelement in der zweiten Schaltstellung verriegelt, kann hier die Drehzahl der ersten Welle unter den zweiten Schwellwert fallen, ohne dass das Schaltelement automatisch aus der zweiten in die erste Schaltstellung verschoben wird. Mittels der Verriegelungseinheit kann somit der Zeitpunkt, an dem das Schaltelement in eine der beiden Schaltstellungen verschoben wird, gesteuert werden, indem die formschlüssige lösbare Verbindung zwischen Schaltelement und erster Welle entriegelt wird.
Vorteilhaft ist es, wenn die Verriegelungseinheit zumindest ein, insbesondere kugelförmiges, Sperrelement umfasst, das vorzugsweise in einer Radialbohrung der ersten Welle aufgenommen und/oder in Radialrichtung zwischen einer, insbesondere radial inneren, Entriegelungs- und, insbesondere radial äußeren, Verriegelungsstellung verschiebbar ist. Dies führt zu einer einfachen Konstruktion der Verriegelungseinheit, was wiederum zu einer Kostenreduzierung und einfachen Herstellung der Verriegelungseinheit führt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Verriegelungseinheit ein, insbesondere stabförmiges, Arretierelement umfasst, mittels dem das Sperrelement in seiner Verriegelungsstellung arretierbar ist. Hierdurch kann ein unbeabsichtigter Schaltvorgang verhindert werden.
Ebenso von Vorteil ist es, wenn das Arretierelement in einer mit der Radialbohrung verbundenen stirnseitigen Axialbohrung der ersten Welle koaxial aufgenommen und/oder, insbesondere in Axialrichtung, zwischen einer Passivstellung, in der das Sperrelement in Radialrichtung frei beweglich ist, und einer Arretierstellung, in der das Sperrelement in seiner Verriegelungsstellung gehalten ist, verschiebbar ist. Hierdurch kann die Verriegelungseinheit konstruktiv einfach und sehr kompakt ausgebildet werden.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn das Arretierelement eine Durchmesserverdickung aufweist, die in der Arretierstellung in Axialrichtung im Bereich des Sperrelementes positioniert ist, so dass das Sperrelement durch die Durchmesserverdickung in seiner radial äußere Verriegelungsstellung gehalten ist. Die Durchmesserverdickung kann in einfacher Weise an dem Arretierelement ausgebildet werden, was zu einer Kostenreduzierung führt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Verriegelungseinheit eine erste und/oder zweite Aufnahmevertiefung, insbesondere eine Ringnut, zum Aufnehmen des Sperrelementes umfasst. Dabei sind die Aufnahmevertiefungen vorzugsweise an der Innenfläche des Schaltelementes, insbesondere im Bereich einer der beiden Lagerabschnitte und/oder voneinander in Axialrichtung der Welle beabstandet, angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist das Sperrelement in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes in der einen und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelementes in der anderen Aufnahmevertiefung in Axialrichtung formschlüssig aufgenommen. Dies verhindert die axiale Verschiebung des Schaltelements. Damit kann bei einer Änderung der Drehzahl, was zu einer Veränderung der axialen Schaltkraft führt, das Schaltelement in einer Schaltstellung gehalten werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Verriegelungseinheit einen Aktuator umfasst, mittels dem das Arretierelement zwischen seiner Passivstellung und Arretierstellung axial verschiebbar ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Schalteinheit zumindest einen Sensor zum Überwachen von Betriebsparameter aufweist. Mit dem Sensor kann z.B. die Position des Sperrelementes und/oder des Arretierelements, die Schaltstellung des Schaltelementes und/oder Koppelelementes, die Drehzahl der ersten und/oder zweiten Welle und/oder die Stellung der Klauenkupplung – um eine Zahn-auf-Zahn-Stellung zu erkennen – überwacht werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es von Vorteil, wenn die Schalteinheit eine, insbesondere mit dem Aktuator und/oder dem Sensor elektronisch verbundene, Steuerung umfasst. Damit kann der Aktuator und somit die Verriegelungseinheit angesteuert werden, um diese zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen der Passivstellung und der Arretierstellung zu schalten. Um die Zahn-auf-Zahn-Stellung bei einer Klauenkupplung zu vermeiden, kann die Steuerung ferner mit dem Motor verbunden sein, um diesen derart zu beschleunigen oder abzubremsen, dass die ungewünschte Zahn-auf-Zahn-Stellung vermieden wird und somit das Koppelelement kraftübertragend mit einer der beiden Zahnradstufen verbunden werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn das Koppelelement und/oder das Schaltelement drehfest mit der jeweiligen Welle verbunden sind. Auch ist es vorteilhaft, wenn das Koppelelement und/oder das Schaltelement derart miteinander verbunden sind, dass diese gemeinsam in Axialrichtung verschiebbar sind. Vorzugsweise weist hierfür eines der beiden Elemente, insbesondere das Schaltelement, an seiner Außenfläche eine Ringnut und das andere einen in einen Bereich der Ringnut formschlüssig eingreifenden Ringfortsatz auf. Wenn keine Verschiebung des Koppelelementes durch das Schaltelement stattfindet, ist zwischen diesen beiden in Axialrichtung vorzugsweise ein Spiel ausgebildet, so dass die Reibung zwischen Ringfortsatz und Ringnut im Wesentlichen Null beträgt. Wenn die Verschiebung stattfindet, übt der Ringfortsatz auf eine Flanke der Ringnut Druck aus und verschiebt das Koppelelement. Nach Erreichen einer der beiden Schaltstellungen greift der Ringfortsatz wieder in Axialrichtung spielbehaftet in die Ringnut ein, so dass die Reibung wieder auf ein Minimum reduziert ist. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad des Schaltgetriebes sowie einer Verringerung des Verschleißes.
Auch von Vorteil ist es, wenn die Zahnradstufen jeweils ein, insbesondere auf der ersten Welle angeordnetes, Festrad und ein, insbesondere auf der zweiten Welle angeordnetes, Losrad umfassen. Die Losräder sind hierbei vorzugsweise mittels einer Klauenkupplung, Lamellenkupplung und/oder Synchroneinheit drehfest mit der Welle verbindbar.
Vorgeschlagen wird ferner ein Schienenfahrzeug oder eine Werkzeugmaschine mit einem Schaltgetriebe, das eine erste Welle, insbesondere eine Antriebswelle, eine zu dieser parallelversetzte zweite Welle, insbesondere eine Abtriebswelle, und zumindest zwei sich zwischen diesen beiden Wellen erstreckende Zahnradstufen umfasst. Des Weiteren umfasst das Schaltgetriebe ein Koppelelement, das koaxial auf der zweiten Welle angeordnet und axial zu dieser zumindest zwischen einer ersten und zweiten Schaltstellung, in denen das Koppelelement die zweite Welle mit jeweils einer der beiden Zahnradstufen kraftübertragend verbindet, verschiebbar ist. Auch umfasst das Schaltgetriebe eine Schalteinheit zum Verschieben des Koppelelementes in die jeweilige Schaltstellung. Daneben weist die Schalteinheit Mittel zum Erzeugen zweier zueinander in entgegengesetzte Richtungen wirkender axialer Schaltkräfte und ein Schaltelement zum Übertragen dieser axialen Schaltkräfte auf das Koppelelement auf. Das Schaltgetriebe ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Um den Kraftfluss zwischen einem Motor und dem Schaltgetriebe trennen zu können, ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Schaltgetriebe und dem Motor eine Antriebskupplung angeordnet ist.
Auch von Vorteil ist es, wenn zwischen einer Werkzeugmaschine und dem Schaltgetriebe eine Abtriebskupplung angeordnet ist, um den Kraftfluss zwischen Werkzeugmaschine und Schaltgetriebe zu unterbrechen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltgetriebe im Längsschnitt,
2 eine Detailansicht einer Schalteinheit des Schaltgetriebes im Längsschnitt,
3 eine Detailansicht einer Verriegelungseinheit des Schaltgetriebes im Längsschnitt,
4 eine grafische Darstellung der axialen Schaltkraft der Schalteinheit in Abhängigkeit der Drehzahl einer Antriebswelle des in 1 dargestellten Schaltgetriebes,
5 eine grafische Darstellung der Abtriebsdrehzahl des in 1 dargestellten Schaltgetriebes in Abhängigkeit der Antriebsdrehzahl,
6 in schematischer Darstellung ein erstes Anwendungsbeispiel des in 1 dargestellten Schaltgetriebes in einer Werkzeugmaschine und
7 in schematischer Darstellung ein zweites Anwendungsbeispiel des in 1 dargestellten Schaltgetriebes in einem Schienenfahrzeug.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schaltgetriebes 1 in einer Schnittansicht. Das Schaltgetriebe 1 umfasst eine erste Welle 2 und eine zu dieser parallelversetzte zweite Welle 3. Zwischen diesen beiden Wellen 2, 3 sind zwei Zahnradstufen 40, 41 ausgebildet, die sich jeweils in einer zu den beiden Wellen 2, 3 lotrechten Zahnradebene erstrecken. Die beiden Zahnradstufen 40, 41 umfassen jeweils ein auf der ersten Welle 2 angeordnetes erstes Zahnrad 6, 8 und ein auf der zweiten Welle 3 angeordnetes zweites Zahnrad 7, 9. Die beiden ersten Zahnräder 6, 8 sind als Festräder ausgebildet und demnach drehfest mit der ersten Welle 2 verbunden. Die beiden zweiten Zahnräder 7, 9 sind mittels Lager 20, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eines mit einem Bezugszeichen versehen ist, drehbar auf der zweiten Welle 3 gelagert. Die zweiten Zahnräder 7, 9 sind demnach als Losräder ausgebildet. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Welle 2 als Getriebeeingangswelle bzw. Antriebswelle ausgebildet. Sie ist über eine zwischengeschaltete Antriebskupplung 23, mit einem Motor 22 verbunden. Die zu dieser parallelversetzt angeordnete zweite Welle 3 ist als Getriebeausgangswelle bzw. Abtriebswelle ausgebildet. Infolgedessen sind die Festräder auf der Antriebswelle und die Losräder auf der Abtriebswelle angeordnet.
Auf der zweiten Welle 3 befindet sich ein Koppelelement 5. Dieses ist drehfest mit der zweiten Welle 3 verbunden. Das Koppelelement 5 ist ferner in Axialrichtung zwischen den beiden Zahnradstufen 40, 41 angeordnet und gegenüber der zweiten Welle 3 entlang ihrer Wellendrehachse 44 zwischen einer ersten und zweiten Schaltstellung axial verschiebbar. In 1 befindet sich das Koppelelement 5 in seiner ersten Schaltstellung. In dieser verbindet das Koppelelement 5 das zweite Zahnrad 7 bzw. Losrad der ersten Zahnradstufe 40 mittels einer Klauenkupplung 21 drehfest mit der zweiten Welle 3. Alternativ könnte diese drehfeste Verbindung aber auch ebenso beispielsweise mit einer Lamellenkupplung hergestellt werden. Bei einer axialen Verschiebung des Koppelelementes 5, das vorliegend als Schaltmuffe ausgebildet ist, aus seiner ersten in seine zweite Schaltstellung, d.h. in Richtung der zweiten Zahnradstufe 41, wird die kraftübertragende Verbindung zwischen der ersten Zahnradstufe 40 und der zweiten Welle 3 unterbrochen. Sobald das Koppelelement 5 bis in seine zweite Schaltstellung verschoben ist, verbindet dieses das Losrad der zweiten Zahnradstufe 41 drehfest mit der zweiten Welle 3.
Um das Koppelelement 5 in die erste und zweite Schaltstellung schalten bzw. axial verschieben zu können, weist das Schaltgetriebe 1 eine Schalteinheit 42 auf, die im Detail im 2 dargestellt ist. Die Schalteinheit 42 umfasst ein Schaltelement 4, mittels dem die axiale Schaltkraft zum axialen Verschieben auf das Koppelelement übertragbar ist. Das Schaltelement 4 ist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hülsenförmig ausgebildet und koaxial zur ersten Wellendrehachse 43 der ersten Welle 2 angeordnet. Das Schaltelement 4 ist in einem ersten und zweiten Lagerabschnitt 13, 14 axial verschiebbar auf der ersten Welle 2 gelagert. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 4 mit der ersten Welle 2 drehfest und axial verschiebbar verbunden. Das Schaltelement 4 kann sich somit gegenüber der ersten Welle 2 nicht wesentlich drehen. Alternativ dazu ist es aber auch ebenso denkbar, dass das hülsenförmige Schaltelement 4 in Umfangsrichtung von der ersten Welle 2 entkoppelt ist, sofern das Federelement 12 derart ausgebildet ist, dass es ein Verdrehen des Schaltelementes 4 gegenüber der ersten Welle 2 nicht behindert.
Das Schaltelement 4 ist an seinem Außenumfang derart mit dem Koppelelement 5 verbunden, dass das Koppelelement 5 bei einer axialen Verschiebung des Schaltelementes 4 parallel mit diesem mitbewegbar ist. Hierfür weist das Schaltelement 4 gemäß 1 eine Ringnut 18 auf, in die ein Ringfortsatz 19 des Koppelelementes 5 in einem Überlappungsbereich formschlüssig eingreift. Das Koppelelement 5 kann somit ungehindert zusammen mit der zweiten Welle 3 um die zweite Wellendrehachse 44 rotieren. Wenn sich das Koppelelement 5 und das Schaltelement 4 in einer der Schaltstellungen befindet, weisen der Ringfortsatz 19 und die Ringnut 18 zueinander in Axialrichtung ein Spiel auf. Nur beim axialen Verschieben des Koppelelementes 5 mittels des Schaltelementes 4 erfolgt zur axialen Kraftübertragung ein Flankenkontakt.
Die Schalteinheit 42 weist des Weiteren zumindest ein Federelement 12 auf, das das Schaltelement 4 gemäß 1 federbeaufschlagt in die erste Schaltstellung drückt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mehrere derartige Federelemente 12 angeordnet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eines dieser mit einem Bezugszeichen versehen ist. Das Federelement 12 ist im Inneren des Hülsenförmigen Schaltelementes 4 angeordnet.
Um das Schaltelement 4 gemeinsam mit dem Koppelelement 5 aus ihrer ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung verschieben zu können, weist die Schalteinheit 42 einen zentrifugalkraftbetätigten Schaltmechanismus auf, mittels dem eine der Federkraft des Federelementes 12 entgegengerichtete axiale Schaltkraft erzeugbar ist. Um die Zentrifugalkraft für eine axiale Verschiebung des Schaltelements 4 nutzen zu können, weist die Schalteinheit 42 zumindest einen Fliehkraftkörper 10 auf. Dieser ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kugel ausgebildet, kann aber auch jede andere geeignete Form aufweisen. Der Fliehkraftkörper 10 weist mit der ersten Welle 2 eine Wirkverbindung auf, so dass dieser bei einer Wellenrotation um die erste Wellendrehachse 43 in Rotation versetzbar ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Fliehkraftkörper 10 in jeweils einer radialen Bohrung 24 der ersten Welle 2 formschlüssig aufgenommen. Die radiale Bohrung 24 führt den jeweiligen Fliehkraftkörper 10 in Axialrichtung und in Umfangsrichtung. Alternativ dazu ist es auch ebenso denkbar, dass der jeweilige Fliehkraftkörper 10 anstelle der radialen Bohrung 24 in einer hier nicht dargestellten Ringnut angeordnet ist, so dass der Fliehkraftkörper 10 nur in Axialrichtung auf der ersten Welle 2 geführt ist.
Um die bei Wellenrotation auf den Fliehkraftkörper 10 einwirkende Zentrifugalkraft in eine, insbesondere der Federkraft entgegengerichtete, axiale Schaltkraft umwandeln zu können, weist das Schaltelement 4 an seiner Innenfläche einen Umlenkabschnitt 11 auf. Der Fliehkraftkörper 10 ist derart im Inneren des Schaltelements 4 angeordnet, dass dieser bei Wellenrotation in Radialrichtung an dem Umlenkabschnitt 11 anliegt, so dass dieser von dem Umlenkabschnitt 11 auf einer Umlaufbahn um die erste Wellendrehachse 43 in Radialrichtung geführt ist. Dadurch, dass der Umlenkabschnitt 11 gegenüber der ersten Wellendrehachse 43 eine Steigung aufweist, wird die Zentrifugalkraft in einen die axiale Schaltkraft bildenden Anteil aufgeteilt. Dieser bewirkt aufgrund der axialverschiebbaren Lagerung des Schaltelements 4 eine axiale Verschiebung dessen, wenn der axiale Anteil der Zentrifugalkraft die entgegengerichtete Federkraft im Wesentlichen übersteigt. Sobald sich das Schaltelement 4 aufgrund des axialen Zentrifugalkraftanteils aus der ersten in Richtung der zweiten Schaltstellung verschiebt, bewegt sich der Fliehkraftkörper 10 vom Umlenkabschnitt 11 in Radialrichtung geführt radial nach außen auf eine zur ersten größere zweite Umlaufbahn. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Umlenkabschnitt 11 hierfür konisch ausgebildet.
Die Summe aus den beiden zueinander entgegengerichteten Schaltkräften – die zum einen durch das Federelement 12 und zum anderen durch den mit dem Umlenkabschnitt 11 in Wirkverbindung stehenden Fliehkraftkörper 10 erzeugt werden – ergibt die resultierende Schaltkraft und führt je nach Größe und Richtung zu einer axialen Verschiebbarkeit des Schaltelements 4 gemeinsam mit dem Koppelelement 5.
Um den Schaltvorgang – d.h. den Zeitpunkt der axialen Verschiebung des Schaltelementes 4 zwischen den beiden Schaltstellungen – steuern zu können, weist das Schaltgetriebe 1 des Weiteren eine Verriegelungseinheit 45 auf, die in einer Detailansicht in 3 dargestellt ist. Mittels der Verriegelungseinheit 45 kann eine lösbare formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Welle 2 und dem Schaltelement 4 hergestellt werden, so dass bei einer Deaktivierung der Verriegelungseinheit 45, d.h. beim Lösen dieser formschlüssigen Verbindung, der exakte Zeitpunkt zum Schalten bzw. zum axialen Verschieben des Schaltelements 4 in eine der beiden Schaltstellungen erfolgen kann.
Zum Steuern der Schaltvorgänge, weist das Schaltgetriebe 1 eine Steuerung 17 auf, die mit einem Aktuator 16 elektrisch verbunden ist. Der Aktuator 16 ist wiederum mit einem Arretierelement 15 der Verriegelungseinheit 45 verbunden und bewirkt eine axiale Verschiebung des Arretierelements 15 gegenüber der ersten Welle 2. Das Arretierelement 15 ist in einer Axialbohrung 28 der ersten Welle 2 angeordnet. Im Bereich des in der Axialbohrung 28 angeordneten Endes des Arretierelements 15 weist dieses eine Durchmesserverdickung 29 auf.
Die Verriegelungseinheit 45 umfasst des Weiteren Sperrelemente 25, 27, die jeweils in einer Radialbohrung 26 der ersten Welle 2 in Radialrichtung beweglich angeordnet sind. Die Sperrelemente 25, 27 sind jeweils zwischen einer radial inneren Entriegelungsstellung und einer radial äußeren Verriegelungsstellung verschiebbar.
In ihrer jeweiligen Verriegelungsstellung koppeln die Sperrelemente 25, 27 das Schaltelement 4 formschlüssig mit der ersten Welle 2, so dass das Schaltelement 4 gegenüber der ersten Welle 2 in Axialrichtung nicht verschiebbar ist. Hierfür muss das Arretierelement 15 in Axialrichtung aus einer Passivstellung, in der die Sperrelemente 25, 27 in Radialrichtung frei beweglich sind, in eine in 3 dargestellte Arretierstellung verschoben werden. In dieser Arretierstellung befindet sich die Durchmesserverdickung 29 des Arretierelements 15 in Axialrichtung im Bereich der Sperrelemente 25, 27. Durch die Durchmesserverdickung 29 werden die Sperrelemente 25, 27 radial nach außen in ihre Verriegelungsstellung gedrückt und/oder in dieser Stellung gehalten. Die Sperrelemente 25, 27 ragen hierbei über den Außenumfang der ersten Welle 2 hervor.
In ihrer Verriegelungsstellung sind die Sperrelemente 25, 27 gemäß 3 in eine erste Aufnahmevertiefung 30 des Schaltelementes 4 eingedrückt. Die erste Aufnahmevertiefung 30 ist hierbei am Innenumfang des Schaltelements 4 im Bereich des zweiten Lagerabschnitts 14 ausgebildet. Des Weiteren ist die Aufnahmevertiefung 30 vorliegend als Ringnut ausgebildet.
Gemäß 1 und 3 befindet sich das Schaltelement 4 in der ersten Schaltstellung. Aufgrund der in die erste Aufnahmevertiefung 30 eingedrückten Sperrelemente 25, 27 ist das Schaltelement 4 gemeinsam mit dem Koppelelement 5 in dieser ersten Schaltstellung arretiert, selbst dann wenn bei ausreichend hoher Drehzahl der ersten Welle 2 die dadurch auf den Fliehkraftkörper 10 einwirkende Zentrifugalkraft eine axiale Verschiebung in die zweite Schaltstellung bewirken könnte. Diese Schaltverschiebung erfolgt aufgrund der Verriegelungseinheit 45 erst dann, wenn über die Steuerung 17 und den Aktuator 16 das Arretierelement 15 aus seiner Verriegelungsstellung in seine Passivstellung verschoben wird, so dass die Sperrelemente 25, 27 in Radialrichtung freigegeben werden. Hierdurch können die Sperrelemente 25, 27 mittels des Schaltelements 4 radial nach innen gedrückt werden, so dass sich das Schaltelement 4 in Axialrichtung in seine zweite Schaltstellung verschieben kann.
Sobald das Schaltelement 4 in seiner zweiten Schaltstellung angelangt ist, kann dieses erneut verriegelt werden. Hierfür weist das Schaltelement 4 eine zweite Aufnahmevertiefung 31 auf, die in Axialrichtung von der ersten Aufnahmevertiefung 30 beabstandet ist. Der Abstand zwischen der ersten und zweiten Aufnahmevertiefung 30, 31 entspricht dem axialen Verschiebeweg des Schaltelements 4, der notwendig ist, um das Koppelelement 5 von der ersten in die zweite Schaltstellung verschieben zu können. Zum Verriegeln des Schaltelements 4 in seiner zweiten Schaltstellung wird das Arretierelement 15 über den Aktuator 16 aus seiner Passivstellung erneut in seine Verriegelungsstellung verschoben, so dass die Sperrelemente 25, 27 erneut aus ihrer radial inneren Entriegelungsstellung radial nach außen in ihre Verriegelungsstellung verschoben werden. Hierbei werden die Sperrelemente 25, 27 in die zweite Aufnahmevertiefung 31 des Schaltelements 4 eingedrückt, so dass das Schaltelement 4 erneut mit der ersten Welle 2 in Axialrichtung formschlüssig gekoppelt ist.
4 zeigt ein Diagramm der axialen Schaltkraft in Abhängigkeit der Drehzahl am Beispiel der in 1 dargestellten Ausführungsform. Hierbei ist auf der Abszissenachse die Drehzahl und auf der Ordinatenachse die in Axialrichtung wirkende Kraft aufgetragen. Die gepunktete Linie stellt die zentrifugalkrafterzeugte axiale Schaltkraft 48 dar. Die gestrichelte Linie ist die federkrafterzeugte axiale Schaltkraft 50. Die durchgezogene Linie entspricht der Summe der beiden axialen Schaltkräfte bzw. der resultierenden Schaltkraft 50.
Zu Beginn, wenn keine Drehzahl an der ersten Welle 2 anliegt, befindet sich das Schaltelement 4 in der ersten Schaltstellung. Zu diesem Zeitpunkt ist die zentrifugalkrafterzeugte axiale Schaltkraft 48 gleich Null, so dass das Schaltelement 4 durch die federkrafterzeugte axiale Schaltkraft 49 federbeaufschlagt in die erste Schaltstellung gedrückt ist. Bei steigender Drehzahl der ersten Welle 2 steigt die zentrifugalkrafterzeugte axiale Schaltkraft 48 kontinuierlich an. Sobald die resultierende Schaltkraft 50 größer gleich F_min ist, kann eine axiale Verschiebung des Schaltelementes 4 aus seiner ersten in seine zweite Schaltstellung erfolgen. Damit das Schaltelement 4 mittels der federkrafterzeugten axialen Schaltkraft 49 wieder zurück in seine erste Schaltstellung geschalten werden kann, muss die zentrifugalkrafterzeugte axiale Schaltkraft 48 zunächst wieder einen bestimmten Schwellwert unterschreiten. So kann das Schaltelement 4 erst wieder aus der zweiten zurück in die erste Schaltstellung verschoben werden, wenn die resultierende Schaltkraft 50 kleiner oder gleich einem zweiten Schwellwert F_min ist. Die Schalteinheit 42 weist demnach einen Totbereich 32 auf, in dem keine Verschiebung des Schaltelementes 4 in eine entsprechende Schaltstellung erfolgen kann.
5 zeigt den grafischen Zusammenhang zwischen der Abtriebsdrehzahl der zweiten Welle 3 in Abhängigkeit der Antriebsdrehzahl der ersten Welle 2 am Beispiel der in 1 dargestellten Ausführungsform. Auf der Abszissenachse ist die Antriebsdrehzahl der ersten Welle 2 und auf der Ordinatenachse ist die Abtriebsdrehzahl der zweiten Welle 3 aufgetragen. Die flache Gerade, die durch den Punkt A verläuft, entspricht einem 1. Gang. Die im Gegensatz dazu steilere Gerade, die durch den Punkt B führt, entspricht einem höheren 2. Gang. Zu Beginn, wenn keine Drehzahl an der ersten Welle 2 anliegt, ist das Schaltelement 4 in der ersten Schaltstellung bzw. im 1. Gang. Sobald die Drehzahl über einen ersten Schwellwert n_12 steigt, ist die in 4 dargestellte minimale resultierende Schaltkraft 50 F_min erreicht, so dass ein Schaltvorgang durch Ausnutzung der Zentrifugalkraft von der ersten in die zweite Schaltstellung erfolgen kann. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch die Verriegelungseinheit 45 erst bei einer dazu höheren Antriebsdrehzahl n2 entriegelt, wobei das Schaltelement 4 freigegeben wird. Hierdurch verschiebt sich das Schaltelement 4 zentrifugalkraftbetätigt in Axialrichtung in die zweite Schaltstellung, wobei das Schaltgetriebe 1 in den 2. Gang geschalten wird. Hierdurch sinkt die Antriebsdrehzahl der ersten Welle 2 schlagartig auf einen Wert n1 ab, der unterhalb des Schwellwertes n_21 liegt. Der Wert n_21 stellt hierbei denjenigen Schwellwert dar, der unterschritten werden muss, damit das Schaltelement 4 mittels der Federkraft wieder aus seiner zweiten in die erste Schaltstellung verschoben werden kann (vgl. 4). Da die resultierende Schaltkraft 50 beim Schalten in einen höheren Gang schlagartig unterhalb dieses Wertes fällt, weist das System keine Hysterese auf. Aufgrund des unmittelbaren Drehzahlabfalls an der ersten Welle 2 kann folglich vorteilhafterweise ein sofortiges Zurückschalten in den 1. Gang erfolgen.
In einem hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel ist es auch ebenso denkbar, dass die zweite Welle 3 als Antriebswelle und die erste Welle 2 als Abtriebswelle ausgebildet sind. Infolgedessen würde das Koppelelement 5 auf der Antriebswelle und die Schalteinheit bzw. das Schaltelement 4 auf der Abtriebswelle angeordnet sein. Hierdurch kann das Schaltgetriebe 1 sehr reibungsarm ausgebildet werden.
6 und 7 zeigen jeweils unterschiedliche Anwendungsgebiete des Schaltgetriebes 1. Demnach kann das Schaltgetriebe 1 gemäß 6 beispielsweise in einer Werkzeugmaschine 46 eingesetzt werden. Hierbei ist die zweite Welle 3 drehfest mit einer Spindel 34 verbunden, die beispielsweise in einer Fräsmaschine den Antrieb eines Fräskopfes in einer der Bewegungsachsen x, y oder z bewirkt. Zwischen der zweiten Welle und der Spindel 34 ist eine Abtriebskupplung 33 angeordnet, mittels der die Spindel 34 von der Abtriebswelle bzw. von der zweiten Welle 3 entkoppelbar ist. Die am Beispiel der Fräsmaschine beschriebene Anordnung kann jedoch auch in einer anderen Werkzeugmaschine zum Antrieb von deren Maschinenteilen verwendet werden.
7 zeigt den Einsatz des in 1 dargestellten Schaltgetriebes 1 in einem Schienenfahrzeug 47. In diesem Fall weist die zweite Welle 3 an ihrem Ende ein Ritzel 35 auf, das in ein drehfest mit einer Radsatzwelle 38 verbundenes Abtriebsrad 36 einkämmt. Die Radsatzwelle 38 weist wiederum im Bereich ihrer Enden jeweils ein drehfest mit diesem verbundenes Rad 37 auf, die jeweils auf Schienen 39 laufen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Schaltgetriebe
2: erste Welle
3: zweite Welle
4: Schaltelement
5: Koppelelement
6: erstes Zahnrad der ersten Zahnradstufe
7: zweites Zahnrad der ersten Zahnradstufe
8: erstes Zahnrad der zweiten Zahnradstufe
9: zweites Zahnrad der zweiten Zahnradstufe
10: Fliehkraftkörper
11: Umlenkabschnitt
12: Federelement
13: erster Lagerabschnitt
14: zweiter Lagerabschnitt
15: Arretierelement
16: Aktuator
17: Steuerung
18: Ringnut
19: Ringfortsatz
20: Lager
21: Klauenkupplung
22: Motor
23: Antriebskupplung
24: Bohrung
25: erstes Sperrelement
26: Radialbohrung
27: zweites Sperrelement
28: Axialbohrung
29: Durchmesserverdickung
30: erste Aufnahmevertiefung
31: zweite Aufnahmevertiefung
32: Totbereich
33: Abtriebskupplung
34: Spindel
35: Ritzel
36: Abtriebsrad
37: Rad des Schienenfahrzeuges
38: Radsatzwelle
39: Schienen
40: erste Zahnradstufe
41: zweite Zahnradstufe
42: Schalteinheit
43: erste Wellendrehachse
44: zweite Wellendrehachse
45: Verriegelungseinheit
46: Werkzeugmaschine
47: Schienenfahrzeug
48: zentrifugalkrafterzeugte axiale Schaltkraft
49: federkrafterzeugte axiale Schaltkraft
50: resultierende Schaltkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1177671 B [0002]
US 2012/0031229 A1 [0003]

Claims

Schaltgetriebe, insbesondere für ein Schienenfahrzeug und/oder eine Werkzeugmaschine, mit einer ersten Welle (2), einer zu dieser parallelversetzten zweiten Welle (3), zumindest zwei sich zwischen diesen beiden Wellen erstreckenden Zahnradstufen (40, 41), einem Koppelelement (5), das koaxial auf der zweiten Welle (3) angeordnet und axial zu dieser zumindest zwischen einer ersten und zweiten Schaltstellung, in denen das Koppelelement (5) die zweite Welle (3) mit jeweils einer der beiden Zahnradstufen (40, 41) kraftübertragend verbindet, verschiebbar ist, und einer Schalteinheit (42) zum Verschieben des Koppelelements (5) in die jeweilige Schaltstellung, wobei die Schalteinheit (42) Mittel zum Erzeugen zweier zueinander in entgegengesetzte Richtungen wirkender axialer Schaltkräfte und ein Schaltelement (4) zum Übertragen dieser axialen Schaltkräfte auf das Koppelelement (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (4) koaxial auf der ersten Welle (2) angeordnet ist, zu dieser axial verschiebbar ist und derart mit dem Koppelelement (5) verbunden ist, dass das Koppelelement (5) bei einer axialen Verschiebung des Schaltelementes (4) parallel mit diesem mitbewegbar ist, und dass die Schalteinheit (42) zum Erzeugen zumindest einer der beiden axialen Schaltkräfte zumindest einen Fliehkraftkörper (10) aufweist, der derart mit der ersten Welle (2) in Wirkverbindung steht, dass dieser bei Wellenrotation auf einer Umlaufbahn um die Wellendrehachse (43) mitrotierbar ist, und der derart gegenüber dieser ersten Welle (2) radial verschiebbar und mit dem Schaltelement (4) in Wirkverbindung stehend ausgebildet ist, dass das Schaltelement (4) bei einer durch die Zentrifugalkraft bedingten radial nach außen gerichteten Verschiebung des Fliehkraftkörpers (10) gemeinsam mit dem Koppelelement (5) aus der ersten in die zweite Schaltstellung axial verschiebbar ist.
Schaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fliehkraftkörper (10) in der ersten Welle (2) in Axial- und/oder Umfangsrichtung geführt aufgenommen ist, wobei die erste Welle (2) vorzugsweise an ihrem Außenumfang eine radiale Bohrung (24) oder eine Ringnut aufweist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (4) hülsenförmig ausgebildet ist und/oder an seiner Innenfläche einen ersten und/oder zweiten Lagerabschnitt (13, 14) aufweist, in denen das Schaltelement (4) auf der ersten Welle (2) drehbar und/oder axial verschiebbar gelagert ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (4) an seiner Innenfläche einen, insbesondere zwischen den beiden Lagerabschnitten (13, 14) ausgebildeten, Umlenkabschnitt (11) aufweist, mittels dem der Fliehkraftkörper (10) bei Wellenrotation in Radialrichtung auf einer Umlaufbahn führbar und/oder mittels dem zumindest ein Teil der auf den Fliehkraftkörper (10) einwirkenden Zentrifugalkraft zum Verschieben des Schaltelements (4) von der ersten in die zweite Schaltstellung in eine axiale Schaltkraft umlenkbar ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkabschnitt (11) im Längsschnitt des Schaltelements (4) gegenüber der Drehachse (43) eine Steigung aufweist, so dass der Fliehkraftkörper (10) bei einer zentrifugalkraftbetätigten Axialverschiebung des Schaltelements (4) von einer ersten auf eine dazu größere zweite Umlaufbahn bewegbar ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkabschnitt (11) im Wesentlichen konisch ausgebildet ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit zumindest ein Federelement (12), insbesondere eine in Axialrichtung wirkende Spiralfeder, umfasst, mittels der das Schaltelement (4) federbeaufschlagt in die erste Schaltstellung gedrückt ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (4) mittels des Fliehkraftkörpers (10) und des Umlenkabschnitts (11) von der ersten in die zweite Schaltstellung verschiebbar ist, wenn die auf den Fliehkraftkörper (10) einwirkende Zentrifugalkraft größer oder gleich einem ersten Schwellwert ist und/oder mittels des Federelementes (12) wieder von der zweiten in die erste Schaltstellung zurückverschiebbar ist, wenn die Zentrifugalkraft kleiner oder gleich einem zweiten Schwellwert ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (42) eine Verriegelungseinheit (45) umfasst, mittels der das Schaltelement (4), insbesondere über eine formschlüssige lösbare Verbindung mit der ersten Welle (2), in der ersten und/oder zweiten Schaltstellung verriegelbar ist.
Schaltgetriebe nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinheit (45) zumindest ein Sperrelement (25, 27) umfasst, das vorzugsweise in einer Radialbohrung (26) der ersten Welle (2) aufgenommen und/oder in Radialrichtung zwischen einer, insbesondere radial inneren, Entriegelungs- und, insbesondere radial äußeren, Verriegelungsstellung verschiebbar ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinheit ein Arretierelement (15) umfasst, mittels dem das Sperrelement (25) in seiner Verriegelungsstellung arretierbar ist.
Schaltgetriebe nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Arretierelement (15) in einer mit der Radialbohrung (26) verbundenen stirnseitigen Axialbohrung (28) der ersten Welle (2) koaxial aufgenommen und/oder in Axialrichtung zwischen einer Passivstellung, in der das Sperrelement (25, 27) in Radialrichtung frei beweglich ist, und einer Arretierstellung, in der das Sperrelement (25, 27) in seiner Verriegelungsstellung gehalten ist, verschiebbar ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Arretierelement (15) eine Durchmesserverdickung (29) aufweist, die in der Arretierstellung in Axialrichtung im Bereich des Sperrelementes (25, 27) positioniert ist, so dass dieses durch die Durchmesserverdickung (29) in seiner Verriegelungsstellung gehalten ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinheit (45) eine erste und/oder zweite Aufnahmevertiefung (30, 31), insbesondere eine Ringnut, zum Aufnehmen des Sperrelementes (25, 27) umfasst, wobei diese Aufnahmevertiefungen (30, 31) vorzugsweise an der Innenfläche des Schaltelementes (4), insbesondere im Bereich eines der beiden Lagerabschnitte (13, 14) und/oder voneinander in Axialrichtung der Welle (2) beabstandet, angeordnet sind und/oder wobei das Sperrelement (25, 27) in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes (4) in der einen und in der zweiten Schaltstellung des Schaltelementes (4) in der anderen Aufnahmevertiefung (30, 31) in Axialrichtung formschlüssig aufgenommen ist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinheit (45) einen Aktuator (16), mittels dem das Arretierelement (15) zwischen seiner Passivstellung und Arretierstellung axial verschiebbar ist, die Schalteinheit (42) zumindest einen Sensor zum Überwachen von Betriebsparametern und/oder die Schalteinheit (42) eine, insbesondere mit dem Aktuator (16) und/oder dem Sensor elektronisch verbundene, Steuerung (17) umfasst.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (5) und/oder das Schaltelement (4) drehfest mit der jeweiligen Welle (2, 3) verbunden ist und/oder diese derart miteinander verbunden sind, dass diese gemeinsam in Axialrichtung verschiebbar und um ihre jeweilige Drehachse (43, 44) drehbar sind, wobei vorzugsweise eines der beiden Elemente (4; 5), insbesondere das Schaltelement (4), an seiner Außenfläche eine Ringnut (18) und das andere einen in einen Bereich der Ringnut (18) formschlüssig eingreifenden Ringfortsatz (19) aufweist.
Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradstufen (40, 41) jeweils ein, insbesondere auf der ersten Welle (2) angeordnetes, Festrad (6; 8) und ein, insbesondere auf der zweiten Welle (3) angeordnetes, Losrad (7; 9) umfassen und/oder dass die Losräder mittels einer Klauenkupplung (21), Lamellenkupplung und/oder Synchroneinheit drehfest mit der Welle (3) verbindbar sind.
Schienenfahrzeug (47) oder Werkzeugmaschine (46) mit einem Schaltgetriebe (1), das eine erste Welle (2), eine zu dieser parallelversetzte zweite Welle (3), zumindest zwei sich zwischen diesen beiden Wellen (2, 3) erstreckende Zahnradstufen (40, 41), ein Koppelelement (5), das koaxial auf der zweiten Welle (3) angeordnet und axial zu dieser zumindest zwischen einer ersten und zweiten Schaltstellung, in denen das Koppelelement (5) die zweite Welle (3) mit jeweils einer der beiden Zahnradstufen (40, 41) kraftübertragend verbindet, verschiebbar ist, und eine Schalteinheit (42) zum Verschieben des Koppelelements (5) in die jeweilige Schaltstellung umfasst, wobei die Schalteinheit (42) Mittel zum Erzeugen zweier zueinander in entgegengesetzte Richtungen wirkender axialer Schaltkräfte und ein Schaltelement (4) zum Übertragen dieser axialen Schaltkräfte auf das Koppelelement (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildet ist.