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Die Erfindung betrifft eine Synchronisierungseinheit, die eine Nabe mit Außenverzahnung, eine Schiebemuffe mit Innenverzahnung und eine Arretiereinheit umfasst, die dazu dient, eine axiale Neutralposition der Schiebemuffe festzulegen.
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Aus der
DE 26 51 894 A1 ist eine solche Synchronisierungseinheit bekannt. Die Nabe ist drehfest auf einer um eine Drehachse drehbaren Welle eines Schaltgetriebes angeordnet. Die Schiebemuffe sitzt axial verschiebbar auf der Nabe, wobei ihre Außenverzahnung mit der Innenverzahnung der Schiebemuffe in Eingriff steht. Dies sorgt für eine drehfeste Verbindung zwischen Schiebemuffe und Nabe. Die Arretiereinheit umfasst einen Rastkörper und eine Feder. Der Rastkörper in Form einer Kugel wird durch die Feder in eine erste Rastkontur gedrückt, die im Bereich der Innenverzahnung in der Schiebemuffe eingearbeitet ist. Die Kugel wird dabei von der Feder radial nach außen gegen die erste Rastkontur gedrückt. Zwischen der Feder und der Kugel ist eine zweite Rastkontur vorgesehen, die der Nabe zugeordnet werden kann. Die beiden Rastkonturen, die Feder und die Kugel sorgen dafür, dass die Schiebemuffe bezogen auf die Nabe, in ihrer Neutralposition gehalten wird.
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Die als Schraubenfeder ausgebildete Feder sitzt dabei in einer Radialbohrung der Nabe. In der Radialbohrung ist weiterhin ein zylindrisches Element entlang der Bohrungsachse verschiebbar angeordnet. An einem der Feder abgewandten Ende des zylindrischen Elements ist eine Platte vorgesehen, die an einer radial äußeren Seite die zweite Rastkontur ausbildet. Zwischen Radialbohrung und dem zylindrischen Element ist ein kleines Spiel vorgesehen, damit sich das zylindrische Element entlang der Radialbohrung bewegen kann.
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Zum Einlegen eines Gangs in dem Schaltgetriebe wird die Schiebemuffe axial verschoben. In einer axialen Endlage der Schiebemuffe ist ein Gang eingelegt, wobei die Schiebemuffe dann einen Dreh-Formschluss zwischen der Nabe bzw. der Welle und einem auf der Welle drehbar gelagerten Gang-Losrads herstellt. Dabei steht die Innenverzahnung der Schiebemuffe nicht nur mit der Außenverzahnung der Nabe, sondern auch mit der Verzahnung eines Kupplungsrads des Losrads in Eingriff. Bevor die Innenverzahnung der Schiebemuffe auf die Verzahnung des Kupplungsrads geschoben werden kann, müssen Schiebemuffe und Losrad mit gleicher Drehzahl umlaufen. Dafür wird ein Synchronring eingesetzt, der in einer Sperrposition ein Verschieben der Schiebemuffe in die Endlage erst dann zulässt, wenn sich Schiebemuffe und Gang-Losrad synchron drehen.
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Bei axialer Verschiebung der Schiebemuffe werden die Kugel und somit auch die Platte mit dem zylindrischen Element entgegen der Federkraft der Schraubenfeder radial nach innen gedrückt. Zudem wird die Kugel axial ausgelenkt. Die Kugel drückt dann gegen den Synchronring, um ihn in die Sperrposition zu bringen.
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Um einen Verschleiß des Synchronrings auszuschließen bzw. gering zu halten, sollte ein axiales Spiel zwischen Kugel und dem Synchronring gegeben sein, wenn sich die Schiebemuffe in der Neutralposition befindet. In diesem Fall wirkt dann keine axiale Kraft auf den Synchronring, die ansonsten dazu führen könnte, dass der Synchronring an einem Konus des Losrads reibt. Das axiale Spiel sollte aber möglichst klein sein, um die Schaltwege (axiale Bewegung der Schiebemuffe) gering zu halten. Betrachtet man zudem das erforderliche Spiel zwischen zylindrischem Element und Radialbohrung, können Fertigungstoleranzen und entsprechende Toleranzketten dazu führen, dass der Synchronring einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt ist bzw. der Schaltweg zu lang wird. Letzteres führt in der Regel zu Komforteinbußen beim Schalten des Schaltgetriebes.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Synchronisierungseinheit für ein Schaltgetriebe bereitzustellen, durch die ein verschleißarmer und komfortabler Betrieb möglich ist.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausführungsbeispiele der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zweite Rastkontur ortsfest zur Außenverzahnung der Nabe angeordnet ist. Somit ist im Gegensatz zu der
DE 26 51 894 A1 keine Verschiebbarkeit der zweiten Rastkontur bezogen zur Außenverzahnung der Nabe vorgesehen. Entsprechend muss auch kein Spiel zwischen entsprechend verschiebbaren Bauteilen vorgesehen werden. Durch die ortsfeste Lage der zweiten Rastkontur werden nicht nur die Toleranzketten gekürzt, sondern auch der Aufbau der Synchronisierungseinheit vereinfacht.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der Rastkörper bei einer Axialbewegung der Schiebemuffe aus der Neutralposition in Umfangsrichtung der Nabe bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich wird dabei der Rastkörper in radialer Richtung, vorzugsweise radial nach innen, bewegt. Da die Schiebemuffe drehfest mit der Nabe verbunden ist, bewegt sich somit der Rastkörper auch bezogen auf die Schiebemuffe nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in Umfangsrichtung bzw. tangential Richtung.
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Die zweite Rastkontur kann als V-Kontur mit zwei Flanken ausgebildet sein, wobei ein Winkel Y zwischen einer Flanke und einer Geraden, die parallel zur Drehachse der Schiebemuffe verläuft, 10 bis 40 Grad beträgt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel Y 15 bis 35 bzw. 20 bis 30 Grad. Die zweite Rastkontur muss nicht notwendigerweise symmetrisch aufgebaut sein. Möglich ist, dass der Winkel Y einer Flanke sich von dem Winkel Y' der anderen Flanke unterscheidet (zum Beispiel um mehr als 5 Grad). Auch können die Flanken unterschiedlich lang ausgebildet sein.
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Ein Winkel Z zwischen einer der Flanken der V-Kontur und einer radial verlaufenden Geraden, die sich von der V-Kontur der Nabe zur Drehachse erstreckt, kann ungleich 0 sein. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel Z zwischen 20 und 40 Grad, vorzugsweise zwischen 25 und 35 Grad.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Feder als eine Schraubenfeder ausgebildet. Es kann auch eine Blattfeder, eine Kombination von gleich aufgebauten Federn oder auch eine Kombination von unterschiedlich aufgebauten Federn zum Einsatz kommen.
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Der Rastkörper kann eine Kugel sein. Zumindest kann der Rastkörper einen Halbkugelförmigen Bereich aufweisen. Der Rastkörper kann einen ersten Nocken aufweisen, der mit der ersten Rastkontur zusammenwirkt. Zudem kann der Rastkörper einen zweiten Nocken aufweisen, der mit der sich an der zweiten Rastkontur abstützt. Die beiden Nocken können unterschiedlich ausgebildet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Feder zwischen dem Rastkörper und einem weiteren Rastkörper. Wenn die beiden sich gegenüberstehenden Rastkörper als Kugeln ausgebildet sind, können deren Mittelpunkte auf einer Mittelachse der Feder liegen. Auch ist es möglich, dass der Rastkörper oder die Rastkörper mit der Feder Teile einer zuvor montierten Arretiereinheit sind, die in die Nabe oder die Schiebemuffe eingesetzt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel ist eine Kraft zum Bewegen des Rastkörpers aus einer durch die erste Rastkontur vorgegebene Ruhelage größer als eine Kraft zum Bewegen des Rastkörpers aus einer durch die zweite Rastkontur vorgegebene Ruhelage. Dies bedeutet, dass bei einer axialen Verschiebung der Schiebemuffe der Druckkörper zunächst in der durch die erste Rastkontur vorgegebene Ruhelage verbleibt und somit zunächst im gleichen Maße wie die Schiebemuffe axial bewegt wird. Dies führt zu einer axialen Bewegung des Rastkörpers bezogen auf die axial feststehende Nabe.
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Die erste Rastkontur kann wie die zweite Rastkontur als V-Kontur mit zwei Flanken ausgebildet sein, wobei ein Winkel X zwischen einer Flanke und einer Geraden parallel zur Drehachse der Nabe 25 bis 55 Grad beträgt. Der Winkel X kann vorzugsweise 30 bis 50 bzw. 35 bis 45 Grad betragen. Um sicherzustellen, dass der Rastkörper bei Axialbewegung der Schiebemuffe von dieser axial mitgenommen wird, sich also in axialer Richtung relativ zur Nabe bewegt, sollte vorzugsweise der Winkel X der ersten Rastkontur größer sein als der vergleichbare Winkel Y der zweiten Rastkontur.
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Die Synchronisierungseinheit kann wenigstens einen Synchronring umfassen, der sich durch den Rastkörper axial verschieben lässt. Vorzugsweise ist ein zweiter Synchronring vorgesehen, der sich ebenfalls von dem Rastkörper in die andere axiale Richtung verschieben lässt. Somit kann die Synchronisierungseinheit Teil einer Doppelgangschaltkupplung eines Schaltgetriebes sein, durch die zwei unterschiedliche Gänge des Schaltgetriebes eingelegt werden können.
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Bei Axialbewegung der Schiebemuffe aus ihrer Neutralposition heraus wird in einem Ausführungsbeispiel der Rastkörper relativ zur Nabe axial ausgelenkt, so dass er gegen den Synchronring drückt, der seitlich neben der Nabe angeordnet ist. Zwischen dem Rastkörper, wenn er sich in der durch die zweite Rastkontur vorgegebene Ruhelage befindet, und dem Synchronring kann ein kleines Spiel vorgesehen sein. Der durch den Rastkörper verschobene Synchronring wird auf einen Konus des Losrads gedrückt, wodurch der Synchronring über Reibung in Drehrichtung des Losrads mitgenommen wird und in eine Sperrposition gedrückt wird. In dieser Sperrposition verhindert der Synchronring, dass die Schiebemuffe weiter axial verschoben werden kann. Erst wenn die Reibung zwischen Synchronring und Konus des Losrads zusammenbricht, weil Synchronring und Losrad letztlich synchron laufen, lässt sich der Synchronring aus seiner Sperrposition drücken und gibt somit den Weg frei für die Schiebemuffe, die sich nun axial bis in eine axiale Endposition schieben lässt, in der der Gang eingelegt ist.
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Der Rastkörper kann unmittelbar auf dem Synchronring drücken. Alternativ ist es möglich, dass der Rastkörper in einem Druckkörper angeordnet ist, so dass bei Axialverschiebung der Schiebemuffe der Rastkörper nur mittelbar über den Druckkörper gegen den Synchronring drückt. Der Druckkörper kann beispielsweise als Käfig ausgebildet sein, in dem der Rastkörper noch um seine eigene Achse drehen kann.
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In einem Ausführungsbeispiel ist in der Nabe für die Aufnahme des Rastkörpers und der Feder ein Freischnitt vorgesehen, wobei ein in radialer Richtung gesehen tiefster Punkt des Freischnitts einen Freischnitt-Durchmesser definiert, der mindestens 70 Prozent des Außendurchmessers der Nabe beträgt. Vorzugsweise beträgt der Freischnitt-Durchmesser mindestens 75 oder 80 Prozent des Außendurchmessers der Nabe. Der Außendurchmesser der Nabe ist dabei der Durchmesser der äußeren Zahnspitzen der Außenverzahnung der Nabe. Da der Freischnitt-Durchmesser vergleichsweise groß ist, wird die Nabe durch die Aufnahme von Rastkörper und Feder wenig geschwächt.
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Anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 in perspektivischer Ansicht eine Nabe der erfindungsgemäßen Synchronisierungseinheit;
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2 die Nabe der 1 in der Seitenansicht;
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3 den Schnitt der Nabe entlang der Linie III-III in 2;
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4 ein vergrößertes Detail der Nabe innerhalb des Kreises IV in 4;
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5 die Nabe mit einer Schiebemuffe; und
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6 ein vergrößertes Detail der Schiebemuffe innerhalb des Kreises VI in 5.
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Die 1 bis 3 zeigen eine Nabe 10 in verschiedenen Ansichten. In 5 ist die Nabe 10 mit einer Schiebemuffe 20 dargestellt. 6 zeigt die Schiebemuffe 20 im vergrößerten Maßstab. In 6 ist zudem ein Synchronring 30 dargestellt.
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Die Nabe 10 und die Schiebemuffe 20 sind Teile einer Synchronisierungseinheit, durch die sich die Drehzahl einer Welle eines Schaltgetriebes, auf der die Nabe 10 in Einsatzlage drehfest und in axialer Richtung fixiert sitzt, und die Drehzahl eines ebenfalls auf der Welle sitzenden Gang-Losrads des Schaltgetriebes synchronisieren lässt. Eine Synchronisierung der Nabe 10 bzw. der Welle und des Gang-Losrads ist notwendig, um eine in Drehrichtung formschlüssige Verbindung zwischen Nabe und Gang-Losrad herstellen zu können.
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Die Nabe 10 weist an ihrem Umfang eine Außenverzahnung 11 auf, die durch drei am Umfang um jeweils 120 Grad versetzte Freischnitte 12 unterbrochen ist. Die Freischnitte 12 weisen jeweils eine gleiche Form auf.
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In jedem Freischnitt 12 ist eine Arretiereinheit 40 eingesetzt, die in dem hier ausgeführten Ausführungsbeispiel zwei Druckkörper und eine zwischen den Druckkörpern angeordnete Feder 42 umfasst, die als Schraubenfeder ausgebildet ist. Als Druckkörper werden hier Kugeln 41 verwendet. Wie insbesondere der 2 entnommen werden kann, erstreckt sich die Schraubenfeder 42 im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Nabe 10. Ein Abstand der Mittelachse der Schraubenfeder 42 zu einer Drehachse 1, um die sich in Einsatzlage die Welle bzw. die Nabe 10 dreht, entspricht dabei in etwa einem Außendurchmesser DA der Nabe 10 (Abstand der Mittelachse zur Drehachse 1 größer als 85 Prozent von DA).
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Jede Kugel 41 wird von der auf Druck belasteten Schraubenfeder 42 gegen eine Rastkontur 13 gedrückt, die hier auch als zweite Rastkontur bezeichnet wird. Die zweite Rastkontur bzw. die Rastkontur 13 der Nabe 10 ist, wie insbesondere der 4 entnommen werden kann, als symmetrische V-Kontur mit zwei schräg verlaufenden Flanken 14 ausgebildet. Zu einer Geraden 2, die parallel zur Drehachse 1 verläuft, weist jede Flanke 14 einen Winkel Y auf. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel Y rund 25 Grad (+/–3 Grad).
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4 zeigt zudem die Kugel 41 in einer durch die Rastkontur 13 vorgegebenen Ruhelage. Befindet sich die Kugel 41 in dieser Ruhelage, so weist – erstmal unabhängig von einer weiteren Rastkontur, auf die später noch eingegangen wird – die Federkraft der zwischen den Kugeln 41 angeordneten Schraubenfeder ein Minimum auf.
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Die Flanken 14 der zweiten Rastkontur 13 sind nicht nur gegenüber einer parallel zur Drehachse 1 verlaufenden Gerade 2 geneigt, sondern auch zu einer in radialer Richtung verlaufenden Geraden 3 (siehe 2), die die Drehachse 1 mit der zweiten Rastkontur verbindet. Der Neigungswinkel zwischen den Flanken 14 und dieser Kragen 3 ist in 2 mit Z bezeichnet. Des Weiteren ist in 2 ein Winkel mit Z' gekennzeichnet, den von einer der Flanken 14 und einer Mittelachse 4 des Freischnitts 12 eingeschlossen wird. Der Winkel Z beträgt hier rund 30 Grad (+/–3 Grad), während der Winkel Z' in etwa 45 Grad (+/–3 Grad) beträgt.
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Jeder der Freischnitte 12 dient zur Aufnahme einer Arretiereinheit 40, die die Kugeln 41 und die Schraubenfeder 42 umfasst. Jeder Freischnitt 12 weist dabei einen Boden 15 auf, der den in radialer Richtung gesehen tiefsten Punkt des Freischnitts definiert. Entsprechend lässt sich ein Freischnitt-Durchmesser DFS definieren, der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel rund 79 Prozent des Außendurchmessers DA beträgt.
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Wenn die Schiebemuffe 20 auf der Nabe 10 sitzt, stützt sich die Kugel 41 nicht nur an der zweiten Rastkontur 13 ab, sondern auch an einer ersten Rastkontur, die im Bereich einer Innenverzahnung 21 der Schiebemuffe 20 vorgesehen ist. Die erste Rastkontur oder auch die Rastkontur der Schiebemuffe 20 wird in der 6 mit 22 bezeichnet. Sie ist ebenfalls als symmetrische V-Kontur mit zwei Flanken 23 ausgebildet. Ein Winkel zwischen der Flanke 23 und einer Geraden 5, die parallel zur Drehachse 1 verläuft, ist mit X gekennzeichnet. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel X rund 40 Grad (+/–3 Grad) und ist damit deutlich größer als der Neigungswinkel Y der Flanken 14 der Rastkontur der Nabe.
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Um einen Gang im Schaltgetriebe einzulegen, wird die Schiebemuffe 20 mit einer hier nicht dargestellten Schaltgabel, die in eine umlaufende Schaltgabelnut 24 der Schiebemuffe 20 greift, axial verschoben, beispielsweise in der Darstellung der 6 nach links in Richtung des Pfeils 7. Die erste Rastkontur 22 ist im Vergleich zur zweiten Rastkontur 13 so ausgelegt, dass bei einer Axialbewegung der Schiebemuffe 20 die Kugel 41 axial mitbewegt wird. Dabei wird ein axiales Spiel 6 zwischen Kugel 41 und einer Drucklasche 31 des Synchronrings 30 überwunden, so dass die Kugel 41 an dem Synchronring 30 anliegt und diesen mit einer gewissen axialen Druckkraft beaufschlägt. Dadurch kommt eine konusförmige Reibfläche 32 des Synchronrings 30 in Anlage mit einem Reibkonus des Gang-Losrads. Durch die Reibung zwischen Synchronring 30 und dem Gang-Losrad wird der Synchronring 30 in Umfangsrichtung in eine definierte Sperrposition gedrückt. In dieser Sperrposition verhindert eine Sperrverzahnung 33 des Synchronrings, dass sich die Schiebemuffe 20 weiter in Richtung einer Endposition axial verschieben lässt. Dabei kommen die angeschrägten Zahnspitzen 25 der Innenverzahnung 21 zur Anlage mit der Sperrverzahnung 33. Beispielsweise können die Rastkonturen 13, 22 im Zusammenspiel mit dem Druckkörper (hier die Kugel 41) so ausgelegt sein, dass eine an der Schiebemuffe angreifende Kraft von 200 N (100 Prozent) zu einer Druckkraft auf den Synchronring führt, die 50 N beträgt. D h., der Synchronring 30, noch bevor die Zahnspitzen 25 der Schiebemuffe 20 die Sperrverzahnung 33 des Synchronrings 30 erreichen, wird in axialer Richtung mit 50 N (25 Prozent) gegen den Reibkonus des Gang-Losrads gedrückt. Jede der hier vorgesehenen drei Arretiereinheiten 40 drückt somit den Synchronring 30 mit rund 17 N gegen das Gang-Losrad.
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Erst wenn die Differenzdrehzahl zwischen Synchronring 30 und dem Gang-Losrad praktisch gleich 0 ist, verliert der Synchronring 30 seine sperrende Wirkung und die Schiebemuffe 20 lässt sich in die Endposition verschieben, in der die Innenverzahnung 21 mit einer Außenverzahnung eines Kupplungsrings des Gang-Losrads eine drehfeste Formschluss-Verbindung bildet.
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Die Kugel 41 liegt unmittelbar über die dort eingeformte Rastkontur 22 an der Schiebemuffe 20 und unmittelbar über die dort eingeformte Rastkontur 13 an der Nabe 10 an. Die zweite Rastkontur 13 ist ortsfest zur Außenverzahnung 11 der Nabe 10 angeordnet. Die zweite Rastkontur 13 kann somit bezogen auf die Außenverzahnung der Nabe 10 weder in radialer Richtung noch in eine andere Richtung verschoben werden. Das gleiche gilt sinngemäß für die erste Rastkontur 20. Durch den unmittelbaren Kontakt der Kugel 41, bzw. allgemeiner formuliert, des Druckkörpers an der Nabe 10 und gleichzeitig an der Schiebemuffe 20 sich lässt sich exakt eine Neutralposition der Schiebewelle 20 bezogen auf die Nabe 10 einstellen. Diese Neutralposition der Schiebemuffe 20 ist dann gegeben, wenn sich die Kugel 41 sowohl in der durch die erste Rastkontur 13 vorgegebene Ruhelage (siehe 4) und gleichzeitig in der durch die zweite Rastkontur vorgegebene Ruhelage (siehe 6) befindet. Wenn sich die Schiebemuffe 20 bezogen auf die Nabe 10 in der Neutralposition befindet, ist eine axiale Krafteinwirkung der Kugel 41 auf den Synchronring nicht gegeben.
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Die erfindungsgemäße Synchronisierungseinheit weist einen einfachen Aufbau auf und ermöglicht eine exakte Fixierung der Schiebemuffe 20 in der Neutralposition. Durch den einfachen Aufbau und durch die Verwendung weniger Bauteile können sich Bauteiltoleranzen nicht ungünstig addieren. Toleranzketten können kurz gehalten werden, so dass das zwischen Kugel 41 und Synchronring 30 vorzuhaltene Spiel 6 sehr klein eingestellt werden kann. Dies führt zu kurzen Schaltwegen, ohne dass befürchtet werden muss, dass der Synchronring 30 durch ungewollten Kontakt mit dem Reibkonus des Gang-Losrads unnötig schnell verschleißt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehachse
- 2
- Gerade
- 3
- Gerade
- 4
- Mittelachse
- 5
- Gerade
- 6
- Spiel
- 7
- Pfeil
- 10
- Nabe
- 11
- Außenverzahnung
- 12
- Freischnitt
- 13
- erste Rastkontur
- 14
- Flanke
- 15
- Boden
- 20
- Schiebemuffe
- 21
- Innenverzahnung
- 22
- zweite Rastkontur
- 23
- Flanke
- 24
- Schaltgabelnut
- 25
- Zahnspitze
- 30
- Synchronring
- 31
- Drucklasche
- 32
- Reibfläche
- 33
- Sperrverzahnung
- 40
- Arretiereinheit
- 41
- Kugel
- 42
- Feder (Schraubenfeder)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2651894 A1 [0002, 0009]
