DE102016202863A1

DE102016202863A1 - Schaltvorrichtung für ein Schaltgetriebe

Info

Publication number: DE102016202863A1
Application number: DE102016202863.4A
Authority: DE
Inventors: Carsten Härtel; Kerim Huge; Marcel Mierzwa; Jan Willem van der Vecht; Maik Herrmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-08-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltvorrichtung für ein Schaltgetriebe mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Triebwelle (12), in der eine relativ zu ihr rotierbare Nockenwelle (14) koaxial gelagert ist und auf der mehrere Losräder gelagert sind, die durch Winkeleinstellung der Nockenwelle (14) relativ zur Triebwelle (12) in unterschiedlichen Konfigurationen in wenigstens einer Drehrichtung drehfest mit der Triebwelle (12) koppelbar sind, umfassend – einen ersten Planetensatz (16) mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer Sonne (181), einem Hohlrad (183) und einem Steg (182), auf dem eine Mehrzahl von Planeten (184), die einerseits mit der Sonne (181) und andererseits mit dem Hohlrad (183) kämmen, drehbar gelagert sind, und – einen zweiten Planetensatz (18) mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer Sonne (181), einem Hohlrad (183) und einem Steg (182), auf dem eine Mehrzahl von Planeten (184), die einerseits mit der Sonne (181) und andererseits mit dem Hohlrad (183) kämmen, drehbar gelagert sind, wobei – ein Hohlrad fest an einem Getriebegehäuse (20) fixiert ist und das andere ein relativ zu dem Getriebegehäuse (20) rotierbares, freies Hohlrad ist – und das freie Hohlrad mit einem elektromotorischen Stellantrieb (22) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltvorrichtung für ein Schaltgetriebe mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Triebwelle, in der eine relativ zu ihr rotierbare Nockenwelle koaxial gelagert ist und auf der mehrere Losrädern gelagert sind, die durch Winkeleinstellung der Nockenwelle relativ zur Triebwelle in unterschiedlichen Konfigurationen in wenigstens einer Drehrichtung drehfest mit der Triebwelle koppelbar sind, umfassend

– einen ersten Planetensatz mit drei ersten Planetensatz-Elementen, nämlich einer ersten Sonne, einem ersten Hohlrad und einem ersten Steg, auf dem eine Mehrzahl erster Planeten, die einerseits mit der ersten Sonne und andererseits mit dem ersten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind, und
– einen zweiten Planetensatz mit drei zweiten Planetensatz-Elementen, nämlich einer zweiten Sonne, einem zweiten Hohlrad und einem zweiten Steg, auf dem eine Mehrzahl zweiter Planeten, die einerseits mit der zweiten Sonne und andererseits mit dem zweiten Hohlrad kämmen, drehbar gelagert sind,

– von zwei ersten gleichartigen Planetensatz-Elementen der beiden Planetensätze, nämlich deren Hohlrädern, das eine ein an einem Getriebegehäuse fixiertes, festes Hohlrad und das andere ein relativ zu dem Getriebegehäuse rotierbares, freies Hohlrad ist,
– zwei zweite gleichartige Planetensatz-Elemente der beiden Planetensätze miteinander verbunden sind und
– von zwei dritten gleichartigen Planetensatz-Elementen der beiden Planetensätze das eine mit der Triebwelle und das andere mit der Nockenwelle verbunden ist.

Derartige Schaltvorrichtungen sind bekannt aus der DE 10 2011 106 107 A1 .
Die genannte Druckschrift offenbart insbesondere eine Schaltvorrichtung für ein Pedelec-Getriebe, ist jedoch grundsätzlich auch in anderen Schaltgetrieben einsetzbar. Die spezielle Getriebestruktur ist auch für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Zwingend erforderlich ist jedoch eine hier als Triebwelle bezeichnete Hohlwelle, auf der eine Mehrzahl von Schalträdern gelagert sind. Als Schalträder seien hier auf der Triebwelle gelagerte Losräder bezeichnet, die mittels geeigneter Schaltmittel selektiv drehfest in wenigstens einer Drehrichtung mit der Triebwelle koppelbar sind. Insbesondere ist es bekannt, in der Triebwelle eine einerseits mit dieser rotierbare, andererseits aber auch relativ zu dieser verdrehbare Nockenwelle zu lagern. Die Nocken der Nockenwelle wechselwirken, je nach relativer Winkeleinstellung der Nockenwelle zur Triebwelle mit einzelnen der vorgenannten Schaltmittel, sodass die Schalträder in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Nockenwelle zur Triebwelle selektiv an Letzterer festlegbar sind. Die Schaltmittel können insbesondere als Schaltklinken ausgebildet sein, die bevorzugt schaltbare Freiläufe realisieren.
Bei Betrieb des Getriebes dreht die Triebwelle. Die Nockenwelle hat sich außerhalb konkreter Schaltvorgänge synchron mit der Triebwelle mitzudrehen. Lediglich im Fall eines konkreten Schaltvorgangs muss eine Veränderung der relativen Winkeleinstellung der Nockenwelle zur Triebwelle erfolgen. Hierzu muss die Nockenwelle kurzfristig mit einer Relativdrehung zur Triebwelle beaufschlagt werden. Um dies zu erreichen, ist es aus der vorgenannten Druckschrift bekannt, die Triebwelle und die Nockenwelle durch zwei Planetensätze miteinander zu koppeln. Hierzu ist die Triebwelle drehfest mit der Sonne des eingangsseitigen Planetensatzes verbunden, dessen Hohlrad am Getriebegehäuse festgelegt ist. Sein Steg ist drehfest mit dem Steg des ausgangsseitigen Planetensatzes verbunden, dessen Sonne drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Das Hohlrad des ausgangsseitigen Planetensatzes ist rotierbar am Getriebegehäuse gelagert und kann mittels eines Bowdenzugs um vorgegebene Winkel rotiert werden. Aufgrund der im Hinblick auf die Zähnezahlen identischen Auslegung der beiden Planetensätze rotieren Triebwelle und Nockenwelle bei festgehaltenem ausgangsseitigen Hohlrad synchron. Wird das ausgangsseitige Hohlrad jedoch mittels des Bowdenzugs rotiert, addiert sich die entsprechende Drehzahl für die Dauer der Betätigung auf die Drehzahl der ausgangsseitigen Sonne und somit auf die Drehzahl der Nockenwelle, die dadurch eine definierte Relativdrehung zur Triebwelle erfährt. Durch die dadurch veränderte relative Winkeleinstellung beider Wellen wird ein Schaltvorgang im Getriebe initiiert.
Allgemein soll nachfolgend das ständig am Getriebegehäuse festgelegte Hohlrad als das feste Hohlrad und das bei Betätigung relativ zum Getriebegehäuse rotierbare Hohlrad als das freie Hohlrad bezeichnet werden.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist die Einschränkung der Benutzung auf manuelle Schaltvorgänge. Insbesondere im Hinblick auf die Komfortvorstellungen typischer Pedelec-Fahrer ist die bekannte Vorrichtung verbesserungswürdig.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine komfortablere Schaltvorrichtung für ein Schaltgetriebe zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das freie Hohlrad mit einem elektromotorischen Stellantrieb gekoppelt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der Kerngedanke der Erfindung ist es, den manuellen Antrieb des freien Hohlrades durch einen elektromotorischen Antrieb zu ersetzen, was bereits im Hinblick auf einzelne, manuell initiierte Schaltvorgänge den Schaltkomfort erhöht. Zusätzlich ermöglicht die elektrische Ansteuerung jedoch auch die Realisierung einer automatischen Schaltung, was zu einer weiteren Komfortverbesserung führt.
Die reine Ersetzung der manuellen Betätigung des freien Hohlrades bei einer Schaltvorrichtung nach dem gattungsbildenden Stand der Technik durch eine elektromotorische Betätigung führt jedoch wegen des hohen aufzuwendenden Drehmomentes in der Praxis zu weiteren Problemen. Insbesondere ist zur Aufbringung des erforderlichen Drehmomentes ein vergleichsweise starker Elektromotor erforderlich, der hohes Gewicht einbringt und einen großen Bauraum beansprucht. Zur Lösung dieses zusätzlichen Problems kann die Erfindung in Form zweier unterschiedlicher Weiterbildungen ausgeführt werden.
Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Sonne miteinander verbunden sind. Insbesondere können die erste und die zweite Sonne zur Erhöhung der Kompaktheit der Schaltvorrichtung einstückig miteinander ausgebildet sein. Die Verbindung beider Sonnen bedeutet, dass die beiden Planetensätze anders als beim Stand der Technik nicht über ihre Stege sondern eben über ihre Sonnen gekoppelt sind. Die Stege hingegen bilden die Ein- bzw. Ausgangswelle des Planetensatzpaares. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Nockenwelle und die Triebwelle jeweils mit einem anderen der beiden Stege verbunden sind. Im bevorzugten Fall, bei dem das ausgangsseitige Hohlrad als das freie Hohlrad ausgebildet ist, d.h. im Fall, dass das Hohlrad desjenigen Planetensatzes, dessen Steg mit der Nockenwelle verbunden ist, als das freie Hohlrad ausgebildet ist, hat dies folgende Wirkung. Die am freien Hohlrad eingebrachte Drehzahl wird mit einer Übersetzung, die betragsmäßig > 1 ist, d.h. mit einer Übersetzung „ins Langsame“ auf die Rotation der Nockenwelle aufaddiert. Dies bedeutet umgekehrt eine betragsmäßige Drehmomentübersetzung < 1. Mit anderen Worten wird durch die Änderung der Anbindung der beiden Planetensätze aneinander sowie an Ein- und Ausgangswelle das am ausgangsseitigen, freien Hohlrad aufzuwendende Drehmoment deutlich reduziert, sodass ein kleiner (schwacher), aber schnell drehender Elektromotor mit geringem Gewicht und Bauraumbedarf Einsatz finden kann. Bei einer Anbindung gem. gattungsbildendem Stand der Technik hingegen erfolgt die Übersetzung der Hohlraddrehung „ins Schnelle“, was bei manueller Ansteuerung über einen Bowdenzug, bei der ein hohes Drohmoment bei nur geringem Drehwinkel zur Verfügung steht, auch durchaus sinnvoll ist.
Ein grundsätzlich ähnlicher Effekt kann mittels einer zweiten Weiterbildung der Erfindung erzielt werden, bei der der erste und der zweite Steg (wie beim gattungsbildenden Stand der Technik) miteinander verbunden sind und das Hohlrad desjenigen Planetensatzes, dessen Sonne mit der Triebwelle verbunden ist, als das freie Hohlrad ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist bei dieser Form der Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass bei einer ansonsten gem. gattungsbildendem Stand der Technik ausgebildeten Schaltvorrichtung das eingangsseitige Hohlrad als das freie Hohlrad ausgebildet ist.
Der Fachmann wird in Ansehung der jeweils konkreten Bauraumverhältnisse im Einzelfall zwischen der einen und der anderen Weiterbildung der Erfindung zu entscheiden wissen.
Unabhängig von der speziellen Art der Anbindung der beiden Planetensätze ist bevorzugt vorgesehen, dass das freie Hohlrad über einen Schneckentrieb mit dem elektromotorischen Stellantrieb gekoppelt ist. Ein Schneckenrad, welches mit einer Außenverzahnung des freien Hohlrades kämmt, stellt eine besonders bauraumgünstige Ankopplung eines kleinen, schnell drehenden Elektromotors an die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung dar.
Die Planetensätze sind bevorzugt derart ausgelegt, dass die Nockenwelle bei relativ zum Getriebegehäuse festgehaltenem freien Hohlrad synchron mit der Triebwelle rotiert. Dies lässt sich insbesondere durch hinsichtlich der Zähenzahlen identische Auslegung beider Planetensätze realisieren. Selbstverständlich können in einem Planetensatz auch ganzzahlige Vielfache der Zähnezahlen des anderen Planetensatzes realisiert sein.
Im Hinblick auf eine besonders bauraumsparende, kompakte Konfiguration sind die Planetensätze bevorzugt einander axial benachbart und koaxial zueinander angeordnet, wobei günstigerweise die Nockenwelle beide Planetensätze koaxial durchgreift. Mit anderen Worten ist der eingangsseitige Planetensatz wellennah und der ausgangsseitige Planetensatz wellenfern angeordnet, wobei die Verbindung zwischen der Ausgangswelle des ausgangsseitigen Planetensatzes zur koaxial innerhalb der Triebwelle gelagerten Nockenwelle mittels besagten koaxialen Durchgriffs der Nockenwelle durch beide Planetensätze erzielt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung und
2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
Die 1 und 2 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung in schematisierter Darstellung.
Die Schaltvorrichtung 10 gem. 1 weist eine als Hohlwelle ausgebildete Triebwelle 12 auf, auf der eine Mehrzahl nicht dargestellter Schalträder gelagert sind. Im Inneren der Triebwelle 12 ist eine Nockenwelle 14 koaxial gelagert. Die Nockenwelle 14 weist über ihren Umfang und ihre Länge verteilt nicht dargestellte Nocken auf, die mit ebenfalls nicht dargestellten Schaltmitteln wechselwirken, um in Abhängigkeit von der relativen Winkeleinstellung von Nockenwelle 14 zur Triebwelle 12 unterschiedliche Schalträder in zumindest einer Drehrichtung drehfest mit der Triebwelle 12 zu koppeln.
Die Triebwelle 12 ist über zwei Planetensätze, nämlich einen eingangsseitigen Planetensatz 16 und einen ausgangsseitigen Planetensatz 18 mit der Nockenwelle 14 gekoppelt. Hierzu ist die Sonne 161 des eingangsseitigen Planetensatzes 16 mit der Sonne 181 des ausgangsseitigen Planetensatzes 18 drehfest verbunden, insbesondere einstückig ausgebildet. Der Steg 162 des eingangsseitigen Planetensatzes 16 ist drehfest mit der Triebwelle 12 verbunden. Der Steg 182 des ausgangsseitigen Planetensatzes 18 ist drehfest mit der Nockenwelle 14 verbunden. Das Hohlrad 163 des eingangsseitigen Planetensatzes 16 ist drehfest am Getriebegehäuse 20 festgelegt. Das Hohlrad 183 des ausgangsseitigen Planetensatzes 18 ist drehbar am Getriebegehäuse 20 gelagert und mit einem elektromotorischen Stellantrieb 22 versehen. Hierzu weist das Hohlrad 183 eine Außenverzahnung 221 auf, die mit einem Schneckenrad 222 kämmt, welches von einem nicht näher dargestellten Elektromotor angetrieben ist. Die Planetenräder 164, 184 der beiden Planetensätze 16, 18 kämmen mit den jeweils zugeordneten Sonnen (161, 181) und Hohlrädern (163, 183).
Die beiden Planetensätze 16, 18 sind derart ausgelegt, insbesondere hinsichtlich ihrer Zähnezahlen identisch gestaltet, dass bei festgehaltenem ausgangsseitigen Hohlrad 183 die Triebwelle 12 und die Nockenwelle 14 synchron drehen (sofern die Triebwelle 12 entsprechend rotativ angetrieben wird). Eine Rotation des Schneckenrades 222 bzw. des mit ihm gekoppelten Hohlrades 183 wird in der als Additionsgetriebe wirkenden Anordnung der beiden Planetensätze 16, 18 „ins Langsame“ übersetzt und auf die Drehzahl der Nockenwelle 14 aufaddiert. Hierdurch entsteht während der Rotation des Schneckenrades 222 eine Relativrotation der Nockenwelle 14 zur Triebwelle 12, was einem Schaltvorgang, d.h. einer Änderung der drehfest mit der Triebwelle 12 gekoppelten Schaltrad-Konstellation, entspricht.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung und soll insbesondere im Hinblick auf die Unterschiede zur Ausführungsform von 1 diskutiert werden. Anders als bei der Ausführungsform von 1 sind hier die beiden Stege 162, 182 drehfest miteinander verbunden, insbesondere einstückig miteinander ausgebildet. Als Eingangswelle des eingangsseitigen Planetensatzes 16 dient hier dessen Sonne 161, die mit der Triebwelle verbunden ist. Als Ausgangswelle des ausgangsseitigen Planetensatzes 18 dient ebenfalls dessen Sonne 181, die mit der Nockenwelle 12 verbunden ist.
Würde man, vergleichbar der Ausführungsform von 1, das ausgangsseitige Hohlrad 183 als angetriebenes, freies Hohlrad ausgestalten und das eingangsseitige Hohlrad 163 als am Getriebegehäuse 20 festgelegtes, festes Hohlrad ausgestalten, würde eine durch Rotation des Schneckenrades 222 verursachte Rotation des ausgangsseitigen Hohlrades 183 zu einer Drehzahlübersetzung „ins Schnelle“ führen, was zugleich die Notwendigkeit eines hohen Drehmomentes bedeuten würde. Daher sieht die Ausführungsform von 2 vor, das eingangsseitige Hohlrad 163 als angetriebenes, freies Hohlrad auszugestalten und das ausgangsseitige Hohlrad 163 am Getriebegehäuse 20 festzulegen.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

10: Schaltvorrichtung
10': Schaltvorrichtung
12: Triebwelle
14: Nockenwelle
16: eingangsseitiger Planetensatz
161: Sonne von 16
162: Steg von 16
163: Hohlrad von 16
164: Planetenrad von 16
18: ausgangsseitiger Planetensatz
181: Sonne von 18
182: Steg von 18
183: Hohlrad von 18
184: Planetenrad von 18
20: Getriebegehäuse
22: elektromotorischer Stellantrieb
221: Hohlrad-Außenverzahnung
222: Schneckenrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011106107 A1 [0002]

Claims

Schaltvorrichtung für ein Schaltgetriebe mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Triebwelle (12), in der eine relativ zu ihr rotierbare Nockenwelle (14) koaxial gelagert ist und auf der mehrere Losrädern gelagert sind, die durch Winkeleinstellung der Nockenwelle (14) relativ zur Triebwelle (12) in unterschiedlichen Konfigurationen in wenigstens einer Drehrichtung drehfest mit der Triebwelle (12) koppelbar sind, umfassend – einen ersten Planetensatz (16) mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer Sonne (181), einem Hohlrad (183) und einem Steg (182), auf dem eine Mehrzahl von Planeten (184), die einerseits mit der Sonne (181) und andererseits mit dem Hohlrad (183) kämmen, drehbar gelagert sind, und – einen zweiten Planetensatz (18) mit drei Planetensatz-Elementen, nämlich einer Sonne (181), einem Hohlrad (183) und einem Steg (182), auf dem eine Mehrzahl von Planeten (184), die einerseits mit der Sonne (181) und andererseits mit dem Hohlrad (183) kämmen, drehbar gelagert sind, wobei – von zwei ersten gleichartigen Planetensatz-Elementen der beiden Planetensätze (16, 18), nämlich deren Hohlrädern (163, 183), das eine ein an einem Getriebegehäuse (20) fixiertes, festes Hohlrad und das andere ein relativ zu dem Getriebegehäuse (20) rotierbares, freies Hohlrad ist, – zwei zweite gleichartige Planetensatz-Elemente (161, 181; 162, 182) der beiden Planetensätze (16, 18) miteinander verbunden sind und – von zwei dritten gleichartigen Planetensatz-Elementen (162, 182; 161, 181) der beiden Planetensätze (16, 18) das eine mit der Triebwelle (12) und das andere mit der Nockenwelle (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Hohlrad mit einem elektromotorischen Stellantrieb (22) gekoppelt ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnen (161, 181) der beiden Planetensätze (16, 18) miteinander verbunden sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sonnen (161, 181) einstückig miteinander ausgebildet sind.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (12) und die Triebwelle (14) jeweils mit einem anderen der beiden Stege (162, 182) verbunden sind.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (183) desjenigen Planetensatzes (18), dessen Steg (182) mit der Nockenwelle (14) verbunden ist, als das freie Hohlrad ausgebildet ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege der beiden Planetensätze (16, 18) miteinander verbunden sind und das Hohlrad (163) desjenigen Planetensatzes (16), dessen Sonne (161) mit der Triebwelle (12) verbunden ist, als das freie Hohlrad ausgebildet ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Hohlrad über einen Schneckentrieb (221, 222) mit dem elektromotorischen Stellantrieb gekoppelt ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetensätze (16, 18) derart ausgelegt sind, dass die Nockenwelle (14) bei relativ zum Getriebegehäuse (20) festgehaltenem freien Hohlrad synchron mit der Triebwelle (12) rotiert.
Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetensätze (16, 18) einander axial benachbart und koaxial zueinander angeordnet sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (14) beide Planetensätze (16, 18) koaxial durchgreift.