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Die Erfindung betrifft eine Gangschaltkupplung zur schaltbaren drehfesten Verbindung einer Welle mit einem auf der Welle angeordneten Losrad in einem Schaltgetriebe. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Schaltgetriebe sowie ein Verfahren zum Betreiben des Schaltgetriebes.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass die in einem Schaltgetriebe eingebaute Gangschaltkupplung zur schaltbaren drehfesten Verbindung der Welle mit dem Losrad eine Synchronisiereinheit aufweist, durch die die Drehzahl von Losrad und Welle zunächst synchronisiert werden. Erst wenn ein solcher Drehzahlabgleich stattgefunden hat, lässt sich dann eine drehfest mit der Welle verbundene Schiebemuffe der Gangschaltkupplung über ein Kupplungsrad, das fest mit dem Losrad verbunden ist, schieben, um eine drehfeste und formschlüssige Verbindung zwischen Losrad und Welle herzustellen.
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Bei der Synchronisation spielen dabei nicht nur die rotierenden Trägheitsmassen des Losrads eine Rolle, sondern auch die Zahnräder und Bauteile, die mit dem Losrad im Eingriff stehen. Handelt es sich beispielsweise bei der Welle um eine Ausgangswelle des Schaltgetriebes und kämmt das Losrad mit einem Festrad auf einer Eingangswelle des Schaltgetriebes, so müssen durch die Synchronisation nicht nur das Losrad auf der Ausgangswelle, sondern auch die Eingangswelle mit dem Festrad und die mit der Eingangswelle verbundene getriebeseitige Kupplungsscheibe einer Kupplung beschleunigt bzw. abgebremst werden. Zudem müssen auch weitere Zahnräder des Schaltgetriebes abgebremst oder beschleunigt werden, die mit der Eingangswelle in Eingriff stehen. Dies kann beispielsweise einem schnellen Runterschalten in einem KFZ-Schaltgetriebe entgegenstehen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Gangschaltkupplung für ein Schaltgetriebe bereitzustellen, durch die der Schaltkomfort des Schaltgetriebes erhöht werden kann.
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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 zu Anspruch 1 entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gangschaltkupplung ein Freilauf-Kupplungsrad aufweist, das über einen Freilauf mit dem Losrad verbindbar ist, wobei der Freilauf nur in eine Umlaufrichtung für eine drehfeste Verbindung des Losrads mit dem Freilauf-Kupplungsrad sorgt. Wenn sich das Freilauf-Kupplungsrad schneller dreht als das Losrad, lässt sich zwischen diesen beiden Bauteilen kein Drehmoment übertragen. Durch den Freilauf kommt es daher nicht zu einer Abbremsung des Kupplungsrads durch das Losrad. Das Losrad kann das Freilauf-Kupplungsrad antreiben, so dass ein Drehmomentfluss von dem Losrad auf das Freilauf-Kupplungsrad möglich ist.
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Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Gangschaltkupplung eine Synchronisiereinheit, mit der eine Drehzahl des Freilauf-Kupplungsrads auf eine Drehzahl der Welle anpassbar ist. Je nach Betriebszustand des Schaltgetriebes, vorzugsweise eines KFZ-Schaltgetriebes, in dem die Gangschaltkupplung eingebaut sein kann, kann es sein, dass die Synchronisiereinheit nur die Drehzahl des Freilauf-Kupplungsrads mit der Drehzahl der Welle synchronisiert, während von diesen synchronisierten Drehzahlen die Drehzahl des Losrads verschieden ist.
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Die Gangschaltkupplung kann eine axial verschiebbare Schiebemuffe aufweisen. Über eine Keilwellen-Verbindung oder dergleichen kann die Schiebemuffe drehfest mit der Welle verbunden sein. In einer ersten Schaltstellung ist dabei die Schiebemuffe drehfest mit dem Freilauf-Kupplungsrad verbunden. Eine bevorzugte drehfeste Verbindung zwischen der Schiebemuffe und dem Freiluft-Kupplungsrad umfasst eine an der Schiebemuffe vorgesehene Innenverzahnung und eine an dem Freilauf-Kupplungsrad vorgesehene Außenverzahnung.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein Kupplungsrad vorgesehen, dass in beiden Umlaufrichtungen drehfest mit dem Losrad verbunden werden kann. Das Kupplungsrad ist dabei beim Ausführungsbeispiel mit der Schiebemuffe drehfest mit der Schiebemuffe verbunden, wenn sie sich in einer zweiten Schaltstellung befindet. Vorzugsweise weist das Kupplungsrad wie das Freilauf-Kupplungsrad eine Außenverzahnung auf, die mit der Innenverzahnung der Schiebemuffe in Eingriff gebracht werden kann. Im Gegensatz zum Freilauf-Kupplungsrad ist das Kupplungsrad fest an dem Losrad befestigt, sodass die Drehzahl des Kupplungsrads immer der Drehzahl des Losrads entspricht und zwischen diesen Bauteilen bei jedem Lastzustand Drehmoment übertragen werden kann.
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Die zweite Schaltstellung der Schiebemuffe kann eine Endposition der Schiebemuffe darstellen, wobei die Schiebemuffe ausgehend von einer Neutralstellung zum Erreichen der zweiten Schaltstellung die erste Schaltstellung durchläuft. In einem Ausführungsbeispiel steht dabei die Innenverzahnung der Schiebemuffe sowohl mit der Außenverzahnung des Freilauf-Kupplungsrads als auch mit der Außenverzahnung des Kupplungsrads im Eingriff. Zwar ist in der zweiten Schaltstellung ein Eingriff zwischen der Innenverzahnung der Schiebemuffe und der Außenverzahnung des Freilauf-Kupplungsrads nicht notwendig, da das antreibende oder abbremsende Drehmoment des Losrads auf das Kupplungsrad und so die Schiebemuffe übertragen wird, doch bietet dieses Ausführungsbeispiel einen besonders einfachen Aufbau.
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Die Synchronisiereinheit kann einen Synchronring mit einer konischen, vorzugsweise nach innen gerichteten Reibfläche aufweisen, die mit einer vorzugsweise nach außen gerichteten konischen Fläche des Freilauf-Kupplungsrads zusammenwirkt. Die nach außen gerichtete konische Fläche des Freilauf-Kupplungsrads und die Außenverzahnung des Freilauf-Kupplungsrads können an einem Zahnrad bzw. an einem Bauteil angeformt sein, sodass das Freilauf-Kupplungsrad mit der konischen Reibfläche als einstückiges Bauteil ausgeführt sein kann.
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Der Freilauf kann in Umfangsrichtung wenigstens eine Sperrposition vorgeben, bei der die Außenverzahnung des Freilauf-Kupplungsrads und die Außenverzahnung des Kupplungsrads derart zueinander ausgerichtet sind, dass die Schiebemuffe von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung geschoben werden kann. Mit anderen Worten sorgt die Sperrposition dafür, dass es keinen Drehwinkelversatz zwischen den Außenverzahnungen von Freilauf-Kupplungsrad und Kupplungsrad gibt, sodass die Innenverzahnung der Schiebemuffe beim Verschieben in die zweite Schaltstellung nicht gegen die Außenverzahnung des Kupplungsrads stößt.
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Die Verzahnung des Freilauf-Kupplungsrads, die Verzahnung des Kupplungsrads und/ oder die Verzahnung der Schiebemuffe können in Umfangsrichtung gesehen asymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise können die Flanken der Zähne der Verzahnungen an einer Zahnseite weniger steil sein als an der anderen Zahnseite. In einem Ausführungsbeispiel ist die Zahnflanke an einer Zahnseite so steil, dass sie praktisch keinen oder nur einen sehr kleinen Winkel zu der radialen Richtung aufweist.
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In einem Ausführungsbeispiel weist ein jeder Zahn zumindest der Verzahnung des Kupplungsrads eine einseitige Anspitzung auf. Die einseitige Anspitzung führt dazu, dass beim Schieben der Schiebemuffe von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung das Kupplungsrad relativ zum Freilauf-Kupplungsrad nur in eine der zwei Umlaufrichtungen gedrückt werden kann. Vorzugsweise weist auch ein jeder Zahn der Verzahnung der Schiebemuffe eine einseitige Anspitzung auf, die mit der einseitigen Anspitzung für das Verdrehen des Kupplungsrads sorgt, wenn die Verzahnung der Schiebemuffe auf die Verzahnung des Kupplungsrads stößt. Durch die einseitigen Anspitzungen kann die Gefahr von Blockern reduziert werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Bereitstellung eines Schaltgetriebes, welches sich mit einem hohen Schaltkomfort schalten lässt, wird mit Anspruch 9 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Schaltgetriebes, wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens können den Unteransprüchen zu Anspruch 10 entnommen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass beim Schalten eines dem Losrad zugeordneten Gangs die Drehzahl des Freilauf-Kupplungsrads und die Drehzahl der Welle angepasst wird und die Schiebemuffe zunächst nur in die erste Schaltstellung geschoben wird, in der die Schiebemuffe die Welle drehfest mit dem Freilauf-Kupplungsrad verbindet. Das Bewegen in diese erste Schaltstellung der Schiebemuffe kann auch als Vorwählen des Ganges bezeichnet werden. Somit ist ein Vorwählen des Ganges möglich, ohne dass dabei das Schaltgetriebe blockiert. Auch ist ein schnelles Rückschalten möglich, da nur das Freilauf-Kupplungsrad und nicht zusätzliche Bauteile wie eine Eingangswelle des Schaltgetriebes oder weitere, mit der Eingangswelle drehfest verbundene Bauteile (zum Beispiel weitere Losräder des Schaltgetriebes oder eine eingangswellenseitige Kupplungsscheibe einer Kupplung) synchronisiert werden müssen. Auch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine schnelle doppelte oder auch direkte doppelte Rückschaltung in einem Doppelkupplungsgetriebe.
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Durch den Freilauf zwischen dem Freilauf-Kupplungsrad und dem Losrad können nicht drehmomentübertragende Getriebeteile wie beispielsweise Windungen abgekoppelt werden können. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass mehrere Gangschaltkupplungen unterschiedlicher Gänge des Schaltgetriebes zum gleichzeitigen Synchronisieren benutzt werden, ohne dass ein Risiko des Blockierens des Schaltgetriebes besteht. Zudem eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Schaltgetriebe in einem Kraftfahrzeug hervorragend zum Segeln oder Ausrollen mit und ohne dem Motor des Kraftfahrzeugs.
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Von der ersten Schaltstellung der Schiebemuffe, in der ein Antriebsmoment von dem Losrad auf das Freilauf-Kupplungsrad übertragen werden kann, jedoch nicht ein antreibendes Drehmoment von dem Freilauf-Kupplungsrad auf das Losrad, kann die Schiebemuffe in die zweite Schaltstellung geschoben werden, in der die Schiebemuffe das Kupplungsrad drehfest mit der Welle verbindet. Die drehfeste Verbindung umfasst hier eine Drehmomentübertragung in beide Richtungen (abbremsendes und antreibendes Drehmoment).
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Beim Schieben der Schiebemuffe von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung kann eine Drehzahldifferenz zwischen Freilauf-Kupplungsrad und Kupplungsrad sehr klein sein und/oder das durch die Gangschaltkupplung übertragene Drehmoment im Wesentlichen auf null gesetzt werden. Dies vereinfacht das Ineinandergreifen der Innenverzahnung der Schiebemuffe und der Außenverzahnung des Kupplungsrads.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch eine Gangschaltkupplung und Teile eines Schaltgetriebes; und
- 2 schematisch das Zusammenspiel von Verzahnungen der Gangschaltkupplung.
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1 zeigt eine Welle 10 eines hier nicht weiter dargestellten Schaltgetriebes in einem Kraftfahrzeug. Die Welle 10 kann beispielsweise eine Ausgangswelle des Schaltgetriebes sein, die drehfest mit einem Abtrieb des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Auf der Welle 10 ist drehbar ein Losrad 11 gelagert. Das Losrad 11 weist eine Außenverzahnung 12 auf, die beispielsweise mit einer Außenverzahnung eines Festrads auf einer Eingangswelle (nicht dargestellt) des Schaltgetriebes in Eingriff steht. Zwischen dem Losrad 11 und der Welle 10 ist ein Lager 13 (beispielsweise ein Nadellager) vorgesehen.
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Um das Losrad 11 drehfest mit der Welle 10 verbinden zu können, ist eine Gangschaltkupplung vorgesehen, die in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichnet wird. Die Gangschaltkupplung 20 umfasst eine Schiebemuffe 21, die axial zur Welle 10 verschiebbar ist. Eine Nabe 22 sorgt für eine drehfeste Verbindung zwischen Welle 10 und Schiebemuffe 20. Die Schiebemuffe 20 weist eine Innenverzahnung (in 1 nicht dargestellt) auf, die mit einer Außenverzahnung (nicht dargestellt) der drehfest auf der Welle sitzenden Nabe in Eingriff steht.
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Des Weiteren umfasst die Gangschaltkupplung 20 ein Freilauf-Kupplungsrad 23 und einen Synchronring 24, der sich mit einer nach innen gerichteten konischen Reibfläche 25 an einer nach außen gerichteten konischen Reibfläche 26 des Freilauf-Kupplungsrads 23 abstützt. Zwischen dem Losrad 11 und dem Freilauf-Kupplungsrad 23 ist ein Freilauf 27 angeordnet. Der Freilauf 27 sorgt dafür, dass ein Drehmoment von dem Losrad 11 auf das Freilauf-Kupplungsrad 23 übertragen werden kann, soweit das Freilauf-Kupplungsrad 23 nicht schneller dreht als das Losrad 11. Dreht sich das Freilauf-Kupplungsrad 23 schneller als das Losrad 11, lässt sich kein Drehmoment zwischen dem Losrad 11 und dem Freilauf-Kupplungsrad 23 übertragen.
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Zudem ist ein Kupplungsrad 28 vorgesehen, das an dem Losrad 11 befestigt ist. Durch die Befestigung des Kupplungsrads 28 an dem Losrad 11 laufen Losrad 11 und Kupplungsrad 28 immer mit gleicher Drehzahl um. Auch lässt sich somit ein antreibendes Drehmoment oder ein abbremsendes Drehmoment von dem Losrad 11 auf das Kupplungsrad 28 übertragen.
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Wenn die Schiebemuffe von der in 1 dargestellten Position nach links in eine erste Schaltstellung 29 geschoben wird, drückt die Schiebemuffe 21 axial gegen den Synchronring 24, sodass ein Synchron-Drehmoment zwischen Synchronring 24 und dem Freilauf-Kupplungsrad 23 aufgebaut wird. Wenn die Drehzahl des Freilauf-Kupplungsrads 23 der Drehzahl der Welle 10 entspricht, fällt die Sperrwirkung des Synchronrings 24 zusammen. Die Schiebemuffe 21 mit der hier nicht dargestellten Innenverzahnung lässt sich über eine Außenverzahnung 30 des Synchronrings 24 und über eine Außenverzahnung 31 des Freilauf-Kupplungsrads 23 schieben. In der ersten Schaltstellung (siehe gestrichelte Linie 29) sind somit die Welle 10 und das Freilauf-Kupplungsrad 23 über die Nabe 22 und die Schiebemuffe 21 beidseitig drehfest miteinander verbunden. Wird nun auf das Losrad 11 ein antreibendes Drehmoment von der Eingangswelle übertragen, so lässt sich über Freilauf-Kupplungsrad 23 Drehmoment auf die Welle 10 übertragen. Voraussetzung dafür ist, dass sich das Freilauf-Kupplungsrad 23 nicht schneller dreht als das Losrad 11.
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Es wird jedoch kein Drehmoment übertragen, wenn beispielsweise beim Runterschalten das Freilauf-Kupplungsrad 23 schneller dreht als das Losrad 11. In diesem Fall muss beim Schalten in die erste Schaltstellung 29 die Drehzahl lediglich des Freilauf-Kupplungsrads 23 mit der Drehzahl der Welle 10 synchronisiert werden.
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1 deutet eine zweite Schaltstellung 32 an, bei der die Innenverzahnung der Schiebemuffe 21 mit einer Außenverzahnung 33 des Kupplungrads 28 und auch weiterhin mit der Außenverzahnung 29 des Freilauf-Kupplungsrads 23 in Eingriff steht. In dieser zweiten Schaltstellung 32 hat das Freilauf-Kupplungsrad 23 bzw. der Freilauf 27 keine besondere Funktion, da nun eine beidseitig drehfeste Verbindung zwischen Losrad 11 und der Welle 10 über das Kupplungsrad 28 realisiert ist. Der Freilauf 27 bzw. das Freilauf-Kupplugsrad 23 werden in der zweiten Schaltstellung 32 überbrückt.
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2 mit den Darstellungen A, B, C und D zeigt schematisch die Innenverzahnung der Schiebemuffe 21, die mit 34 bezeichnet ist, sowie die Außenverzahnung 30 des Synchronrings 24, die Außenverzahnung 31 des Freilauf-Kupplungsrad 31 und die Außenverzahnung 33 des Kupplungsrads 28. 2A zeigt dabei die Lage der Verzahnungen zueinander, wenn sich die Schiebemuffe 21 mit der Innenverzahnung 34 in einer Neutralstellung N befindet, die der in 1 dargestellten axialen Position der Schiebemuffe 21 entspricht. In der Neutralstellung steht die Innenverzahnung 34 der Schiebemuffe 21 mit keiner der Außenverzahnungen 30, 31 oder 33 in Eingriff.
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2B zeigt die Synchronisierungsphase bzw. deren unmittelbares Ende. Der Synchronring 24 ist nach dem Wegfall seiner Sperrwirkung bereits von der Innenverzahnung 34 der Schiebemuffe in Umfangsrichtung verschoben worden, sodass die Schiebemuffe axial in Richtung des Freilauf-Kupplungsrads 23 bzw. in Richtung des Kupplungsrads 28 geschoben werden kann. In 2C ist die oben bereits erwähnte erste Schaltstellung 29 erreicht. Die Schiebemuffe 21 steht hier mit dem Freilauf-Kupplungsrad 23 in Eingriff, jedoch noch nicht mit dem Kupplungsrad 28. Ein Formschluss zwischen Schiebemuffe 21 und dem Kupplungsrad 28 ist erst in der zweiten Schaltstellung 32 erreicht. Man erkennt, dass in der zweiten Schaltstellung 32 sich die einzelnen Zähne der Innenverzahnung 34 der Schiebemuffe 21 zwischen den einzelnen Zähnen der Außenverzahnung 33 des Kupplungsrad 28 befinden.
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Zu erkennen ist, dass in der Draufsicht (siehe beispielsweise 2A) die Außenverzahnung 33 bzw. die einzelnen Zähne der Außenverzahnung 33 des Kupplungsrads 28 in Umfangsrichtung gesehen (in der Darstellung der 2A nach links oder rechts gesehen) asymmetrisch ausgebildet sind. Ein (jeder) Zahn der Außenverzahnung 33 weist nur eine einseitige Anspitzung 35 auf, die in Zusammenspiel mit einer ebenfalls einseitigen Anspitzung 36 der Innenverzahnung 34 der Schiebemuffe 21 dazu führt, dass das Kupplungsrad 28 von der Schiebemuffe 21 nur in eine der beiden Umfangsrichtungen gedrückt werden kann, wenn die Schiebemuffe 21 von der ersten Schaltstelllung 29 in die zweite Schaltstellung 32 axial verschoben wird. Dadurch reduziert sich das Risiko, das beim Übergang von der ersten Schaltstellung 29 in die zweite Schaltstellung 32 eine mechanische Blockade stattfindet. Durch die einseitigen Anspitzungen wird auch dem Umstand Rechnung getragen, dass - je nach Ausführung des Freilaufs 27 - selbst eine kleine Verdrehung zwischen Freilauf-Kupplungsrad 23 und Kupplungsrad 28 in der gesperrten Umfangsrichtung nicht möglich ist. Bezogen auf das Freilauf-Kupplungsrad 23 lässt sich das Kupplungsrad 28 nur in eine der beiden Umlaufrichtungen drücken. Die Anspitzungen 35, 36 sind dabei so gestaltet, dass das Kupplungsrad 28 beim axialen Verschieben der Schiebemuffe 21 in die zweite Schaltstellung 32 in diese freie und nicht gesperrte Umlaufrichtung gedrückt wird.
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Des Weiteren ist zu erkennen, dass ein (jeder) Zahn der Außenverzahnung 33 des Kupplungsrads 28 bezüglich einer Zahnspitze 37 einen Hinterschnitt 38 aufweist. Ein weiterer Hinterschnitt 39 ist vorgesehen, nun bezogen auf ein der Zahnspitze 37 abgewandtes Ende 40 der einseitigen Anspitzung 35. In Verbindung mit vorzugsweise entsprechend oder korrespondierend ausgebildeten Zähnen der Innenverzahnung 34 der Schiebemuffe 21 wird dadurch eine gewisse axiale Haltekraft aufgebaut, die die Schiebemuffe in der zweiten Schaltstellung 32 hält, wenn das Getriebe sich im Zugbetrieb oder Schubbetrieb befindet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Welle
- 11
- Losrad
- 12
- Außenverzahnung
- 13
- Lager
- 20
- Gangschaltkupplung
- 21
- Schiebemuffe
- 22
- Nabe
- 23
- Freilauf-Kupplungsrad
- 24
- Synchronring
- 25
- Reibfläche
- 26
- Reibfläche
- 27
- Freilauf
- 28
- Kupplungsrad
- 29
- Erste Schaltstellung (gestrichelte Linie)
- 30
- Außenverzahnung/Verzahnung
- 31
- Außenverzahnung/Verzahnung
- 32
- Zweite Schaltstellung (gestrichelte Linie)
- 33
- Außenverzahnung/Verzahnung
- 34
- Innenverzahnung/Verzahnung
- 35
- Einseitige Anspitzung
- 36
- Einseitige Anspitzung
- 37
- Zahnspitze
- 38
- Hinterschnitt
- 39
- Hinterschnitt
