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Die Erfindung betrifft einen Schaltmuffenträger einer Synchronisiereinrichtung mit einer Außenverzahnung zum kämmenden Eingriff in eine Schaltmuffe und einer die Außenverzahnung unterbrechenden Nut, die Nutwände und einen Nutgrund aufweist.
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Synchronisiereinrichtungen werden in Getrieben für Kraftfahrzeugen in verschiedenen Varianten eingesetzt. Sie dienen zur Drehzahlanpassung zwischen den zu koppelnden Gangrädern unterschiedlicher Übersetzungsstufen und damit zur Reduzierung der Schaltkraft und des Verschleißes im Getriebe sowie zur Verbesserung des Schaltkomforts. Eine häufig eingesetzte Variante der Synchronisiereinrichtung ist als Sperrsynchronisation ausgebildet und weist eine Kegelreibkupplung auf, die als Einkonus-Synchronisation oder als Mehrkonus-Synchronisation ausgeführt sein kann. Beim Synchronisieren werden die unterschiedlichen Drehzahlen des zu schaltenden Gangrads und der Getriebehauptwelle aneinander angeglichen. Danach wird durch formschlüssige Verbindung das Gangrad mit der Welle gekuppelt.
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Eine Synchronisiereinrichtung für Getriebe bekannter Bauart mit mehreren Druckstücken im Schaltmuffenträger ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 054 085 A1 bekannt. Sperrsynchronisationen weisen meist einen Schaltmuffenträger, auch Synchronträgerkörper genannt, mit mehreren über den Umfang verteilten Druckstücken als Arretierelementen auf, die in radialer Richtung mittels Federn vorgespannt und in Nuten angeordnet sind.
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Derartige Nuten sind als Aufnahme und Führung von Druckstücken, Gleitstücken und für die Aufnahme von Kombinationen aus Druckstücken und Rastelementen an Schaltmuffenträgern ausgebildet. Ein Schaltmuffenträger mit Nuten der gattungsbildenden Art ist
DE 195 80 558 C1 beschrieben. Die Nuten sind Ausnehmungen, die sich in ihrer Tiefe radial in Richtung der Rotationsachse des Schaltmuffenträgers in den Schaltmuffenträger hinein erstrecken und die mit der Rotationsachse des Schaltmuffenträgers gleichgerichtet verlaufen. Sie sind zu den Stirnseiten des Schaltmuffenträgers hin endseitig offen und können die zumindest zeitweise über die Stirnseiten des Schaltmuffenträgers hinausragenden Druckstücke aufnehmen. Die Erfindung betrifft weiter alle Nuten, z.B. zur rotationsfesten Mitnahme von Synchronringen o.ä., die den radial außen an dem Schaltmuffenträger ausgebildeten oder befestigten Zahnkranz umfangsseitig des Schaltmuffenträgers unterbrechen.
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Die Nuten sind Kerben an dem Schaltmuffenträger. Die Kerben wirken sich nachteilig auf die Verteilung der Spannungen aus, die aus den Reaktionskräften der Außenverzahnung in dem Material des Zahnkranzes entstehenden. Der Gestaltung der Nuten ist deshalb besondere Aufmerksamkeit zu widmen. In einem umfangsseitig nicht unterbrochenen und somit umfangsseitig geschlossen umlaufenden Zahnkranz sind in der Regel die Spannungen gleichmäßig in dem Zahnkranz und dem Schaltmuffenträger verteilt und dabei auf einem für das Material ertragbaren Niveau gehalten. Bei unterbrochenen Zahnkränzen entstehen in den Nuten, insbesondere an den Innenkanten Spannungsspitzen. Diese Kanten erstrecken sich in der Nut über die gesamte Breite des Schaltmuffenträgers von einer Stirnseite zur anderen. Die Spannungsspitzen sind besonders an den Innenkanten hoch, an denen die Nut von Seitenwänden in den Nutgrund übergeht. Diese Innenkanten sind rissgefährdet. In der Vergangenheit wurden deshalb Versuche unternommen, die Kerbspannungen zu mindern. So sind die scharfkantigen Übergänge beispielsweise durch einen Übergang mit einem Radius oder durch eine freistichartig ausgearbeitete und quer zur Rotationsrichtung verlaufenden Nut ersetzt. In einer anderen Gestaltung der Übergänge ist jede der beiden seitlichen und die Nut begrenzenden Wandungen in eine der Rotationsrichtungen kehlnutartig in das Material des Schaltmuffenträgers hinein konvex ausgewölbt. Dabei ist die Nut an dem Übergang quer zur Rotationsachse verbreitert. Die dadurch entstandene gewölbte Wandfläche geht dann in den Nutgrund über.
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Bei hohen Drehmomenten sind diese Maßnahmen jedoch nicht ausreichend. Daher wird bei Schaltmuffenträgern aus kalt geformten und/oder gestanzten Blech die Materialstärke des Ausgangsmaterials erhöht. Die Vorteile, wie der geringe Materialverbrauch bei der Herstellung der Bauteile oder das geringe Gewicht der Schaltmuffenträger, sind damit zumindest teilweise aufgehoben. Die Energiebilanz bei der Herstellung der Schaltmuffenträger aufgrund höheren Materialverbrauchs und bei der Nutzung der Getriebe aufgrund höheren Gewichtes ist nachteilig beeinflusst.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Schaltmuffenträger mit Nuten so zu gestalten, dass Anrisse infolge Spannungsspitzen aus hohen Drehmomenten in den Nuten vermieden sind. Dabei soll jedoch der Einsatz von mehr Material bei der Herstellung der Schaltmuffenträger möglichst vermieden werden.
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Diese Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruches 1 gelöst.
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Im Fahrzeug befindet sich der Schaltmuffenträger teilweise im Schubbetrieb und teilweise im Zugbetrieb. Je nach Betriebsart überträgt der Schaltmuffenträger Drehmomente in unterschiedliche Richtungen. Dabei sind diejenigen Körperkanten, die sich auf der Lastseite befinden, deutlich stärker belastet als die gegenüberliegenden, rückseitigen Körperkanten. Um beiden Betriebsarten Rechnung zu tragen, sind die Schaltmuffenträger nach dem Stand der Technik daher symmetrisch ausgebildet. Dies hat den weiteren Vorteil, dass sie gegebenenfalls nicht richtungsorientiert verbaut werden müssen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass zum einen für die Rissbildung nicht einzelne Maximalbelastungen verantwortlich sind, sondern die Materialermüdung bei Dauerbelastung wesentlichen Einfluss hat. Zum anderen unterscheiden sich die zeitlichen Anteile des Schubbetriebs und des Zugbetriebs. In der Folge sind die Belastungen der Nuten über die Laufzeit gesehen nicht gleich, sondern die Rissbildung erfolgt am Ende der Lebensdauer stets auf der höher belasteten Seite. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Nuten asymmetrisch auszubilden, um die höher belasteten Nutbereich in Drehmomentübertragungsrichtung zu Lasten des gegenüberliegenden Nutbereichs zu entlasten. Die Form der Asymmetrie hängt wesentlich von den prognostizierten Schub- und Zugbetriebsanteilen sowie durch ihre Funktion vorgegebene Grundform ab.
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Die Asymmetrie der Nuten im Nutgrund dient damit nicht dazu, einen Anschlag zu realisieren oder eine funktionale Fläche für ein weiteres Bauteil bereitzustellen, sondern dazu, die aufgrund der Drehvorzugsrichtung eingebrachte ungleichmäßige Spannungsverteilung in dem Schaltmuffenträger zu vergleichmäßigen.
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Die Erfindung lässt sich bei allen Nuten des Schaltmuffenträgers anwenden. So ist in einer ersten Variante vorgesehen, dass die asymmetrische Nut ein Druckstück aufnimmt. In der asymmetrischen Nut können dazu Nutwände vorgesehen sein, die parallel zueinander verlaufen und nicht der Asymmetrie unterworfen sind. Damit können sie das Druckstück beispielsweise führen. Für das maximale Drehmoment ist die Ausformung des Nutgrunds entscheidender. So ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass nur der Nutgrund asymmetrisch ausgebildet ist.
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In einer zweiten Variante bildet die Nut einen Anschlag für die mit der Außenverzahnung kämmenden Schaltmuffe. Die Schaltmuffe läuft dabei auf dem Schaltmuffenträger, zwischen beiden befindet sich das Druckstück. Wird ein Gang eingelegt oder ausgelegt, so wird die Schaltmuffe auf dem Schaltmuffenträger in eine oder die andere Richtung axial verschoben. Um diesen Weg geometrisch zu begrenzen, bedarf es einer Endstop-Funktion; die Schaltmuffe muss am Ende ihres Weges beim Schaltvorgang mechanisch gestoppt werden. Dazu können an der Schaltmuffe Zähne ausgespart werden. Stattdessen wird ein Anschlag in diese integriert. Dieser läuft bei Auslenkung der Schaltmuffe am Ende gegen einen Kupplungskörper an, die Schaltmuffe befindet sich so in ihrer Endposition und kann nicht weiter verschoben werden. Um die axiale Verschiebung des Anschlags auf der Schaltmuffe zu ermöglichen, bildet die Nut in dieser Variante ein Fenster für den Anschlag.
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In einer dritten Variante bildet die Nut einen Anschlag für einen Synchronring. Der Schaltmuffenträger gibt mit diesem Anschlag ein Verdrehwinkelfenster für den Synchronring vor.
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Die Asymmetrie des Nutgrunds lässt sich im einfachsten Fall durch genau zwei Bögen beschreiben, wobei die Bögen unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Die Krümmungen können jeweils konstant sein, sich aber auch über die Bogenlänge verändern. Letzteres ist vorteilhaft, weil in dem Bereich, in dem die beiden Bögen ineinander übergehen, die gleiche Krümmung realisierbar ist und damit lokal keine Spannungsspitzen auftreten. Das ist gerade in diesem Bereich der geringsten radialen Ausdehnung des Schaltmuffenträgers von Vorteil. In einer Weiterbildung ist der Nutgrund aus mehreren Bögen unterschiedlicher Krümmung zusammengesetzt. Schließlich kann der Nutgrund im Querschnitt auch eine Krümmung aufweisen, die sich kontinuierlich verändert.
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Die Asymmetrie kann ferner dadurch realisiert werden, dass die Nut lediglich einseitig einen Hinterschnitt aufweist. Damit bildet eine der Nutwände mit dem Nutgrund eine konvexe Ausnehmung. Indessen bildet die gegenüberliegende Nutwand mit dem Nutgrund einen Vorsprung aus, der beispielsweise einen Anschlag bildet.
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In einer weiteren Ausbildung ist die Nut im Längsschnitt asymmetrisch ausgebildet. Die Asymmetrie liegt damit nicht nur im Querschnitt, also quer zur Rotationsachse des Schaltmuffenträgers, vor, sondern zusätzlich im Längsschnitt. Die zu übertragenden Drehmomente sind übersetzungsabhängig. In Abhängigkeit der durchschnittlich in dem jeweiligen Gang übertragenden Momente lässt sich der Nutgrund ausbilden, um über die Laufzeit eine möglichst gleichmäßige Belastung zu erreichen. Insbesondere kann die Nuttiefe variieren. Auch müssen die einzelnen Querschnittsprofile nicht zueinander ähnlich sein. Das bedeutet, dass sich die lokale Krümmung des Nutgrunds im Längsprofil unterschiedlich stark ändern kann. Die Spannungen auf der höher belasteten Seite werden damit reduziert, und die Spannungen auf der niedriger belasteten Seite werden erhöht. Insgesamt steigt damit die Betriebsfestigkeit des Schaltmuffenträgers.
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Die Nut ist in der Regel als eine Axialnut ausgebildet und verläuft somit parallel zur Rotationsachse des Schaltmuffenträgers. Sie ist weiterhin in der Regel zu beiden Stirnseiten des Schaltmuffenträgers offen ausgebildet. Insbesondere wenn der Schaltmuffenträger lediglich einseitig einen Gang schaltet, beispielsweise den Rückwärtsgang, kann die Nut aber auch endseitig geschlossen sein, so dass mehr Material zur Drehmomentübertragung zur Verfügung steht.
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Die Erfindung eignet sich besonders für gesinterte Schaltmuffenträger. Auf diese Weise ist es möglich, die dreidimensionale Form der Nut vorzugeben, ohne dass Mehrkosten bei der Herstellung entstehen. Je nach Herstellungsprozess ist dies auch bei einem Schaltmuffenträger aus Stahl möglich.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele durch Figuren näher dargestellt. Hierbei zeigen
- 1 eine Synchronisiereinrichtung im Längsschnitt,
- 2 einen Schaltmuffenträger nach dem Stand der Technik im Querschnitt,
- 3 einen ersten erfindungsgemäßen Schaltmuffenträger in einer perspektivischen Teilansicht und
- 4 eine vereinfachte schematische Querschnittdarstellung der Nut eines weiteren Schaltmuffenträgers.
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1 zeigt eine Synchronisiereinrichtung 27 mit einem Schaltmuffenträger 1 und einer Schaltmuffe 2 zum wahlweisen Kuppeln von Gangrädern 3 und 4. Die Gangräder 3 und 4 sind drehbar, aber längs fest auf einer Getriebewelle 5 gelagert. Der Schaltmuffenträger 1 sitzt verdrehfest sowie längs fest auf der Getriebewelle 5 und trägt auf seinem Außenumfang die Schaltmuffe 2. Die Schaltmuffe 2 ist mittels einer Verzahnung drehfest zu dem Schaltmuffenträger 1 und damit zur Getriebewelle 5 wahlweise in Richtung eines der Gangräder 3 oder 4 verschiebbar auf dem Schaltmuffenträger 1 angeordnet. An jeder Seite des Schaltmuffenträgers 1 ist längs zwischen diesem und dem Gangrad 3, 4 jeweils ein Satz Synchronringe 13, 13', 13" angeordnet.
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Der Schaltmuffenträger 1 nimmt an seinem Umfang mehrere Arretierungen 6 auf, wobei eine Arretierung 6 hier nur schematisch dargestellt. Die Arretierung 6 ist als ein Druckstück 9 ausgelegt und verrastet mit ihrem Rastelement 8 an der Schaltmuffe 2 in ihrer neutralen Stellposition. In der neutralen Stellposition stützt sich die Arretierung 6 an dem Schaltmuffenträger 1 radial ab und spannt mit einem Deckel 10 gegen die Schaltmuffe 2 vor. Dabei greift das Rastelement 8 mit seinem Deckel 10 in eine Rastvertiefung 11 ein.
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Wird die Schaltmuffe 2 axial verschoben, greift sie in eine Kupplungsverzahnung 12a einer mit dem Gangrad 4 fest verbundenen Kupplungsscheibe 12 ein. Die Getriebewelle 5 ist über den Schaltmuffenträger 1 und die Schaltmuffe 2 mit dem Gangrad 4 drehfest verbunden, wobei der dem Gangrad 4 zugeordnete Gang geschaltet ist. Bei der Schaltbewegung der Schaltmuffe 2 in die geschaltete Position nimmt die Schaltmuffe 2 das in die Rastvertiefung 11 eingreifende Rastelement 8 der Arretierung 6 längs mit und verschiebt es gegen den äußeren Synchronring 13. Damit ist der Prozess der Vorsynchronisation eingeleitet.
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Die weiter in Richtung der Kupplungsverzahnung 12a bewegte Schaltmuffe 2 zwingt den Deckel 10 des sich an dem äußeren Synchronring 13 abstützenden Druckstücks 9 aus der Rastvertiefung 11. Der Deckel 10 federt dabei radial ein. Beim Lösen des Ganges bewegt sich die Schaltmuffe 2 aus dieser Stellung zurück. Dabei greift der mit Vorspannung an der Schaltmuffe 2 anliegende Deckel 10 erneut in die Rastvertiefung 11 ein.
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Ein Schaltmuffenträger 1 nach dem Stand der Technik ist in 2 im Querschnitt dargestellt. Er ist als einteilige Nabe ausgebildet und weist radial innenseitig eine Innenverzahnung 7 zur drehfesten Anbindung an die Getriebewelle 5 auf. An die Innenverzahnung 7 schließt sich radial ein Steg 14 an, der die Außenverzahnung 15 an die Innenverzahnung 7 anbindet. Die Außenverzahnung 15 ist als Zahnkranz ausgebildet, der durch sechs Ausnehmungen in Form von Nuten 16 in einzelne Verzahnungsabschnitte gegliedert ist. Drei der Nuten 16 stellen Fenster 17für an der Schiebemuffe 2 angeordnete, nicht dargestellte Anschläge dar. Bei einer axialen Verschiebung der Schiebemuffe 2 bewegen sich die Anschläge in den Nuten 16. Die anderen drei Nuten 16 sind als Druckstückfenster 18 ausgebildet. In ihnen sind die Druckstücke 9 ( 1) angeordnet.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schaltmuffenträger 1 mit einer Nut 17 als Druckstückfenster 18 für die Aufnahme eines Druckstücks 9. Die Nut 16 weist zueinander parallele Nutwände 19, 20 auf, an die sich der Nutgrund 21 anschließt. Der Nutgrund 21 ist aus zwei Teilflächen 23, 24 zusammengesetzt, die jeweils unterschiedliche Krümmungen aufweisen, so dass der Nutgrund asymmetrisch ist, um den in Rotationsrichtung 22 befindlichen Stegbereich 25 zu entlasten. Die Krümmung der Teilflächen 23, 24 ist in einer Querschnittsebene gesehen über den Nutgrund 21 nicht konstant, sondern veränderlich. Ebenfalls verändert sich die Krümmung der Teilflächen 23, 24 in einer Längsschnittebene gesehen über den Nutgrund 21. Die Veränderung der Krümmungen der Teilflächen 23, 24 erfolgt nicht spiegelbildlich, sondern unabhängig voneinander, wobei sichergestellt ist, dass der resultierende Nutgrund 21 abgesehen von den Stirnseiten des Schaltmuffenträgers 1 frei von Kanten ist.
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4 zeigt einen Ausschnitt eines Schaltmuffenträgers 1, dessen Druckstückfenster 18 ebenfalls asymmetrisch ausgebildet ist. Die erste Nutwand 19 verläuft radial und geht ohne erkennbaren Übergang in den Nutgrund 21 über. An der zweiten Nutwand 20 ist ein Hinterschnitt 26 angeordnet. Beide Teilflächen 23, 24 weisen unterschiedliche Krümmungsverläufe auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltmuffenträger
- 2
- Schaltmuffe
- 3
- Gangrad
- 4
- Gangrad
- 5
- Getriebewelle
- 6
- Arretierung
- 7
- Innenverzahnung
- 8
- Rastelement
- 9
- Druckstück
- 10
- Deckel
- 11
- Rastvertiefung
- 12
- Kupplungsscheibe
- 12a
- Kupplungsverzahnung
- 13
- Synchronring
- 13'
- Synchronring
- 13"
- Synchronring
- 14
- Steg
- 15
- Außenverzahnung
- 16
- Nut
- 17
- Fenster
- 18
- Druckstückfenster
- 19
- Nutwand
- 20
- Nutwand
- 21
- Nutgrund
- 22
- Rotationsrichtung
- 23
- erste Teilfläche
- 24
- zweite Teilfläche
- 25
- Stegbereich
- 26
- Hinterschnitt
- 27
- Synchronisiereinrichtung
