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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung einer Schaltvorrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes sowie eine Schaltvorrichtung für ein Kraftfahrzeuggetriebe, insbesondere ein vollautomatisches Stufengetriebe.
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Zur Kraftübertragung werden in der Fahrzeugtechnik neben handgeschalteten Wechselgetrieben auch automatische Getriebe, insbesondere gestufte vollautomatische Getriebe mit hydrodynamischem Drehmomentwandler und Planetengetrieben, verwendet.
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Solche vollautomatischen Stufengetriebe wirken als zugkraftunterbrechungsfreie Lastschaltgetriebe, wobei der Leistungsfluss über Planetenradsätze erfolgt und die Gangwechsel durch Koppeln bzw. Lösen einzelner Planetenradsatz-Elemente zustande kommen. Die Kopplung einzelner Planetenradsatz-Elemente erfolgt derzeit meist mittels Lamellenkupplungen und Lamellenbremsen, die auf ein maximal zu übertragendes Drehmoment ausgelegt werden müssen und entsprechend viele Reibstellen bzw. Lamellen zur Drehmomentübertragung umfassen. Aufgrund der zahlreichen Reibstellen sind die unerwünschten Schleppmomente im entkoppelten Zustand recht hoch und wirken sich nachteilig auf den Getriebewirkungsgrad aus.
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Aus diesem Grund wurde z.B. in der
DE 10 2016 114 271 A1 bereits vorgeschlagen, einen der Lamellenträger über eine Synchronisierung mittels eines Reibrings mit einem drehbaren Getriebebauteil, z.B. einer Getriebewelle zu koppeln. Der Reibring ist dabei Teil einer Reibkupplung, die lediglich den Reibring und eine Gegen-Reibfläche umfasst Im entkoppelten Zustand der Synchronisierung treten ebenfalls Schleppmomente auf, die aufgrund der im Vergleich zur Lamellenkupplung erheblich kleineren Reibflächen der Reibkupplung jedoch deutlich geringer sind. Im entkoppelten Zustand der Schaltvorrichtung, das heißt bei offener Lamellenkupplung und entkoppelter Synchronisierung, findet aufgrund der geringeren Schleppmomente eine Relativdrehung ausschließlich oder zumindest überwiegend im Bereich der Synchronisierung und gar nicht mehr bzw. kaum noch im Bereich der Lamellenkupplung statt, sodass sich der Getriebewirkungsgrad erhöht. Jedoch sind derartige Schaltvorrichtungen meist komplex aufgebaut, was u.a. die Fertigungskosten erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Schleppmomente der Lamellenkupplung zu reduzieren, sowie ein komfortables Schaltverhalten zu erzielen, während die Anzahl der Einzelbauteile geringgehalten, jedoch auch die volle Lastschaltbarkeit der Lamellenkupplung beibehalten werden soll.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Betätigung einer Schaltvorrichtung eines Kraftfahrzeuggetriebes und zum Schließen eines Drehmoment übertragenden Antriebsstrangs gelöst, wobei das Kraftfahrzeuggetriebe eine Reibkupplung, eine Formschlusskupplung und eine Lamellenkupplung umfasst. Die Lamellenkupplung weist einen ersten und einen zweiter Lamellenträger auf, während die Formschlusskupplung ein erstes Formschlusselement aufweist, das an einem Kupplungskörper vorgesehen ist und ein zweites Formschlusselement, das mit dem zweiten Lamellenträger verbunden ist und mit dem ersten Formschlusselement in und aus einem Formschlusseingriff gebracht werden kann, um wahlweise Drehmoment zu übertragen. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
- - Aufbringen und stetiges Erhöhen einer Axialkraft auf die Kupplungen, d.h. die Reibkupplung, die Formschlusskupplung und die Lamellenkupplung, durch ein Betätigungselement,
- - Schließen der Reibkupplung, wobei dadurch die Drehzahlen des zweiten Lamellenträgers und des Kupplungskörpers angeglichen werden,
- - Bewegen des zweiten Lamellenträgers in Axialrichtung zum Einspuren des zweiten Formschlusselements in das erste Formschlusselement,
- - wobei bei Auftreten einer Zahn-auf-Zahn-Stellung zwischen den beiden Formschlusselementen die Lamellenkupplung geschlossen wird, indem die Axialkraft weiter erhöht wird, sodass das Reibmoment der geschlossenen Lamellenkupplung größer wird als das Reibmoment der geschlossenen Reibkupplung, wodurch eine Relativrotation zwischen dem zweiten Lamellenträger und dem Kupplungskörper hervorgerufen wird, bis eine Zahn-auf-Lücke-Stellung zwischen den beiden Formschlusselementen erreicht ist, wodurch das Reibmoment der Lamellenkupplung so reduziert wird, dass es kleiner wird als das Reibmoment der geschlossenen Reibkupplung, sodass die Drehzahlen des zweiten Lamellenträgers und des Kupplungskörpers erneut angeglichen werden. Danach wird das zweite Formschlusselement in das erste Formschlusselement der Formschlusskupplung durch die vom Betätigungselement weiterhin aufgebrachte Axialkraft eingespurt, und die Lamellenkupplung wird aufgrund der Einwirkung der Axialkraft des Betätigungselements erneut geschlossen.
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Die Schaltvorrichtung ist so ausgelegt, dass sich bei Erreichen einer Zahn-auf-Lücke-Stellung das bereits zusammengepresste Lamellenpaket wieder entspannen und sich die bereits geschlossene Lamellenkupplung zumindest teilweise wieder öffnen kann. Dabei reduziert sich das Reibmoment der Lamellenkupplung wieder. Sind beide Kupplungen geschlossen, ist das Reibmoment der normalerweise leidglich zwei Reibflächen aufweisenden Reibkupplung kleiner als das Reibmoment der Lamellenkupplung, sodass der zweite Lamellenträger über die Lamellenkupplung mit dem ersten Lamellenträger verbunden ist und in Umfangsrichtung mit dessen Drehzahl mitgenommen wird. Entspannt sich jedoch die Lamellenkupplung wieder, so sinkt ihr Reibmoment wieder unter das der nach wie vor geschlossenen Reibkupplung. Dies führt dazu, dass der zweite Lamellenträger in Umfangsrichtung nun wieder mit dem Kupplungskörper gekoppelt ist. Dadurch werden die Drehzahlen des zweiten Lamellenträgers und des Kupplungskörpers erneut angeglichen, und das Einspuren der Formschlusselemente erfolgt in jedem Fall bei angeglichener Drehzahl. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei auch, dass aufgrund des erneuten Angleichens der Drehzahl des zweiten Lamellenträgers an die Drehzahl des Kupplungskörpers durch die Reibkupplung das Einspuren der Formschlusselemente nicht zeitkritisch ist und geräuscharm erfolgt, was den Schaltkomfort für den Benutzer deutlich erhöht.
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Die wirkende Axialkraft wird vorzugsweise ausschließlich und direkt durch das Betätigungselement und ohne Aufbau einer Federvorspannung auf den zweiten Lamellenträger aufgebracht. Es wird also auf eine Feder, die eine Einspurbewegung der zweiten Formschlusselemente in die ersten Formschlusselemente bewirken soll, verzichtet. Dies führt dazu, dass eine Entspannung des Lamellenpakets sowie ein erneuter Drehzahlangleich möglich ist, ohne dass die Wirkung einer derartigen in Axialrichtung vorgespannten Feder die Einspurbewegung unerwünscht beschleunigt würde.
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Sollte beim anfänglichen Einspurversuch die Formschlusskupplung direkt in einer Zahn-auf-Lücke-Stellung stehen, so erfolgt das Einspuren direkt nach dem ersten Drehzahlangleich des zweiten Lamellenträgers mit dem Kupplungskörper noch vor dem Schließen der Lamellenkupplung.
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Der erste Lamellenträger entspricht hier dem Lamellenträger, dessen Lamellen kraftübertragend mit einem ersten Getriebebauteil verbunden sind, während der zweite Lamellenträger dem Lamellenträger entspricht, an dem die Reibkupplung mit dem Kupplungskörper vorgesehen ist. Der Kupplungskörper ist mit einem zweiten Getriebebauteil verbunden.
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Unter einem Angleichen der Drehzahlen wird ein Vorgang verstanden, nach dessen Abschluss die Drehzahlen der betroffenen Komponenten für alle wesentlichen Belange identisch sind.
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Normalerweise wird das Betätigungselement unter ansteigender Axialkraft axial bewegt, wobei die Schaltvorrichtung ausgehend von einer unbetätigten Ausgangsstellung, in der alle drei Kupplungen geöffnet sind, zunächst eine Synchronisationsstellung, in der die Reibkupplung aktiv ist, anschließend eine Formschlussstellung, in der die ersten und die zweiten Formschlusselemente ineinandergreifen, sowie zuletzt eine Schließstellung der Lamellenkupplung, in der die ersten und zweiten Lamellen in Reibeingriff sind, einnimmt.
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In der unbetätigten Ausgangsstellung ist die Lamellenkupplung geöffnet, sodass die Lamellen des zweiten Lamellenträgers in Umfangsrichtung nicht mit den ersten Lamellen und dem ersten Getriebebauteil gekoppelt sind.
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In der Formschlussstellung sind die Lamellen des zweiten Lamellenträgers in Umfangsrichtung über die Formschlusskupplung mit dem Kupplungskörper gekoppelt, jedoch der zweite Lamellenträger noch nicht mit dem ersten Lamellenträger.
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In der Schließstellung der Lamellenkupplung sind schließlich die Lamellen des zweiten Lamellenträgers in Umfangsrichtung über eine Reibverbindung mit den Lamellen des ersten Lamellenträgers und somit auch mit dem ersten Getriebebauteil gekoppelt, wobei sich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kupplungskörper und somit dem zweiten, mit diesem verbundenen Getriebebauteil und dem ersten Getriebebauteil über die Formschlusskupplung ergibt.
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In der Ausgangsstellung ist aufgrund der geöffneten Reibkupplung und der geöffneten Formschlusskupplung das Schleppmoment zwischen dem Kupplungskörper und dem ersten Lamellenträger und somit auch zwischen dem zweiten und dem ersten Getriebebauteil gegenüber einer reinen Lamellenkupplung deutlich reduziert.
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Bei einer Schaltvorrichtung für ein Kraftfahrzeuggetriebe, die sich insbesondere zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens eignet, ist ein erstes Getriebebauteil vorgesehen, das mit einem zweiten Lamellenträger verbindbar ist und ein zweites Getriebebauteil, das mit einem Kupplungskörper verbunden ist, wobei die Getriebebauteile relativ zueinander um eine Getriebeachse verdrehbar sind. Es ist eine Reibkupplung vorgesehen, die einen Reibring umfasst, der in Umfangsrichtung drehfest sowie axial verschieblich mit dem zweiten Lamellenträger oder dem Kupplungskörper verbunden ist und der eine konische Reibfläche sowie eine drehfest mit dem Kupplungskörper oder dem zweiten Lamellenträger zusammenwirkende Gegen-Reibfläche aufweist, die mit dem Reibring durch Verschiebung des Reibrings in Anlage bringbar ist. Außerdem ist eine Lamellenkupplung vorgesehen, die mehrere am zweiten Lamellenträger angeordnete zweite Lamellen umfasst, die in Umfangsrichtung drehfest sowie axial verschieblich miteinander verbunden sind, und mehrere mit dem ersten Getriebebauteil gekoppelte erste Lamellen, die in Umfangsrichtung drehfest sowie axial verschieblich miteinander verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Lamellen wechselweise axial hintereinander angeordnet sind. Zudem ist eine Formschlusskupplung vorgesehen, die erste, am Kupplungskörper vorgesehene Formschlusselemente und zweite, am zweiten Lamellenträger vorgesehene Formschlusselemente umfasst, wobei die ersten und die zweiten Formschlusselemente axial ineinandergreifen und so eine formschlüssige Verbindung eingehen können. Außerdem ist ein Betätigungselement vorgesehen, das zum Schließen der Reibkupplung, der Formkupplung und der Lamellenkupplung eine Axialkraft auf den zweiten Lamellenträger ausübt, wobei das Betätigungselement auf einem ausschließlich durch starre Bauteile gebildeten Kraftübertragungsweg auf den zweiten Lamellenträger einwirkt.
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Die Kraftübertragung zwischen dem Betätigungselement und dem zweiten Lamellenträger erfolgt ohne Zwischenwirkung einer Federkraft und ohne Aufbau einer Federvorspannung in Richtung zum Kupplungskörper auf den zweiten Lamellenträger. Wie oben bereits beschrieben erlaubt dies, dass sich bei einem Aufeinandertreffen zweier Zähne oder Klauen der Formschlusselemente in einer Zahn-auf-Zahn-Stellung die bereits in Reibverbindung gelangten Lamellen des ersten und des zweiten Lamellenträgers ausschließlich unter der Einwirkung der gerade herrschenden, vom Betätigungselement aufgebrachten Axialkraft bei Erreichen einer Zahn-auf-Lücke-Stellung wieder entspannen, was zu einem erneuten Drehzahlangleich durch die Reibkupplung führt und ein zeitunkritisches und sanftes Einspuren der Formschlusskupplung ermöglicht.
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Der Kraftübertragungsweg erfolgt beispielsweise direkt vom Betätigungselement auf den zweiten Lamellenträger, oder über ein oder mehrere zwischengeschaltete starre Verbindungsstücke.
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Eine Sperrverzahnung am Reibring ist normalerweise nicht vorgesehen, sodass die Reibkupplung nicht als Sperrsynchronisation gestaltet ist.
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Die Reibkupplung weist vorzugsweise lediglich die Reibfläche am Reibring und die Gegen-Reibfläche auf.
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In der Regel sind am zweiten Lamellenträger unbeschichtete Stahllamellen angeordnet, während die ersten Lamellen als mit einem Reibbelag beschichtete Reiblamellen gestaltet sind. Eine umgekehrte Anordnung wäre natürlich auch möglich.
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Das Betätigungselement kann wie herkömmlich bekannt beispielsweise ein hydraulisch angetriebener Kolben sein. Eine Rückstellung des Betätigungselements lässt sich z.B. über eine separate Kolben-Rückstellfeder erreichen, die auf das Betätigungselement in der der Kraftübertragungsrichtung entgegengesetzten Richtung wirkt.
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Sämtliche Rückstellfedern sollten entgegen der Axialkraft des Betätigungselements wirken, sodass keine Federelemente vorgesehen sind, die in Richtung der Axialkraft wirken.
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Normalerweise ist der erste Lamellenträger mit dem ersten Getriebebauteil verbunden, während der zweite Lamellenträger über den Kupplungskörper mit dem zweiten Getriebebauteil verbunden ist.
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Das erste oder das zweite Getriebebauteil bildet beispielsweise eine um die Getriebeachse drehbare Getriebewelle oder ist fest mit einer solchen Getriebewelle verbunden. Das andere Getriebebauteil kann ein drehfestes Getriebegehäuse bilden oder fest mit einem solchen Getriebegehäuse verbunden sein oder auch eine um die Getriebeachse drehbare, weitere Getriebewelle bilden oder fest mit einer solchen weiteren Getriebewelle verbunden sein.
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Die beiden separaten Getriebewellen sind dabei insbesondere koaxial angeordnete Getriebewellen unterschiedlicher Planetenradsätze, welche durch die Schaltvorrichtung eine Drehzahlangleichung erfahren können.
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Die Schaltvorrichtung wird insbesondere in einem vollautomatischen Stufengetriebe eingesetzt.
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Die Schaltvorrichtung kann jedoch auch als Bremse wirken, welche die drehbare Getriebewelle abbremsen und drehfest am Gehäuse arretieren kann. Die Lamellenkupplung bildet dann im engeren Sinne eine Lamellenbremse.
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Die ersten Formschlusselemente sollten fest, beispielsweise einstückig, mit dem Kupplungskörper ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sind die zweiten Formschlusselemente fest, beispielsweise einstückig, mit dem zweiten Lamellenträger verbunden.
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Die beiden Formschlusselemente können insbesondere als Verzahnungen einer Klauenkupplung ausgebildet sein, bei denen sich entlang des Umfangs jeweils klauenartige Zähne, insbesondere zinnenförmige Klauen, und zwischen den Zähnen angeordnete Lücken abwechseln.
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In einer möglichen Variante bilden die zweiten Formschlusselemente am zweiten Lamellenträger einen abgewinkelten Klauenkranz, der sich axial an die axiale innerste, also die dem Kupplungskörper nächste der zweiten Lamellen anschließt.
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In einer anderen möglichen Variante sind die zweiten Formschlusselemente als axial vorstehende freie Enden von gerade verlaufenden Stegen am zweiten Lamellenträger gestaltet.
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Insbesondere in dieser Variante ist es denkbar, die ersten Formschlusselemente am Kupplungskörper als Fenster in einer Ringscheibe des Kupplungskörpers auszubilden.
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In noch einer anderen Variante sind die Formschlusselemente durch axiale Vorsprünge in radial verlaufenden Stegen gebildet.
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Die genaue Form sowie auch die Anzahl der ersten und zweiten Formschlusselemente bleibt dabei dem Ermessen des Fachmanns überlassen.
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Vorzugsweise ist eine Ringfeder zwischen dem zweiten Lamellenträger und dem Reibring vorgesehen, die den zweiten Lamellenträger in Richtung zum Betätigungselement hin beaufschlagt und die bei der Axialbewegung des Betätigungselements vorgespannt wird, wobei insbesondere die Ringfeder das einzige zwischen dem zweitem Lamellenträger und dem Kupplungskörper vorhandene Federelement ist.
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Die Ringfeder überträgt eine Axialkraft, die sogenannte Synchronkraft, auf den Reibring, wenn das Betätigungselement eine Axialkraft auf den zweiten Lamellenträger ausübt und die Reibkupplung geschlossen werden soll.
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Die Ringfeder sollte jedoch so gestaltet sein, dass die den zweiten Lamellenträger nicht axial in Richtung der Formschlussverbindung zum Kupplungskörper hin vorspannt.
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Die Ringfeder liegt vorzugsweise im Kraftfluss zwischen Betätigungselement und Reibring.
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Es ist möglich, die Gegen-Reibfläche direkt am Kupplungskörper auszubilden. In diesem Fall ist der Reibring drehfest am Lamellenträger angeordnet. Diese Anordnung könnte natürlich auch umgekehrt verwirklicht werden, wobei dann der Reibring drehfest mit dem Kupplungskörper verbunden ist.
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In einer möglichen Variante ist ein starres Verbindungsstück angeordnet, auf das das Betätigungselement axial einwirkt. Das Verbindungsstück kann sich dabei insbesondere axial zum zweiten Lamellenträger verschieben.
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Beispielsweise liegt die Ringfeder zwischen dem Verbindungsstück und dem Reibring.
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Der zweite Lamellenträger kann abhängig von der konkreten Gestaltung der Schaltvorrichtung sowohl als radial innerer Lamellenträger der Lamellenkupplung (also als der Lamellenträger, der die radial innen befestigten Lamellen trägt) als auch als radial äußerer Lamellenträger (also als der Lamellenträger, der die radial außen befestigten Lamellen trägt) eingesetzt werden.
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Wenn der zweite Lamellenträger der radial innere der beiden Lamellenträger ist, ist vorzugsweise der Reibring radial innerhalb des zweiten Lamellenträgers angeordnet. In einer möglichen Ausführungsform liegt der Reibring radial innerhalb des zweiten Lamellenträgers und ist axial verschieblich, aber in Umfangsrichtung drehfest am zweiten Lamellenträger oder am Kupplungskörper angeordnet.
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Ist der zweite Lamellenträger der radial äußere der beiden Lamellenträger, liegt in einer alternativen möglichen Ausführungsform der Reibring radial außerhalb des zweiten Lamellenträgers und umgibt diesen. In diesem Fall kann eine der zweiten Lamellen eine mit dem Reibring zusammenwirkende Reibkonusfläche aufweisen, die die Gegen-Reibfläche bildet.
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Auch in diesem Fall wirkt jedoch der Reibring mit dem Kupplungskörper zusammen. Hierzu kann sich der Kupplungskörper radial außerhalb der Lamellen axial über sämtliche Lamellen der Lamellenkupplung erstrecken.
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In einer Variante kann der zweite Lamellenträger einen bezogen auf seine Axialerstreckung mittleren Bereich haben, der im Querschnitt eine umlaufende Einbuchtung besitzt, beidseits der auf der radialen Innenseite Ringfedern vorgesehen sind. Die Ränder der Einbuchtung dienen sowohl zur Übertragung der vom Betätigungselement auf den zweiten Lamellenträger aufgebrachten Axialkraft auf die Ringfedern als auch als Angriffsfläche der Ringfedern zur Übertragung einer Axialkraft auf den zweiten Lamellenträger. Außerdem halten sie die Ringfedern an der gewünschten axialen Position.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 ein Getriebeschema eines vollautomatischen Stufengetriebes mit mehreren erfindungsgemäßen Schaltvorrichtungen;
- - 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung gemäß einer ersten Variante;
- - 3 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung gemäß einer zweiten Variante;
- - 4 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung gemäß einer dritten Variante;
- - 5 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung gemäß einer vierten Variante;
- - 6 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung gemäß einer fünften Variante;
- - 7 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung gemäß einer sechsten Variante; und
- - 8 einen Ausschnitt der Schaltvorrichtung aus 7 in einer perspektivischen Darstellung.
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1 zeigt ein elektrohydraulisch angesteuertes, vollautomatisches Kraftfahrzeuggetriebe 10, hier ein Stufengetriebe mit einem Drehmomentwandler 12, vier Planetengetrieben oder Planetenradsätzen 14 sowie einem schematisch angedeuteten Getriebegehäuse 16. Ferner ist ein Antriebsstrang mit einer Antriebswelle 18, einer Abtriebswelle 20 sowie mehreren Getriebewellen 24 vorgesehen, wobei hier auch Komponenten von Planetengetrieben als Getriebewellen 24 angesehen werden. Die Getriebewellen 24 sind den einzelnen Planetenradsätzen 14 zugeordnet und koaxial zueinander angeordnet.
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Diese Anordnung von Getriebeelementen ist lediglich als Beispiel zu verstehen und schränkt die nachfolgend beschriebenen Erfindung nicht auf diese Ausführung ein.
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Das Kraftfahrzeuggetriebe 10 weist hier außerdem mehrere Schaltvorrichtungen 26 auf, die mit einem Hydraulikdruck beaufschlagbar sind, und die allgemein ein erstes Getriebebauteil 25 Drehmoment übertragend mit einem zweiten Getriebebauteil 27 verbinden können. Dabei kann die Schaltvorrichtung 26 beispielsweise eine Getriebewelle 24 entweder mit einer weiteren Getriebewelle 24 oder mit dem Getriebegehäuse 16 koppeln (und dementsprechend auch wieder davon entkoppeln), wobei Getriebewellen 24 bzw. Getriebegehäuse 16 abhängig von der gewählten Kombination jeweils das erste oder das zweite Getriebebauteil 25, 27 bilden.
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Anders ausgedrückt bilden hier das erste Getriebebauteil 25 oder das zweite Getriebebauteil 27 eine um die Getriebeachse A drehbare Getriebewelle 24 oder sind fest mit einer solchen Getriebewelle 24 verbunden. Das jeweils andere Getriebebauteil bildet ein drehfestes Getriebegehäuse 16 oder ist fest mit einem solchen Getriebegehäuse 16 verbunden. Alternativ ist das andere Getriebebauteil eine um die Getriebeachse A drehbare, weitere Getriebewelle 24 oder ist fest mit einer solchen weiteren Getriebewelle 24 verbunden.
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Koppelt die Schaltvorrichtung 26 eine Getriebewelle 24 mit dem Getriebegehäuse 16, wirkt sie als Bremsvorrichtung, während eine Schaltvorrichtung 26, welche zwei Getriebewellen 24 miteinander koppelt, auch als Kupplungsvorrichtung bezeichnet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechs Schaltvorrichtungen 26 vorgesehen (dies ist nicht einschränkend zu verstehen), von denen z.B. drei Schaltvorrichtungen 26 als Bremsvorrichtungen und z.B. drei Schaltvorrichtungen 26 als Kupplungsvorrichtungen ausgebildet sind. Beispielhaft befinden sich gemäß 1 zwei Bremsvorrichtungen und eine Kupplungsvorrichtung im gekoppelten Zustand (schraffiert angedeutet) sowie eine Bremsvorrichtung und zwei Kupplungsvorrichtungen im entkoppelten Zustand.
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Durch verschiedene Schaltkombinationen der Schaltvorrichtungen 26 ergeben sich dann die den einzelnen Gangstufen des Kraftfahrzeuggetriebe 10 entsprechenden Übersetzungen zwischen der Antriebswelle 18 und der Abtriebswelle 20.
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Da die generelle Konstruktion und Funktionsweise vollautomatischer Stufengetriebe aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist, wird darauf nicht weiter eingegangen und im Folgenden lediglich der konstruktive Aufbau und die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtungen 26 detailliert beschrieben.
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Die 2 bis 8 zeigen verschiedene Varianten der Schaltvorrichtung 26.
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Die in den 2 bis 8 angedeutete Axialrichtung A fällt mit einer Getriebeachse zusammen, die im Folgenden auch mit A bezeichnet wird.
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2 zeigt eine erste Variante der Schaltvorrichtung 26.
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Diese weist einen ersten Lamellenträger 23 auf (in den 2 und 7 schematisch dargestellt), an dem erste Lamellen 28 drehfest, aber in Axialrichtung A verschieblich befestigt sind, sowie einen zweiten Lamellenträger 30, an dem zweite Lamellen 32 dehfest, aber in Axialrichtung A verschieblich befestigt sind, wobei die ersten und zweiten Lamellen 28, 32 zusammen eine Lamellenkupplung 34 bilden. Die ersten und zweiten Lamellen 28, 32 sind wechselweise axial hintereinander angeordnet. In diesem Beispiel sind die ersten Lamellen 28 als Reiblamellen und die zweiten Lamellen 32 als Stahllamellen ausgebildet.
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In dieser Variante ist der zweite Lamellenträger 30 der bezüglich der Radialrichtung r innenliegende der beiden Lamellenträger.
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Der erste Lamellenträger 23 ist fest mit dem ersten Getriebebauteil 25 verbunden, während der zweite Lamellenträger 30 sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Getriebebauteil 25, 27 koppelbar und entkoppelbar ist.
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Am zweiten Getriebebauteil 27 ist ein Kupplungskörper 36 vorgesehen, der über eine Reibkupplung 38 mit dem zweiten Lamellenträger 30 zusammenwirken kann. Die Reibkupplung 38 bewirkt eine Synchronisierung der Drehzahlen des Kupplungskörpers 36 und des zweiten Lamellenträgers 30.
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Die Reibkupplung 38 umfasst einen Reibring 40 mit einer konischen Reibfläche 42, der hier in Umfangsrichtung drehfest sowie axial verschieblich mit dem zweiten Lamellenträger 30 verbunden ist, sowie eine konische Gegen-Reibfläche 44, die hier direkt am Kupplungskörper 36 ausgebildet ist.
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Diese Anordnung wäre selbstverständlich auch umkehrbar, sodass die Gegen-Reibfläche 44 am zweiten Lamellenträger 30 angeordnet und der Reibring 40 drehfest, aber axial verschieblich am Kupplungskörper 36 vorgesehen ist.
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Der Reibring 40 ist in diesem Beispiel radial innerhalb des zweiten Lamellenträgers 30 angeordnet. Die Reibfläche 42 weist hier radial nach innen, und die Gegen-Reibfläche 44 liegt radial innerhalb des Reibrings 40.
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Zwischen dem Reibring 40 und dem zweiten Lamellenträger 30 ist hier eine einzelne Ringfeder 46 angeordnet, die bei einer Bewegung des zweiten Lamellenträgers 30 in Axialrichtung A in Richtung zum Kupplungskörper 36 hin weiter vorgespannt wird. Die Ringfeder 46 überträgt eine Axialkraft, die sogenannte Synchronkraft, auf den Reibring 40.
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In diesem Beispiel wirkt der zweite Lamellenträger 30 über ein starres Verbindungsstück 48 auf die Ringfeder 46. Das Verbindungsstück 48 liegt radial am zweiten Lamellenträger 30 an und wird dort insbesondere über den Innendurchmesser zentriert, kann sich aber in axialer Richtung bewegen. Eine Koppelung der Bauteile ist z.B. über Nocken am Verbindungstück 48 und Taschen in einem Topf des zweiten Lamellenträgers 30 in Umfangsrichtung gegeben, sodass eine Drehmitnahme in Umfangsrichtung besteht.
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Die Ringfeder 46 ist in dieser Variante das einzige zwischen dem zweiten Lamellenträger 30 und dem Kupplungskörper 36 vorhandene Federelement.
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Als dritte Kupplung ist bei der Schaltvorrichtung 26 eine Formschlusskupplung 50 vorgesehen. Diese ist zwischen ersten Formschlusselementen 52 am Kupplungskörper 36 und zweiten Formschlusselementen 54 am zweiten Lamellenträger 30 gebildet.
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In diesem Beispiel sind die ersten und die zweiten Formschlusselemente 52, 54 durch zinnenförmige Zähne gebildet, die ineinandergreifen können und so eine Klauenkupplung bilden. In der in 2 gezeigten Variante formen die zweiten Formschlusselemente 54 einen einstückig mit dem zweiten Lamellenträger 30 verbundenen Klauenkranz, der am radial äußeren Ende der axial dem Kupplungskörper 36 nächsten Lamelle 32 des Lamellenträgers 30 angeordnet ist. Diese Lamelle 32 geht hier einstückig in den restlichen zweiten Lamellenträger 30 über.
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Die ersten Formschlusselemente 52 sind in dieser Variante als Verzahnung an einem Außenrand einer Ringscheibe 55 des Kupplungskörpers 36 ausgebildet.
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Die Reibkupplung 38, die Formschlusskupplung 50 und die Lamellenkupplung 34 werden durch eine Axialkraft F nacheinander geschlossen, wobei die Axialkraft F durch Betätigung eines Betätigungselements 56 aufgebracht wird, das auf den zweiten Lamellenträger 30 in Axialrichtung A einwirkt. Das Betätigungselement 56 kann ein Axiallager 58 umfassen, das eine Kraftübertragung beim Schalten oder das Halten der Lamellenkupplung 34 im geschlossenen Zustand unter einer Differenzdrehzahl ermöglicht., Im Beispiel der 2 erfolgt die Einwirkung auf ein axiales Ende des Verbindungsstücks 48.
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Das Betätigungselement 56 kann auf bekannte Weise durch einen hydraulisch betätigten Kolben verwirklicht sein. Statt einer hydraulischen Betätigung ist alternativ selbstverständlich auch eine elektromotorische Betätigung der Schaltvorrichtung 26 denkbar.
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Im Beispiel der 2 wirkt die Kraft F direkt auf das Verbindungstück 48 und über die Ringfeder 46 auf die Reibkupplung 38 bzw. den konischen Reibring 40. Parallel dazu wirkt bei Überschreitung der Federkraft der Ringfeder 46 eine Kraft F auf den Lamellenträger 30.
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Über die Reibkupplung 38, die Formschlusskupplung 50 und die Lamellenkupplung 34 ist das erste Getriebebauteil 25 Drehmoment übertragend mit dem zweiten Getriebebauteil 27 verbindbar.
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Um dies zu erreichen und die Schaltvorrichtung 26 zu betätigen, sodass ein Drehmoment übertragender Antriebsstrang geschlossen wird, wird das Betätigungselement 56 betätigt, sodass es die in Axialrichtung A wirkende Kraft F auf die Lamellenkupplung 34 ausübt und hierdurch auch beginnt, den zweiten Lamellenträger 30 in Richtung zum Kupplungskörper 36 zu verschieben.
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Dabei wirkt das Betätigungselement 56 auf das starre Verbindungsstück 48 ein, was wiederum die Ringfeder 46 beaufschlagt, die auf den Reibring 40 einwirkt und diesen in Axialrichtung A zum Kupplungskörper 36 hin verschiebt, sodass die Reibfläche 42 in Kontakt mit der Gegen-Reibfläche 44 kommt, was die Reibkupplung 38 schließt.
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Hierdurch entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Lamellenträger 30 und dem Kupplungskörper 36 (und somit auch dem zweiten Getriebebauteil 27, was im Folgenden nicht weiter berücksichtigt wird).
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Dies hat zur Folge, dass die Drehzahl des zweiten Lamellenträgers 30 auf die Drehzahl des Kupplungskörpers 36 angeglichen wird, bis der zweite Lamellenträger 30 und der Kupplungskörper 36 zusammen mit der gleichen Drehzahl rotieren.
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Die Formschlusskupplung 50 und die Lamellenkupplung 34 sind zu diesem Zeitpunkt noch geöffnet.
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Durch weitere Erhöhung der Axialkraft F durch das Betätigungselement 56 wird der zweite Lamellenträger 30 weiter in Richtung zum Kupplungskörper 36 verschoben, mit dem Ziel, die zweiten Formschlusselemente 54 zwischen die ersten Formschlusselemente 52 einzuspuren und die Formschlusskupplung 50 zu schließen.
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Treffen die ersten und zweiten Formschlusselemente 52, 54 in einer Zahn-auf-Lücke-Stellung aufeinander, so werden die beiden Formschlusselemente 52, 54 in Axialrichtung A so weit ineinandergeschoben, dass sich die Formschlusskupplung 50 schließt, wodurch der zweite Lamellenträger 30 mit dem Kupplungskörper 36 in Umfangsrichtung formschlüssig verbunden wird.
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Sind jedoch zu diesem Zeitpunkt die ersten und zweiten Formschlusselemente 52, 54 relativ zueinander so angeordnet, dass sie in einer Zahn-auf-Zahn-Stellung aufeinandertreffen und die Formschlusselemente 52, 54 nicht ineinandergreifen können, so wird die Axialkraft F durch das Betätigungselement 56 weiter erhöht und die Axialkraft auf die Lamellenkupplung 34 gesteigert, wodurch sich auch das Drehmoment der Lamellenkupplung 34 erhöht und die Lamellenkupplung 34 geschlossen wird.
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Jetzt ist das Reibmoment der geschlossenen Lamellenkupplung 34 größer als das Reibmoment der immer noch geschlossenen Reibkupplung 38. Folglich überwiegt die Wirkung der Lamellenkupplung 34, und aufgrund der vorhandenen Differenz der wirkenden Reibmomente entsteht wieder eine Relativrotation zwischen dem zweiten Lamellenträger 30 und dem Kupplungskörper 36.
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Sobald jedoch die ersten und zweiten Formschlusselemente 52, 54 aufgrund dieser Relativrotation eine Zahn-auf-Lücke-Stellung erreichen, entspannt sich das Lamellenpaket wieder, wodurch das Reibmoment der Lamellenkupplung 34 wieder kleiner wird als das Reibmoment der nach wie vor geschlossenen Reibkupplung 38. Somit kommt es zu einem erneuten Drehzahlangleich zwischen dem zweiten Lamellenträger 30 und dem Kupplungskörper 36, wobei jetzt aber sichergestellt ist, dass die beiden Formschlusselemente 52, 54 sich in einer Zahn-auf-Lücke-Stellung befinden. Die nach wie vor herrschende Axialkraft F, die vom Betätigungselement 56 aufgebracht wird, bewirkt nun das Einspuren der zweiten Formschlusselemente 54 zwischen die ersten Formschlusselemente 52.
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Im Kraftfluss zwischen dem zweiten Lamellenträger 30 und dem Kupplungskörper 36 ist kein Federelement vorgesehen, das den zweiten Lamellenträger 30 in Richtung zum Kupplungskörper 36 hin vorspannt. Infolgedessen sind auch die zweiten Formschlusselemente 54 nicht in Richtung zum Kupplungskörper 36 vorgespannt, und die Einspurbewegung der Formschlusskupplung 50 erfolgt erst, wenn die Zahn-auf-Lücke-Stellung zwischen den Formschlusselementen 52, 54 korrekt erreicht ist.
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Ist die Formschlusskupplung 50 geschlossen, wird aufgrund der vom Betätigungselement 56 aufgebrachten Axialkraft F die Lamellenkupplung 34 durch eine weitere Axialbewegung des zweiten Lamellenträgers 30 erneut geschlossen.
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In diesem Zustand ist die Schaltvorrichtung 26 geschlossen, und das erste Getriebebauteil 25 ist mit dem zweiten Getriebebauteil 27 Drehmoment übertragend verbunden.
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Ausgehend von einer unbetätigten Ausgangsstellung nimmt die Schaltvorrichtung 26 zunächst eine Synchronisationsstellung, anschließend eine Formschlussstellung und zuletzt eine Schließstellung der Lamellenkupplung 34 ein. In der unbetätigten Ausgangsstellung ist die Lamellenkupplung 34 geöffnet, sodass die zweiten Lamellen 32 des zweiten Lamellenträgers 30 in Umfangsrichtung nicht mit den ersten Lamellen 28 und dem ersten Getriebebauteil 25 gekoppelt sind. In der Formschlussstellung sind dann der zweite Lamellenträger 30 und dementsprechend auch die zweiten Lamellen 32 in Umfangsrichtung über die Formschlusskupplung 50 mit dem Kupplungskörper 36 gekoppelt, aber noch nicht mit dem ersten Getriebebauteil 27, da die Lamellenkupplung 34 noch geöffnet ist. Erst in der Schließstellung der Lamellenkupplung 34 sind die zweiten Lamellen 32 des zweiten Lamellenträgers 30 in Umfangsrichtung über eine Reibverbindung mit den ersten Lamellen 28 des ersten Lamellenträgers und somit auch mit dem Kupplungskörper 36 und dem ersten Getriebebauteil 25 gekoppelt.
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Vor Betätigung des Betätigungselements 56 sind die Reibkupplung 38, die Formschlusskupplung 50 sowie die Lamellenkupplung 34 geöffnet, und das zweite Getriebebauteil 27 ist nicht kraftschlüssig und Drehmoment übertragend mit dem ersten Getriebebauteil 25 verbunden.
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In der unbetätigten, axialen Ausgangsstellung des Betätigungselements 56 befinden sich der Reibring 40 und die Gegen-Reibfläche 44 des Kupplungskörpers 36 in einer sogenannten Lüftungsstellung, bei der die Reibfläche 42 des Reibrings 40 von der Gegen-Reibfläche 44 beabstandet ist.
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Darüber hinaus sind in der unbetätigten Ausgangsstellung des Betätigungselements 56 auch die axial aneinandergrenzenden ersten und zweiten Lamellen 28, 32 gelüftet, d.h. axial voneinander beabstandet.
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Zum Öffnen der Schaltvorrichtung 26 wird das Betätigungselement 56 entgegen der bisherigen Betätigungsrichtung zurückgestellt, sodass die Axialkraft F entfällt. Dies kann beispielsweise mittels einer (nicht dargestellten) Feder erfolgen, welche das Betätigungselement 56 beaufschlagt. Alternativ ist auch denkbar, dass das Betätigungselement 56 hydraulisch zurückgestellt wird.
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Die Lamellenkupplung 34 öffnet sich durch die axiale Rückstellung des Betätigungselements 56 und die Rückstellung des Verbindungsstücks 48. Unterstützt wird der Vorgang durch die Rückstellung der Ringfeder 46. Auch die Formschlusskupplung 50 öffnet sich, und die ersten und zweiten Formschlusselemente 52, 54 geraten außer Eingriff, und der Reibring 40 wird von der Gegen-Reibfläche 44 am Kupplungskörper 36 gelöst.
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Sobald das Betätigungselement 56 wieder seine unbetätigte, axiale Ausgangsstellung erreicht, können sich alle Reibteile der Schaltvorrichtung 26 innerhalb der vorhandenen Axialspiele wieder voneinander trennen bzw. lüften.
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Auch in der Lüftstellung der Reibkupplung 38 Lamellenkupplung 34 stellt sich bei einem Drehzahlunterschied zwischen dem ersten Getriebebauteil 25 und dem zweiten Getriebebauteil 27 ein Schleppmoment ein, das jedoch aufgrund der deutlich kleineren Reibfläche des Reibrings 40 erheblich geringer ausfällt als das Schleppmoment einer reinen Lamellenkupplung. Dementsprechend findet eine Relativdrehung in der Ausgangsstellung der Schaltvorrichtung 26 zumindest überwiegend innerhalb der Reibkupplung 38 statt. Die ersten Lamellen 28 bewegen sich aufgrund der Schleppmomente in der (geöffneten) Lamellenkupplung 34 zumindest weitgehend synchron mit den zweiten Lamellen 32, sodass in der Ausgangsstellung der Schaltvorrichtung 26 lediglich das geringere Schleppmoment der Reibkupplung 38 auftritt, was sich positiv auf den Getriebewirkungsgrad auswirkt.
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3 zeigt eine Variante der gerade beschriebenen Schaltvorrichtung 26. Im Unterschied zur oben beschriebenen Ausführung sind hier die zweiten Formschlusselemente 54 am zweiten Lamellenträger 30 durch freie Enden axial verlaufender Stege am zweiten Lamellenträger 30 gebildet, während die ersten Formschlusselemente 52 als Fenster in einer sich radial am Kupplungskörper 36 erstreckenden Ringscheibe 55 ausgebildet sind.
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Die Funktionsweise der Formschlusskupplung 50 ist jedoch identisch zu der für die erste Variante beschriebenen.
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Als weiterer Unterschied weist der zweite Lamellenträger 30 radial innerhalb der zweiten Lamellen 32 einen bezogen auf seine Axialerstreckung mittleren Bereich auf, in dem eine umlaufende radiale Einbuchtung 60 vorgesehen ist. Beidseits dieser Einbuchtung 60 ist jeweils eine Ringfeder 46 angeordnet, wobei beide Ringfedern 46 radial innerhalb des zweiten Lamellenträgers 30 liegen und sich an den Enden der Einbuchtung 60 abstützen.
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Außerdem wirkt hier das Betätigungselement 56 direkt auf die dem Betätigungselement 56 benachbarte Lamelle 32 des zweiten Lamellenträgers 30, ohne zwischengeschaltetes starres Verbindungsstück 48. Das Betätigungselement 56 gibt die Schaltkraft über die dem Betätigungselement 56 axial nähere Ringfeder 46 (im Folgenden auch als axial innere Ringfeder 46 bezeichnet) auf den zweiten Lamellenträger 30 weiter. Über die Federkräfte der beiden Ringfedern 46 und die Rampenwinkel der Einbuchtung 60 kann die maximale Axialkraft eingestellt werden, die auf die Reibkupplung 38 wirkt, bevor durch ein axiales Verschieben der axial inneren Ringfeder 46 die Lamellenkupplung 34 geschlossen wird.
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Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise sind identisch zu der oben beschriebenen ersten Variante.
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In der in 4 dargestellten dritten Variante weist die Schaltvorrichtung 26 am Betätigungselement 56 eine schräge Anlagefläche 62 für eine der Ringfedern 46 oder ein anderes Federelement auf.
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In dieser Variante wirkt das Betätigungselement 56 auch wie bei der zweiten Variante auf die erste Reiblamelle 32 des zweiten Lamellenträgers 30. Im Unterschied zur zweiten Variante ist die Schräge 56 für die axial innere Ringfeder 46 an der axial innersten Lamelle 32 vorgesehen. Über die beiden Ringfedern 46 und die Winkel der Rampen kann das Schließen der Reibkupplung 48 und der Lamellenkupplung 34 eingestellt werden.
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Als weiterer Unterschied zur ersten Variante sind die ersten und zweiten Formschlusselemente 52, 54 der Formschlusskupplung 50 durch abwechselnde axiale Vorsprünge und Schlitze oder Fenster in der dem Kupplungskörper 36 nächsten der zweiten Lamellen 32 sowie der Ringscheibe 55 des Kupplungskörpers 36 gebildet.
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Auch für diese Variante sind der prinzipielle Aufbau und die Funktion identisch zu der oben beschriebenen ersten Variante.
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Bei der in 5 dargestellten vierten Variante ist das starre Verbindungsstück 48 an einem radial nach innen abgewinkelten freien Ende 64 des zweiten Lamellenträgers 30, das zum Betätigungselement 56 weist, angesetzt und erstreckt sich nicht bis zum Reibring 40. Im Unterschied zur zweiten Variante sind im zweiten Lamellenträger 30 zwei nach innen gebogene Laschen vorgesehen, an denen die Ringfedern 46 anliegen. Der zweite Lamellenträger 30 hat hier keinen Durchgriff für die axial innerste Reiblamelle 32. Die Axialkraft wird über das Verbindungstück 48 auf die Reibkupplung 38 geleitet.
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Alternativ könnte ein axial ausgedehntes einzelnes Federelement 46, beispielsweise eine Schraubenfeder, vorgesehen sein, das sich zwischen dem Verbindungsstück 48 und dem Reibring 40 erstreckt. Hierdurch können die Rampen oder Schrägen für die Ringfedern 46 entfallen.
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In der in 6 dargestellten fünften Variante erstreckt sich die durch den zweiten Lamellenträger 30 gebildete, dem Kupplungskörper 36 am nächsten gelegene der zweiten Lamellen 32 radial so weit nach innen, dass sie eine Führung 66 für den axial dahinterliegenden Reibring 40 bildet. Außerdem ist der zweite Lamellenträger 30 mehrteilig ausgebildet.
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Auch für diese Variante sind der prinzipielle Aufbau und die Funktion identisch zu der oben beschriebenen ersten Variante.
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Sämtliche Merkmale dieser Varianten lassen sich im Ermessen des Fachmanns frei miteinander kombinieren oder gegeneinander austauschen.
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In der in den 7 und 8 dargestellten sechsten Variante liegt im Unterschied zu den bisher diskutierten Ausführungen der Reibring 40 radial außerhalb des zweiten Lamellenträgers 30. In diesem Fall bildet der zweite Lamellenträger 30 auch den radial äußeren der beiden Lamellenträger. In diesen Figuren ist beispielhaft auch der erste Lamellenträger 23 eingezeichnet.
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Der Reibring 40 ist in dieser Variante drehfest und axial verschiebbar mit dem Kupplungskörper 36 verbunden, der sich mit einem Abschnitt 72 radial außerhalb des zweiten Lamellenträgers 30 erstreckt.
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Die Gegen-Reibfläche 44 ist hier an der axial dem Betätigungselement 56 nächsten der zweiten Lamellen 32 ausgebildet.
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Auch in dieser Variante wirkt der Reibring 40 unmittelbar zwischen dem zweiten Lamellenträger 30 und dem Kupplungskörper 36.
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Wie in der zweiten Variante sind am zweiten Lamellenträger 30 axiale Stege ausgebildet, deren freie Enden die zweiten Formschlusselemente 54 bilden, die in Fenster in der Ringscheibe 55 am Kupplungskörper 36 eingreifen, die hier die ersten Formschlusselemente 52 darstellen.
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Es ist nur eine einzige Ringfeder 46 als einziges Federelement zwischen zweitem Lamellenträger 30 und Kupplungskörper 36 vorgesehen, wobei die Ringfeder 46 axial zwischen der Ringscheibe 55 des Kupplungskörper 36 und dem Reibring 40 angeordnet ist.
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Auch für diese Variante sind der prinzipielle restliche Aufbau und die Funktion identisch zu der oben beschriebenen ersten Variante.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016114271 A1 [0004]
