DE102021102418B4

DE102021102418B4 - Schaltanordnung in einem Getriebe

Info

Publication number: DE102021102418B4
Application number: DE102021102418.8A
Authority: DE
Inventors: Alfred Rehr
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2041-02-04
Also published as: DE102021102418A1

Abstract

Schaltanordnung in einem Getriebe mit einem auf einer Getriebewelle (1) lose drehgelagerten Schaltzahnrad (5), wobei die Schaltanordnung (11) eine lastschaltbare Lamellenkupplung (13) mit einem Lamellenpaket (19) aufweist und zusätzlich eine lastfrei schaltbare Klauenkupplung (15) mit einem axial verstellbaren, getriebewellenseitigen Kupplungskörper (23) mit Klauenverzahnung (25) aufweist, wobei bei einem Schaltvorgang eine Schiebemuffe (17) in Schaltrichtung (S) über einen Lamellenkupplungs-Schaltweg (S1, S2) zumindest ein Druckstück (21) axial verstellt, das mit einer Anpresskraft gegen das Lamellenpaket (19) presst, bis das Schaltzahnrad (5) kraftschlüssig mit der Getriebewelle (1) gekoppelt ist und Drehzahlgleichheit zwischen dem Schaltzahnrad (5) und der Getriebewelle (1) vorliegt, und wobei im weiteren Verlauf des Schaltvorgangs die Schiebemuffe (17) in der Schaltrichtung (S) über einen Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) den getriebewellenseitigen Kupplungskörper (23) lastfrei in Formschlussverbindung mit einer zahnradseitigen Kupplungsverzahnung (27) verstellt, wodurch die Lamellenkupplung (13) entlastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungskörper (23) in Axialrichtung mittels einer Überlast-Feder (43) an der Schiebemuffe (17) abgestützt ist, und dass bei einer während des Klauenkupplungs-Schaltvorgangs (S3, S4) vorliegenden Zahn-auf-Zahn-Überdeckung zwischen Kupplungskörper (23) und Kupplungsverzahnung (27) die Schiebemuffe (17) den Kupplungskörper (23) unter Aufbau einer Überlastfeder-Rückstellkraft sowie ohne Formschlussbildung gegen eine Stirnseite der Kupplungsverzahnung (27) drückt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung in einem Getriebe gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 12.
Ein Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs kann ein beispielhaftes Zwei-Gang-Getriebe aufweisen, bei dem ein erster Gang und ein zweiter Gang schaltbar ist. Hierzu sind auf einer Getriebewelle zwei Schaltzahnräder angeordnet, von denen ein erstes Schaltzahnrad Bestandteil einer, den ersten Gang bildenden Gangschaltebene ist, während das zweite Schaltzahnrad Bestandteil einer, den zweiten Gang bildenden Gangschaltebene ist. Bei eingelegtem ersten Gang wird das Antriebsmoment von dem ersten Schaltzahnrad über eine Freilaufkupplung auf die Getriebewelle übertragen. Beim Gangwechsel in den zweiten Gang wird das zweite Schaltzahnrad des zweiten Gangs über eine Schaltanordnung geschaltet, die eine Lamellenkupplung aufweist. Während des Gangwechsels wird zunächst nur ein Teil des Antriebsmoments von der Lamellenkupplung übertragen (Schlupfbetrieb), später das ganze Antriebsmoment. In diesem Fall ist der zweite Gang drehzahlbestimmend und wird die Freilaufkupplung überholt. Die Lamellenkupplung ist bei dieser Schaltanordnung auf das volle Drehmoment ausgelegt.
Eine solche Lamellenkupplung ist in gängiger Praxis lastschaltbar und muss permanent mit dem erforderlichen Anpressdruck beaufschlagt werden. Das Drehmoment wird über die Lamellenkupplung kraftschlüssig übertragen. Lamellenkupplungen sind vergleichsweise bauraumintensiv, weisen ein hohes Bauteilgewicht auf und sind kostspielig. Im Gegensatz dazu kann die Gangschaltung über einen Klauenkupplung erfolgen, die in gängiger Praxis nicht lastschaltbar ist. Sofern die Klauenkupplung einmal eingelegt ist, ist ein weiterer Anpressdruck nicht mehr erforderlich. Eine Hinterlegung in der Kupplungsverzahnung sichert die Klauenkupplung gegen ein ungewolltes Auslegen. Das Drehmoment wird formschlüssig übertragen, wobei Drehzahldifferenzen beim Einlegen nicht synchronisiert werden. Auch das Auslegen erfolgt lastfrei. Die Klauenkupplung ist im Vergleich zu einer Lamellenkupplung weniger bauraumintensiv sowie deutlich kostengünstiger als eine Lamellenkupplung.
Allgemein sind Schaltanordnungen bekannt, bei denen das Schaltzahnrad über eine Kombination aus Lamellenkupplung und Klauenkupplung schaltbar ist. Eine solche Kombination ist jedoch im Stand der Technik aufwendig und bietet hinsichtlich Dimensionierung der Komponenten kaum Vorteile.
Aus der DE 10 2007 036 100 A1 ist ein Lastschaltelement bekannt. Aus der DE 10 2009 045 562 A1 ist eine Kupplungsanordnung sowie ein Ankopplungsverfahren für ein Fahrzeug mit einer ersten und einer zweiten Antriebsvorrichtung bekannt. Die DE 43 42 085 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Fahrzeug-Mehrganggetriebe. Aus der CH 162 322 A ist eine Synchronisiereinrichtung für Klauenkupplungen für Getrieberäder bzw. Wellen von Rädergetrieben, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einander zugeordneten Reib- und Klauenkupplungen bekannt. Die DE 10 2013 214 325 A1 offenbart eine Kupplungsanordnung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltanordnung in einem Getriebe bereitzustellen, die eine im Vergleich zum Stand der Technik bauraumreduzierte Kombination von Lamellenkupplung und Klauenkupplung aufweist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Schaltanordnung in einem Getriebe mit einer, auf einer Getriebewelle lose drehgelagerten Schaltzahnrad aus. Die Schaltanordnung weist eine lastschaltbare Lamellenkupplung mit einem Lamellenpaket auf und zusätzlich eine lastfreischaltbare Klauenkupplung mit einem axial verstellbaren, getriebewellenseitigen Kupplungskörper mit Klauenverzahnung auf. Gemäß dem Anspruch 1 verstellt bei einem Schaltvorgang eine Schiebemuffe in Schaltrichtung über einen Lamellenkupplungs-Schaltweg zumindest ein Druckstück. Das Druckstück wird mit einer Anpresskraft gegen das Lamellenpaket gepresst, bis das Schaltzahnrad kraftschlüssig mit der Getriebewelle gekoppelt ist und Drehzahlgleichheit zwischen dem Schaltzahnrad und der Getriebewelle vorliegt. Im weiteren Verlauf des Schaltvorgangs wird die Schiebemuffe weiter in der Schaltrichtung über einen Klauenkupplungs-Schaltweg verstellt. Dadurch schiebt die Schiebemuffe den getriebewellenseitigen Kupplungskörper lastfrei bis in Formschlussverbindung mit einer zahnradseitigen Kupplungsverzahnung, wodurch die Lamellenkupplung entlastbar ist.
Der Schaltvorgang erfolgt bei einem Schaltpunkt, der konzeptionell so gewählt ist, dass das dort anliegende Antriebsmoment im Schaltvorgang um ein Vielfaches kleiner ist als das maximale über das Schaltzahnrad führbare Moment. Auf diese Weise kann die Lamellenkupplung sehr kompakt ausgeführt werden, während die hohen Belastungen über die Klauenkupplung gehen.
Nachfolgend wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltanordnung beschrieben: So kann das Druckstück über eine Feder, insbesondere Ringfeder, axial verstellbar auf der Schiebemuffe abgestützt sein. Das Druckstück ist unter Aufbau einer Feder-Rückstellkraft gegenüber der Schiebemuffe verstellbar.
In einer technischen Umsetzung kann die Druckstückfeder mit ihrem einen Federfuß an einer Druckstück-Steuerkontur in Gleitkontakt abgestützt sein. In gleicher Weise kann die Druckstück-Feder mit ihrem anderen Federfuß an einer Schiebemuffen-Steuerkontur in Gleitkontakt abgestützt sein. Während der Schaltbewegung der Schiebemuffe kann die Druckstück-Feder über den Lamellenkupplungs-Schaltweg und/oder über den Klauenkupplungs-Schaltweg entlang der jeweiligen Steuerkontur gleiten.
Die Steuerkontur-Geometrie ist dabei so ausgelegt, dass die von der Schiebemuffe über die Druckstückfeder und über das Druckstück auf das Lamellenpaket ausgeübte Anpresskraft (bzw. das damit korrelierende übertragbare Drehmoment) in Abhängigkeit vom Lamellenkupplungs-Schaltweg und/oder vom Klauenkupplungs-Schaltweg variiert.
Besonders bevorzugt kann mittels der Steuerkontur eine Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie erzielt werden, die wie folgt realisierbar ist: So kann bei der Kennlinie zum Ende des Lamellenkupplungs-Schaltwegs das übertragbare Drehmoment (bzw. die damit korrelierende Anpresskraft) bis zumindest auf einen Schlupf-Grenzwert erhöht sein, ab dem eine schlupffreie Übertragung eines (im Schaltpunkt vorliegenden) Antriebsmoments über das Lamellenpaket gewährleistet ist. In diesem Fall kann im nachfolgenden Klauenkupplungs-Schaltweg der Schiebemuffe die Klauenkupplung lastfrei schaltbar sein.
In der obigen Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie kann im Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) das übertragbare Drehmoment (bzw. die damit korrelierende Anpresskraft) bis zu einem Überpress-Grenzwert erhöht werden, bei dem die Lamellenkupplung überdrückt ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Kennlinie so gestaltet sein, dass im Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) das übertragbare Drehmoment (bzw. die damit korrelierende Anpresskraft) bis unter den Schlupf-Grenzwert (T_erf) fällt. Das heißt, die Lamellenkupplung beginnt zu schlupfen, so dass keine Drehzahlgleichheit mehr zwischen dem Schaltzahnrad und der Getriebewelle vorliegt. Zudem kann die Kennlinie so gestaltet sein, dass das übertragbare Drehmoment (bzw. die Anpresskraft) bis auf null fällt (Schaltweg S5), so dass die Lamellenkupplung bei geschalteter Klauenkupplung geöffnet ist.
In einer konkreten Ausführungsvariante kann die Steuerkontur der Schiebemuffe eine schräggestellte Fase aufweisen, deren Fasenwinkel die von der Schiebemuffe über die Druckstück-Feder auf das Druckstück übertragbare Anpresskraft bestimmt. Die Fase kann am Fasen-Auslauf flacher werden, wodurch sich die Anpresskraft reduziert. Zudem kann die Fase in einen zylindrischen Steuerkontur-Abschnitt übergehen, bei dem das Druckstück keine Anpresskraft mehr auf das Lamellenpaket überträgt.
Der Kupplungskörper der Klauenkupplung ist erfindungsgemäß in Axialrichtung mittels eine Überlastfeder an der Schiebemuffe abgestützt. Beim lastfreien Schaltvorgang der Klauenkupplung kann es zu einer Zahn-auf-Zahn-Überdeckung zwischen dem Kupplungskörper und der zahnradseitigen Kupplungsverzahnung kommen. In diesem Fall drückt die Schiebemuffe den Kupplungskörper unter Aufbau einer Überlastfeder-Rückstellkraft gegen eine Stirnseite der Kupplungsverzahnung, ohne dass es zu einer Formschlussverbindung kommt.
Bevorzugt ist die oben erwähnte Drehmoment-Schaltweg-Kennlinie der Lamellenkupplung so ausgelegt, dass bei einer Schaltbewegung die Schiebemuffe über den Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) die Lamellenkupplung beginnt zu schlupfen. Durch den Kupplungsschlupf ist die Drehzahlgleichheit zwischen dem Schaltzahnrad und dem Kupplungskörper aufgehoben, so dass sich die Zahn-auf-Zahn-Überdeckung löst und der Kupplungskörper unter Abbau der Überlastfeder-Rückstellkraft in Formschlussverbindung mit der zahnradseitigen Kupplungsverzahnung kommt.
In einer technischen Realisierung kann die Schaltanordnung in einem Getriebe verbaut sein, mittels dem zumindest zwei Gänge schaltbar sind. In diesem Fall ist auf der Getriebewelle ein weiteres lose drehgelagertes Schaltzahnrad angeordnet, das Bestandteil einer, einen ersten Gang bildenden Gangschaltebene ist. Das über die Lamellenkupplung/Klauenkupplung schaltbare Schaltzahnrad ist Bestandteil einer, den zweiten Gang bildenden Gangschaltebene.
Das weitere Schaltzahnrad kann über eine Freilaufkupplung mit der Getriebewelle koppelbar sein. Bei eingelegtem ersten Gang wird das weitere Schaltzahnrad in einer Antriebsdrehrichtung angetrieben und sperrt die Freilaufkupplung drehmomentübertragend, so dass ein Antriebsdrehmoment von dem weiteren Schaltzahnrad auf die Getriebewelle übertragen wird. Bei eingelegtem ersten Gang ist das Schaltzahnrad des zweiten Gangs nicht geschaltet. Für den Gangwechsel in den zweiten Gang wird die Schiebemuffe über den Lamellenkupplungs-Schaltweg (S1, S2) und über den Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) verstellt. In diesem Fall ist der zweite Gang drehzahlbestimmend und wird die Freilaufkupplung überholt.
Für einen Rekuperationsbetrieb oder zum Einlege eines Rückwärtsgangs kann die Schiebemuffe axial beidseitig schaltbar sein und eine Klauenverzahnung aufweisen. Die Klauenverzahnung der Schiebemuffe kann im Rekuperationsbetrieb oder bei eingelegtem Rückwärtsgang mit einer korrespondierenden Verzahnung am weiteren Schaltzahnrad in Formschluss bringbar sein.
Die erfindungsgemäße Schaltanordnung kann vorteilhaft in einem Elektrofahrzeug mit einem Zwei-Gang-Getriebe realisiert werden: Bei einem solchen Elektrofahrzeug mit Zwei-Gang-Antrieb kann der Gangwechsel am Ende des Drehzahlbereiches des ersten Gangs erfolgen. Das Motorkennfeld weist hier ein niedriges Antriebsmoment auf. Das von der Lamellenkupplung übertragbare Moment wird auf diesen Schaltpunkt ausgelegt. Demgegenüber ist das maximale Drehmoment im zweiten Gang (im vorderen Drehzahlbereich) vielfach so hoch wie im Schaltpunkt. Im Teillastbereich kann die Schaltung auch früher durchgeführt werden (sofern das Antriebsmoment niedriger ist als das übertragbare Lamellenkupplungsmoment).
Die erfindungsgemäße Schaltanordnung kann auch in einem Hybridantriebsstrang mit Doppelkupplungsgetriebe realisiert werden, das einen Zwei-Gang-Elektroantrieb aufweist. Beispielhaft kann der Elektroantrieb den Hybridantriebsstrang über den ersten verbrennungsmotorischen Gang oder den dritten verbrennungsmotorischen Gang erfolgen. Der Gangwechsel findet wie oben beschrieben statt. Die Lamellenkupplung wird auf das Endmoment vom Elektroantrieb im ersten Gang ausgelegt. Im Hybridbetrieb treibt die Brennkraftmaschine über den zweiten Gang an, sofern die Umschaltung vom ersten Gang auf den dritten Gang stattfindet. In der weiteren Folge wechselt der Brennkraftmaschinenantrieb auf den dritten Gang. In diesem Fall muss das volle hybridisch erzeugte Antriebsmoment übertragen werden. Dies erfolgt über die Klauenkupplung (das heißt formschlüssig) und kann um ein Vielfaches größer sein als das Lamellenkupplungsmoment.
Bei Einsatz der Schaltanordnung in einem solchen Hybridantriebsstrang ist das Hybridgetriebe daher nicht nur im verbrennungsmotorischen Betrieb lastschaltbar (Funktion eines Doppelkupplungsgetriebes), sondern vielmehr auch der Elektroantrieb des Hybridgetriebes lastschaltbar. Eine Lamellenkupplung, ausgelegt auf das maximale hybridische Moment, wäre bauraummäßig in dem Getriebe nicht darstellbar. Erst durch die kompakte erfindungsgemäße Schaltanordnung kann die Lamellenkupplung derart bauraumreduziert ausgelegt sein, dass sie bei gegebenem Achsabstand Platz findet. Das übertragbare Drehmoment hängt auch von der Anpresskraft ab. Diese ist in der erfindungsgemäßen Schaltanordnung vergleichsweise gering.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltanordnung in einem Getriebe angeordnet, und zwar mit einem auf einer Getriebewelle lose drehgelagerten Schaltzahnrad, wobei die Schaltanordnung eine lastschaltbare Lamellenkupplung mit einem Lamellenpaket aufweist und zusätzlich eine lastfrei schaltbare Klauenkupplung mit einem axial verstellbaren, getriebewellenseitigen Kupplungskörper mit Klauenverzahnung aufweist, wobei bei einem Schaltvorgang eine Schiebemuffe in Schaltrichtung über einen Lamellenkupplungs-Schaltweg zumindest ein Druckstück axial verstellt, das mit einer Anpresskraft gegen das Lamellenpaket presst, bis das Schaltzahnrad kraftschlüssig mit der Getriebewelle gekoppelt ist und Drehzahlgleichheit zwischen dem Schaltzahnrad und der Getriebewelle vorliegt, und wobei im weiteren Verlauf des Schaltvorgangs die Schiebemuffe in der Schaltrichtung über einen Klauenkupplungs-Schaltweg den getriebewellenseitigen Kupplungskörper lastfrei in Formschlussverbindung mit einer zahnradseitigen Kupplungsverzahnung verstellt, wodurch die Lamellenkupplung entlastbar ist. Gemäß der alternativen Ausführungsform ist das Druckstück (21) über eine Feder, und zwar eine Ringfeder (29), axial verstellbar auf der Schiebemuffe (17) abstützbar und das Druckstück (21) unter Aufbau einer Feder-Rückstellkraft gegenüber der Schiebemuffe (17) verstellbar.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Getriebestruktur eines Zwei-Gang-Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs;
2 eine Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie der Lamellenkupplung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung;
3 in einer grob schematischen Darstellung die zusammenwirkenden Verzahnungen der Klauenkupplung in Abwicklung;
4 ein Zugkraft/Geschwindigkeits-Diagramm des Zwei-Gang-Getriebes des Elektrofahrzeugs; und
5 eine Ansicht entsprechend der 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Ein Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs weist ein in der 1 gezeigtes Zwei-Gang-Getriebe auf, bei dem ein erster Gang und ein zweiter Gang schaltbar ist. Hierzu sind auf einer Getriebewelle 1 zwei Schaltzahnräder 3, 5 angeordnet, von denen das Schaltzahnrad 3 Bestandteil einer, den ersten Gang bildenden Gangschaltebene ist, während das Schaltzahnrad 5 Bestandteil einer, den zweiten Gang bildenden Gangschaltebene ist. Bei eingelegtem ersten Gang wird ein von einer Elektromaschine 7 erzeugtes Antriebsmoment über die Elektromaschinenwelle 8, das Schaltzahnrad 3 sowie über eine Freilaufkupplung 9 auf die Getriebewelle 1 übertragen. Beim Gangwechsel in den zweiten Gang wird das Schaltzahnrad 5 mit Hilfe einer später beschriebenen Schaltanordnung 11 geschaltet, die in Kombination aus einer lastschaltbaren Lamellenkupplung 13 und einer lastfrei schaltbaren Klauenkupplung 15 aufgebaut ist. Bei eingelegtem ersten Gang wird das Schaltzahnrad 3 in einer Antriebsdrehrichtung angetrieben und ist die Freilaufkupplung 9 drehmomentenübertragend gesperrt, während das Schaltzahnrad 5 des zweiten Gangs nicht geschaltet ist. Beim Gangwechsel in den zweiten Gang wird eine Schiebemuffe 17 der Schaltanordnung 11 in einer Schaltrichtung S verstellt. In diesem Fall ist der zweite Gang drehzahlbestimmend und wird die Freilaufkupplung 9 überholt.
Nachfolgend wird der Aufbau und die Funktionsweise der Schaltanordnung 11 anhand der 1 und 2 beschrieben: Demzufolge weist die Lamellenkupplung 13 ein Lamellenpaket 19 auf, auf das ein in der Schiebemuffe 17 axial verstellbar gelagertes Druckstück 21 einwirkt. Die Schiebemuffe 17 ist drehfest, jedoch axial verstellbar auf der Getriebewelle 1 gelagert.
Die Klauenkupplung 15 ist aus einer axial verstellbaren, getriebewellenseitigen Kupplungsscheibe 23 mit Klauenverzahnung 25 aufgebaut, die in Formschlussverbindung mit einer zahnradseitigen Kupplungsverzahnung 27 bringbar ist.
In der 1 ist das Druckstück 21 über eine Ringfeder 29 axial verstellbar auf der Schiebemuffe 17 abgestützt. Das Druckstück 21 kann unter Aufbau einer Feder-Rückstellkraft gegenüber der Schiebemuffe 17 verstellt werden. Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist die Ringfeder 29 mit einem Federfuß an einer Druckstück-Steuerkontur 31 in Gleitkontakt abgestützt. In gleicher Weise ist die Ringfeder 29 mit ihrem anderen Federfuß an einer Schiebemuffen-Steuerkontur 33 in Gleitkontakt abgestützt. In der 1 weist die Schiebemuffen-Steuerkontur 33 eine schräggestellte Fase 35 auf, deren Fasenwinkel die von der Schiebemuffe 17 über die Ringfeder 29 auf das Druckstück 21 übertragbare Anpresskraft bzw. das damit korrelierende von der Lamellenkupplung 13 übertragbare Drehmoment T (2) bestimmt. Die Fase 35 wird am Fasen-Auslauf flacher, wodurch sich das übertragbare Drehmoment T reduziert, und geht in einen zylindrischen Steuerkontur-Abschnitt 37 über, in dem keine Anpresskraft mehr übertragbar ist.
Mittels der an der Schiebemuffe 17 ausgebildeten Fase 35 ist die in der 2 gezeigte Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie realisierbar, aus der die Anpresskraft bzw. das damit korrelierende, mittels der Lamellenkupplung 13 übertragbare Drehmoment T hervorgeht. Demnach wird zum Ende des Lamellenkupplungs-Schaltwegs S1, S2 die Anpresskraft bzw. das von der Lamellenkupplung 13 übertragbare Drehmoment T bis zumindest auf einen Schlupf-Grenzwert T_erf erhöht, ab dem eine schlupffreie Übertragung eines Antriebsmoments über das Lamellenpaket 19 gewährleistet ist. Auf diese Weise kann im folgenden Klauenkupplungs-Schaltweg S3, S4 der Schiebemuffe 17 die Klauenkupplung 15 lastfrei geschaltet werden.
Bei einem Schaltvorgang wird zunächst die Schiebemuffe 17 in der Schaltrichtung S über einen Lamellenkupplungs-Schaltweg (S1, S2) verstellt. Dadurch wird das Druckstück 21 mit einer Anpresskraft gegen das Lamellenpaket 19 gepresst, bei der das Schaltzahnrad 5 kraftschlüssig mit der Getriebewelle 1 gekoppelt ist und Drehzahlgleichheit zwischen dem Schaltzahnrad 5 und der Getriebewelle 1 vorliegt. Im weiteren Verlauf des Schaltvorgangs wird die Schiebemuffe 17 in der Schaltrichtung S über einen Klauenkupplungs-Schaltweg S3, S4 verstellt, wodurch die getriebewellenseitige Kupplungsscheibe 23 in Formschluss mit der zahnradseitigen Kupplungsverzahnung 27 verstellbar ist, um die Lamellenkupplung 13 zu entlasten.
Wie aus der Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie der 2 weiter hervorgeht, wird im Klauenkupplungs-Schaltweg S3, S4 die Anpresskraft (bzw. das damit korrelierende übertragbare Drehmoment T) bis zu einem Überpress-Grenzwert T_über erhöht, bei dem die Lamellenkupplung 13 überdrückt ist. Im weiteren Verlauf des Klauenkupplungs-Schaltwegs S3, S4 reduziert sich das übertragbare Drehmoment T (bzw. die damit korrelierende Anpresskraft) bis unter den Schlupf-Grenzwert T_erf, so dass die Lamellenkupplung 13 beginnt zu schlupfen. In diesem Fall liegt keine Drehzahlgleichheit mehr zwischen dem Schaltzahnrad 5 und der Getriebewelle 1 vor. Im weiteren Verlauf des Klauenkupplungs-Schaltwegs fällt das übertragbare Drehmoment T auf einen stark reduzierten Wert T_red (Schaltweg S5), so dass die Lamellenkupplung 13 bei geschalteter Klauenkupplung 15 nahezu offen ist.
Nachfolgend wird der Schaltvorgang zum Einlegen des zweiten Gangs nochmals im Einzelnen beschrieben: Demnach drückt die Schiebemuffe 17 beim Einlegen der Schaltanordnung 11 auf die Ringfeder 29. Bei dem Schaltweg S1 ist das Spiel aufgehoben. Das Druckstück 21 liegt am Lamellenpaket 19 an, wobei noch kein Drehmoment übertragen wird.
Nun wird die Anpresskraft erhöht (Schaltweg S2), bis die Ringfeder 29 unter der Last einfedert und entlang der Schiebemuffen-Fase 35 in die Aussparung 39 des Druckstücks 21 gleitet. Beim Fasen-Auslauf der Schiebemuffe 17 wird der Fasen-Winkel flacher, so dass sich die übertragbare Anpresskraft (das heißt das übertragbare Drehmoment T) reduziert. Nach dem Schaltweg S4 gleitet die Ringfeder 29 in den zylindrischen Steuerkontur-Abschnitt 37 der Schiebemuffe 17, so dass das übertragbare Drehmoment minimal wird.
Beim Schaltweg S3 trifft die Kupplungsscheibe 23 auf einen Lamellenaußenträger 41 der Lamellenkupplung 13. Dieser weist die Kupplungsverzahnung 27 auf (welche idealerweise dieselbe Verzahnung ist, die zur Aufnahme der Außenlamellen benötigt wird). Die Anpresskraft (das heißt das übertragbare Antriebsmoment T) ist mindestens so hoch wie der Schlupf-Grenzwert T_ert. Damit ist sichergestellt, dass es keinen Schlupf in der Lamellenkupplung 13 gibt. Da davon ausgegangen werden muss, dass Zahn und Zahnlücke nicht fluchten, blockiert die Kupplungsscheibe 23. In diesem Fall schiebt die Schiebemuffe 17 weiter, während die Überlastfeder 43 einen kleinen Anpressdruck auf die Kupplungsscheibe 23 ausübt, jedoch nicht den Weg der Schiebemuffe 17 behindert.
Jetzt nimmt die Anpresskraft auf das Lamellenpaket 19 weiter ab, bis der Schlupf-Grenzwert T_erf unterschritten ist. Die Lamellenkupplung 13 beginnt zu schlupfen. Zahn und Zahnlücke bewegen sich zueinander, bis der Zahn in die Zahnlücke trifft. In diesem Fall drückt die Spiralfeder (das heißt Überlastfeder) 43 beide Kupplungsteile zusammen.
Beim Schaltweg S5 ist der Kupplungsvorgang abgeschlossen. Die Klauenkupplung 15 überträgt das Antriebsmoment, während die Lamellenkupplung 13 entlastet ist.
In dem oben beschriebenen Anwendungsfall ist die Dreh- und Kraftrichtung eindeutig definiert und wechselt nicht. Um den Schaltvorgang zu optimieren, sind gemäß der 3 die Kupplungszähne auf der Axialfläche mit Schrägen 45 versehen. Diese ermöglichen eine frühzeitige Überdeckung und verhindern, dass die Zähne abgewiesen werden. Die Schrägen 45 an den Zahnflanken sorgen unter Drehmoment für eine Kraftkomponente in Schaltrichtung. Ein eingelegter Gang wird damit gegen ein ungewolltes Auslegen gesichert.
Wie aus der 4 hervorgeht, kann der Gangwechsel an einem Schaltpunkt am Ende des Drehzahlbereiches des ersten Gangs erfolgen. Das in der 4 gezeigte Motorkennfeld weist am Schaltpunkt ein niedriges Antriebsmoment auf. Das übertragbare Moment (bzw. die damit korrelierende Anpresskraft) der Lamellenkupplung 13 wird auf diesen Schaltpunkt ausgelegt. In der 4 liegt das übertragbare Moment am Schaltpunkt etwa bei 800 Nm. Demgegenüber liegt in der 4 das maximale Drehmoment im zweiten Gang (im vorderen Bereich) bei etwa 2200 Nm, also nahezu dreimal so hoch wie im Schaltpunkt.
Im Teillastbereich kann die Schaltung auch früher durchgeführt werden (sofern das Antriebsmoment niedriger ist als das übertragbare Lamellenkupplungsmoment).
Die Schaltanordnung weist in der 1 eine zusätzliche Klauenverzahnung 47 auf, die mit einer korrespondierenden Verzahnung 49 am Schaltzahnrad 3 in Formschluss bringbar ist. Dadurch kann die Freilaufkupplung 9 im ersten Gang überbrückt werden.
In der 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltanordnung gezeigt. Der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktionsweise der in der 4 gezeigten Schaltanordnung entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise sowie dem Aufbau der in der 1 gezeigten Schaltanordnung. Von daher wird auf die Vorbeschreibung verwiesen. In der 4 wirkt das Druckstück 21 auf das Zahnrad 5 und in weiterer Folge auf die Lamellenkupplung 13. Das hat zur Folge, dass die Axialkraft aus der Laufverzahnung (bei entsprechender Ausrichtung) auf die Lamellen wirkt. Es ergibt sich ein „Servoeffekt“. Die Anpresskraft T aus der Schaltung kann um die Axialkraft aus der Stirnradstufe reduziert werden. Ein Nachteil dieser Ausführung ist, dass sich dieser Effekt bei einer Schubschaltung umdreht. Allerdings gibt es Anwendungsfälle, bei denen man eine Schubschaltung ausschließen kann.
Bezugszeichenliste

1: Getriebewelle
3: Schaltzahnrad
5: Schaltzahnrad
7: Elektromaschine
8: Elektromaschinenwelle
9: Freilaufkupplung
11: Schaltanordnung
13: Lamellenkupplung
15: Klauenkupplung
17: Schiebemuffe
19: Lamellenpaket
21: Druckstück
23: Kupplungskörper
25: Klauenkupplung
27: zahnradseitige Kupplungsverzahnung
29: Ringfeder
31: Druckstück-Steuerkontur
33: Schiebemuffen-Steuerkontur
35: Fase
37: zylindrischer Steuerkontur-Abschnitt
39: Aussparung
41: Außenlamellenträger
43: Überlastfeder
45: Schrägen
47: zusätzliche Klauenverzahnung
49: korrespondierende Verzahnung
S: Schaltrichtung
T: Anpresskraft bzw. damit korrelierendes übertragbares Drehmoment in der Lamellenkupplung
Terf: Schlupf-Grenzwert
Tüber: Überpress-Grenzwert
S1: Schaltweg Ausgangsstellung-Kisspoint
S2: Schaltweg erforderliches Reibkupplungsmoment
S3: Schaltweg Anlage Kupplungsscheibe
S4: Schaltweg reduziertes Reibkupplungsmoment T_red
S5: Schaltweg Anschlag

Claims

Schaltanordnung in einem Getriebe mit einem auf einer Getriebewelle (1) lose drehgelagerten Schaltzahnrad (5), wobei die Schaltanordnung (11) eine lastschaltbare Lamellenkupplung (13) mit einem Lamellenpaket (19) aufweist und zusätzlich eine lastfrei schaltbare Klauenkupplung (15) mit einem axial verstellbaren, getriebewellenseitigen Kupplungskörper (23) mit Klauenverzahnung (25) aufweist, wobei bei einem Schaltvorgang eine Schiebemuffe (17) in Schaltrichtung (S) über einen Lamellenkupplungs-Schaltweg (S1, S2) zumindest ein Druckstück (21) axial verstellt, das mit einer Anpresskraft gegen das Lamellenpaket (19) presst, bis das Schaltzahnrad (5) kraftschlüssig mit der Getriebewelle (1) gekoppelt ist und Drehzahlgleichheit zwischen dem Schaltzahnrad (5) und der Getriebewelle (1) vorliegt, und wobei im weiteren Verlauf des Schaltvorgangs die Schiebemuffe (17) in der Schaltrichtung (S) über einen Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) den getriebewellenseitigen Kupplungskörper (23) lastfrei in Formschlussverbindung mit einer zahnradseitigen Kupplungsverzahnung (27) verstellt, wodurch die Lamellenkupplung (13) entlastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungskörper (23) in Axialrichtung mittels einer Überlast-Feder (43) an der Schiebemuffe (17) abgestützt ist, und dass bei einer während des Klauenkupplungs-Schaltvorgangs (S3, S4) vorliegenden Zahn-auf-Zahn-Überdeckung zwischen Kupplungskörper (23) und Kupplungsverzahnung (27) die Schiebemuffe (17) den Kupplungskörper (23) unter Aufbau einer Überlastfeder-Rückstellkraft sowie ohne Formschlussbildung gegen eine Stirnseite der Kupplungsverzahnung (27) drückt.
Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (21) über eine Feder, und zwar eine Ringfeder (29), axial verstellbar auf der Schiebemuffe (17) abstützbar ist, und dass das Druckstück (21) unter Aufbau einer Feder-Rückstellkraft gegenüber der Schiebemuffe (17) verstellbar ist.
Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstück-Feder (29) mit dem einem Federfuß an einer Druckstück-Steuerkontur (31) in Gleitkontakt abgestützt ist, und/oder mit dem anderen Federfuß an einer Schiebemuffe-Steuerkontur (33) in Gleitkontakt abgestützt ist, und dass die Druckstück-Feder (29) während der Schaltbewegung (S) der Schiebemuffe (17) über den Lamellenkupplungs-Schaltweg (S1, S2) und/oder über den Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) entlang der jeweiligen Steuerkontur (31, 33) gleitet.
Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkontur-Geometrie so ausgelegt ist, dass die von dem Druckstück (21) auf das Lamellenpaket (19) einwirkende Anpresskraft über den Lamellenkupplungs-Schaltweg (S1, S2) und/oder über den Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) variiert.
Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerkontur (31, 33) eine Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie erzielbar ist, bei der zum Ende des Lamellenkupplungs-Schaltwegs (S1, S2) das übertragbare Drehmoment (T) bis zumindest auf einen Schlupf-Grenzwert (T_erf) erhöht ist, ab dem eine schlupffreie Übertragung eines Antriebsmoments über das Lamellenpaket (19) gewährleistet ist, so dass im folgenden Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) der Schiebemuffe (17) die Klauenkupplung (15) lastfrei schaltbar ist.
Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie während des Klauenkupplungs-Schaltwegs (S3, S4) das übertragbare Drehmoment (T) bis zu einem Überpress-Grenzwert (T_über) erhöht wird, an dem die Lamellenkupplung (13) überdrückt ist, und/oder dass in der Drehmoment/Schaltweg-Kennlinie während des Klauenkupplungs-Schaltwegs (S3, S4) das übertragbare Drehmoment (T) bis unter den Schlupf-Grenzwert (T_erf) reduziert wird, so dass die Lamellenkupplung (13) beginnt zu schlupfen, das heißt keine Drehzahlgleichheit mehr zwischen dem Schaltzahnrad (5) und der Getriebewelle (1) vorliegt, und dass das übertragbare Drehmoment (T) bis auf null fällt, so dass die Lamellenkupplung (13) bei geschalteter Klauenkupplung (15) geöffnet ist.
Schaltanordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkontur (33) der Schiebemuffe (17) eine schräggestellte Fase (35) aufweist, deren Fasenwinkel die von der Schiebemuffe (17) über die Druckstück-Feder (29) auf das Druckstück (21) übertragbare Anpresskraft (T) bestimmt, und dass die Fase (35) am Fasen-Auslauf flacher wird, wodurch sich das übertragbare Drehmoment (T) reduziert, und in einen zylindrischen Steuerkontur-Abschnitt (37) übergeht, in dem kein Drehmoment (T) übertragbar ist.
Schaltanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schaltbewegung der Schiebemuffe (17) über den Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) die Lamellenkupplung (13) beginnt zu schlupfen, so dass sich die Zahn-auf-Zahn-Überdeckung löst und der Kupplungskörper (23) unter Abbau der Überlastfeder-Rückstellkraft in Formschlussverbindung mit der zahnradseitigen Kupplungsverzahnung (27) kommt.
Schaltanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Getriebe zumindest zwei Gänge schaltbar sind, und dass auf der Getriebewelle (1) ein weiteres lose drehgelagertes Schaltzahnrad (3) angeordnet ist, das Bestandteil einer, einen ersten Gang bildenden Gangschaltebene ist, und das Schaltzahnrad (5) Bestandteil einer, einen zweiten Gang bildenden Gangschaltebene ist.
Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Schaltzahnrad (3) über eine Freilaufkupplung (9) mit der Getriebewelle (1) koppelbar ist, und dass bei eingelegtem ersten Gang das Schaltzahnrad (3) in einer Antriebsdrehrichtung angetrieben wird und die Freilaufkupplung (9) drehmomentenübertragend sperrt, so dass ein Antriebsmoment von dem Schaltzahnrad (3) auf die Getriebewelle (1) übertragen wird, während das Schaltzahnrad (5) des zweiten Gangs nicht geschaltet ist, und dass beim Gangwechsel in den zweiten Gang die Schiebemuffe (17) über die Schaltwege (S1, S2, S3, S4) verstellt wird, während sich die Freilaufkupplung (9) des Schaltzahnrads (3) des ersten Gangs löst, das heißt die Getriebewelle (1) von dem Schaltzahnrad (3) abhebt.
Schaltanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (17) axial beidseitig schaltbar ist und eine Klauenverzahnung (47) aufweist, die für einen Rekuperationsbetrieb oder zum Einlegen eines Rückwärtsgangs mit einer korrespondierenden Verzahnung (49) am weiteren Schaltzahnrad (3) in Formschluss bringbar ist.
Schaltanordnung in einem Getriebe mit einem auf einer Getriebewelle (1) lose drehgelagerten Schaltzahnrad (5), wobei die Schaltanordnung (11) eine lastschaltbare Lamellenkupplung (13) mit einem Lamellenpaket (19) aufweist und zusätzlich eine lastfrei schaltbare Klauenkupplung (15) mit einem axial verstellbaren, getriebewellenseitigen Kupplungskörper (23) mit Klauenverzahnung (25) aufweist, wobei bei einem Schaltvorgang eine Schiebemuffe (17) in Schaltrichtung (S) über einen Lamellenkupplungs-Schaltweg (S1, S2) zumindest ein Druckstück (21) axial verstellt, das mit einer Anpresskraft gegen das Lamellenpaket (19) presst, bis das Schaltzahnrad (5) kraftschlüssig mit der Getriebewelle (1) gekoppelt ist und Drehzahlgleichheit zwischen dem Schaltzahnrad (5) und der Getriebewelle (1) vorliegt, und wobei im weiteren Verlauf des Schaltvorgangs die Schiebemuffe (17) in der Schaltrichtung (S) über einen Klauenkupplungs-Schaltweg (S3, S4) den getriebewellenseitigen Kupplungskörper (23) lastfrei in Formschlussverbindung mit einer zahnradseitigen Kupplungsverzahnung (27) verstellt, wodurch die Lamellenkupplung (13) entlastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (21) über eine Feder, und zwar eine Ringfeder (29), axial verstellbar auf der Schiebemuffe (17) abstützbar ist, und dass das Druckstück (21) unter Aufbau einer Feder-Rückstellkraft gegenüber der Schiebemuffe (17) verstellbar ist.