DE102022107915B3 - Improved shifting of flat gear axial clutches under load - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkupplung mit einer ersten Welle und mit einer zweiten Welle, welche gesteuert durch einen Aktuator kuppelbar und entkuppelbar ist, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung mit einem ersten Schrägungswinkel und eine zweite Wirkflächenpaarung mit einem zweiten Schrägungswinkel, wobei der erste Schrägungswinkel einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse und der zweite Schrägungswinkel einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse umfasst und die Summe der Schrägungswinkel über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Dimensionierung einer Axialkupplung.The present invention relates to an axial clutch with a first shaft and with a second shaft, which can be coupled and uncoupled in a controlled manner by an actuator, comprising a first pair of active surfaces with a first helix angle and a second pair of active surfaces with a second helix angle, the first helix angle having an angular range of 0 degrees to 30 degrees relative to an imaginary plane through an axis of rotation and the second helix angle comprises an angle range of 0 degrees to 30 degrees relative to an imaginary plane through an axis of rotation and the sum of the helix angles over which a torque-dependent axial force can be generated and which the uncoupling process of the axial clutch supported under load, covers an angle range of 3 degrees to 35 degrees. Furthermore, the present invention relates to a method for dimensioning an axial clutch.

Description

1. Technisches Gebiet1. Technical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine in verschiedene Gänge schaltbare Anordnung von Planetengetrieben oder von Stirnradgetrieben, welche mit mindestens einer Axialkupplung, die jeweils optional durch eine Andruckkraft einer Feder auf einen axial gezahnten Kupplungsring geschlossen gehalten wird, der mit Steuerfingern in einer Steuernut eines Steuerzylinders eingreift, durch dessen Verdrehung zwecks einer Gangschaltung der Kupplungsring durch eine an der Nutenseitenwand auftretende Schaltkraft, die gegen die Andruckkraft gerichtet ist, die betreffende Kupplung einkuppelt oder entkuppelt.The present invention relates to an arrangement of planetary gears or spur gears that can be shifted into different gears, which is provided with at least one axial clutch, which is optionally kept closed by the pressing force of a spring on an axially toothed clutch ring, which engages with control fingers in a control groove of a control cylinder the rotation of which, for the purpose of shifting gears, engages or disengages the clutch in question by means of a shifting force which occurs on the side wall of the groove and is directed against the pressing force.

2. Stand der Technik2. State of the art

Derartige Getriebe mit Axialkupplungen zwecks der Einstellung verschiedener Gangstufen sind beispielsweise als Planetengetriebe aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 007 326 A1 vorbekannt sowie in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 beschrieben. Sämtliche Gänge lassen sich bei den genannten Getrieben jeweils auch unter einer Betriebsbelastung umschalten. Bei einzelnen Schaltübergängen sind jedoch erhebliche Schaltkräfte zur Trennung einer Kupplung gegen die lastbedingten Rückhaltekräfte, die zwischen den Kupplungselementen auftreten, erforderlich, so dass bei den entsprechenden Schaltvorgängen jeweils eine Reduzierung des Antriebsmoments des Kurbelbetriebs und/oder des Hilfsmotors angezeigt ist. In der DE 10 2021 129 423 A1 wird ein Nachschaltgetriebe beschrieben, welches eine schrägverzahnte Laufverzahnung aufweist, die zum mittelbaren Schalten der Sonnenradkupplung KSR eingesetzt wird. Der Schaltvorgang wird durch die Zustandsänderung der Kupplung KHR ausgelöst. Die Sonnenradkupplung weist keinen Aktuator auf, welcher über eine Steuernut in einer Schaltrommel gesteuert wird. Des Weiteren befindet sich die Kupplung KSR nach dem Schließen der Hohlradkupplung KHR im Freilaufmodus, da das Sonnenrad SR schneller dreht als der Steg.Such gears with axial couplings for the purpose of setting different gears are, for example, planetary gears from the German patent application DE 10 2018 007 326 A1 previously known and in the German patent application DE 10 2021 129 423 A1 described. All of the gears in the transmissions mentioned can also be switched under an operating load. However, with individual shifting transitions, considerable shifting forces are required to disengage a clutch against the load-related restraining forces that occur between the clutch elements, so that a reduction in the drive torque of the crank operation and/or the auxiliary motor is indicated for the corresponding shifting operations. In the DE 10 2021 129 423 A1 a rear-mounted transmission is described which has helical running gearing which is used for indirect switching of the sun wheel clutch KSR. The shifting process is triggered by the change in status of the clutch KHR. The sun wheel clutch does not have an actuator which is controlled via a control groove in a switching drum. Furthermore, the clutch KSR is in freewheeling mode after the ring gear clutch KHR is closed, since the sun gear SR rotates faster than the carrier.

DE 10 2014 101 726 A1 beschreibt ein lastschaltbares Mehrganggetriebe zur Verwendung in Personenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Fahrräder, etc. DE 10 2014 101 726 A1 describes a power-shift multi-speed transmission for use in passenger vehicles, commercial vehicles, bicycles, etc.

Aus der DE 11 2017 007 405 T5 ist ein Kupplungsmechanismus für ein Fahrrad oder ein Fahrrad mit einem zusätzlichen elektrischen Antrieb bekannt.From the DE 11 2017 007 405 T5 a clutch mechanism for a bicycle or a bicycle with an additional electric drive is known.

DE 20 2012 009 449 U1 beschreibt eine Bewegungsvorrichtung für ein bewegbares Möbelteil. DE 20 2012 009 449 U1 describes a movement device for a movable furniture part.

Eine Schaltvorrichtung und einen Fahrzeugantriebsstrang sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und eines Fahrzeugantriebsstranges ist aus der DE 10 2013 213 156 A1 bekannt.A switching device and a vehicle drive train and a method for operating a switching device and a vehicle drive train is from DE 10 2013 213 156 A1 known.

3. Aufgabenstellung3. Task

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltbarkeit von Axialkupplungen von Planetengetrieben oder von Stirnradgetrieben so zu verbessern, dass diese jeweils auch unter Antriebslast sicher gekuppelt und mit geringen Schaltkräften durch einen Aktuator entkuppelt werden können.It is the object of the present invention to improve the shiftability of axial clutches of planetary gears or spur gears in such a way that they can also be securely coupled under drive load and can be disengaged by an actuator with low shifting forces.

4. Zusammenfassung der Erfindung4. Summary of the Invention

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und des unabhängigen Anspruchs 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösung finden sich in den jeweils abhängigen Ansprüchen.The object is solved according to the features of independent claim 1 and independent claim 14 . Further advantageous configurations of the solution can be found in the respective dependent claims.

Die Lösung besteht darin, dass die Verzahnung, insbesondere

  1. a) eine Kupplungsverzahnung und eine Steckverzahnung oder
  2. b) eine Kupplungsverzahnung und eine Laufverzahnung der Stirnräder oder
  3. c) eine Steckverzahnung und eine Laufverzahnung der Stirnräder
eines Planetengetriebes oder eines Stirnradgetriebes hinsichtlich der Schrägstellung der Verzahnung so ausgebildet ist/sind, dass die unter Antriebslast auftretenden drehmomentabhängigen Axialkräfte in Öffnungsrichtung einer Axialkupplung wirken, und die durch die zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen und den sich berührenden Steckverbindungszähnen oder zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen und den sich berührenden Laufradzähnen, oder zwischen den sich berührenden Steckverbindungszähnen und den sich berührenden Laufradzähnen einer dem Entkuppeln der Axialkupplung entgegen gerichtet wirkende Haftreibung weitgehend kompensieren, wobei daraus resultierende an den Kupplungselementen auftretende Reaktionskräfte in Stützelementen an benachbarten Getriebekomponenten abgefangen werden.The solution is that the gearing, in particular
  1. a) a clutch spline and a spline or
  2. b) a clutch toothing and a running toothing of the spur gears or
  3. c) a spline and a running gear of the spur gears
of a planetary gear or a spur gear is/are designed with regard to the inclined position of the toothing in such a way that the torque-dependent axial forces occurring under drive load act in the opening direction of an axial clutch, and the forces generated between the contacting clutch teeth and the contacting connector teeth or between the contacting clutch teeth and the contacting impeller teeth, or between the contacting connector teeth and the contacting impeller teeth, largely compensate for static friction acting in the opposite direction to the disengagement of the axial clutch, with the resultant reaction forces occurring on the clutch elements being absorbed in support elements on adjacent transmission components.

Das Stirnradgetriebe oder das Planetengetriebe ist in einem Gehäuse angeordnet, welches fest oder mittels einer mit einer Achse dreh- und achsfest verbundenen Drehmomentstütze mit dem Rahmen eines über wenigstens ein Rad angetriebenen, über eine Fahrbahn bewegbaren Fahrzeugs verbunden ist. Der Rahmen stellt eine Richtungsreferenz zur Fahrbahn her. In der Regel stellen wenigstens zwei Räder die Richtungsreferenz zwischen dem Rahmen und der Fahrbahn her. Im Falle von nur einem Antriebsrad ohne weitere Räder kann die Richtungsreferenz durch den Fahrer (Einrad) oder durch eine Regelung (segway) hergestellt werden. Vorliegend wird vorzugsweise von einem Zweirad ausgegangen, welches über wenigstens eines der Räder angetrieben wird.The spur gear or the planetary gear is arranged in a housing which is connected fixedly or by means of a torque arm connected to an axle in a rotationally and axially fixed manner to the frame of a vehicle which is driven via at least one wheel and can be moved over a roadway. The frame establishes a directional reference to the roadway. Typically, at least two wheels provide the directional reference between the frame and the roadway. In the case of only one drive wheel with no other wheels, the directional reference can be established by the driver (unicycle) or by a controller (segway). The starting point here is preferably a two-wheeler, which is driven by at least one of the wheels.

Das Getriebe ist zwischen zwei Wellen angeordnet. Der Antrieb kann beispielsweise eine durch Muskelkraft über ein Pedal angetriebene Welle und/oder eine durch einen Motor angetriebene Welle umfassen.The gearbox is arranged between two shafts. The drive can, for example, comprise a shaft driven by muscle power via a pedal and/or a shaft driven by a motor.

Eine Welle im Sinne dieser Erfindung ist ein Bauteil, welches ein Drehmoment aufnehmen oder übertragen kann.A shaft within the meaning of this invention is a component that can absorb or transmit torque.

Innerhalb des Getriebes ist wenigstens eine Axialkupplung angeordnet, welche eine eingehende Welle mit einer ausgehenden Welle derart kuppelt, dass über einen Aktuator gesteuert zwischen der eingehenden Welle und der ausgehenden Welle gekuppelt oder entkuppelt wird.At least one axial clutch is arranged within the transmission, which couples an incoming shaft to an outgoing shaft in such a way that, controlled by an actuator, coupling or decoupling takes place between the incoming shaft and the outgoing shaft.

Die eingehende Welle und die ausgehende Welle sind im Getriebegehäuse des Stirnradgetriebes und in der Regel im Getriebegehäuse des Planetengetriebes drehbar gelagert. Im Fall des Planetengetriebes kann eine der Wellen verdrehfest mit dem Getriebegehäuse oder der Hauptachse verbunden sein.The incoming shaft and the outgoing shaft are rotatably mounted in the gear housing of the spur gear and usually in the gear housing of the planetary gear. In the case of the planetary gear, one of the shafts can be connected to the gear housing or the main axis in a rotationally fixed manner.

Für die Verbesserung des Schaltverhaltens werden drehmomentabhängige Axialkräfte von

  1. a) einer Kupplungsverzahnung mit einer derart um einen Schrägungswinkel βK zur Rotationsachse hin gekippten Flächennormalen der Wirkflächen, dass der Winkel zwischen Wirkfläche und Rückflanke der Kupplungszähne vergrößert wird oder
  2. b) einer schrägverzahnten Laufverzahnung mit einem Schrägungswinkel βL oder
  3. c) einer schrägverzahnten Steckverzahnung mit einem Schrägungswinkel βS erzeugt.
Torque-dependent axial forces of
  1. a) a clutch toothing with a surface normal of the active surfaces tilted by a helix angle β K to the axis of rotation such that the angle between the active surface and the trailing edge of the clutch teeth is increased or
  2. b) a helical running gear with a helix angle β L or
  3. c) a helical spline with a helix angle β S generated.

Wenn der jeweilige Schrägungswinkel βK oder βL oder βS gleich dem Arkustangens des Reibwertes µ der in der jeweiligen Materialpaarung sich gegenüberstehenden Wirkflächenpaare ist, entspricht die Axialkraft betragsmäßig der axialen Komponente der Reibkraft. Dieser Winkel wird im Folgenden als Reibungswinkel p bezeichnet.If the respective helix angle β K or β L or β S is equal to the arctangent of the coefficient of friction μ of the pairs of opposing active surfaces in the respective material pairing, the axial force corresponds in terms of amount to the axial component of the frictional force. This angle is referred to below as the angle of friction p.

Der Reibungswinkel p der Wirkflächenpaare ist abhängig von der Materialpaarung der in der Axialkupplung gegenüberstehenden Kupplungsmaterialien und der Schmierung zwischen den Wirkflächenpaaren. Prinzipiell hat auch die Temperatur an der Axialkupplung einen Einfluss, kann aber bei den im Temperaturbereich der typischen Anwendungen des Getriebes vernachlässigt werden. Ein weiterer Faktor ist die Zeit, die die Wirkflächenpaare unter Last stehen. Unter Wirkflächenpaar werden die Flächen verstanden, welche die Kräfte, die durch das anliegende Drehmoment hervorgerufen werden, bei geschlossener Kupplung von dem antreibenden Kupplungsteil auf das abtreibende Kupplungsteil übertragen.The friction angle p of the active surface pairs depends on the material pairing of the opposing clutch materials in the axial clutch and the lubrication between the active surface pairs. In principle, the temperature at the axial coupling also has an influence, but can be neglected in the temperature range of typical gearbox applications. Another factor is the time that the active surface pairs are under load. The active surface pair is understood to mean the surfaces which, when the clutch is engaged, transmit the forces that are caused by the applied torque from the driving clutch part to the driven clutch part.

Erhält der axial bewegliche Teil einer Axialkupplung den zum Einkuppeln in den axial festgelegten Kupplungsteil notwendigen Freiheitsgrad mittels einer Steckverzahnung, wobei die axiale Beweglichkeit des die Kupplungszähne tragenden Bauteils durch die einer Steckverzahnung innewohnende axiale Verschiebbarkeit des Bauteils mit der Kupplungsverzahnung gegenüber einem axial eng geführten, antreibenden Bauteil erreicht wird, so kann die Axialkupplung mittels des vorgesehenen Aktuators geöffnet und geschlossen werden. Hierdurch wird eine potentielle Rotation der gekuppelten Welle durch die flachverzahnte Axialkupplung ermöglicht. Die zur Öffnung der Axialkupplung benötigte Axialkraft zur Überwindung der Reibung zwischen den Wirkflächen der Steckverzahnung und den Wirkflächen der flachverzahnten Kupplungsverzahnung hängt, neben dem zu übertragenden Drehmoment, von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares der Steckverzahnung, deren Teilkreisdurchmesser und von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares sowie dem mittleren Teilkreisdurchmesser der Kupplungsverzahnung ab. Unter dem mittleren Teilkreisradius der Kupplungsverzahnung. ist der mittlere Radius des Kreisrings zu verstehen, der die radial ausgerichteten Kupplungszähne gerade vollständig einschließt.If the axially movable part of an axial clutch is given the degree of freedom necessary for engaging in the axially fixed clutch part by means of a spline, the axial mobility of the component carrying the clutch teeth being increased by the axial displaceability inherent in a spline of the component with the clutch toothing in relation to an axially closely guided, driving component is achieved, the axial clutch can be opened and closed by means of the actuator provided. This allows potential rotation of the coupled shaft through the flat-toothed axial coupling. The axial force required to open the axial clutch to overcome the friction between the effective surfaces of the spline and the effective surfaces of the flat-toothed clutch splines depends, in addition to the torque to be transmitted, on the material pairing of the effective surface pair of the spline, their pitch circle diameter and on the material pairing of the effective surface pair and the mean pitch circle diameter the clutch teeth. Below the middle pitch circle radius the clutch teeth. is to be understood as the mean radius of the circular ring that completely encloses the radially aligned clutch teeth.

Erhält der axial bewegliche Teil einer Axialkupplung den zum Einkuppeln in den axial festgelegten Kupplungsteil notwendigen Freiheitsgrad mittels einer Laufverzahnung, wobei die axiale Beweglichkeit des die Kupplungszähne tragenden Zahnrades durch die einer Laufverzahnung innewohnende axiale Verschiebbarkeit des Zahnrades mit der Kupplungsverzahnung gegenüber einem axial eng geführten, antreibenden Zahnrad erreicht wird, so kann die Axialkupplung mittels des vorgesehenen Aktuators geöffnet und geschlossen werden. Hierdurch wird eine potentielle Rotation der gekuppelten Welle durch die flachverzahnte Axialkupplung ermöglicht. Die zur Öffnung der Axialkupplung benötigte Axialkraft zur Überwindung der Reibung zwischen den Wirkflächen der Laufverzahnung und den Wirkflächen der flachverzahnten Kupplungsverzahnung hängt, neben dem zu übertragenden Drehmoment, von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares der Laufverzahnung, deren Teilkreisdurchmesser und von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares und dem mittleren Teilkreisdurchmesser der Kupplungsverzahnung ab.If the axially movable part of an axial clutch is given the degree of freedom necessary for engaging in the axially fixed clutch part by means of a running gear, the axial mobility of the gear wheel carrying the clutch teeth being increased by the axial displaceability of the gear wheel with the clutch gearing inherent in running gearing compared to an axially closely guided, driving gear wheel is achieved, the axial clutch can be opened and closed by means of the actuator provided. This allows potential rotation of the coupled shaft through the flat-toothed axial coupling. The axial force required to open the axial clutch to overcome the friction between the effective surfaces of the running gear and the effective surfaces of the flat-toothed clutch gearing depends, in addition to the torque to be transmitted, on the material pairing of the active surface pair of the running gear, their pitch circle diameter and on the material pairing of the active surface pair and the mean pitch circle diameter the clutch teeth.

Erhält der axial bewegliche Teil einer Axialkupplung den zum Einkuppeln in den axial festgelegten Kupplungsteil notwendigen Freiheitsgrad mittels einer Laufverzahnung und einer Steckverzahnung, wobei die axiale Beweglichkeit des die Kupplungszähne tragenden Zahnrades durch die einer Laufverzahnung und einer Steckverzahnung innewohnende axiale Verschiebbarkeit des Zahnrades mit der Kupplungsverzahnung und der Steckverzahnung gegenüber einem axial eng geführten, antreibenden Zahnrad erreicht wird, so kann die Axialkupplung, welche beim Öffnen in den Freilaufmodus indirekt über einen Aktuator geöffnet und bei Wegfall des Antriebsmoments des antreibenden Zahnrades mittels Rückstellfeder geschlossen werden. Hierdurch wird eine potentielle Rotation der ausgekuppelten Welle relativ zur vormals gekoppelten Welle ermöglicht.If the axially movable part of an axial clutch is given the degree of freedom necessary for engaging in the axially fixed clutch part by means of a running gear and a spline, the axial mobility of the gear wheel carrying the clutch teeth being increased by the axial displaceability of the gear wheel with the clutch gearing and the Spline is achieved in relation to an axially closely guided, driving gear, the axial clutch, which is opened indirectly via an actuator when opening in the freewheel mode and closed by means of a return spring when the drive torque of the driving gear is lost. This allows potential rotation of the disengaged shaft relative to the previously coupled shaft.

Die zur Öffnung der Axialkupplung benötigte Axialkraft zur Überwindung der Reibung zwischen den Wirkflächen der Laufverzahnung und den Wirkflächen der Steckverzahnung hängt, neben dem zu übertragenden Drehmoment, von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares der Laufverzahnung, deren Teilkreisdurchmesser und von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares und dem Teilkreisdurchmesser der Steckverzahnung ab. Da die Axialkupplung beim Öffnen in den Freilaufmodus wechselt, fallen hier keine Reibungskräfte zwischen den Wirkflächen der Kupplungsverzahnung an. Bei einer Kupplung dieser Art wird unter Last die Antriebswelle gewechselt.The axial force required to open the axial clutch to overcome the friction between the active surfaces of the running gear and the active surfaces of the spline depends, in addition to the torque to be transmitted, on the material pairing of the active surface pair of the running gear, their pitch circle diameter and on the material pairing of the active surface pair and the pitch circle diameter of the spline away. Since the axial clutch switches to freewheeling mode when it is opened, there are no frictional forces between the active surfaces of the clutch teeth. With a clutch of this type, the drive shaft is changed under load.

Es gilt: je kleiner der jeweilige Radius, desto größer die Reibkraft bei gegebenem Drehmoment.The following applies: the smaller the respective radius, the greater the frictional force at a given torque.

In den erfindungsgemäßen Varianten gibt es jeweils zwei Wirkflächenpaarungen, an denen eine erste und eine zweite Reibungskraft erzeugt wird, deren Reibungswerte von einer ersten und einer zweiten Materialpaarung abhängen.In the variants according to the invention there are in each case two pairs of active surfaces, on which a first and a second frictional force is generated, the friction values of which depend on a first and a second pair of materials.

Beim Öffnen der Axialkupplung müssen beide Reibungskräfte überwunden werden. Die jeweils wirksamen Teilkreisradien sind im Allgemeinen verschieden, so dass die verschiedenen Radien erfindungsgemäß ebenfalls berücksichtigt werden.When opening the axial coupling, both frictional forces must be overcome. The respective effective pitch circle radii are generally different, so that the different radii are also taken into account according to the invention.

Im Folgenden sind einige Bezugszeichen zum besseren Verständnis eingefügt, die auch in der Detailbeschreibung der Figuren und der Herleitung des Berechnungsverfahrens benutzt werden.Some reference symbols are inserted below for better understanding, which are also used in the detailed description of the figures and the derivation of the calculation method.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe ferner mittels eines Verfahrens zur Dimensionierung der erfindungsgemäßen Axialkupplungen unter Einbeziehung der geometrischen und tribologischen Verhältnisse mit folgenden Schritten:

  • • Bestimmung des Reibungskoeffizienten µ1 zwischen dem an einer ersten Materialpaarung MP1 beteiligten Wirkflächenpaar WP1 und des Reibungskoeffizienten µ2 zwischen dem an einer zweiten Materialpaarung MP2 beteiligten Wirkflächenpaar WP2 mittels üblicher Verfahren am Objekt und/oder aus einer Tabelle mit Materialeigenschaften.
  • • Bestimmung des wirksamen Teilkreisradius r1 der ersten Wirkflächenpaarung WP1 und des wirksamen Teilkreisradius r2 der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 aus den Konstruktionsdaten.
  • • Bestimmung oder Festlegung eines ersten Schrägungswinkels β1 der ersten Wirkflächenpaarung WP1 und eines zweiten Schrägungswinkels β2 der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 aus solchen Konstruktionsdaten, die lastunabhängig sind, nämlich den Reibungskoeffizienten der ersten Materialpaarung MP1 und der zweiten Materialpaarung MP2 µ1 und µ2, den Teilkreisradien der ersten Wirkflächenpaarung WP1 und der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 r1 und r2, wobei sich z. B. im Falle vollständiger Kompensation der Reibkräfte der Winkel β2 als Funktion von β1 bestimmen lässt:
β 2 = 2 * arctan ( [ a*b+ ( ( a 2 + 1 ) * ( b 2 + 1 ) ) 1 / 2 1 ] / [ a + b ] )
Figure DE102022107915B3_0001
mit: a = μ 2
Figure DE102022107915B3_0002
b = r 2 / r 1 * [ sin ( β 1 ) μ 1 * cos ( β 1 ) ] / [ cos ( β 1 ) + μ 1 * sin ( β 1 ) ]
Figure DE102022107915B3_0003
The present invention also solves the problem by means of a method for dimensioning the axial clutches according to the invention, taking into account the geometric and tribological conditions, with the following steps:
  • • Determination of the coefficient of friction μ 1 between the active surface pair WP1 involved in a first material pairing MP1 and the friction coefficient μ 2 between the active surface pair WP2 involved in a second material pairing MP2 using conventional methods on the object and/or from a table with material properties.
  • • Determination of the effective pitch circle radius r 1 of the first effective surface pairing WP1 and the effective pitch circle radius r 2 of the second effective surface pairing WP2 from the design data.
  • • Determination or specification of a first helix angle β 1 of the first pair of active surfaces WP1 and a second helix angle β 2 of the second pair of active surfaces WP2 from such design data that are load-independent, namely the coefficient of friction of the first pair of materials MP1 and the second pair of materials MP2 µ 1 and µ 2 , the Pitch circle radii of the first effective surface pairs tion WP1 and the second effective surface pairing WP2 r 1 and r 2 , where z. B. in the case of complete compensation of the frictional forces, the angle β 2 can be determined as a function of β 1 :
β 2 = 2 * arctan ( [ a*b+ ( ( a 2 + 1 ) * ( b 2 + 1 ) ) 1 / 2 1 ] / [ a + b ] )
Figure DE102022107915B3_0001
With: a = µ 2
Figure DE102022107915B3_0002
b = right 2 / right 1 * [ sin ( β 1 ) µ 1 * cos ( β 1 ) ] / [ cos ( β 1 ) + µ 1 * sin ( β 1 ) ]
Figure DE102022107915B3_0003

Eine hinreichend gute Näherung für Winkel bis zu 30° ergibt sich durch: β 2 = ρ 2 ( r 2 / r 1 ) * ( β 1 ρ 1 )

Figure DE102022107915B3_0004
mit: ρ i = arctan ( μ i ) ,  i = 1,2
Figure DE102022107915B3_0005
i = 1,2A sufficiently good approximation for angles up to 30° results from: β 2 = ρ 2 ( right 2 / right 1 ) * ( β 1 ρ 1 )
Figure DE102022107915B3_0004
With: ρ i = arctan ( µ i ) , i = 1.2
Figure DE102022107915B3_0005
i = 1.2

Eine einfache Lösung besteht darin, die Reibkräfte einzeln auszukompensieren, d. h.: β 2 = ρ 2  und  β 1 = ρ 1 .

Figure DE102022107915B3_0006
A simple solution is to compensate for the frictional forces individually, ie: β 2 = ρ 2 and β 1 = ρ 1 .
Figure DE102022107915B3_0006

In einer ersten bevorzugten und alternativen Ausführungsform der Axialkupplung, umfasst diese zur Unterstützung des Entkupplungsvorganges der Axialkupplung in einer ersten Wirkflächenpaarung WP1 mit Materialpaarung MP1 eine Steckverzahnung und in einer zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit Materialpaarung MP2 eine Kupplungsverzahnung.In a first preferred and alternative embodiment of the axial clutch, this includes to support the uncoupling process of the axial clutch in a first pair of active surfaces WP1 with material pairing MP1 splines and in a second pair of active surfaces WP2 with material pairing MP2 clutch teeth.

In dieser Ausführungsform wird der Schrägungswinkel β1 durch einen Schrägungswinkel βS der Steckverzahnung gebildet. Der Schrägungswinkel β2 wird durch einen Schrägungswinkel βK der Kupplungsverzahnung gebildet.In this embodiment, the helix angle β 1 is formed by a helix angle β S of the spline. The helix angle β 2 is formed by a helix angle β K of the clutch teeth.

Den Teilkreisradius r1 bildet dabei ein Teilkreisradius rs der Steckverzahnung. Den Teilkreisradius r2 bildet dabei ein mittlerer Teilkreisradius rK der Kupplungsverzahnung.The pitch circle radius r 1 forms a pitch circle radius rs of the spline. The pitch circle radius r 2 forms a mean pitch circle radius r K of the clutch teeth.

Der Reibungskoeffizient µ1 ergibt sich dabei aus der ersten Materialpaarung MP1 der Steckverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µS. Der Reibungskoeffizient µ2 ergibt sich dabei aus der zweiten Materialpaarung MP2 der Kupplungsverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µK.The coefficient of friction μ 1 results from the first material pairing MP1 of the spline with a coefficient of friction μ S . The coefficient of friction μ 2 results from the second material pairing MP2 of the clutch teeth with a coefficient of friction μ K .

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Axialkupplung umfasst diese zur Unterstützung des Entkupplungsvorganges der Axialkupplung in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 mit Materialpaarung MP1 eine Steckverzahnung und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit Materialpaarung MP2 eine Laufverzahnung.In a further alternative embodiment of the axial clutch, this comprises a spline in the first active surface pairing WP1 with material pairing MP1 and a running gear in the second active surface pairing WP2 with material pairing MP2 to support the uncoupling process of the axial clutch.

In dieser Ausführungsform wird der Schrägungswinkel β1 durch einen Schrägungswinkel βS der Steckverzahnung gebildet. Der Schrägungswinkel β2 wird durch einen Schrägungswinkel βL der Laufverzahnung gebildet.In this embodiment, the helix angle β 1 is formed by a helix angle β S of the spline. The helix angle β 2 is formed by a helix angle β L of the running teeth.

Den Teilkreisradius r1 bildet dabei ein Teilkreisradius rs der Steckverzahnung. Den Teilkreisradius r2 bildet dabei ein Teilkreisradius rL der Laufverzahnung.The pitch circle radius r 1 forms a pitch circle radius r s of the spline. The pitch circle radius r 2 forms a pitch circle radius r L of the running teeth.

Der Reibungskoeffizient µ1 ergibt sich dabei aus der ersten Materialpaarung MP1 der Steckverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µS. Der Reibungskoeffizient µ2 ergibt sich dabei aus der zweiten Materialpaarung MP2 der Laufverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µL.The coefficient of friction μ 1 results from the first material pairing MP1 of the spline with a coefficient of friction μ S . The coefficient of friction μ 2 results from the second material pairing MP2 of the running teeth with a coefficient of friction μ L .

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Axialkupplung umfasst diese zur Unterstützung des Entkupplungsvorganges der Axialkupplung in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 mit Materialpaarung MP1 eine Kupplungsverzahnung und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit Materialpaarung MP2 eine Laufverzahnung.In a further alternative embodiment of the axial clutch, this comprises clutch teeth in the first active surface pairing WP1 with material pairing MP1 and running gearing in the second active surface pairing WP2 with material pairing MP2 to support the uncoupling process of the axial clutch.

In dieser Ausführungsform wird der Schrägungswinkel β1 durch einen Schrägungswinkel βK der Kupplungsverzahnung gebildet. Der Schrägungswinkel β2 wird durch einen Schrägungswinkel βL der Laufverzahnung gebildet.In this embodiment, the helix angle β 1 is formed by a helix angle β K of the clutch teeth. The helix angle β 2 is formed by a helix angle β L of the running teeth.

Den Teilkreisradius r1 bildet dabei ein mittlerer Teilkreisradius rK der Kupplungsverzahnung. Den Teilkreisradius r2 bildet dabei ein Teilkreisradius rL der Laufverzahnung.The pitch circle radius r 1 forms a mean pitch circle radius r K of the clutch teeth. The pitch circle radius r 2 forms a pitch circle radius r L of the running teeth.

Der Reibungskoeffizient µ1 ergibt sich dabei aus der ersten Materialpaarung MP1 der Kupplungsverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µk. Der Reibungskoeffizient µ2 ergibt sich dabei aus der zweiten Materialpaarung MP2 der Laufverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µL.The coefficient of friction μ 1 results from the first material pairing MP1 of the clutch teeth with a coefficient of friction μ k . The coefficient of friction μ 2 results from the second material pairing MP2 of the running teeth with a coefficient of friction μL.

Die Schemazeichnungen 1b - 1e zeigen die in Folgenden beschriebenen Zusammenhänge.The schematic drawings 1b - 1e show the relationships described below.

Mit der Axialkupplung 100 ist eine erste Welle 200 mit einer zweiten Welle 220, gesteuert durch einen Aktuator 140, kuppelbar und entkuppelbar, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung WP1 mit einem ersten Schrägungswinkel β1 und eine zweite Wirkflächenpaarung WP2 mit einem zweiten Schrägungswinkel β2, wobei der erste Schrägungswinkel β1 einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse 210 und der zweite Schrägungswinkel β2 einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse 210 umfasst und die Summe der Schrägungswinkel β1 plus β2, über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft AGES erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung 100 unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst.With axial clutch 100, a first shaft 200 can be coupled and uncoupled with a second shaft 220, controlled by an actuator 140, comprising a first pair of active surfaces WP1 with a first helix angle β 1 and a second pair of active surfaces WP2 with a second helix angle β 2 , the first helix angle β 1 comprises an angular range of 0 degrees to 30 degrees relative to an imaginary plane through an axis of rotation 210 and the second helix angle β 2 comprises an angular range of 0 degrees to 30 degrees relative to an imaginary plane through an axis of rotation 210 and the sum of the helix angles β 1 plus β 2 , via which a torque-dependent axial force AGES can be generated and which supports the uncoupling process of the axial clutch 100 under load, includes an angular range of 3 degrees to 35 degrees.

Die Axialkupplung 100 umfasst in einer ersten Ausführungsform in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 eine Steckverzahnung 113 mit wenigstens einem Zahn 112 und der erste Schrägungswinkel β1 umfasst einen Schrägungswinkel βS und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 eine Kupplungsverzahnung 114 und der zweite Schrägungswinkel β2 umfasst einen Schrägungswinkel βK.In a first embodiment, the axial clutch 100 comprises in the first pair of active surfaces WP1 a spline 113 with at least one tooth 112 and the first helix angle β 1 comprises a helix angle β S and in the second pair of active surfaces WP2 clutch teeth 114 and the second helix angle β 2 comprises a helix angle β K .

Dabei kann ein Kupplungsring 130 der Kupplungsverzahnung 114 vorgesehen sein, der eine asymmetrische Verzahnung 131 mit wenigstens einem Zahn 112 umfasst, weiterhin umfassend eine Flanke 132, welche den Winkel βK aufweist.A coupling ring 130 of the coupling toothing 114 can be provided, which comprises an asymmetrical toothing 131 with at least one tooth 112, further comprising a flank 132 which has the angle β K .

Der Kupplungsring 130 ist durch einen Aktuator 140 in einer Öffnungsrichtung x steuerbar ausgebildet, wobei die Axialkraft AGES das Öffnen der Axialkupplung 100 in Öffnungsrichtung x, unterstützt.The coupling ring 130 is designed to be controllable by an actuator 140 in an opening direction x, with the axial force A GES supporting the opening of the axial coupling 100 in the opening direction x.

Die Axialkupplung 100 umfasst in einer weiteren Ausführungsform in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 eine Steckverzahnung 113 mit wenigstens einem Zahn 112 und der erste Schrägungswinkel β1 umfasst einen Schrägungswinkel βS und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 eine Laufverzahnung 600 und der zweite Schrägungswinkel β2 umfasst einen Schrägungswinkel βL.In a further embodiment, the axial clutch 100 comprises in the first pair of active surfaces WP1 a spline 113 with at least one tooth 112 and the first helix angle β 1 comprises a helix angle β S and in the second pair of active surfaces WP2 a running gear 600 and the second helix angle β 2 comprises a helix angle β L .

Die Axialkupplung 100 umfasst in einer weiteren Ausführungsform in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 eine Kupplungsverzahnung 114 mit wenigstens einem Zahn 112 und der erste Schrägungswinkel β1 umfasst einen Schrägungswinkel βK und die zweite Wirkflächenpaarung WP2 umfasst eine Laufverzahnung 600 und der zweite Schrägungswinkel β2 umfasst einen Schrägungswinkel βL.In a further embodiment, the axial clutch 100 comprises a clutch toothing 114 with at least one tooth 112 in the first pair of active surfaces WP1 and the first helix angle β 1 comprises a helix angle β K and the second pair of active surfaces WP2 comprises a running tooth system 600 and the second helix angle β 2 comprises a helix angle β L .

Die erste Materialpaarung MP1 und die zweiten Materialpaarung MP2 der Axialkupplung 100 kann jeweils eine der Materialpaarungen aus Stahl, Bronze, Berylliumkupfer, Aluminium, Aluminiummehrstoffbronze, Keramik, Carbon oder Carbonfasern einzeln, beispielsweise Stahl auf Stahl Aluminium auf Aluminium etc. oder in Kombination beispielsweise Stahl auf Aluminium oder Stahl auf Bronze etc. umfassen, um ein sicheres Ein- und Auskuppeln zu gewährleisten.The first material pairing MP1 and the second material pairing MP2 of axial clutch 100 can each be one of the material pairings of steel, bronze, beryllium copper, aluminum, aluminum multi-component bronze, ceramic, carbon or carbon fibers individually, for example steel on steel, aluminum on aluminum etc. or in combination, for example steel on aluminum or steel on bronze etc. to ensure safe engagement and disengagement.

In den folgenden Beispielen werden im Einzelnen bevorzugte Ausführungsformen erläutert. Hierbei wird berücksichtigt, dass die Reibungskoeffizienten von der Materialpaarung, der Wärmebehandlung wie dem Härten, der Schmierung, der Kontaktdauer etc., abhängen. Das heißt, dass eine erhebliche Streuung der Reibwerte bei der Ausgestaltung der Lösung in jedem Anwendungsfall berücksichtigt wird.Preferred embodiments are explained in detail in the following examples. It is taken into account here that the coefficients of friction depend on the pairing of materials, the heat treatment such as hardening, lubrication, the duration of contact, etc. This means that a considerable scattering of the coefficients of friction is taken into account when designing the solution for each application.

In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 ist ein Zehn-Gang Nabengetriebe beschrieben, welches aus einem Fünf-Gang Eingangsgetriebe EGG und einem Nachschaltgetriebe NSG, das einen direkten Gang und einen solchen mit einer Übersetzung der Drehzahl ins Schnelle, besteht. Im Direktgang läuft das Nachschaltgetriebe NSG bei geöffneter Kupplung KHR im Block um und im Schnellgang ist die Kupplung KHR geschlossen. Aufgrund des großen Übersetzungsverhältnisses werden etwa 35 % des Eingangsmomentes an die Nabenhülse übertragen, wobei für das von der Hauptachse aufzunehmende Gegenmoment 65% verbleiben. Dieses Moment ist von der Kupplung KHR zu schalten, wenn das Nachschaltgetriebe NSG vom Schnellgang in den Direktgang umgeschaltet wird. Der axial feststehende Teil der Kupplung KHR ist über eine Seitenwand fest mit dem Hohlrad HR5 verbunden (siehe 3a). Die axiale Einschränkung des Bewegungsraums der Kupplung KHR wird einerseits von der Mittelhülse MH und dem abtriebsseitigen Flansch der Hauptachse HA sichergestellt. Der axial bewegliche Teil der Kupplung KHR ist über die Steckverzahnung der Hauptachse HA drehfest direkt mit derselben verbunden und wird mittels eines Schaltfingers von der Steuernut NHR in der Schalttrommel ST gesteuert. Zum Öffnen der Kupplung KHR sind sowohl die Haftreibung zwischen dem verschiebbaren Kupplungsteil und der Hauptachse HA sowie die Haftreibung zwischen den anliegenden Flächen der Kupplungsverzahnungen zu überwinden.In the German patent application DE 10 2021 129 423 A1 a ten-speed hub transmission is described, which consists of a five-speed input transmission EGG and a rear-mounted transmission NSG, which has a direct gear and one with a speed-up gear ratio. In direct gear, the rear-mounted gearbox NSG rotates as a block when the clutch KHR is open, and in overdrive the clutch KHR is closed. Due to the large transmission ratio, around 35% of the input torque is transmitted to the hub shell, with 65% remaining for the counter-torque to be absorbed by the main axle. This torque is to be switched by the KHR clutch when the NSG rear-mounted gearbox is switched from overdrive to direct gear. The axially stationary part of the KHR clutch is firmly connected to the ring gear HR5 via a side wall (see 3a) . The axial limitation of the movement space of the clutch KHR is ensured on the one hand by the center sleeve MH and the output-side flange of the main axle HA. The axially movable part of the clutch KHR is directly connected to the main axle HA via the splines and is controlled by a shift finger from the control groove NHR in the shift drum ST. To open the clutch KHR, both the static friction between the displaceable clutch part and the main axis HA and the static friction between the adjacent surfaces of the clutch teeth must be overcome.

In der Folge werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wie sie innerhalb einer Gesamtvorrichtung wie einer Kupplungsbaugruppe oder eines Systems zur Anwendung kommt.In the following, exemplary embodiments of the invention are described as applied within an overall device such as a clutch assembly or a system.

Bevorzugter Weise werden die drehmomentabhängigen Axialkräfte in Öffnungsrichtung der Axialkupplung durch eine verdrehte Stellung der Normalen der Wirkflächen der ineinander greifenden Kupplungszähne erzeugt. Die Normalen weisen vorteilhaft mit der Orthogonalen zur Rotationsachse des Getriebes einen solchen Winkel βK auf, dass im Grenzfall eine Kompensation der Reibungskräfte gegen die Axialkräfte, entsprechend Gleichung /10/ erreicht wird. Falls jedoch nur eine Teilkompensation durch eine geringere Winkelstellung der Normalen vorgenommen wird, so wird die Steuernut NHR, wie in 3b dargestellt, beibehalten. Bei vollständiger Kompensation oder Überkompensation durch die Schrägverzahnung(en) wird die Steuernut NHR über den gesamten Drehwinkel der Schalttrommel, wie in 3c gezeigt, mit konstanter, den Schaltfingern angepasster Breite ausgeführt, damit die Axialkupplung im Schließzustand auch sicher geschlossen bleibt.The torque-dependent axial forces are preferably generated in the opening direction of the axial clutch by a twisted position of the normal of the effective surfaces of the clutch teeth engaging in one another. The normals advantageously have such an angle β K with the orthogonal to the axis of rotation of the transmission that, in the limiting case, a compensation of the frictional forces against the axial forces is achieved, according to equation /10/. If, however, only a partial compensation is made by a lower angular position of the normal, the control groove NHR, as in 3b shown, maintained. In the case of complete compensation or overcompensation by the helical gearing(s), the control groove NHR is rotated over the entire angle of rotation of the shift drum, as in 3c shown, with a constant width adapted to the shift fingers, so that the axial clutch remains securely closed when closed.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4d dargestellt. Eine unter Last schaltbare Axialkupplung betrifft eine Blockumlaufkupplung, die zwei rotierende Teile schaltend miteinander verbindet oder trennt. Es handelt sich beispielsweise um eine Kupplung K70 eines Zehn-Gang Nabengetriebes aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 . Die dort verwendeten Bezugszeichen werden auch hier verwendet und ergänzt.Another preferred embodiment of the present invention is in 4d shown. An axial clutch that can be shifted under load relates to a block revolving clutch that connects or disconnects two rotating parts with one another in a switching manner. It is, for example, a K70 clutch of a ten-speed hub gear from the German patent application DE 10 2021 129 423 A1 . The reference symbols used there are also used and supplemented here.

Die Kupplung K70 verbindet ein Sonnenrad SR3 mit einer Mittelhülse MH, die auch als Teilsteg für den abtriebsseitigen Teil eines Eingangsgetriebes EGG dient. Der bewegliche Teil der Axialkupplung wird im Inneren der Mittelhülse MH mittels einer Steckverzahnung axial beweglich, drehgesichert geführt. Der axial feste Teil der Kupplung K70 ist auf der Abtriebsseite des axial eng geführten Sonnenrades SR3 einstückig untergebracht. Der bewegliche Teil der Kupplung K70 hat im Inneren einen ringförmigen Bund, der als Anlauffläche für einen auf der Hauptachse HA axial beweglich, drehgesichert geführten Schiebering verwandt wird.The K70 clutch connects a sun gear SR3 with a center sleeve MH, which also serves as a dividing bridge for the output-side part of an input transmission EGG. The movable part of the axial coupling is guided inside the middle sleeve MH by means of a spline so that it can move axially and is secured against rotation. The axially fixed part of the K70 clutch is housed in one piece on the output side of the sun gear SR3, which is guided closely in the axial direction. The moving part of the K70 clutch has an annular collar on the inside, which is used as a contact surface for a sliding ring that is guided on the main axis HA so that it can move axially and is secured against rotation.

Der Schiebering ist so ausgebildet, dass der Bund im Inneren des beweglichen Kupplungsteils K70 freidrehend, von einer drehgesicherten, mit Federkraft beaufschlagten Anschlagscheibe und einer axial abgesetzten Anschlagfläche des Schieberings, eng geführt wird. Die axiale Länge des Absatzes ist nur geringfügig größer als die Wandstärke des innen liegenden ringförmigen Bundes des beweglichen Kupplungsteils. Hierdurch wird eine Klemmwirkung vermieden. Eine in Öffnungsrichtung wirkende Feder F71 sichert die Offenposition der Kupplung K70 ab. Eine in Schließrichtung wirkende Feder F70 unterstützt den Schließvorgang der Kupplung K70, da in einer Steuernut N70 auf einer Schalttrommel ST ein Spurwechsel erfolgt.The sliding ring is designed in such a way that the collar inside the movable clutch part K70 is guided in a freely rotating manner by a non-rotating stop disk that is spring-loaded and an axially offset stop surface of the sliding ring. The axial length of the paragraph is only slightly greater than the wall thickness of the inner annular collar of the movable clutch part. This avoids a clamping effect. A spring F71 acting in the opening direction secures the open position of clutch K70. A spring F70 acting in the closing direction supports the closing process of the clutch K70, since a lane change takes place in a control groove N70 on a shift drum ST.

Wird die Haftreibung nur teilkompensiert, wird der Schiebering nebst Anlaufscheibe AS um 180 Grad gedreht eingebaut und die Feder F71 entfällt. Denn nun wird, durch die Axialkräfte unterstützt, die Kupplung K70 gegen die Federkraft der Feder F70 geöffnet. Dies gilt in gleicher Weise auch bei den anderen Beispielen.If the static friction is only partially compensated, the sliding ring together with the thrust washer AS is installed rotated by 180 degrees and the spring F71 is omitted. Because now, supported by the axial forces, clutch K70 is opened against the spring force of spring F70. This also applies in the same way to the other examples.

Bei der Kupplung K70 können eine Schrägung der Steckverzahnung sowie der Kupplungsverzahnung kombiniert verwendet werden. Vorzugsweise wird hier die Kupplungsverzahnung schräg gestellt.In the case of the K70 clutch, a slanted spline and the clutch spline can be used in combination. The clutch teeth are preferably positioned at an angle here.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer unter Last schaltbaren Axialkupplung betrifft eine Kupplung, die auf der Außenfläche einer rotierenden, koaxial zu einer Hauptachse HA angeordneten Hülse sitzt und durch diese Hülse hindurch betätigt wird. Ein Beispiel für diese Ausführung ist die Kupplung 90 aus der deutschen Patentanmeldung DE10 2018 007 326 A1 . Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt vorliegend und vorteilsweise die Steuerung der durch Schrägungswinkel beim Entkuppeln unterstützen Axialkupplung selektiv über wenigstens einen Aktuator. Die Kompensation der Reibungskräfte kann vorzugsweise auf die Steckverzahnung und/oder die Kupplungsverzahnung aufgeteilt werden.A further preferred embodiment of the present invention of an axial clutch shiftable under load relates to a clutch which is seated on the outer surface of a rotating sleeve which is arranged coaxially with respect to a main axis HA and which is actuated through this sleeve. An example of this design is the clutch 90 from the German patent application DE10 2018 007 326 A1 . In contrast to the prior art, in the present case and advantageously, the axial clutch, which is assisted by the helix angle during decoupling, is controlled selectively via at least one actuator. The compensation of the frictional forces can preferably be divided between the splines and/or the clutch teeth.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer unter Last schaltbaren Axialkupplung betrifft eine Axialkupplung, die als Mitlaufsperre eines Sonnenrades arbeitet und unter Last geschaltet werden muss. Kupplungen dieser Art finden sich in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 007 326 A1 und in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 , insbesondere die dortigen Kupplungen 40 bzw. K40 der Eingangsgetriebe EGG. Dieses Eingangsgetriebe besitzt im ersten Teilgetriebe ein vollständiges Planetengetriebe mit Sonnen-, Planeten- und Hohlrad, dessen Antrieb der Planetenträger ist und der Abtrieb über das Hohlrad erfolgt. Zum Gangwechsel wird das Sonnenrad drehfest gesetzt oder freigegeben. Hierzu wird eine Mitlaufsperre benötigt. Beim Freigeben des axial eng geführten Sonnenrades muss die Axialkupplung unter Last geöffnet werden.Another preferred embodiment of the present invention of an axial clutch that can be shifted under load relates to an axial clutch that works as an anti-rotation lock for a sun gear and has to be shifted under load. Couplings of this type can be found in the German patent application DE 10 2018 007 326 A1 and in the German patent application DE 10 2021 129 423 A1 , in particular the local clutches 40 and K40 of the input transmission EGG. In the first sub-gear, this input gear has a complete planetary gear with sun, planet and ring gear, the drive of which is the planet carrier and the output takes place via the ring gear. To change gears, the sun gear is locked against rotation or released. A tracking lock is required for this. When releasing the axially closely guided sun gear, the axial clutch must be opened under load.

Innerhalb des Sonnenrades wird nun erfindungsgemäß in dieser beispielhaften Kupplungsbaugruppe bzw. diesem beispielhaften System oder in dieser beispielhaften Gesamtvorrichtung zu diesem konzentrisch, mittels einer Steckverzahnung drehfest, axial verschiebbar der bewegliche Kupplungsteil geführt und zur Unterstützung des Schaltvorgangs werden vorzugsweise die Steckverzahnung mit einem Schrägungswinkel βS und die Wirkflächen der Kupplungsverzahnung gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse 210 um den Winkel βK verdreht.According to the invention, the movable clutch part is now guided inside the sun gear in this exemplary clutch assembly or this exemplary system or in this exemplary overall device concentrically, non-rotatably and axially displaceably by means of splines, and to support the shifting process, the splines are preferably guided with a helix angle β S and the effective surfaces of the clutch teeth are rotated by the angle β K relative to an imaginary plane through the axis of rotation 210 .

Der drehfeste und axial festgesetzte Teil der Axialkupplung ist vorzugsweise mit der Hauptachse HA über eine Steckverzahnung verbunden. Die axiale Sicherung wird wie in 5a dargestellt, mit Schrauben hergestellt, die in an die Schraube angepasste Bohrungen eingreift. Dargestellt in 5c ist die Ansteuerung der Axialkupplung für den Fall der Kompensation und Überkompensation der Reibkräfte. Die Ansteuerung der Axialkupplung entspricht derjenigen der Kupplung K70. Für den Fall der Unterkompensation gilt auch hier das dort beschriebene.The non-rotatable and axially fixed part of the axial coupling is preferably connected to the main axis HA via a spline. The axial locking is done as in 5a shown, made with screws that engage in holes matched to the screw. Shown in 5c is the control of the axial clutch for the case of compensation and overcompensation of the frictional forces. The activation of the axial clutch corresponds to that of clutch K70. In the event of undercompensation, what is described there also applies here.

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Axialkupplung mit einer ersten Welle und mit einer zweiten Welle, welche gesteuert durch einen Aktuator kuppelbar und entkuppelbar ist, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung WP1 mit einem ersten Schrägungswinkel β1 und einer zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit einem zweiten Schrägungswinkel β2, wobei der erste Schrägungswinkel β1 einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad und der zweite Schrägungswinkel β2 einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad umfasst und die Summe der Schrägungswinkel β1 plus β2, über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft AGES erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst.The present invention comprises an axial clutch with a first shaft and with a second shaft, which can be coupled and uncoupled in a controlled manner by an actuator, comprising a first pair of active surfaces WP1 with a first helix angle β 1 and a second pair of active surfaces WP2 with a second helix angle β 2 , where the first helix angle β 1 covers an angle range from 0 degrees to 30 degrees and the second helix angle β 2 covers an angle range from 0 degrees to 30 degrees and the sum of the helix angles β 1 plus β 2 , via which a torque-dependent axial force AGES can be generated and which the Supports the decoupling process of the axial coupling under load, covering an angle range of 3 degrees to 35 degrees.

Axialkupplungen finden bevorzugt in per ausschließlich pedalem bzw. manuellem Antrieb getriebenen Zweirädern, oder auch in zusätzlich oder ausschließlich motorisch angetriebenen Zweirädern, insbesondere in E-Bikes oder mit Elektromotor unterstützten Fahrrädern und Lastenrädern Anwendung.Axial clutches are preferably used in two-wheelers that are driven exclusively by a pedal or manual drive, or also in two-wheelers that are additionally or exclusively motor-driven, in particular in e-bikes or bicycles and cargo bikes supported by an electric motor.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die Herleitung des zu Grunde liegenden Dimensionierungsverfahrens beschrieben. Diese Figuren zeigen:

  • 1a: eine Axialkupplung im Stand der Technik mit geradverzahnter Steckverzahnung und orthogonaler Kupplungsverzahnung,
  • 1b: eine erfindungsgemäße Axialkupplung mit schrägverzahnter Steckverzahnung und gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse gekippten Wirkflächen der Kupplungszähne,
  • 1c: eine orthogonale Sicht in Richtung Rotationsachse mit einer Ausschnittsmarkierung,
  • 1d: den Ausschnitt aus 1c ergänzt durch die Skizze eines stumpfen Doppelkeils als Modell für das bewegliche Kupplungsteil, welches zur Herleitung der Auslegungsverfahren verwendet wird,
  • 1e: ein Modell der Kupplungsbaugruppe aus 1b, ergänzt durch einen Kräfteplan bei einem Drehmoment, welches das Sonnenrad von links betrachtet im Uhrzeigersinn drehen möchte,
  • 2: den schematischen Getriebeschnitt einer Hinterradnabe aus der DE 10 2021 129 423 A1 ,
  • 3a: die Einbausituation einer Kupplung KHR einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 3b: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut NHR für den Fall der Unterkompensation,
  • 3c: eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut NHR für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte,
  • 3d: die Einbausituation einer Kupplung KSR, die indirekt mittels einer Kupplung KHR über schräggestellte Lauf- und/oder Steckverzahnung automatisch geschaltet wird,
  • 4a: eine bevorzugte Ausführungsform einer unter Last schaltbaren Kupplung K70, die eine Blockumlaufkupplung ist,
  • 4b: eine bevorzugte Ausführungsform einer Abwicklung der Steuernut N70 auf der Schalttrommel ST und die Raststellungen KR der Schaltstellungen G1-G10,
  • 4c: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N70 für den Fall der Unterkompensation,
  • 5a: eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer Kupplung K40 in einer isolierten und detaillierteren Darstellung bei Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte,
  • 5b: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N40 für den Fall der Unterkompensation,
  • 5c: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N40 für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation,
  • 6: eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer Kupplung K90 und
  • 7: eine bevorzugte Ausführungsform eines Ausschnitts eines Eingangsgetriebes EGG mit schrägverzahnter Laufverzahnung.
Exemplary embodiments of the invention and the derivation of the underlying dimensioning method are described below with reference to figures. These figures show:
  • 1a : a prior art axial clutch with spur spline and orthogonal clutch spline,
  • 1b : an axial clutch according to the invention with helical splines and effective surfaces of the clutch teeth that are tilted relative to an imaginary plane through the axis of rotation,
  • 1c : an orthogonal view towards the axis of rotation with a clip marker,
  • 1d : the snippet off 1c supplemented by the sketch of a blunt double wedge as a model for the moving clutch part, which is used to derive the design process,
  • 1e : a model of the clutch assembly 1b , supplemented by a force plan for a torque that wants to turn the sun gear clockwise when viewed from the left,
  • 2 : the schematic gear section of a rear wheel hub from the DE 10 2021 129 423 A1 ,
  • 3a : the installation situation of a clutch KHR of a preferred embodiment of the invention,
  • 3b : a preferred embodiment of a control groove NHR for the case of undercompensation,
  • 3c : another preferred embodiment of a control groove NHR for the case of compensation or overcompensation of the axial forces,
  • 3d : the installation situation of a KSR clutch, which is automatically shifted indirectly by means of a KHR clutch via inclined running and/or spline teeth,
  • 4a : a preferred embodiment of a clutch K70 that can be shifted under load, which is a block rotating clutch,
  • 4b : a preferred embodiment of a development of the control groove N70 on the shift drum ST and the locking positions KR of the shift positions G1-G10,
  • 4c : a preferred embodiment of a control groove N70 for the case of undercompensation,
  • 5a : A preferred embodiment of an installation situation of a K40 clutch in an isolated and more detailed representation with compensation or overcompensation of the axial forces,
  • 5b : a preferred embodiment of a control groove N40 for the case of undercompensation,
  • 5c : a preferred embodiment of a control groove N40 for the case of compensation or overcompensation,
  • 6 : a preferred embodiment of an installation situation of a clutch K90 and
  • 7 : A preferred embodiment of a section of an input transmission EGG with helical gearing.

6. Detaillierte Beschreibung6. Detailed description

Gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf. The same components have the same reference numbers.

1a zeigt eine Axialkupplung im Stand der Technik mit geradverzahnter Steckverzahnung und orthogonaler Kupplungsverzahnung. 1a shows a prior art axial clutch with straight splines and orthogonal clutch teeth.

1b zeigt eine erfindungsgemäße Axialkupplung mit schrägverzahnter Steckverzahnung und gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse gekippten Wirkflächen der Kupplungszähne. 1b shows an axial clutch according to the invention with helical splines and effective surfaces of the clutch teeth that are tilted relative to an imaginary plane through the axis of rotation.

Eine erste Welle 200 trägt ein Drehmoment M1 in die Axialkupplung 100 ein. Die erste Welle 200 ist entweder über eine Verzahnung (nicht dargestellt) oder fest mit einem Stirnrad 120 verbunden.A first shaft 200 applies a torque M1 to the axial clutch 100 . The first shaft 200 is connected to a spur gear 120 either via gearing (not shown) or fixed.

Eine zweite Welle 220 übernimmt im gekuppelten Zustand der Axialkupplung 100 ein Drehmoment M2, welches betragsmäßig gleich M1 ist.In the coupled state of the axial clutch 100, a second shaft 220 takes over a torque M2, the amount of which is equal to M1.

Die erste Welle 200 und die zweite Welle 220 sind um eine Rotationsachse 210 sowohl im Fall eines Stirnradgetriebes als auch im Fall eines Planetengetriebes prinzipiell drehbar in einer Getriebeanordnung gelagert. Die erste Welle 200 oder die zweite Welle 220 können im Fall eines Planetengetriebes aber auch axial und drehfest festgesetzt sein.The first shaft 200 and the second shaft 220 are, in principle, supported in a gear arrangement so as to be rotatable about an axis of rotation 210 both in the case of a spur gear and in the case of a planetary gear. However, in the case of a planetary gear, the first shaft 200 or the second shaft 220 can also be fixed axially and non-rotatably.

Die Axialkupplung 100 umfasst einen Kupplungsring 130, der im eingekuppelten Zustand in eine Kupplungsverzahnung 114 greift, welche verdrehfest oder alternativ einstückig mit einer Steckverzahnung 113 verbunden ist. Die Steckverzahnung 113 ist axial verschiebbar und verdrehfest mit dem Stirnrad 120 verbunden. Die Steckverzahnung 113 umfasst wenigstens einen Zahn 112, welcher einen Schrägungswinkel βS von 0 Grad bis 30 Grad aufweist.The axial clutch 100 comprises a clutch ring 130 which, in the engaged state, engages in a clutch toothing 114 which is connected to a plug-in toothing 113 in a torsionally fixed manner or alternatively in one piece. The spline 113 is axially displaceable and non-rotatably connected to the spur gear 120 . The spline 113 includes at least one tooth 112, which has a helix angle β S of 0 degrees to 30 degrees.

Der Kupplungsring 130 umfasst wenigstens einen asymmetrischen Zahn 131, welcher im eingekuppelten Zustand in eine ebenfalls asymmetrische Verzahnung 114 des beweglichen Kupplungsteils 110 eingreift. Die asymmetrischen Zähne 131, 114 weisen eine steile Flanke 132 und eine flachere Rampe 133 (siehe 1d) auf. Die Rampe 133 weist gegenüber der einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse 210 einen Schrägungswinkel β3 im Bereich von 45 Grad bis 75 Grad auf (siehe 1d). Dies dient der sicheren Überkompensation der Reibungskräfte, damit die Kupplung als Freilauf arbeiten kann. Die Flanke 132 weist gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse 210 einen Schrägungswinkel βK im Bereich von 0 Grad bis max. 30 Grad auf (siehe 1d).The coupling ring 130 comprises at least one asymmetrical tooth 131 which, in the engaged state, engages in a likewise asymmetrical toothing 114 of the movable clutch part 110 . The asymmetrical teeth 131, 114 have a steep flank 132 and a flatter ramp 133 (see 1d ) on. The ramp 133 has a helix angle β3 in the range from 45 degrees to 75 degrees with respect to an imaginary plane through the axis of rotation 210 (see FIG 1d ). This serves to safely overcompensate for the frictional forces so that the clutch can work as a freewheel. The Flank 132 has a helix angle β K in the range from 0 degrees to a maximum of 30 degrees with respect to an imaginary plane through the axis of rotation 210 (see 1d ).

Die beiden Schrägungswinkel βS und βK oder die beiden Schrägungswinkel βL und βK oder die beiden Schrägungswinkel βL und βS betragen jeweils in Summe 3 Grad bis 35 Grad, insbesondere 5 Grad bis 22 Grad und vorzugsweise 7 Grad bis 20 Grad und erbringen die zur Unterstützung einer Trennung der Axialkupplung 100 unter Last erforderlichen Axialkräfte AS und AK (siehe 1e). Die Axialkräfte AS und AK unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x, sobald der Kupplungsring 130 durch einen Aktuator 140 (siehe 1e) in Öffnungsrichtung x gesteuert wird.The two helix angles β S and β K or the two helix angles β L and β K or the two helix angles β L and β S each total 3 degrees to 35 degrees, in particular 5 degrees to 22 degrees and preferably 7 degrees to 20 degrees provide the axial forces A S and A K required to support a separation of the axial coupling 100 under load (see 1e) . The axial forces A S and A K support the opening of the axial clutch 100 in the opening direction x as soon as the clutch ring 130 is actuated by an actuator 140 (see 1e) is controlled in the opening direction x.

Die Summe der jeweils beiden Schrägungswinkel βS plus βK oder βL plus βK oder βL plus βS weisen einen Wert im Bereich zwischen 3 Grad und 35 Grad, insbesondere im Bereich zwischen 5 Grad und 22 Grad, vorzugsweise im Bereich zwischen 7 Grad und 20 Grad, auf.The sum of the respective two helix angles βS plus βK or βL plus βK or βL plus βS has a value in the range between 3 degrees and 35 degrees, in particular in the range between 5 degrees and 22 degrees, preferably in the range between 7 degrees and 20 degrees .

Die axialen Kraftkomponenten AS und AK helfen die Reibkräfte RS und RK zu überwinden. Damit ist eine Unterkompensation, eine Kompensation oder eine Überkompensation der Reibungskräfte RS und RK erzeugbar. Die Axialkräfte AS und AK sind dabei abhängig von der Differenz aus dem Betrag des auf die Axialkupplung 100 wirkenden Eingangsmoments der jeweils auszukuppelnden Getriebestufe und dem Betrag des Ausgangmoments der jeweils auszukuppelnden Getriebestufe.The axial force components A S and A K help to overcome the frictional forces R S and R K . In this way, undercompensation, compensation or overcompensation of the frictional forces R S and R K can be generated. The axial forces A S and A K are dependent on the difference between the magnitude of the input torque acting on the axial clutch 100 of the gear stage to be disengaged and the magnitude of the output torque of the gear stage to be disengaged.

Die Axialkräfte AS und AK unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x, sobald diese durch einen Aktuator 140 (siehe 1e) in Öffnungsrichtung x gesteuert wird.The axial forces A S and A K support the opening of the axial clutch 100 in the opening direction x as soon as it is actuated by an actuator 140 (see 1e) is controlled in the opening direction x.

Als Materialien werden vorzugsweise Stahl und Aluminium oder Stahl und Stahl eingesetzt. Es kommen aber auch andere Materialien in Kombination mit Stahl oder in Kombination miteinander, wie beispielsweise Aluminiumbronze, Bronze, Berylliumkupfer, Messing, Industriekeramik oder massive oder oberflächenbeschichtete Komponenten mit einer reibungsarmen aber tribologisch widerstandsfähigen Oberfläche, beispielsweise aus Carbon oder Carbonfasern in Betracht, um so möglichst kleine Reibungswinkel ρS und ρK realisieren zu können, bei denen auch unter hoher Last und starken Erschütterungen von außen ein sicheres Ein- und Auskuppeln zwischen dem beweglichen Kupplungsteil 110 und dem Kupplungsring 130 zu gewährleisten ist.Steel and aluminum or steel and steel are preferably used as materials. However, other materials in combination with steel or in combination with each other, such as aluminum bronze, bronze, beryllium copper, brass, industrial ceramics or solid or surface-coated components with a low-friction but tribologically resistant surface, for example made of carbon or carbon fibers, can also be considered, if possible to be able to realize small friction angles ρ S and ρ K , in which safe coupling and decoupling between the movable coupling part 110 and the coupling ring 130 is to be ensured even under high loads and severe external shocks.

Die Axialkupplung umfasst eine Materialpaarung zwischen dem Kupplungsring 130 und der Kupplungsverzahnung 114 und zwischen der Steckverzahnung 113 und der Führung des Stirnrades 120 eine Materialpaarung aus Stahl, Aluminium, Aluminiummehrstoffbronze, Bronze, Berylliumkupfer, Messing, Industriekeramik oder massive oder oberflächenbeschichtete Komponenten Carbon oder Carbonfasern, um ein sicheres Ein- und Auskuppeln zwischen der Sperre und dem Kupplungsring zu gewährleisten.The axial clutch comprises a material pairing between the clutch ring 130 and the clutch teeth 114 and between the spline 113 and the guide of the spur gear 120 a material pairing made of steel, aluminum, aluminum multi-component bronze, bronze, beryllium copper, brass, industrial ceramics or solid or surface-coated components carbon or carbon fibers, to to ensure safe engagement and disengagement between the lock and the clutch ring.

Auf den beweglichen Kupplungsteil 110 wird über optionale Federn 111; 111' gegenüber einem feststehenden Gehäuseteil oder gegenüber einer axial starren Komponente eine die Kupplung schließende Kraft ausgeübt (siehe 1e).On the movable coupling part 110 is optional springs 111; 111' exerts a force closing the clutch in relation to a fixed housing part or in relation to an axially rigid component (see 1e) .

Der bewegliche Kupplungsteil 110 ist über das Stirnrad 120 axial beweglich geführt. Das Stirnrad 120 weist innen eine Steckverzahnung mit einem Schrägungswinkel βS auf. The movable coupling part 110 is guided in an axially movable manner via the spur gear 120 . The spur gear 120 has internal splines with a helix angle β S .

1c zeigt eine orthogonale Ansicht in Richtung Rotationsachse mit einer Ausschnittsmarkierung. 1c shows an orthogonal view in the direction of the axis of rotation with a clip marker.

1d zeigt den Ausschnitt aus 1c ergänzt durch die Skizze eines stumpfen Doppelkeils als Modell für das bewegliche Kupplungsteil, welches zur Herleitung der Auslegungsverfahren verwendet wird. 1d shows the section 1c supplemented by the sketch of a blunt double wedge as a model for the moving clutch part, which is used to derive the design process.

Am beweglichen Kupplungsteil 110 mit Steckverzahnung ist am Beispiel eines Zahnes 112 der Steckverzahnung der Schrägungswinkel βS und am Beispiel eines Zahnes der Kupplungsverzahnung 114 der Schrägungswinkel βK dargestellt, welche zusammen ein abgeleitetes axial bewegliches Keilmodell bilden, welches in 1e näher dargestellt ist.On the movable coupling part 110 with splines, the helix angle β S is shown using the example of a tooth 112 of the spline and the helix angle β K is shown using the example of a tooth of the coupling teeth 114, which together form a derived axially movable wedge model, which is shown in 1e is shown in more detail.

1e zeigt ein Modell der Kupplungsbaugruppe aus 1b, ergänzt durch einen Kräfteplan bei einem Drehmoment, welches das Sonnenrad von links betrachtet im Uhrzeigersinn drehen möchte. Dort findet sich der Doppelkeil, der eine analoge Problemstellung zu einer Axialkupplung mit einer Steckverzahnung und einer Kupplungsverzahnung darstellt. Der Keil ist in dieser Analogie der bewegliche Teil der Kupplung. Dieser hat zwei schrägverzahnte Wirkflächen, für die die mathematische Herleitung analog ist (i = S für die Steckverzahnung und i = K für die Kupplungsverzahnung). Alle Kräfte werden im Folgenden betragsmäßig betrachtet. An den Wirkflächen wirken die Normalkräfte Ni. Daraus resultieren die Reibkräfte, die parallel zu den Zahnflanken wirken: R i = μ i * N i

Figure DE102022107915B3_0007
1e shows a model of the clutch assembly 1b , supplemented by a force plan for a torque that wants to turn the sun gear clockwise when viewed from the left. There you will find the double wedge, which represents a problem analogous to an axial clutch with a spline and a clutch spline. In this analogy, the wedge is the moving part of the coupling. This has two helical active surfaces, for which the mathematical derivation is analogous (i = S for the splines and i = K for the clutch teeth). In the following, all forces are considered in absolute terms. The normal forces N i act on the effective surfaces. This results in the frictional forces that act parallel to the tooth flanks: R i = µ i * N i
Figure DE102022107915B3_0007

Die tangentiale Komponente der Normalkraft, Ni * cos(βi), muss durch die anliegende Tangentialkraft Fi aufgebracht werden. Zusätzlich hat die Reibkraft auch eine Komponente Ri * sin(βi) in Richtung der anliegenden Tangentialkraft, die diese ebenfalls aufbringen muss. Es gilt also: F i = N i * cos ( β i ) + R i * sin ( β i )

Figure DE102022107915B3_0008
The tangential component of the normal force, N i * cos(βi), must be applied by the applied tangential force F i . In addition, the frictional force also has a component R i * sin(βi) in the direction of the applied tangential force, which must also be applied. So the following applies: f i = N i * cos ( β i ) + R i * sin ( β i )
Figure DE102022107915B3_0008

Unter Verwendung der Gleichungen /1/ und /2/ lässt sich folgende Relation herleiten: N i = F i / ( cos ( β i ) + μ i * sin ( β i ) )

Figure DE102022107915B3_0009
Using the equations /1/ and /2/, the following relation can be derived: N i = f i / ( cos ( β i ) + µ i * sin ( β i ) )
Figure DE102022107915B3_0009

Die anliegende Tangentialkraft Fi hängt vom anliegenden Drehmoment, sowie dem wirksamen Teilkreisradius der Verzahnung ab: F i = M/r i

Figure DE102022107915B3_0010
The applied tangential force F i depends on the applied torque and the effective pitch circle radius of the gearing: f i = m/r i
Figure DE102022107915B3_0010

In axialer Richtung wirken zum einen eine Komponente der Normalkraft, Ai = Ni * sin(βi), sowie eine Komponente der Reibkraft, Ri * cos(βi) in entgegengesetzter Richtung. Die resultierende Axialkraft Xi ergibt sich somit zu: X i = N i * sin ( β i ) R i / cos ( β i )

Figure DE102022107915B3_0011
On the one hand, a component of the normal force, A i = N i * sin(βi), and a component of the frictional force, R i * cos(βi), act in the opposite direction in the axial direction. The resulting axial force X i is thus: X i = N i * sin ( β i ) R i / cos ( β i )
Figure DE102022107915B3_0011

Unter Verwendung der Gleichungen /1/ bis /5/ lässt sich die Axialkraft Xi zu X i = M / r i * [ sin ( β i ) μ i * cos ( β i ) ] / [ cos ( β i ) + μ i * sin ( β i ) ]

Figure DE102022107915B3_0012
bestimmen. Für den Spezialfall Ai = 0 ergibt sich dann: β i = arctan ( μ i )
Figure DE102022107915B3_0013
The axial force X i can be calculated using equations /1/ to /5/ X i = M / right i * [ sin ( β i ) µ i * cos ( β i ) ] / [ cos ( β i ) + µ i * sin ( β i ) ]
Figure DE102022107915B3_0012
determine. For the special case A i = 0 this results in: β i = arctan ( µ i )
Figure DE102022107915B3_0013

Ein Schrägungswinkel, der diese Relation erfüllt, wird auch Reibwinkel ρi genannt.A helix angle that satisfies this relation is also called the friction angle ρ i .

Die gesamte Axialkraft, die auf den beweglichen Teil der Kupplung wirkt, ist die Summe der Axialkräfte der Steck- und Kupplungsverzahnung, also: X GES = X S + X K

Figure DE102022107915B3_0014
The total axial force acting on the moving part of the coupling is the sum of the axial forces of the plug-in and coupling teeth, i.e.: X TOTAL = X S + X K
Figure DE102022107915B3_0014

Erfindungsgemäß soll im Falle vollständiger Kompensation der Reibkräfte die Summe der Axialkräfte gleich null sein, also XGES = 0. Daraus folgt: [ sin ( β K ) μ K * cos ( β K ) ] / [ cos ( β K ) + μ K * sin ( β K ) ] = r K / r S * [ sin ( β S ) μ S * cos ( β S ) ] / [ cos ( β S ) + μ S * sin ( β S ) ]

Figure DE102022107915B3_0015
According to the invention, in the case of complete compensation of the frictional forces, the sum of the axial forces should be equal to zero, i.e. X GES =0. It follows from this: [ sin ( β K ) µ K * cos ( β K ) ] / [ cos ( β K ) + µ K * sin ( β K ) ] = right K / right S * [ sin ( β S ) µ S * cos ( β S ) ] / [ cos ( β S ) + µ S * sin ( β S ) ]
Figure DE102022107915B3_0015

βK ist somit abhängig von βS, wobei eine Lösung gefunden werden kann durch: β K = 2 * arctan ( [ a * b + ( ( a 2 + 1 ) * ( b 2 + 1 ) ) 1 / 2 1 ] / [ a + b ] )

Figure DE102022107915B3_0016
mit: a = μ K
Figure DE102022107915B3_0017
b = r K / r S * [ sin ( β S ) μ S * cos ( β S ) ] / [ cos ( β S ) + μ S * sin ( β S ) ]
Figure DE102022107915B3_0018
β K is thus dependent on β S , where a solution can be found by: β K = 2 * arctan ( [ a * b + ( ( a 2 + 1 ) * ( b 2 + 1 ) ) 1 / 2 1 ] / [ a + b ] )
Figure DE102022107915B3_0016
With: a = µ K
Figure DE102022107915B3_0017
b = right K / right S * [ sin ( β S ) µ S * cos ( β S ) ] / [ cos ( β S ) + µ S * sin ( β S ) ]
Figure DE102022107915B3_0018

Empirisch konnte für übliche Schrägungswinkel eine hinreichend gute Näherung ermittelt werden, gegeben durch: β K = ρ K ( r K / r S ) * ( β S ρ S )

Figure DE102022107915B3_0019
A sufficiently good approximation could be determined empirically for the usual helix angles, given by: β K = ρ K ( right K / right S ) * ( β S ρ S )
Figure DE102022107915B3_0019

Für die weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfassend einer Schrägstellung einer Steck- und einer Laufverzahnung oder einer Lauf- und einer Kupplungsverzahnung ist die Herleitung analog.The derivation is analogous for the other embodiments according to the invention, including an inclined position of a plug-in toothing and a running toothing or a running toothing and a clutch toothing.

In der Folge werden Beispiele von konkreten Ausführungen der Erfindung beschrieben, wie sie innerhalb einer Gesamtvorrichtung wie einer Kupplungsbaugruppe oder eines Systems eines Getriebes zur Anwendung kommen.In the following, examples of specific embodiments of the invention are described as they are used within an overall device such as a clutch assembly or a system of a transmission.

2 zeigt eine Hinterradnabe mit einem Mehrganggetriebe, die aus Planetengetrieben gebildet ist, die mittels axial verschieblicher Schieberinge mit Schaltfingern in gewendelte Nuten N24 bis N74, NSR, NHR in einer Schalttrommel eingreifen, wobei die Schaltfinger zudem in radialen, parallel zur Getriebeachse orientierten Schlitzen einer sie umschließenden hohlen Hauptachse HA geführt sind und dadurch verschiedene Gänge zu schalten sind, indem durch die Schieberinge kuppelnd federbelastet sich radial erstreckende mit erfindungsgemäß axialen Zähnen besetzte Kupplungsringe einer jeweiligen Gangstufe gemäß freizustellen sind, wobei das auf der Hauptachse angeordnete Mehrganggetriebe von einer Antriebshülse AH ausgehend aus einem Fünf-Ganggetriebe als Eingangsgetriebe EGG besteht, das aus einem zweistufigen und einem darauf folgenden einstufigen Planetengetrieben besteht, sowie ein ins Schnelle umsetzendes daran anschließendes einstufigen Planetengetriebe als Nachschaltgetriebe NSG umfasst, das auf einer Mittelhülse MH angeordnet ist und jeweils angekuppelt die ersten fünf Gänge mit einer Nabenhülse NH verbindet oder diese Gänge bei festgelegtem Hohlrad HR4 verdoppelnd gekuppelt abgehend auf die Nabenhülse NH überträgt, wobei diese so gebildeten 10 Gangstufen mit 7 Kupplungen K20, K30, ..., KHR so geschaltet sind, dass jeweils nur wenige der Planetensätze abwälzend unter Last im Eingriff sind. 2 shows a rear wheel hub with a multi-speed transmission, which is formed from planetary gears, which engage in helical grooves N24 to N74, NSR, NHR in a shift drum by means of axially displaceable sliding rings with shift fingers, the shift fingers also being in radial slots oriented parallel to the transmission axis of a enclosing slot are guided on the hollow main axis HA and as a result different gears can be shifted, in that radially extending clutch rings, which are fitted with axial teeth according to the invention, are to be released according to a respective gear step by means of the sliding rings and are spring-loaded, with the multi-speed gearbox arranged on the main axis starting from a drive sleeve AH and starting from a five -Gear transmission as an input transmission EGG, which consists of a two-stage and a subsequent single-stage planetary gear, as well as a subsequent single-stage planetary gear that converts it into high speed as a rear-mounted gear NSG, which includes a It is arranged on a center sleeve MH and, when coupled, connects the first five gears to a hub sleeve NH or, with a fixed ring gear HR4, transmits these gears in a doubled coupled manner to the hub sleeve NH, with the 10 gear stages formed in this way being transmitted with 7 clutches K20, K30, ... , KHR are connected in such a way that only a few of the planetary gearsets are engaged in a rolling manner under load.

Mindestens zwei der Planetengetriebe PR1, PR2 sind einander gleich und diese weisen miteinander verbundene ringförmige Hohlräder HR2-3 auf, und die Planetenträger PT2, PT3 dieser beiden Planetengetriebe sind axial und radial mit einem Zwischenlager ZL gegeneinander abgestützt.At least two of the planetary gears PR1, PR2 are identical to one another and these have annular ring gears HR2-3 connected to one another, and the planet carriers PT2, PT3 of these two planetary gears are supported against one another axially and radially with an intermediate bearing ZL.

Das Sonnenrad SR5 des Nachschaltgetriebes NSG ist auf der Mittelhülse MH gelagert und axialverschieblich und verdrehfest mit der Nabenhülse NH verbunden, sowie mit einer Sonnenradkupplung KSR mit dem ausgangsseitigen Planetenträger PT3 des Eingangsgetriebes EGG erfindungsgemäß kuppelbar, und das Hohlrad HR4 des Nachschaltgetriebes NSG ist achsnah mit der Hauptachse HA mit einer Hohlradkupplung KHR erfindungsgemäß kuppelbar.The sun gear SR5 of the rear-mounted gearbox NSG is mounted on the middle sleeve MH and is axially displaceable and non-rotatably connected to the hub sleeve NH, and can also be coupled according to the invention with a sun gear clutch KSR to the output-side planetary carrier PT3 of the input gear EGG, and the ring gear HR4 of the rear-mounted gearbox NSG is close to the main axis HA can be coupled according to the invention with a ring gear clutch KHR.

3a zeigt die Einbausituation einer Kupplung KHR einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 3a shows the installation situation of a clutch KHR of a preferred embodiment of the invention.

3b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Abwicklung der Steuernut NHR auf der Schalttrommel ST und die Raststellungen KR der Schaltstellungen G1-G10. 3b shows a preferred embodiment of a development of the control groove NHR on the shift drum ST and the detent positions KR of the shift positions G1-G10.

3c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut NHR für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte. 3c shows a preferred embodiment of a control groove NHR for the case of compensation or overcompensation of the axial forces.

In 3d ist eine weitere vereinfachte Ausführungsform des Nachschaltgetriebes dargestellt, bei der die Schaltung der Sonnenradkupplung KSR nicht von der Schalttrommel ST aus erfolgt, sondern die Schubkräfte einer Schrägverzahnung des Nachschaltgetriebes und/oder die Schrägverzahnung der Steckverzahnung des Drehmomentübertragers in der Nabenhülse NH so genutzt werden, dass die Sonnenradkupplung KSR immer selbsttätig, entgegengesetzt zur aktiv geschalteten Hohlradkupplung KHR, jeweils gegen eine Federkraft geöffnet bzw. geschlossen ist. Demgemäß ist im direkten Gang die Sonnenradkupplung KSR geschlossen und die Hohlradkupplung KHR geöffnet. Das Nachschaltgetriebe läuft deshalb als Block um. Bei der bevorzugten Variante ist die Laufverzahnungsschrägung und/oder die Steckverzahnungsschrägung so orientiert, dass das Sonnenrad SR5 sich unter Last durch die Axialkraft vom feststehenden Teil der Kupplung KSR wegbewegt und das Hohlrad HR5 eine entgegengesetzte Kraft erfährt, welche mit dem axialen Stützlager ASL gegen die Nabenhülse NH abgestützt wird. Der Drehmomentübertrager D5 ist drehfest aber axial verschiebbar mit der Nabenhülse NH sowie drehfest und axial fest mit dem Sonnenrad SR5 verbunden. Bei Stillstand oder im Betrieb im direkten Gang des Nachschaltgetriebes NSG ist die Sonnenradkupplung KSR mittels der Rückstellfeder F5, die den Drehmomentübertrager D5 axial gegen die Nabenhülse NH abstützt, geschlossen. Diese Bewegung ist durch einen Anschlag in der Nabenhülse NH begrenzt. Die Axialkräfte des Hohlrades HR5 werden über ein axial belastbares Wälzlager zwischen der Nabenhülse NH und dem Hohlrad HR5 direkt, und/oder über ein axiales Stützelement ASE auf der Hauptachse HA aufgenommen. Unterstützt wird der Schaltvorgang dadurch, dass beim Schließen der Hohlradkupplung KHR das Sonnenrad SR5 den Planetenträger PT5 überholt und damit in den Freilaufmodus wechselt, wobei die Orientierung der Kupplungszähne zusätzlich dafür sorgt, dass die Kupplung KSR geöffnet wird. Es findet ein Wechsel des Antriebes der Nabenhülse NH von der Mittelhülse MH zum Sonnenrad SR5 ohne Lastunterbrechung statt.In 3d Another simplified embodiment of the rear-mounted gearbox is shown, in which the sun gear clutch KSR is not shifted from the shift drum ST, but rather the thrust forces of a helical gearing of the rear-mounted gearbox and/or the helical gearing of the splined gearing of the torque transmitter in the hub shell NH are used in such a way that the Sun wheel clutch KSR is always automatically opened or closed against spring force, opposite to the actively switched ring gear clutch KHR. Accordingly, in direct gear the sun gear clutch KSR is closed and the ring gear clutch KHR is open. The rear-mounted gearbox therefore rotates as a block. In the preferred variant, the helical running gear and/or the helical spline is oriented in such a way that the sun gear SR5 moves away from the stationary part of the clutch KSR under load due to the axial force and the ring gear HR5 experiences an opposing force, which acts against the hub shell with the axial support bearing ASL NH is supported. The torque transmitter D5 is non-rotatably but axially displaceable with the hub shell NH and non-rotatably and axially firmly connected to the sun gear SR5. When the rear-mounted gearbox NSG is stationary or in direct gear during operation, the sun gear clutch KSR is by means of the return spring F5, which presses the torque transmitter D5 axially against the hub sleeve NH supported, closed. This movement is limited by a stop in the NH hub shell. The axial forces of the ring gear HR5 are absorbed directly via an axially loadable roller bearing between the hub sleeve NH and the ring gear HR5 and/or via an axial support element ASE on the main axis HA. The shifting process is supported by the fact that when the ring gear clutch KHR is closed, the sun gear SR5 overtakes the planet carrier PT5 and thus switches to freewheeling mode, with the orientation of the clutch teeth also ensuring that the clutch KSR is opened. The drive of the hub sleeve NH is changed from the middle sleeve MH to the sun gear SR5 without any load interruption.

4a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer unter Last schaltbaren erfindungsgemäßen Kupplung K70. Es handelt sich um eine Blockumlaufkupplung, die zwei rotierende Teile schaltend miteinander verbindet oder trennt. Es handelt sich beispielsweise um die Kupplung K70 eines 10-Gang Nabengetriebes aus der Patentanmeldung DE 10 2021 129 423.1 . Diese Kupplung ist hier erfindungsgemäß ausgeführt. Die dort verwendeten Bezugszeichen werden auch hier verwendet und ergänzt. Die in diesem Systembeispiel erfindungsgemäß ausgeführte Kupplung K70 verbindet das Sonnenrad SR3 mit der Mittelhülse MH, die auch als Teilsteg für den abtriebseitigen Teil des Eingangsgetriebes dient. Der bewegliche Teil der Kupplung wird im Inneren der Mittelhülse mittels einer Steckverzahnung axial beweglich, drehgesichert geführt. Der axial feste Teil der Kupplung ist auf der Abtriebseite des axial eng geführten Sonnenrades SR3 einstückig untergebracht. Der bewegliche Teil der Kupplung hat im Inneren einen ringförmigen Bund, der als Anlauffläche für den auf der Hauptachse axial beweglich, drehgesichert geführten Schiebering verwandt wird. Der Schiebering ist so ausgebildet, dass der Bund im Inneren des beweglichen Kupplungsteils freidrehend, von einem drehgesicherten, mit Federkraft beaufschlagten Anschlagring und einer axial abgesetzten Anschlagfläche des Schieberings, eng geführt wird. Die axiale Länge des Absatzes ist nur geringfügig größer als die Wandstärke des innen liegenden Ringförmigen Bundes des beweglichen Kupplungsteils. Hierdurch wird eine Klemmwirkung vermieden. Die in Öffnungsrichtung wirkende Feder F71 sichert die Offenposition der Kupplung ab. Die in Schließrichtung wirkende Feder F70 unterstützt den Schließvorgang der Kupplung, da in der Steuernut N70 auf der Schalttrommel ST ein Spurwechsel erfolgt. Wird die Haftreibung nur teilkompensiert, wird der Schiebering nebst Anlaufscheibe um 180 Grad gedreht eingebaut und die Feder F71 entfällt. Denn nun wird, durch die Axialkräfte unterstützt, die Kupplung K70 gegen die Federkraft der F70 geöffnet. Dies gilt in gleicher Weise auch bei den anderen Beispielen. 4a shows a preferred embodiment of a clutch K70 according to the invention that can be shifted under load. It is a block rotating clutch that connects or disconnects two rotating parts in a switching manner. It is, for example, the K70 clutch of a 10-speed hub gear from the patent application DE 10 2021 129 423.1 . This coupling is designed here according to the invention. The reference symbols used there are also used and supplemented here. The clutch K70 designed according to the invention in this system example connects the sun gear SR3 to the middle sleeve MH, which also serves as a partial bridge for the output-side part of the input transmission. The moving part of the coupling is guided inside the middle sleeve by means of a spline so that it can move axially and is secured against rotation. The axially fixed part of the clutch is housed in one piece on the output side of the axially narrow guided sun gear SR3. The moving part of the coupling has an annular collar on the inside, which is used as a contact surface for the sliding ring, which is guided on the main axis so that it can move axially and is secured against rotation. The sliding ring is designed in such a way that the collar is guided freely rotating inside the movable coupling part by a non-rotating stop ring that is spring-loaded and an axially offset stop face of the sliding ring. The axial length of the paragraph is only slightly greater than the wall thickness of the inner ring-shaped collar of the movable clutch part. This avoids a clamping effect. The spring F71 acting in the opening direction secures the open position of the clutch. The spring F70 acting in the closing direction supports the closing process of the clutch, since a lane change takes place in the control groove N70 on the shift drum ST. If the static friction is only partially compensated, the sliding ring together with the thrust washer is installed rotated by 180 degrees and the spring F71 is omitted. Because now, supported by the axial forces, the K70 clutch is opened against the spring force of the F70. This also applies in the same way to the other examples.

Bei der K70 können eine Schrägung der Steckverzahnung sowie der Kupplungsverzahnung kombiniert verwendet werden. Vorzugsweise wird hier die Kupplungsverzahnung schräg gestellt.With the K70, a slanted spline and the clutch spline can be used in combination. The clutch teeth are preferably positioned at an angle here.

Die Axialkräfte AS und AK (siehe jeweils 1e) unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x (ebenfalls in 1e dargestellt), sobald diese durch einen Aktuator 140 gesteuert wird.The axial forces A S and A K (see respectively 1e) support the opening of the axial clutch 100 in the opening direction x (also in 1e shown) as soon as this is controlled by an actuator 140.

4b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Abwicklung der Steuernut N70 auf der Schalttrommel ST und die Raststellungen KR der Schaltstellungen G1-G10 für den Fall der Unterkompensation. 4b shows a preferred embodiment of a development of the control groove N70 on the shift drum ST and the detent positions KR of the shift positions G1-G10 for the case of under-compensation.

4c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N70 für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation. Der Schaltfinger SF wird von beiden Flanken der Steuernut N70 eng geführt. 4c shows a preferred embodiment of a control groove N70 for the case of compensation or overcompensation. The shift finger SF is closely guided by both flanks of the control groove N70.

5a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer erfindungsgemäßen Kupplung K40 in einer isolierten und detaillierteren Darstellung bei Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte. In dieser Ausführungsform wird eine schrägverzahnte Steckverzahnung und/oder eine schräge Kupplungsverzahnung verwendet. 5a shows a preferred embodiment of an installation situation of a clutch K40 according to the invention in an isolated and more detailed representation with compensation or overcompensation of the axial forces. In this embodiment, a helical spline and/or a helical clutch spline is used.

Es ist eine Planetenstufe, deren Antrieb ein Planetenträger ist und der Abtrieb über ein Hohlrad erfolgt. Zum Gangwechsel wird ein Sonnenrad SR2 drehfest gesetzt oder freigegeben. Hierzu wird eine Mitlaufsperre benötigt. Beim Freigeben des Sonnenrades SR2 muss die Kupplung K40 unter Last geöffnet werden. Innerhalb des Sonnenrades SR2 wird zu diesem konzentrisch, mittels einer Steckverzahnung SST drehfest, axial verschiebbar der bewegliche Kupplungsteil geführt. Zur Unterstützung des Schaltvorgangs wird die Steckverzahnung SST mit einem Schrägungswinkel βS und/oder die Wirkflächen der Kupplungsverzahnung bezüglich einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse des Getriebes um den Winkel βK verdreht. Der drehfeste und axial festgesetzte Teil der Kupplung K40 ist mit der Hauptachse HA über eine Steckverzahnung SST verbunden. Die axiale Sicherung wird vorzugsweise, wie in 5a dargestellt, mittels Schrauben hergestellt, die in an die Schraube angepasste Bohrungen eingreift. Dargestellt in 5c ist die Ansteuerung der Axialkupplung für den Fall der Kompensation und Überkompensation der Reibkräfte. Die Ansteuerung der Kupplung K40 entspricht derjenigen der Kupplung K70. Für den Fall der Unterkompensation gilt auch hier das dort beschriebene.It is a planetary stage whose drive is a planetary carrier and the output is via a ring gear. To change gears, a sun gear SR2 is locked in rotation or released. A tracking lock is required for this. When releasing sun wheel SR2, clutch K40 must be opened under load. Within the sun gear SR2, the movable clutch part is guided concentrically to this, by means of a spline SST in a rotationally fixed, axially displaceable manner. To support the shifting process, the splines SST are rotated by the angle β K with a helix angle β S and/or the effective surfaces of the clutch teeth relative to an imaginary plane through the axis of rotation of the transmission. The non-rotatable and axially fixed part of the K40 clutch is connected to the main axle HA via a spline SST. The axial locking is preferred, as in 5a shown, made by means of screws, which engages in holes adapted to the screw. Shown in 5c is the control of the axial clutch for the case of compensation and overcompensation of the frictional forces. The control of clutch K40 corresponds to that of clutch K70. In the event of undercompensation, what is described there also applies here.

Die Axialkräfte AS und AK (siehe jeweils 1e) unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x (ebenfalls in 1e dargestellt), sobald diese durch einen Aktuator 140 gesteuert wird.The axial forces A S and A K (see respectively 1e) support the opening of the axial clutch 100 in the opening direction x (also in 1e shown) as soon as this is controlled by an actuator 140.

5b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Nut N40 für den Fall der Unterkompensation. 5b shows a preferred embodiment of a groove N40 for the case of undercompensation.

5c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Nut N40 für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation. 5c shows a preferred embodiment of a groove N40 for the case of compensation or overcompensation.

6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer Kupplung K90. 6 shows a preferred embodiment of an installation situation of a clutch K90.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für ein derartiges Getriebe ist in 6 schematisch dargestellt. Die dort gezeigte abtriebsseitige Kupplung K90 des Nachschaltgetriebes NSG ist über zwei kaskadierte Schaltfinger angesteuert, dessen einer in einer Nut N94 in der Schalttrommel ST Spielarm geführt ist und dessen zweiter die rotierende Abtriebshülse H durchsetzt und einen Kupplungsring 130 ansteuert. Zwei Federn F90 und F91 zentrieren die gestapelten Schaltfinger. Bei geschlossener Kupplung K90 wird das Abtriebsmoment von der abtriebsseitigen Seitenwand des Hohlrades HR auf die Abtriebshülse übertragen, das frei rotieren kann, da ein Sicherungsring SR dessen axiales Spiel auf der Abtriebshülse H festlegt.A preferred embodiment of the present invention for such a transmission is in 6 shown schematically. The output-side clutch K90 of the rear-mounted gearbox NSG shown there is controlled via two cascaded shift fingers, one of which is guided in a groove N94 in the shift drum ST with low play and the second of which passes through the rotating output sleeve H and a clutch ring 130 controls. Two springs F90 and F91 center the stacked shift fingers. When the K90 clutch is closed, the output torque is transferred from the output-side side wall of the ring gear HR to the output sleeve, which can rotate freely because a circlip SR fixes its axial play on the output sleeve H.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Axialkupplung 100 näher an einer Hauptachse platziert. Die Axialkupplung 100 liegt in einer rotierenden Hülse H. Eine zur Schalterleichterung genutzte Schrägverzahnung ist zwischen einem Planetenträger PT und einer abtriebsseitigen Kupplungshälfte angeordnet. An dieser greifen auch Schaltfinger SF sowie zentrierende Federn an. Eine Stapelung von Schaltfingern SF entfällt also, wodurch die Konstruktion und Fertigung erheblich vereinfacht wird.According to another preferred embodiment, an axial coupling 100 is placed closer to a main axis. The axial clutch 100 lies in a rotating sleeve H. Helical gearing used to lighten the switch is arranged between a planetary carrier PT and an output-side clutch half. Shift fingers SF and centering springs also act on this. Stacking of shift fingers SF is therefore not necessary, which considerably simplifies the design and manufacture.

Bei den Kupplungen in dem Getriebe gemäß der DE 10 2018 007 A1 sind in dem ausgangsseitigen Getriebeblock die Schaltkräfte einiger Kupplungen K50, K90 über mehrere Stufen den Schaltringen zugeführt, wobei mitlaufende Hülsen von Schaltelementen durchsetzt werden, sodass bei einer Schrägstellung der Getriebeverzahnung an den Schaltelementen schwer zu kontrollierende Axialkräfte auftreten oder zum Schalten erforderlich sind. Es sind deshalb dort nur geringe Schrägstellungen von wenigen Grad vorgesehen.At the clutches in the transmission according to the DE 10 2018 007 A1 the shifting forces of some K50, K90 clutches are fed to the shifting rings in several stages in the output-side transmission block, with shifting elements passing through sleeves that are moving along, so that axial forces that are difficult to control occur on the shifting elements if the gear toothing is inclined or are necessary for shifting. There are therefore only slight inclinations of a few degrees provided there.

Die Axialkräfte AS und AK (siehe jeweils 1e) unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x (ebenfalls in 1e dargestellt), sobald diese durch einen Aktuator 140 gesteuert wird.The axial forces A S and A K (see respectively 1e) support the opening of the axial clutch 100 in the opening direction x (also in 1e shown) as soon as this is controlled by an actuator 140.

7 zeigt einen Ausschnitt des Eingangsgetriebes EGG mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Axialkupplung 100. Die beiden symmetrischen Planetengetriebe mit den Planetenrädern PR2 und PR3 sind mit symbolisch dargestellten Schrägverzahnungen versehen. Die hierbei entstehenden Axialkräfte sind so gerichtet, wie die Pfeile an den Sonnenrädern SR2, SR3 und an den Hohlrädern HR2 und HR3 andeuten, nämlich in den Öffnungsrichtungen der erfindungsgemäßen Kupplungen K40, K50. Die Reaktionskräfte, die über die Planetenräder PR2, PR3 auf die miteinander verbundenen Hohlräder HR2 und HR3 wirken, kompensieren sich gegenseitig und halten sie zentriert aufeinander als ein sog. fliegendes Ringpaar. Den Öffnungskräften AS und AK entgegengerichtet sind Schließfedern F40, F50. Dadurch sind relativ moderate Schaltkräfte an den Schaltfingern, die jeweils in loser Passung in Steuernuten N40, N50 greifen, erforderlich, um auch bei hoher Getriebelast die Umschaltung der Axialkupplungen zu bewerkstelligen. 7 shows a section of the input transmission EGG with at least one axial clutch 100 according to the invention. The two symmetrical planetary transmissions with the planetary gears PR2 and PR3 are provided with helical gearings shown symbolically. The resulting axial forces are directed as indicated by the arrows on the sun gears SR2, SR3 and on the ring gears HR2 and HR3, namely in the opening directions of the clutches K40, K50 according to the invention. The reaction forces acting on the interconnected ring gears HR2 and HR3 via the planetary gears PR2, PR3 compensate each other and keep them centered on one another as a so-called flying ring pair. Closing springs F40, F50 oppose the opening forces A S and A K . As a result, relatively moderate shifting forces are required on the shift fingers, which each have a loose fit in control grooves N40, N50, in order to switch over the axial clutches even at high transmission loads.

Die Lösefedern F41, F51 sind so dimensioniert, dass die Schieberinge geöffnete Kupplungsstellungen sichern, auch wenn bei fehlender oder geringer Getriebelast keine Hilfskraft aus der Schrägverzahnung verfügbar ist.The release springs F41, F51 are dimensioned in such a way that the sliding rings secure the open clutch positions, even if no auxiliary force is available from the helical gearing when there is no or little gear load.

Es ist vorteilhaft, dass die Sonnenräder und der zugehörige Kupplungsring einteilig zu fertigen sind. In dem bezeichneten Hinterradgetriebe genügt ein Kupplungsweg zwischen dem Schließ- und Öffnungszustand von nur ca. 1,5 mm.It is advantageous for the sun gears and the associated clutch ring to be manufactured in one piece. In the designated rear wheel transmission, a clutch travel of only about 1.5 mm between the closed and open states is sufficient.

Bei 7 werden die Axialkräfte der Laufverzahnung und die der Kupplungsverzahnung genutzt. Lediglich die Kupplung K40 wird unter Last geöffnet. Die Kupplung K50 geht in den Freilaufmodus über, wenn die Kupplung K70, die Blockumlaufkupplung, geschlossen wird. Das Sonnenrad SR3 wird dann einfach in Drehrichtung mitgenommen. Deshalb könnte auf die Schrägung bei Kupplung K50 verzichtet werden. Die Ansteuerung bleibt dann so, wie diese in der 2 zu sehen ist. Hierdurch wird eine Ausgestaltung bereitgestellt, die es ermöglicht, bei schwierigen Platzverhältnissen gute Lösungen zu finden. In diesem Fall sind die Axialkräfte der Kupplung K50 unterkompensiert.at 7 the axial forces of the running teeth and those of the clutch teeth are used. Only clutch K40 is opened under load. Clutch K50 goes into freewheeling mode when clutch K70, the block rotating clutch, is closed. Sun gear SR3 then becomes simple carried along in the direction of rotation. For this reason, the bevel on the K50 clutch could be dispensed with. The control then remains as it is in the 2 you can see. This provides an embodiment that makes it possible to find good solutions when space is difficult. In this case, the axial forces of the K50 clutch are undercompensated.

Die Kupplung K40 arbeitet als Mitlaufsperre und die Kupplung K50 arbeitet als Rücklaufsperre.The K40 clutch works as a rotation lock and the K50 clutch works as a backstop.

Die Schrägverzahnung befindet sich in einer bevorzugten Ausführungsform einerseits auf den Laufverzahnungen und andererseits auch in der Kupplungsverzahnung. Dies liegt in der geometrischen und tribologischen Situation begründet, da auch nur die Kupplung K40 unter Last geschaltet werden muss. Bei einem angenommenen Wälzreibwert der Laufverzahnung von µL = 0,015, was einem Reibwinkel ρL von 0,86 Grad entspricht, bezogen auf einen Teilkreisradius rL von 25 mm, einem mittleren Teilkreisradius rK der Kupplungsverzahnung von 17,2 mm bei einem Reibwert µK von 0,12, was einem Reibungswinkel ρK von 6,84 Grad entspricht, ergeben sich die folgenden Auslegungsvarianten bei Kompensation der Reibkräfte gemäß dem erfinderischen Verfahren: β K = 0 = > β L = 10,9  Grad

Figure DE102022107915B3_0020
β K = ρ K = 6,84  Grad β L = ρ L = 0,86  Grad ,
Figure DE102022107915B3_0021
β K = 3  Grad = > β L = 6,44  Grad sowie
Figure DE102022107915B3_0022
β K = 5  Grad = > β L = 3,54  Grad .
Figure DE102022107915B3_0023
In a preferred embodiment, the helical gearing is located on the one hand on the running gears and on the other hand also in the clutch gearing. This is due to the geometric and tribological situation, since only the K40 clutch has to be switched under load. With an assumed rolling friction coefficient of the running teeth of µ L = 0.015, which corresponds to a friction angle ρ L of 0.86 degrees, based on a pitch circle radius r L of 25 mm, an average pitch circle radius r K of the clutch teeth of 17.2 mm with a friction coefficient µ K of 0.12, which corresponds to a friction angle ρ K of 6.84 degrees, the following design variants result when the frictional forces are compensated according to the inventive method: β K = 0 = > β L = 10.9 Degree
Figure DE102022107915B3_0020
β K = ρ K = 6.84 Degree , β L = ρ L = 0.86 Degree ,
Figure DE102022107915B3_0021
β K = 3 Degree = > β L = 6.44 degree as well
Figure DE102022107915B3_0022
β K = 5 Degree = > β L = 3.54 Degree .
Figure DE102022107915B3_0023

Man erkennt, dass die Summe der Reibungswinkel ρK und ρL nur bei einzeln auskompensierten Verzahnungen der tatsächlich notwendigen Winkelsumme entspricht.It can be seen that the sum of the friction angles ρ K and ρ L only corresponds to the angle sum that is actually required for individually compensated gearing.

Die Axialkraft AGES unterstützt das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x, sobald diese durch einen Aktuator 140 (siehe 1e) in Öffnungsrichtung x gesteuert wird.The axial force AGES supports the opening of the axial clutch 100 in the opening direction x as soon as it is actuated by an actuator 140 (see 1e) is controlled in the opening direction x.

Die 2 bis 7 zeigen eine Kupplungsbaugruppe oder Ausschnitte einer Kupplungsbaugruppe umfassend ein Planetengetriebe mit mindestens einer Axialkupplung 100 mit einem axial verschiebbaren Kupplungsring 130 zur Betätigung einer axial verzahnten Axialkupplung 100, die einerseits von einer Schließfeder 111, 111' mit einer Schließkraft beaufschlagt ist und zudem mit wenigstens einem Aktuator 140, umfassend wenigstens einen Schaltfinger eingreifend in eine partiell gewendelte Führungsnut einer Schalttrommel, so dass jeweils in vorgegebenen Verdrehstellungen derselben deren Nutenseitenwand eine Schaltkraft gegen die Schließkraft auf die Schaltfinger ausüben und dadurch die Axialkupplung 100 öffnet und somit einen anderen Schaltzustand der jeweiligen Getriebestufe herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung des Planetengetriebes als eine Schrägverzahnung so ausgebildet ist, dass dadurch unter einer Belastung auftretenden drehmomentabhängige Axialkräfte AGES in Öffnungsrichtung der Axialkupplung 100, umfassend die Kupplungen K40, K50 wirken, und die durch die zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen auftretende, einer Trennung der Axialkupplung 100 entgegen gerichtet wirkende, Haftreibung weitgehend kompensieren, wobei daraus resultierende an den Kupplungselementen auftretende Reaktionskräfte mit Stützelementen an benachbarten Getriebekomponenten abgefangen werden.the 2 until 7 show a clutch assembly or sections of a clutch assembly comprising a planetary gear with at least one axial clutch 100 with an axially displaceable clutch ring 130 for actuating an axially toothed axial clutch 100, which is subjected to a closing force by a closing spring 111, 111' and also has at least one actuator 140 , comprising at least one shift finger engaging in a partially coiled guide groove of a shift drum, so that in predetermined rotational positions of the same, the side wall of the groove exerts a shifting force against the closing force on the shift finger and thereby opens the axial clutch 100 and thus produces a different shift state of the respective gear stage, characterized that the gearing of the planetary gear is designed as a helical gearing so that torque-dependent axial forces AGES occurring under a load in the opening direction of the axial clutch 100, comprising the clutches K40, K50, and which largely compensate for the static friction occurring between the contacting clutch teeth and acting in the opposite direction to a separation of the axial clutch 100, with the resultant reaction forces occurring on the clutch elements being absorbed by support elements on adjacent transmission components.

Die Bezugszeichenliste bezieht sich auf die beigefügten Figuren.

100
Axialkupplung
110
beweglicher Kupplungsteil
111; 111'
Feder
112
wenigstens ein Zahn der Steckverzahnung
113
Steckverzahnung
114
Kupplungsverzahnung
120
Stirnrad
130
Kupplungsring
131
asymmetrische Zähne
132
steile Flanke der Kupplungsverzahnung
133
flache Rampe der Kupplungsverzahnung
140
Aktuator
200
erste Welle
220
zweite Welle
210
Rotationsachse
300
Schiebering mit Bund
600
Laufverzahnung
WP1
erste Wirkflächenpaarung
WP2
zweite Wirkflächenpaarung
MP1
erste Materialpaarung
MP2
zweite Materialpaarung
ps
Reibungswinkel Steckverzahnung
ρK
Reibungswinkel Kupplungsverzahnung
ρL
Reibungswinkel Laufverzahnung
βS
Schrägungswinkel von 113
βK
Schrägungswinkel von 114
βL
Schrägungswinkel von 600
β1
erster Schrägungswinkel
β2
zweiter Schrägungswinkel
β3
Schrägungswinkel von 133
µS
Reibungswert Steckverzahnung
µK
Reibungswert Kupplungsverzahnung
µL
Reibungswert Laufverzahnung
rS
Teilkreisradius Steckverzahnung
rK
mittlerer Teilkreisradius Kupplungsverzahnung
rL
Teilkreisradius Laufverzahnung
NS, NK
Normalkraft Steck-/Kupplungsverzahnung
RS, RK
Reibkraft Steck-/Kupplungsverzahnung
FS, FK
Tangentialkraft Steck-/Kupplungsverzahnung
AS, AK
axiale Komponente von NS, NK
AGES
Summe der durch Schrägstellung von Zahnrädern Erzeugten Axialkräfte
XS, XK
Effektive Axialkraft an Steck-/Kupplungsverzahnung
XGES
Summe der effektiven Axialkräfte
x,
Öffnungsrichtung
M1, M2
Drehmoment
M
Betrag des Drehmoments M1/M2
AH
Antriebshülse
HA
Hauptachse
MH
Mittelhülse
NH
Nabenhülse
ST
Schalttrommel
N20, N30, N40, N50, N60, N70, N80, N90, NSR, NHR
Steuernut(en)
L
Lager von MH
PT1-2, PT3/PT3-4, PT5
Planetenträger
ZL
Zwischenlager PT1-2 zu PT3-4
SR1 - SR5
Sonnenräder
PR1 - PR5
Planetenräder
HR2-3, HR5
Hohlräder
F5
Rückstellfeder
F40, F50
Schließfeder
F41, F51
Lösefeder
F70, F71
Feder
ASL
axiales Stützlager
ASE
axiales Stützelement
D5
Drehmomentübertrager
KR
Raststellungen
AS
Anlaufscheibe
IGH
Integrated Gear Hub
HR
Hohlrad
PR
Planetenrad
SR
Sonnenrad
EGG
Eingangsgetriebe
NSG
Nachschaltgetriebe
G1 ... G10
Schaltstellungen
K20, K30, K40
Kupplungen erstes Teilgetriebe
K50, (K60), K70, K80
Kupplungen zweites Teilgetriebe
KSR
Sonnenradkupplung im NSG
KHR
Hohlradkupplung im NSG
SST
schrägverzahnte Steckverzahnung
SF
Schaltfinger
K
Kulisse
H
Hülse
The list of reference numbers refers to the accompanying figures.
100
axial coupling
110
moving part of the clutch
111; 111'
Feather
112
at least one tooth of the spline
113
spline
114
clutch teeth
120
spur gear
130
clutch ring
131
asymmetrical teeth
132
steep flank of the clutch teeth
133
flat ramp of clutch teeth
140
actuator
200
first wave
220
second wave
210
axis of rotation
300
Sliding ring with collar
600
gear teeth
WP1
first effective surface pairing
WP2
second effective surface pairing
MP1
first material pairing
MP2
second material pairing
ps
Friction angle spline
ρK
Friction angle of clutch teeth
ρL
Friction angle of gear teeth
βS
helix angle of 113
βK
helix angle of 114
βL
Helix angle of 600
β1
first helix angle
β2
second helix angle
β3
helix angle of 133
µS
Friction value spline
µK
Coupling gear friction coefficient
µL
Friction value of gear teeth
rS
Pitch circle radius spline
rK
medium pitch circle radius clutch teeth
rL
Pitch circle radius running gear
NS, NK
Normal force plug-in/clutch teeth
RS, RK
Friction force plug-in/clutch gearing
FS, FK
Tangential force plug-in/clutch teeth
AS, AK
axial component of N S , N K
AGES
Sum of the axial forces generated by the skewing of gears
XS, XK
Effective axial force on plug-in/clutch splines
XGES
Sum of the effective axial forces
x,
opening direction
M1, M2
torque
M
Amount of torque M1/M2
AH
drive sleeve
HA
main axis
MH
center sleeve
NH
hub shell
ST
shift drum
N20, N30, N40, N50, N60, N70, N80, N90, NSR, NHR
control groove(s)
L
MH warehouse
PT1-2, PT3/PT3-4, PT5
planet carrier
ZL
Intermediate storage PT1-2 to PT3-4
SR1 - SR5
sun gears
PR1 - PR5
planet gears
HR2-3, HR5
ring gears
F5
return spring
F40, F50
closing spring
F41, F51
release spring
F70, F71
Feather
ASL
axial support bearing
ASE
axial support element
D5
torque transmitter
KR
detent positions
AS
thrust washer
ICJ
Integrated gear hub
MR
ring gear
PR
planet wheel
SR
sun gear
EGG
input gear
NSG
secondary gearbox
G1...G10
switching positions
K20, K30, K40
Couplings first partial transmission
K50, (K60), K70, K80
Couplings second partial transmission
KSR
Sun gear clutch in the NSG
KHR
Ring gear clutch in the NSG
SST
helical splines
SF
shift finger
K
backdrop
H
sleeve

Figure DE102022107915B3_0024
Figure DE102022107915B3_0025
Figure DE102022107915B3_0024
Figure DE102022107915B3_0025

Claims (15)

Axialkupplung (100) mit einer ersten Welle (200) und mit einer zweiten Welle (220), welche gesteuert durch einen Aktuator (140) kuppelbar und entkuppelbar ist, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung (WP1) mit einem ersten Schrägungswinkel (β1) und eine zweite Wirkflächenpaarung (WP2) mit einem zweiten Schrägungswinkel (β2), wobei der erste Schrägungswinkel (β1) einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse (210) und der zweite Schrägungswinkel (β2) einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse (210) umfasst und die Summe der Schrägungswinkel (β1) plus (β2), über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft (AGES) erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung (100) unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst.Axial clutch (100) with a first shaft (200) and with a second shaft (220), which can be coupled and uncoupled controlled by an actuator (140), comprising a first pair of active surfaces (WP1) with a first helix angle (β 1 ) and a second effective surface pairing (WP2) with a second helix angle (β 2 ), the first helix angle (β 1 ) an angular range of 0 degrees to 30 degrees relative to an imaginary plane through a rotation axis (210) and the second helix angle (β 2 ) an angular range from 0 degrees to 30 degrees relative to an imaginary plane through an axis of rotation (210) and the sum of the helix angles (β 1 ) plus (β 2 ) via which a torque-dependent axial force (A GES ) can be generated and which the uncoupling process of the axial clutch ( 100) supported under load, covers an angle range of 3 degrees to 35 degrees. Axialkupplung (100) nach Anspruch 1 wobei die erste Wirkflächenpaarung (WP1) eine Steckverzahnung (113) mit wenigstens einem Zahn (112) umfasst und der erste Schrägungswinkel (β1) einen Schrägungswinkel (βS) umfasst und die zweite Wirkflächenpaarung (WP2) eine Kupplungsverzahnung (114) umfasst und der zweite Schrägungswinkel (β2) einen Schrägungswinkel (βK) umfasst.Axial coupling (100) after claim 1 wherein the first pair of active surfaces (WP1) comprises a spline (113) with at least one tooth (112) and the first helix angle (β 1 ) comprises a helix angle (β S ) and the second pair of active surfaces (WP2) comprises a coupling tooth system (114) and the second helix angle (β 2 ) comprises a helix angle (β K ). Axialkupplung (100) nach Anspruch 2, wobei ein Kupplungsring (130) der Kupplungsverzahnung (114) eine asymmetrische Verzahnung (131) mit wenigstens einem Zahn (112) aufweist, umfassend eine Flanke (132), den Winkel (βK) aufweist.Axial coupling (100) after claim 2 , wherein a coupling ring (130) of the coupling toothing (114) has an asymmetrical toothing (131) with at least one tooth (112), comprising a flank (132) having the angle (β K ). Axialkupplung (100) nach Anspruch 3, wobei der Kupplungsring (130) durch einen Aktuator (140) in einer Öffnungsrichtung x steuerbar ausgebildet ist, wobei die Axialkraft (AGES) das Öffnen der Axialkupplung (100) in Öffnungsrichtung x, unterstützt.Axial coupling (100) after claim 3 , wherein the coupling ring (130) is designed to be controllable by an actuator (140) in an opening direction x, the axial force (A GES ) supporting the opening of the axial coupling (100) in the opening direction x. Axialkupplung (100) nach Anspruch 1 wobei die erste Wirkflächenpaarung (WP1) eine Steckverzahnung (113) mit wenigstens einem Zahn (112) umfasst und der erste Schrägungswinkel (β1) einen Schrägungswinkel (βS) umfasst und die zweite Wirkflächenpaarung (WP2) eine Laufverzahnung (600) umfasst und der zweite Schrägungswinkel (β2) einen Schrägungswinkel (βL) umfasstAxial coupling (100) after claim 1 wherein the first pair of active surfaces (WP1) comprises a spline (113) with at least one tooth (112) and the first helix angle (β 1 ) comprises a helix angle (β S ) and the second pair of active surfaces (WP2) comprises a running gear (600) and the second helix angle (β 2 ) comprises a helix angle (β L ). Axialkupplung (100) nach Anspruch 1 wobei die erste Wirkflächenpaarung (WP1) eine Kupplungsverzahnung (114) mit wenigstens einem Zahn (112) umfasst, und der erste Schrägungswinkel (β1) einen Schrägungswinkel (βK) umfasst und die zweite Wirkflächenpaarung (WP2) eine Laufverzahnung (600) umfasst und der zweite Schrägungswinkel (β2) einen Schrägungswinkel (βL) umfasstAxial coupling (100) after claim 1 wherein the first pair of active surfaces (WP1) comprises a clutch tooth system (114) with at least one tooth (112), and the first helix angle (β 1 ) comprises a helix angle (β K ) and the second pair of active surfaces (WP2) comprises a running tooth system (600) and the second helix angle (β 2 ) comprises a helix angle (β L ). Axialkupplung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Materialpaarung (MP1) der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und die zweite Materialpaarung (MP2) der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) eine der Materialpaarungen aus Stahl, Bronze, Berylliumkupfer, Aluminium, Aluminiummehrstoffbronze, Keramik, Carbon oder Carbonfasern einzeln oder in Kombination umfasst, um ein sicheres Entkuppeln zu gewährleisten.Axial clutch (100) according to one of the preceding claims, wherein the first pair of materials (MP1) of the first pair of active surfaces (WP1) and the second pair of materials (MP2) of the second pair of active surfaces (WP2) one of the material pairs of steel, bronze, beryllium copper, aluminum, aluminum multi-component bronze, Ceramic, carbon or carbon fibers included individually or in combination to ensure safe decoupling. Kupplungsbaugruppe umfassend ein Planetengetriebe mit mindestens einer Axialkupplung (100) mit einem axial verschiebbaren Kupplungsring (130) zur Betätigung einer axial verzahnten Axialkupplung (100), die einerseits von einer Schließfeder (111, 111') mit einer Schließkraft beaufschlagt ist und zudem mit wenigstens einem Aktuator (140), umfassend wenigstens einen Schaltfinger eingreifend in eine partiell gewendelte Führungsnut einer Schalttrommel, so dass jeweils in vorgegebenen Verdrehstellungen derselben deren Nutenseitenwand eine Schaltkraft gegen die Schließkraft auf die Schaltfinger ausüben und dadurch die Axialkupplung (100) öffnet und somit einen anderen Schaltzustand der jeweiligen Getriebestufe herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung des Planetengetriebes als eine Schrägverzahnung so ausgebildet ist, dass dadurch unter einer Belastung auftretenden drehmomentabhängige Axialkräfte (AGES) in Öffnungsrichtung der Axialkupplung (100), umfassend die Kupplungen (K40, K50), wirken, und die durch die zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen auftretende, einer Trennung der Axialkupplung (100) entgegen gerichtet wirkende, Haftreibung weitgehend kompensieren, wobei daraus resultierende an den Kupplungselementen auftretende Reaktionskräfte mit Stützelementen an benachbarten Getriebekomponenten abgefangen werden.Clutch assembly comprising a planetary gear with at least one axial clutch (100) with an axially displaceable clutch ring (130) for actuating an axially toothed axial clutch (100), which is acted upon on the one hand by a closing spring (111, 111') with a closing force and also with at least one Actuator (140), comprising at least one shift finger engaging in a partially coiled guide groove of a shift drum, so that in predetermined rotational positions of the same, its groove side wall exerts a shifting force against the closing force on the shift finger, thereby opening the axial clutch (100) and thus changing the shifting state of the produce the respective gear stage, characterized in that the gearing of the planetary gearing is designed as helical gearing in such a way that torque-dependent axial forces (A GES ) occurring under a load are thereby transmitted in the opening direction of the axial clutch (100), comprising the clutches (K40 , K50), and which are largely compensated by the static friction occurring between the contacting clutch teeth and acting in the opposite direction to a separation of the axial clutch (100), with the resultant reaction forces occurring on the clutch elements being absorbed by support elements on adjacent transmission components. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Sonnenräder (SR2, SR3) zweier spiegelbildlich benachbart angeordneter schrägverzahnter Planetengetriebe, die durch Kupplungen (K40, K50) mit einer Hauptachse (HA) verbunden oder von dieser gelöst werden, wobei die jeweils auftretenden Reaktionskräfte der Sonnenräder, die auf die zugehörigen Planetenräder (PR2, PR3) übertragen werden und von diesen an die zugehörigen Hohlräder (HR2-3) weitergeleitet werden, durch deren Zusammenschluss gegenseitig abgefangen werden.Clutch assembly comprising a planetary gear according to claim 8 , characterized in that sun gears (SR2, SR3) of two mirror-inverted, adjacent helical planetary gears which are connected to or released from a main axle (HA) by clutches (K40, K50), the reaction forces occurring in each case on the sun gears, which are the associated Planetary gears (PR2, PR3) are transmitted and forwarded by them to the associated ring gears (HR2-3), which are intercepted by the combination of each other. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsringe jeweils mit der Kupplung (K40, K50) verbunden sind.Clutch assembly comprising a planetary gear according to claim 8 , characterized in that the clutch rings are each connected to the clutch (K40, K50). Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägverzahnung eine Laufverzahnung ist, deren Schrägungswinkel zwischen 5 Grad und 12 Grad liegt.Clutch assembly, comprising a planetary gear according to one of Claims 8 until 10 , characterized in that the helical gearing is a running gear whose helix angle is between 5 degrees and 12 degrees. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägverzahnung eine Steckverzahnung ist und das Hohlrad mit einem Stützlager an der Nabenhülse und darüber an dem Getriebegehäuse abgestützt ist.Clutch assembly comprising a planetary gear according to claim 8 , characterized in that the helical gearing is a spline and the ring gear is supported with a support bearing on the hub sleeve and above it on the gear housing. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltfinger, der in der Nut (N60/N80) toleranzarm in der Steuertrommel (ST) geführt ist, auf der Hauptachse (HA) beidseitig axial zwischen zwei Federn, die jeweils axial endseitig mit Stützscheiben auf der Hauptachse festgelegt sind, zentriert gehalten ist, ein zum Planetenträger (PT) hin schrägverzahntes Sonnenrad axial verschieblich ansteuert, das einen Kupplungsring trägt, dessen Pedant an der drehbaren Hülse (H) axial festgelegt ist und die zu schaltende Kupplung (K60, K80) bildet.Clutch assembly comprising a planetary gear according to claim 8 , characterized in that the shift finger, which is guided in the groove (N60/N80) with low tolerances in the control drum (ST), on the main axle (HA) on both sides axially between two springs, which are fixed on the main axle at the axial ends with support washers , is kept centered, drives a sun gear with helical teeth towards the planet carrier (PT) in an axially displaceable manner, which carries a clutch ring whose pedant is fixed axially to the rotatable sleeve (H) and forms the clutch (K60, K80) to be switched. Verfahren zur Dimensionierung der Axialkupplung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche in folgenden Schritten: • Bestimmung eines Reibungskoeffizienten (µ1) zwischen dem an einer ersten Materialpaarung (MP1) beteiligten Wirkflächenpaar (WP1) und eines Reibungskoeffizienten (µ2) zwischen dem an einer zweiten Materialpaarung (MP2) beteiligten Wirkflächenpaar (WP2) mittels üblicher Verfahren am Objekt und/oder aus einer Tabelle mit Materialeigenschaften entnommen. • Bestimmung eines wirksamen Teilkreisradius (r1) der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und eines wirksamen Teilkreisradius (r2) der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) aus den Konstruktionsdaten. • Bestimmung oder Festlegung eines ersten Schrägungswinkels (β1) der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und eines zweiten Schrägungswinkels (β2) der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) aus solchen Konstruktionsdaten, die lastunabhängig sind, nämlich den Reibungskoeffizienten der ersten Materialpaarung (MP1) und der zweiten Materialpaarung (MP2) (µ1) und (µ2), den Teilkreisradien der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) (r1) und (r2), wobei sich z. B. im Falle vollständiger Kompensation der Reibkräfte der Winkel (β2) als Funktion von (β1) bestimmen lässt: β 2 = 2 * arctan ( [ a*b+ ( ( a 2 + 1 ) * ( b 2 + 1 ) ) 1 / 2 1 ] / [ a + b ] )
Figure DE102022107915B3_0026
mit: a = μ 2
Figure DE102022107915B3_0027
b = r 2 / r 1 * [ sin ( β 1 ) μ 1 * cos ( β 1 ) ] / [ cos ( β 1 ) + μ 1 * sin ( β 1 ) ] .
Figure DE102022107915B3_0028
Method for dimensioning the axial clutch according to one of the preceding claims in the following steps: • Determination of a coefficient of friction (µ 1 ) between the active surface pair (WP1) involved in a first pair of materials (MP1) and a coefficient of friction (µ 2 ) between the pair of active surfaces in a second pair of materials ( MP2) participating effective surface pair (WP2) by means of conventional methods on the object and / or taken from a table with material properties. • Determination of an effective pitch circle radius (r 1 ) of the first effective surface pairing (WP1) and an effective pitch circle radius (r 2 ) of the second effective surface pairing (WP2) from the design data. • Determination or specification of a first helix angle (β 1 ) of the first pair of active surfaces (WP1) and a second helix angle (β 2 ) of the second pair of active surfaces (WP2) from such design data that are load-independent, namely the coefficient of friction of the first pair of materials (MP1) and the second pair of materials (MP2) (μ 1 ) and (μ 2 ), the pitch circle radii of the first pair of effective surfaces (WP1) and the second pair of effective surfaces (WP2) (r 1 ) and (r 2 ), where z. B. in the case of complete compensation of the frictional forces, the angle (β 2 ) can be determined as a function of (β 1 ): β 2 = 2 * arctan ( [ a*b+ ( ( a 2 + 1 ) * ( b 2 + 1 ) ) 1 / 2 1 ] / [ a + b ] )
Figure DE102022107915B3_0026
With: a = µ 2
Figure DE102022107915B3_0027
b = right 2 / right 1 * [ sin ( β 1 ) µ 1 * cos ( β 1 ) ] / [ cos ( β 1 ) + µ 1 * sin ( β 1 ) ] .
Figure DE102022107915B3_0028
Verfahren zur Dimensionierung der Axialkupplung gemäß Anspruch 14, aufweisend eine Näherung für Winkel bis zu 30° mit: β 2 = ρ 2 = ( r 2 / r 1 ) * ( β 1 ρ 1 )
Figure DE102022107915B3_0029
und mit: ρ i = arctan ( μ i ) .
Figure DE102022107915B3_0030
Procedure for dimensioning the axial coupling according to Claim 14 , having an approximation for angles up to 30° with: β 2 = ρ 2 = ( right 2 / right 1 ) * ( β 1 ρ 1 )
Figure DE102022107915B3_0029
and with: ρ i = arctan ( µ i ) .
Figure DE102022107915B3_0030
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