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
Aus der
Eine Schaltvorrichtung und einen Fahrzeugantriebsstrang sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und eines Fahrzeugantriebsstranges ist aus der
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
Die Lösung besteht darin, dass die Verzahnung, insbesondere
- a) eine Kupplungsverzahnung und eine Steckverzahnung oder
- b) eine Kupplungsverzahnung und eine Laufverzahnung der Stirnräder oder
- c) eine Steckverzahnung und eine Laufverzahnung der Stirnräder
- a) a clutch spline and a spline or
- b) a clutch toothing and a running toothing of the spur gears or
- c) a spline and a running gear of the spur gears
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
- 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
- b) einer schrägverzahnten Laufverzahnung mit einem Schrägungswinkel βL oder
- c) einer schrägverzahnten Steckverzahnung mit einem Schrägungswinkel βS erzeugt.
- 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
- b) a helical running gear with a helix angle β L or
- 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:
- • 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 :
Eine hinreichend gute Näherung für Winkel bis zu 30° ergibt sich durch:
Eine einfache Lösung besteht darin, die Reibkräfte einzeln auszukompensieren, d. h.:
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
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
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
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
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
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
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
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
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in
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
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
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
Der drehfeste und axial festgesetzte Teil der Axialkupplung ist vorzugsweise mit der Hauptachse HA über eine Steckverzahnung verbunden. Die axiale Sicherung wird wie in
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 aus1c 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 aus1b , ergänzt durch einen Kräfteplan bei einem Drehmoment, welches das Sonnenrad von links betrachtet im Uhrzeigersinn drehen möchte, -
2 : den schematischen Getriebeschnitt einer Hinterradnabe aus derDE 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.
-
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 off1c 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 assembly1b , 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 theDE 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.
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
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
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
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
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
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
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
Die Axialkräfte AS und AK unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x, sobald diese durch einen Aktuator 140 (siehe
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
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
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
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
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
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:
Unter Verwendung der Gleichungen /1/ und /2/ lässt sich folgende Relation herleiten:
Die anliegende Tangentialkraft Fi hängt vom anliegenden Drehmoment, sowie dem wirksamen Teilkreisradius der Verzahnung ab:
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:
Unter Verwendung der Gleichungen /1/ bis /5/ lässt sich die Axialkraft Xi zu
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:
Erfindungsgemäß soll im Falle vollständiger Kompensation der Reibkräfte die Summe der Axialkräfte gleich null sein, also XGES = 0. Daraus folgt:
βK ist somit abhängig von βS, wobei eine Lösung gefunden werden kann durch:
Empirisch konnte für übliche Schrägungswinkel eine hinreichend gute Näherung ermittelt werden, gegeben durch:
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.
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.
In
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
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
Die Axialkräfte AS und AK (siehe jeweils
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für ein derartiges Getriebe ist in
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
Bei den Kupplungen in dem Getriebe gemäß der
Die Axialkräfte AS und AK (siehe jeweils
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
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:
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
Die
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
- 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
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- SF
- shift finger
- K
- backdrop
- H
- sleeve
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