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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung,
die in einer automatischen Kraftübertragungseinrichtung vorgesehen
ist, um einen Synchronisationsmechanismus zu betätigen, der zwei rotierende
Körper
miteinander synchronisiert und miteinender koppelt.
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Eine Einheit in einer automatischen
Kraftübertragungseinrichtung,
z. B. ein Getriebe, verwendet herkömmlich einen Synchronisationsmechanismus,
der die Drehzahl eines Zwischenzahnrads auf die Drehzahl einer Welle
synchronisiert. Der Synchronisationsmechanismus umfaßt eine
Hülse,
die drehfest an der Welle in Eingriff ist, und einen Synchronisationsring,
der durch eine longitudinale Bewegung der Hülse längs der Welle an einer konischen Oberfläche des
Zwischenzahnrads in einen Reibkontakt gebracht wird. Eine Operation
zur Drehzahländerung
umfaßt
die Betätigung
einer Schaltgabelwelle, um die Hülse
zu bewegen, die an einer Schaltgabel am vorderen Ende der Schaltgabelwelle
in Eingriff ist.
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In einem automatisierten manuellen
Getriebe (das nachfolgend mit AMT bezeichnet wird) wird eine Huboperation
der Schaltgabelwelle unter Verwendung eines Aktuators ausgeführt. Ein
bekannter herkömmlicher
Aktuator ist eine motorgetriebene Drehzahländerungseinrichtung, die die
Drehzahl eines Elektromotors untersetzt, um die Schaltgabelwelle
anzutreiben, wie aus
JP
2001-141047-A , Seite 4 und
2,
bekannt ist.
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Bei der herkömmlichen Drehzahländerungseinrichtung
muß die
Betätigungskraft
zur Gabelverschiebung verstärkt
werden, indem das Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes
vergrößert wird,
um die Verschiebeoperation mit einer ausreichend großen Kraft
auszuführen.
Insbesondere während
der Operation zum Eingriff des Zahnrads ist eine große Betätigungskraft
zur Gabelverschiebung an einem Druckpunkt erforderlich, an der der
Synchronisationsring gegen das Zwischenzahnrad gedrückt wird,
um die Drehzahl des Zwischenzahnrads auf die Drehzahl der Welle
zu synchronisieren. Ein großes
Untersetzungsverhältnis
des Untersetzungsgetriebes hat jedoch eine geringere Betätigungsgeschwindigkeit
der Schaltgabel zur Folge, wodurch eine längere Zeit zur Beendigung der
Schaltoperation benötigt
wird. Um eine benötigte
Betätigungskraft zur
Gabelverschiebung zu erzeugen und um die Schaltoperation in einer
zulässigen
Zeitperiode abzuschließen,
ist die Vergrößerung der
Ausgangsleistung des Elektromotors selbst erforderlich. Das wiederum
vergrößert die
Abmessung der Drehzahländerungseinrichtung.
In heutigen Kraftfahrzeugen tritt das ein Problem auf, daß eine längere Zeit
benötigt wird,
um den Schaltvorgang abzuschließen
(wodurch sich der Fahrkomfort und die Sicherheit verschlechtern),
ferner entsteht das Problem der vergrößerten Abmessungen (schlechtere
Montagemöglichkeit
im vorhandenen Motorraum).
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Drehzahländerungseinrichtung
zu schaffen, die eine Schaltgabel-Betätigungskraft mit einem Motor
mit kleiner Ausgangsleistung erzeugt, die ausreichend groß ist, um
die Schaltoperation in einer kurzen Zeitperiode abzuschließen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Betätigungsvorrichtung
eines Synchronisationsmechanismus nach Anspruch 1. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Für
die Lösung
dieser Aufgabe kann die Erfindung eine Drehzahländerungseinrichtung schaffen,
die enthält:
elektrisch steuerbare Antriebsmittel; einen Übertragungsweg zum Übertragen
eines Ausgangs der Antriebsmittel in eine Betätigungsrichtung einer Schaltgabel;
und/oder ein oder mehrere Untersetzungsgetriebe, die im Übertragungsweg
installiert sind; wobei das Untersetzungsgetriebe eine Änderung
des Untersetzungsverhältnisses
besitzt, die einer Verschiebung der Schaltgabel entspricht, derart, daß ein Untersetzungsverhältnis dann,
wenn die Schaltgabel an einem Druckpunkt angeordnet ist, größer ist
als dann, wenn sie an einer Schaltoperation-Anfangsposition (Leerlaufposition)
oder an einer Schaltoperation-Endposition (Getriebeeingriffposition)
angeordnet ist. Der Druckpunkt kann einen Punkt bezeichnen, an dem
der Synchronisationsring im Getriebe gegen einen konischen Abschnitt
des Zwischenzahnrads gedrückt
wird, um durch Reibung ein synchrones Drehmoment zu erzeugen und dadurch eine
Synchronisation der Rotation von Zwischenzahnrad und Welle zu schaffen.
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Das Untersetzungsgetriebe kann zwei
oder mehr Zahnradpaare mit unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen
besitzen, die auf einer Antriebswelle und auf einer angetriebenen
Welle angebracht sind. Diese Paare sind so angeordnet, daß sie nicht gleichzeitig
in Eingriff gelangen und das in Eingriff befindliche Zahnradpaar
gemäß der Drehposition
der Zahnräder
verschoben wird.
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Das Untersetzungsgetriebe kann zwei
oder mehr Ritzelräder
mit unterschiedlichen Rollkreisradien und zwei oder mehr Zahnstangen,
die an den Ritzelrädern
in Eingriff sind, besitzen, wobei die Ritzelräder an der Antriebswelle und
die Zahnstangen an der angetriebenen Welle angebracht sind. Diese Paare
aus Zahnstange und Ritzel sind so angeordnet, daß sie nicht gleichzeitig in
Eingriff gelangen und das in Eingriff befindliche Paar aus Zahnstange
und Ritzel gemäß der Drehposition
des Ritzelgetriebes verschoben wird.
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Das Untersetzungsgetriebe kann Zahnräder mit
Betätigungsgliedern
aufweisen. Die Zahnräder gelangen
nicht an allen Segmenten in Eingriff und in einem Segment, an dem
die Zahnräder
nicht in Eingriff gelangen, gelangen die Betätigungsglieder in Eingriff
und ändern
somit das Übersetzungsverhältnis gemäß dem Drehwinkel
des Zahnrads.
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Das Untersetzungsgetriebe kann exzentrische
Zahnräder
aufweisen, die so angeordnet sind, daß sich das Übersetzungsverhältnis gemäß dem Drehwinkel
der Zahnräder ändert.
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Energiespeichermittel (z. B. eine
Feder) können
in dem Kraftübertragungsweg
von den Antriebsmitteln zur Schaltgabel vorgesehen sein. Alternativ kann
die Betätigungsvorrichtung
selbst elastisch unterstützt
sein.
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In dem Kraftübertragungsweg von den Antriebsmitteln
zur Schaltgabel kann ein Freiraum vorgesehen sein, so daß sich das
Untersetzungsverhältnis
in bezug auf die Verschiebung der Schaltgabel zwischen dem eingerückten Betrieb
des Getriebes und dem ausgerückten
Betrieb des Getriebes unterscheidet. Die Betätigungsvorrichtung selbst kann
mit einem Spiel angebracht sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen,
die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführung des Getriebes, in dem
eine erfindungsgemäße Drehzahländerungseinrichtung
enthalten ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines Synchronisationsmechanismus des Getriebes
und seiner zugehörigen
Teile;
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3 einen
Blockschaltplan einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Drehzahländerungseinrichtung;
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4 eine
schematische Darstellung einer einfachen Konstruktion eines Untersetzungsgetriebes
der Erfindung;
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5 eine
graphische Darstellung eines Beispiels eines Signalverlaufs des
Untersetzungsgetriebes der Erfindung;
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6 bis 8 graphische Darstellungen
weiterer Beispiele von Signalverläufen des Untersetzungsgetriebes
der Erfindung;
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9 bis 13 schematische Darstellungen einfacher
Konstruktionen eines Untersetzungsgetriebes der Erfindung; und
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14 eine
schematische Darstellung eines Synchronisationsmechanismus des Getriebes
und seiner zugehörigen
Teile.
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Es wird nun eine Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Mehrganggetriebe besitzen im allgemeinen einen Wählmechanismus, um eine Schaltgabel
zu wählen,
die die Drehzahländerungseinrichtung
betätigt.
Zur Einfachheit wird diese Ausführungsform
als ein Zweigang-Getriebe beschrieben, wobei der Wahlmechanismus
weggelassen ist.
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1 zeigt
eine beispielhafte Konstruktion eines Getriebes, das die Drehzahländerungseinrichtung
dieser Erfindung verwendet. Der Motor 1 besitzt eine elektronisch
gesteuerte Drossel 2 zum Einstellen des Motordrehmoments
und einen Umdrehungssensor 3 zum Messen der Drehzahl des
Motors 1. Zwischen einer Abtriebswele 4 des Motors 1 und
einer Antriebswelle 6 eines Getriebes 50 ist eine
Kupplung 5 vorgesehen, damit das Drehmoment des Motors 1 an
die Antriebswelle 6 übertragen
werden kann. Die Kupplung 5 ist vom Trocken-Einscheibentyp
und ihre Eingriffskraft wird durch einen Aktuator 32 unter
Verwendung eines Elektromotors oder eines hydraulischen Kolbens
gesteuert. Das Einstellen der Eingriffskraft der Kupplung 5 ermöglicht oder
unterbricht die Leistungsübertragung
von der Abtriebswelle 4 des Motors 1 zur Antriebswelle 6.
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Ein Antriebswellen-Antriebszahnrad 6a,
das an der Antriebswelle 6 befestigt ist, ist an einem
angetriebenen Vorgelegezahnrad 7a in Eingriff, das an einer
Vorgelegewelle 7 befestigt ist. An der Vorgelegewelle 7 sind
Vorgelegezahnräder 9a, 9b befestigt. Zwischenzahnräder 10a, 10b sind
drehbar an einer Hauptwelle 8 angebracht, die parallel
zur Vorgelegewelle 7 angeordnet ist. Das Drehmoment des
Motors, das an die Antriebswelle 6 übertragen wird, wird durch
die Vorgelegezahnräder 9a bzw. 9b auf
die Zwischenzahnräder 10a, 10b übertragen.
Die Zwischenzahnräder 10a, 10b sind
durch einen Synchronisationsmechanismus 11, der an der
Hauptwelle 8 befestigt ist, wahlweise mit der Hauptwelle 8 verbunden
oder von dieser getrennt. Das Drehmoment, das von der Antriebswelle 6 an
die Hauptwelle 8 geliefert wird, wird durch ein Differentialgetriebe 33 und
eine Achswelle 34 an einen Reifen 35 übertragen.
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2 zeigt
den Synchronisationsmechanismus 11 und seine zugehörigen Komponenten.
Der Synchronisationsmechanismus 11 umfaßt einen Kegelabschnitt 101a des
Zwischenzahnrads 10a, eine Hülse 15, einen Synchronisationskeil 16 und
einen Synchronisationsring 17. Die Hülse 15 ist drehbar
an einer Schaltgabel 12 in Eingriff, die mit einer Schaltgabelwelle 13 verbunden
ist. Die Schaltgabelwelle 13 kann lediglich in der Längsrichtung
der Welle betätigt werden.
Durch Betätigung
der Schaltgabelwelle 13 können die Schaltgabel 12 und
die Hülse 15 angetrieben
werden.
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3 ist
ein Blockschaltplan einer Drehzahländerungseinrichtung
20.
Eine elektrische Antriebsvorrichtung 51, die ein Drehmoment
abgibt (z. B. ein Motor), wird durch eine Steuereinheit 22 gesteuert. Das
von der Antriebsvorrichtung 51 abgegebene Drehmoment wird
durch ein Untersetzungsgetriebe 52 verstärkt und
wird weiter an ein Untersetzungsgetriebe 53 übertragen,
dessen Untersetzungsverhältnis
gemäß einer
Verschiebung der Schaltgabel geändert
wird. Das übertragene
Drehmoment wird über die
Drehzahlverringerung durch das Untersetzungsgetriebe 53 weiter
verstärkt,
bevor es an eine Übertragungsvorrichtung 54 übertragen
wird, die ein Übertrager
oder ein Umsetzungsmechanismus ist, der das empfangene Drehmoment
in eine Betätigungskraft
umwandelt, die in der Bewegungsrichtung der Schaltgabelwelle 13 wirkt.
Die auf diese Weise erzeugte Betätigungskraft
wird über
die Schaltgabelwelle 13 an die Schaltgabel 12 übertragen.
In der Nähe
der Drehzahländerungseinrichtung
ist ein Sensor 55 installiert, der eine Hubverschiebung
oder eine Geschwindigkeit der Schaltgabel oder der Drehzahländerungseinrichtung
erfaßt.
Der Sensor 55 liefert ein erfaßtes Signal an die elektrisch
angeschlossene Steuereinheit 22, die die Antriebsvorrichtung 51 steuert.
Ein Nacheinstellmechanismus kann irgendwo zwischen der Antriebsvorrichtung 51 und
der Schaltgabelwelle 13 eingesetzt sein, damit die Änderungsposition
des Untersetzungsverhältnisses
später
eingestellt werden kann. Dabei kann die Antriebsvorrichtung 51 z.
B. einen Elektromotor verwenden und das Untersetzungsgetriebe 52 kann
einen Planetengetriebemechanismus verwenden.
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Die Übertragungsvorrichtung 54 kann
z. B. einen Mechanismus aus Zahnstange und Ritzel oder einen Hebelmechanismus,
der die Drehbewegung in eine lineare Bewegung umsetzt, verwenden.
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4 zeigt
eine beispielhafte Konstruktion des Untersetzungsgetrie bes 53,
dessen Untersetzungsverhältnis
mit der Verschiebung der Schaltgabel geändert wird. Eine perspektivische
Ansicht des Untersetzungsgetriebes 53 ist in 4A gezeigt, eine Vorderansicht
ist in 4B, eine Seitenansicht ist
in 4C und eine Rückansicht
ist in 4D gezeigt. 4a veranschaulicht ein Doppelgetriebe
mit zwei Zahnradpaaren mit unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen,
wobei sich ein Paar 58, 59 an einer Antriebswelle 56 und
ein Paar an einer angetriebenen Welle 57 befindet. Diese
Zahnräder
besitzen Segmente, an denen ineinandergreifende Zahnräder nicht
in Eingriff gelangen und diese beiden Paare sind so angeordnet,
daß sie
in einem Operationsbereich nicht gleichzeitig in Eingriff gelangen.
Die Antriebsvorrichtung 51 wird so angeregt, daß sie die
Antriebswelle 56 über
das Untersetzungsgetriebe 52 dreht. Wenn die Antriebswelle 56 in
einem bestimmten Bereich des Drehwinkels ist, ist ein Zahnradpaar (z.
B. die ineinandergreifenden Zahnräder 58, 59)
in Eingriff, um das Drehmoment der Antriebswelle 56 an die
angetriebene Welle 57 zu übertragen. Zu diesem Zeitpunkt
ist das andere Zahnradpaar (die ineinandergreifenden Zahnräder 60, 61)
außer
Eingriff und tragen nicht zur Übertragung
des Drehmoments bei. Wenn die Antriebswelle 56 in einem
anderen Bereich des Drehwinkels ist, ist das zweite Zahnradpaar
(die ineinandergreifenden Zahnräder 60, 61)
in Eingriff, um das Drehmoment der Antriebswelle 56 an
die angetriebene Welle 57 zu übertragen. Zu diesem Zeitpunkt
ist das erste Zahnradpaar (die ineinandergreifenden Zahnräder 58, 59)
außer
Eingriff und tragen nicht zur Übertragung
des Drehmoments bei. Da das Zahnradpaar 58, 59 und
das Zahnradpaar 60, 61 unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse
besitzen, ändert
sich das Untersetzungsverhältnis
des Untersetzungsgetriebes 53 gemäß dem Drehwinkel der Antriebswelle 56.
Da der Drehwinkel der Antriebswelle 56 ohne Berücksichtigung
der Elastizität
und der Hysterese eines Übertra gungswegs
eine Eins-zu-Eins-Entsprechung mit der Verschiebung der Schaltgabel
besitzt, schaltet das Untersetzungsgetriebe 53 sein Untersetzungsverhältnis gemäß der Verschiebung
der Schaltgabel um. Obwohl 4 einen
Fall repräsentiert,
bei dem das Untersetzungsverhältnis
einmal geändert
wird, ist es möglich,
auf der Grundlage desselben Funktionsprinzips das Untersetzungsverhältnis zweimal
und öfter
zu ändern. Ferner
können
an der Antriebswelle drei Zahnradpaare vorgesehen werden, um das
Untersetzungsverhältnis
in kleineren Schritten zu ändern.
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In dem Getriebe mit der obigen Konstruktion wird
eine Operation zur Drehzahländerung
von einer kleinen Drehzahl zu einer großen Drehzahl beschrieben.
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Wiederum in 1 überträgt der Motor 1 ein Drehmoment
von seiner Abtriebswelle 4 über die Kupplung 5,
die Antriebswelle 6, das Antriebswellen-Antriebszahnrad 6a und
das angetriebene Vorgelegezahnrad 7a an die Vorgelegewelle 7.
Wenn ein Zahnrad für
eine kleine Drehzahl in Eingriff ist, ist das Zwischenzahnrad 10b durch
den Synchronisationsmechanismus drehfest mit der Hauptwelle 8 gekoppelt,
so daß das
Drehmoment, an die Vorgelegewelle 7 übertragen wurde, über das
Vorgelegezahnrad 9b und das Zwischenzahnrad 10b an
die Hauptwelle 8 übertragen
wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das Zwischenzahnrad 10a in
Bezug auf die Hauptwelle 8 drehbar und überträgt deswegen kein Drehmoment an
die Hauptwelle 8. Das Drehmoment, das an die Hauptwelle 8 übertragen
wurde, wird nun an das Differentialgetriebe 33 und die
Achswelle 34 übertragen,
um den Reifen 35 anzutreiben.
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Die Operation zur Drehzahländerung
erfolgt durch die Steuereinheit
22, die die zugehörigen Aktuatoren
steuert. Ein Signal von der Steuereinheit 22 bewirkt, daß der Aktuator 32 die
Kupplung 5 ausrückt,
um den Drehmoment-Übertragungsweg
von dem Motor 1 zur Antriebswelle zu unterbrechen. Anschließend betätigt die
Drehzahländerungseinrichtung 20 den
Synchronisationsmechanismus 11, so daß er am Zwischenzahnrad 10b außer Eingriff
gelangt, das drehfest mit der Hauptwelle 8 gekoppelt war,
und am Zwischenzahnrad 10a in Eingriff gelangt, so daß sich das
Zwischenzahnrad 10a gemeinsam mit der Hauptwelle 8 dreht.
In einem letzten Schritt wird die Drehzahl des Motors 1 durch
die elektronisch gesteuerte Drossel 2 gesteuert und der
Aktuator 32 wird so gesteuert, daß die Kupplung 5 einrückt.
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Nun wird die Betätigung des Synchronisationsmechanismus
11 beim Vorgang des Einrückens und
des Ausrückens
der Zwischenzahnräder
erläutert.
Zuerst wird die Hülse 15 dann,
wenn die Schaltgabel 12 beginnt, sich von einer Schaltoperation-Anfangsposition
(Leerlaufposition) zu einer Schaltoperation-Endposition (Zahnradeingriffposition)
zu bewegen, durch die Schaltgabel 12 in der Figur nach rechts
geschoben, wodurch der Synchronisationsring 17 durch den
Synchronisationskeil 16 gegen den Kegelabschnitt 101a des
Zwischenzahnrads 10a gepreßt wird. Die Position, an der
der Synchronisationsring 17 beginnt, gegen den Kegelabschnitt 101a zu pressen,
wird als ein Indexpunkt bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt wird eine
schwache Reibungskraft zwischen der rotierenden Hülse 15 und
dem Zwischenzahnrad 10a erzeugt. Wenn die Presskraft weiter
ansteigt, löst
sich die Hülse 15 von
dem Synchronisationskeil 16 und preßt den Synchronisationsring 17 mit
einer starken Kraft gegen den Kegelabschnitt 101a. Diese
Position wird als ein Druckpunkt bezeichnet, an dem durch die Reibungskraft
zwischen der Hülse 15 und dem
Zwischenzahnrad 10a ein starkes synchrones Drehmoment erzeugt
wird. An dem Druckpunkt verringert sich eine Differenz der Drehzahl
zwischen der Hülse 15 und
dem Zwischenzahnrad 10a. Außerdem wird am Druckpunkt eine
starke Gegenkraft auf die Drehzahländerungseinrichtung 20 ausgeübt, bis
keine Drehzahldifferenz zwischen der Hülse 15 und dem Zwischenzahnrad 10a mehr
vorhanden ist. Wenn die Drehzahl der Hülse 15 mit der Drehzahl
des Zwischenzahnrads 10a übereinstimmt, bewegt sich die
Hülse 15 in
einen Eingriff an den Zähnen 18 des
Zwischenzahnrads 10a mit dem Ergebnis, daß sie ineinander
greifen. Der Zustand, in dem das Zwischenzahnrad 10a an
der Hauptwelle 8 in Eingriff ist, ist in 14 gezeigt.
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Der Druckpunkt ist ein Zustand des
Getriebes, in dem der Synchronisationsring 17 gegen den Kegelabschnitt 101a des
Zwischenzahnrads 10a gepreßt wird, um durch Reibung ein
synchrones Drehmoment zu erzeugen und um dadurch eine synchrone
Drehung von Zwischenzahnrad 10a und Hauptwelle 8 zu
bewirken.
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Werden die Haltbarkeit des Synchronisationsmechanismus
und ein Schaltstoß des
Fahrzeugs betrachtet, ist es für
einen idealen Getriebeeingriff erwünscht, daß die Schaltbetätigung mit
einer kleinen Betätigungskraft
in einem Bereich von der Schaltoperation-Anfangsposition (Leerlaufposition)
unmittelbar vor dem Indexpunkt schnell ausgeführt werden kann. Um am Druckpunkt
ein stark ansteigendes synchrones Drehmoment zu erzeugen, ist es
erwünscht,
daß die
Schaltoperation langsam, aber mit einer großen Kraft ausgeführt wird.
In einem Bereich vom Ende der synchronen Drehung (nachdem der Druckpunkt
passiert wurde) bis zur Getriebeeingriff-Endposition ist keine große Betätigungskraft
erforderlich, deswegen sollte die Schaltoperation so schnell wie
möglich
ausgeführt
werden.
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Wie in einer Darstellung der Verschiebung gegenüber dem
Untersetzungsverhältnis
von 5A gezeigt ist,
ist das Untersetzungsgetriebe 53 deswegen so aufgebaut,
daß ein
Zahnradpaar mit einem großen
Untersetzungsverhältnis
an einem Druckpunkt in Betrieb genommen wird, wodurch die Drehzahländerungseinrichtung
an einem Druckpunkt bei einer geringen Drehzahl eine große Schaltkraft
erzeugen kann. Dadurch kann am Druckpunkt während der synchronen Drehung
ein Schaltstoß unterdrückt werden.
Das Untersetzungsverhältnis
ist in einem Verschiebungsbereich der Schaltgabel von der Schaltoperation-Anfangsposition
(ausgerückte
Position des Getriebes) zur einer Position nahe am Druckpunkt und
vom Ende des Druckpunkts bis zur Schaltoperation-Endposition (eingerückte Position des
Getriebes) auf einen kleinen Wert eingestellt. Das ermöglicht,
daß die
Schaltoperation mit einer geringen Betätigungskraft schnell ausgeführt werden kann,
wodurch die für
die Schaltoperation benötigte Gesamtdauer
verkürzt
wird. Folglich kann selbst ein Motor mit kleiner Ausgangsleistung
eine Betätigungskraft
erzeugen, die ausreichend groß ist,
um die Schaltoperation in einer kurzen Zeitperiode abzuschließen. Die 5B und 5C zeigen eine Beziehung zwischen der
Schaltbetätigungskraft
und der Geschwindigkeit der Schaltoperation, wenn die Antriebsvorrichtung 51 bei
einer konstanten Ausgangsleistung angesteuert wird. Von der Schaltoperation-Anfangsposition
bis unmittelbar vor den Druckpunkt überträgt das Untersetzungsgetriebe 53 ein Drehmoment über eine
Getriebeeinstellung mit einem kleinen Untersetzungsverhältnis und
deswegen erzeugt die Drehzahländerungseinrichtung 20 eine kleine
Betätigungskraft
und eine langsame Betätigungsgeschwindigkeit.
In der Nähe
des Druckpunkts (einschließlich
Indexpunkt) erzeugt sie eine große Betäti gungskraft und eine langsame
Betätigungsgeschwindigkeit.
Nach dem Erreichen der synchronen Drehung ist die Schaltbetätigungskraft
klein und die Betätigungsgeschwindigkeit
ist groß.
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Der Druckpunkt ist eine Position,
in der die Hülse 15 am
Synchronisationsring 17 in Eingriff gelangt, und deswegen
ist die Verschiebung der Schaltgabel am Druckpunkt nahezu konstant.
Indem eine Einstellung zur Änderung
des Untersetzungsverhältnisses
bei einer bestimmten Schaltgabelverschiebung (Druckpunkt) erfolgt,
ist es deswegen möglich, am
Druckpunkt eine große
Betätigungskraft
zu erzeugen. Da sich der Druckpunkt natürlich infolge Verschleiß und Verformung
der Komponenten ändern kann,
ist es erwünscht,
daß der
Position, an der das Untersetzungsverhältnis geändert wird, ein gewisser Spielraum
gegeben wird. Alternativ kann eine Einrichtung zur nachträglichen
Einstellung der Änderungsposition
des Untersetzungsverhältnisses
vorgesehen sein.
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Obwohl das Untersetzungsverhältnis in 5A so beschrieben wurde,
daß es
lediglich am oder nahe am Druckpunkt groß ist, muß das Untersetzungsverhältnis vor
und nach dem Druckpunkt nicht notwendigerweise auf einen kleinen
Wert eingestellt sein. Zum Beispiel ist in einem Getriebe, bei dem
eine Entfernung von der Schaltoperation-Anfangsposition (ausgerückte Position
des Getriebes) zum Druckpunkt im Vergleich zum gesamten Hub verhältnismäßig kurz
ist, die Wirkung der Verringerung der Betätigungsdauer, die durch die
schnelle Betätigung
in einem Bereich von der Schaltoperation-Anfangsposition bis zur Druckposition
erzeugt wird, klein. Somit kann das Untersetzungsverhältnis verringert
werden, erst nachdem der Druckpunkt passiert wurde, wie in 6A gezeigt ist. Wenn das Untersetzungsverhältnis in
einem Bereich von der Schaltoperation- Anfangsposition bis zum Ende der Druckposition
auf einen großen
Wert gesetzt wird, betätigt
die Drehzahländerungseinrichtung 20 die Schaltgabel
langsam mit einer großen
Kraft vom Beginn der Schaltoperation bis der Druckpunkt passiert wird.
In einem Bereich vom Ende des Druckpunkts bis zur Schaltoperation-Endposition
arbeitet die Drehzahländerungseinrichtung 20 schnell
mit einer kleinen Betätigungskraft.
Die 6B und 6C zeigen eine Beziehung
zwischen der Schaltkraft und der Schaltbetätigungsgeschwindigkeit, wenn
die Antriebsvorrichtung 51 bei einer konstanten Drehzahl betrieben
wird. Nach dem Beginn der Schaltoperation (an der ausgerückten Getriebeposition)
bis zum Passieren des Druckpunkts ist die Schaltkraft groß und die
Betätigungsgeschwindigkeit
ist klein. Vom Ende des Druckpunkts für zur Position des eingerückten Getriebes
ist die Schaltkraft klein und die Betätigungsgeschwindigkeit ist
groß.
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Umgekehrt ist in einem Getriebe,
in dem eine Entfernung vom Druckpunkt zur Schaltoperation-Endposition
im Vergleich zum gesamten Hub verhältnismäßig kurz ist, der Effekt der
Verringerung der Betätigungsdauer,
der durch eine rasche Betätigung in
einem Bereich vom Druckpunkt zur Schaltoperation-Endposition (=
Getriebe eingerückt)
erzeugt wird, gering. Somit kann das Untersetzungsverhältnis in einem
Bereich von der Schaltoperation-Anfangsposition bis nahe an den
Druckpunkt verringert werden, wie in 7A gezeigt
ist. Wenn das Untersetzungsverhältnis
in einem Bereich von der Schaltoperation-Anfangsposition bis nahe
an den Druckpunkt auf einen kleinen Wert eingestellt wird, betätigt die
Drehzahländerungseinrichtung 20 die
Schaltgabel von der Schaltoperation-Anfangsposition bis nahe an
den Druckpunkt schnell mit einer kleinen Kraft. In einem Bereich
von einer Position vor dem Druckpunkt (ohne den Indexpunkt) zur
Getriebeeingriff-Endposition arbei tet die Drehzahländerungseinrichtung 20 langsam mit
einer großen
Betätigungskraft.
Die 7B und 7C zeigen eine Beziehung
zwischen der Schaltkraft und der Schaltbetätigungsgeschwindigkeit, wenn
die Antriebsvorrichtung 51 bei einer konstanten Drehzahl betrieben
wird. In einem Bereich von der Schaltoperation-Anfangsposition bis
unmittelbar vor den Druckpunkt ist die Schaltkraft klein und die
Betätigungsgeschwindigkeit
ist groß.
Von der Position unmittelbar vor dem Druckpunkt bis zur Schaltoperation-Endposition
ist die Schaltkraft groß und
die Betätigungsgeschwindigkeit
ist klein.
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Wie oben beschrieben wurde, ist es
durch die Änderung
des Untersetzungsverhältnisses
des Untersetzungsgetriebes 53, wodurch die Drehzahländerungseinrichtung 20 gemäß der Verschiebeposition
der Schaltgabel eingestellt wird, möglich, eine ausreichend groß Schaltkraft
nahe am Druckpunkt zu erzeugen und die Schaltgabel in einem Bereich,
in dem keine große
Betätigungskraft
erforderlich ist, schnell zu betätigen,
wodurch die Schaltoperation insgesamt in einer kurzen Zeit beendet
wird.
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Ferner kann durch die Anordnung eines
elastischen Elements an einem Kraftübertragungsweg von der Antriebsvorrichtung 51 der
Drehzahländerungseinrichtung 20 zur
Schaltgabel 12 die ähnliche Wirkung
erzeugt werden. Das heißt,
die Schaltgabel 12 wird von der Schaltoperation-Anfangsposition
bis unmittelbar vor den Druckpunkt langsam oder schnell bewegt und
wird in der Nähe
des Druckpunkts langsam mit einer großen Schaltkraft bewegt. Zu
diesem Zeitpunkt ist das elastische Element durch eine Gegenkraft
verformt. Nachdem die synchrone Rotation erreicht und der Druckpunkt
passiert wurde, wird die Gegenkraft von der Schaltgabel 12 klein,
mit dem Ergebnis, daß sich
das elastische Element durch seine Rückstellkraft aus dehnt, wodurch
nach dem Druckpunkt eine schnelle Schaltbetätigung realisiert wird. Die ähnliche
Wirkung kann außerdem
erreicht werden, wenn die Drehzahländerungseinrichtung 20 selbst
auf dem Getriebe elastisch unterstützt wird.
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Ferner kann die Betätigungskraft
durch das vorsätzliche
Bereitstellen eines Spiels im Kraftübertragungsweg von der Antriebsvorrichtung 51 der Drehzahländerungseinrichtung 20 zur
Schaltgabel 12 im Vorgang des Einrückens und des Ausrückens des
Getriebes mit einer Hysterese versehen werden. Das ermöglicht,
daß die
Schaltoperation nicht nur für das
Einrücken
des Getriebes, sondern auch für
das Ausrücken
des Getriebes ausgeführt
werden kann. Unter Bezugnahme auf die in 8 gezeigten beispielhaften Untersetzungsverhältnisse
wird die Hysterese erläutert. 8 zeigt eine Differenz beim
Untersetzungsverhältnis
zwischen zwei Operationen. Eine Operation, die in der Leerlaufposition
beginnt und zur eingerückten
Position des Getriebes erfolgt, verläuft in der obenbeschriebenen
Weise. Wenn angenommen wird, daß die
Schaltgabel 12 von der eingerückten Position des Getriebes
zur Leerlaufposition zurückgeführt wird,
bleibt der Ausgang des Untersetzungsgetriebes 53 für die dem
Freiraum entsprechende Dauer im Leerlauf. Nach der Leerlaufdauer wird
die Betätigungskraft
vom Untersetzungsgetriebe 53 an die Schaltgabel 12 übertragen.
Es sollte angemerkt werden, daß sich
das Untersetzungsverhältnis des
Untersetzungsgetriebes 53 zu diesem Zeitpunkt von dem unterscheidet,
das während
der eingerückten
Position des Getriebes verwendet wurde, wie in 8 gezeigt ist. Da während der Getriebeausrückoperation
das Getriebe außer
Eingriff ist, wenn die Schaltgabel 12 durch einen großen Bereich
des Untersetzungsverhältnisses
läuft oder
nachdem sie diesen Bereich passiert hat, wird die nachfolgende Getriebeausrückoperation
zuerst mit einer großen Betätigungskraft
ausgeführt,
der unmittelbar eine geringe Betätigungskraft
folgt, um die Schaltgabel 12 schnell in die Leerlaufposition
zu bewegen. Auf diese Weise wird die Ausrückoperation schnell beendet.
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Weitere Umschaltmittel des Untersetzungsverhältnisses
für das
Untersetzungsgetriebe 53 von 3A werden
unter Bezugnahme auf die 9 bis 13 erläutert.
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Die 9A bis 9C sind Vorder-, Seiten bzw. Rückansichten
von Zahnstangen 59b, 61b, die an einer angetriebenen
Welle 57b angebracht sind, und zwei Ritzelrädern 58b, 60b mit
verschiedenen Rollkreisradien, die an einer Antriebswelle 56b angebracht
und an den Zahnstangen in Eingriff sind. Die Paare aus Zahnstange
und Ritzel besitzen ein Segment, an dem die paarweise angeordneten
Zahnstangen und Ritzel nicht in Eingriff sind. Die beiden Paare
aus Zahnstange und Ritzel sind so beschaffen, daß in einem Betriebsbereich
zu einem Zeitpunkt lediglich eines der beiden Paare in Eingriff
ist. Wenn die Antriebsvorrichtung 51 angeregt wird, um
die Antriebswelle 56b über
das Untersetzungsgetriebe 52 zu drehen, gelangt ein Paar
aus Zahnstange und Ritzel (z. B. 58b, 59b) in einem bestimmten
Drehwinkelbereich der Antriebswelle in Eingriff, um das Drehmoment
der Antriebswelle 56b als eine direkte Antriebskraft an
die angetriebene Welle 57b zu übertragen. Zu diesem Zeitpunkt
ist das andere Paar aus Zahnstange und Ritzel (60b, 61b)
weder in Eingriff noch überträgt es eine
Antriebskraft. In einem anderen Bereich gelangt das zweite Paar
(60b, 61b) in Eingriff, um das Drehmoment der
Antriebswelle 56b als eine direkte Antriebskraft an die
angetriebene Welle 57b zu übertragen. Zu diesem Zeitpunkt
ist das erste Paar (58b, 59b) weder in Eingriff
noch überträgt es Leistung.
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Wie oben beschrieben wurde, wird
das wirksame Zahnradpaar, das eine Antriebskraft überträgt, gemäß dem Drehwinkel
der Antriebswelle 56b verschoben, um das Übertragungsverhältnis des
Untersetzungsgetriebes zu ändern.
Es können
mehr als zwei Paare aus Zahnstange und Ritzel verwendet werden.
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10 zeigt
ein Beispiel eines Doppel-Kegelradgetriebes mit zwei Paaren aus
Kegelrädern 58c, 59c, 60c und 61c mit
unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen, die an einer Antriebswelle 56c bzw.
an einer angetriebenen Welle 57c angebracht sind. Diese
Kegelräder
besitzen Segmente, an deren die ineinandergreifenden Räder nicht
in Eingriff sind. Die beiden Räderpaare
sind so angeordnet, daß in
einem Betriebsbereich des Drehwinkels zu einem vorgegebenen Zeitpunkt
nur ein Paar in Eingriff ist. Die Antriebsvorrichtung 51 wird
angeregt, die Antriebswelle 56c Doppel-Kegelradgetriebes über das Untersetzungsgetriebe 52 zu
drehen. Wenn die Antriebswelle 56c in einem festgelegten
Bereich des Drehwinkels ist, gelangt lediglich ein Paar (z. B. 58c, 59c)
in Eingriff, um das Drehmoment der Antriebswelle 56c an
die angetriebene Welle 57c zu übertragen. Zu diesem Zeitpunkt
ist kein anderes Paar (60c, 61c) weder in Eingriff
noch überträgt es ein
Drehmoment. In einem anderen Bereich gelangt das zweite Radpaar
(60c, 61c) in Eingriff, um das Drehmoment der
Antriebswelle 65c an die angetriebene Welle 57c zu übertragen.
Zu diesem Zeitpunkt ist das erste Radpaar (58c, 59c)
weder in Eingriff noch überträgt es das
Drehmoment. Auf diese Weise wird das wirksame Radpaar, das die Antriebskraft überträgt, gemäß dem Drehwinkel
der Antriebswelle 56c verschoben, um das Untersetzungsverhältnis der
Untersetzungsgetriebes 53 zu ändern.
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Die 11A bis 11C sind Vorder-, Seiten- und
Rückansichten
eines Doppel-Getriebes mit Innenverzahnung, das zwei Paare Zahnräder 58d, 59d, 60d und 61d mit
unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen umfaßt, die
an einer Antriebswelle 56d bzw. einer angetriebenen Welle 57d angebracht
sind. In ähnlicher
Weise wie oben beschrieben wurde, wird das wirksame Zahnradpaar
zum Übertragen
von Antriebskraft gemäß dem Drehwinkel
der Antriebswelle 56d verschoben, um das Untersetzungsverhältnis des
Untersetzungsgetriebes 53 zu ändern.
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In den 9 bis 11 wurden die Konstruktionen
des Untersetzungsgetriebes 53 gezeigt, deren Untersetzungsverhältnisse
sich gemäß der Verschiebung ändern. Diese
Konstruktionen können
an einer bestimmten Position das Untersetzungsverhältnis nichtstetig ändern und
sind somit für
die Verkürzung der
Schaltbetätigungsdauer
vorteilhaft. Um einen doppelten Eingriff und Leerlauf an einem Punkt
zu vermeiden, an dem die ineinandergreifenden Zahnräder gewechselt
werden, besteht eine wirkungsvolle Maßnahme darin, die Zähne nahe
am Umschaltpunkt des Zahneingriffs in Form und Material anders zu konstruieren
als die anderen Zähne
an diesem Umfang.
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12 zeigt
die Zahnräder 58e, 59e sowie die
Betätigungsglieder 60e, 61e,
die an einer Antriebswelle 56e bzw. einer angetriebenen
Welle 57e angebracht sind. Das Zahnradpaar besitzt ein
Segment, an dem die Zahnräder
nicht in Eingriff gelangen. In diesem Segment gelangen die Betätigungsglieder
in Eingriff, um eine Antriebskraft zu übertragen. Ein Drehmoment-Übertragungsverhältnis der Zahnräder und
ein Drehmoment-Übertragungsverhältnis der
Betätigungsglieder
sind verschieden. Gemäß dem Drehwinkel
der Zahnräder
wird das Drehmoment-Übertragungsverhältnis umgeschaltet,
um das Untersetzungsverhältnis
des Untersetzungsgetriebes 53 zu ändern. Diese Konstruktion besitzt
den Vorteil, daß sie
das Übertragungsverhältnis der
Betätigungsglieder
einstellen kann, ohne einer Einschränkung eines Moduls wie in den
obenbeschriebenen Getrieben unterworfen zu sein.
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13 zeigt
eine Gruppe von exzentrischen Zahnrädern, deren Drehzentren zu
einer Antriebswelle 56f und einer angetriebenen Welle 57f versetzt sind.
Ein Untersetzungsverhältnis
dieser Zahnradgruppe ändert
sich gemäß einem
Drehwinkel der Zahnräder 58, 59.
Die exzentrischen Zahnräder
sind kreisförmige
Zahnräder
und werden daher im Vergleich zu nicht kreisförmigen Zahnrädern und
Doppelzahnrädern
in einfacher Weise hergestellt und besitzen geringere Kosten.
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Zusätzlich zum Untersetzungsgetriebe 53, dessen
Untersetzungsverhältnis
sich gemäß der Verschiebung
der Schaltgabel ändert,
wie unter Bezugnahme auf die 9 bis 13 erläutert wurde, können außerdem Mittel
zum Ändern
des Untersetzungsverhältnisses
durch Kombinieren herkömmlicher
Konstruktionen hergestellt werden. Unabhängig von der Verwendung dieser
Mittel ist es möglich,
die Drehzahländerungseinrichtung
dieser Erfindung aufzubauen, indem die Änderungsposition des Untersetzungsverhältnisses
auf einen Punkt eingestellt wird, der einem bestimmten Drehwinkel
der Antriebswelle 56 in dem obenerwähnten Profil des Untersetzungsverhältnisses
entspricht, das eine Beziehung zwischen dem Untersetzungsverhältnis und
der Verschiebung der Schaltgabel 12 zeigt, wie etwa die Schaltoperation-Anfangsposition,
der Druckpunkt und die Getriebeeingriffposition.
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Die Funktionsweise der Drehzahländerungseinrichtung 20 variiert gemäß den Getriebetypen. Zum
Beispiel in FR-Fahrzeugen (mit Frontmotor und Hinterradantrieb)
erfolgt die Schaltoperation gewöhnlich
durch Bewegen der Schaltgabelwelle in einer longitudinalen Richtung
und die Auswahloperation durch ihre Drehung. Bei FF-Fahrzeugen (mit Frontmotor
und Vorderradantrieb) wird die Schaltoperation im allgemeinen häufig ausgeführt, indem
die Schaltgabelwelle gedreht wird, und die Auswahloperation wird
durch ihre Bewegung in longitudinaler Richtung ausgeführt. In
jedem Fall kann die Erfindung angewendet werden, indem die Antriebskraft
in eine Kraft umgesetzt wird, die in Richtung der Schaltoperation wirkt,
wobei in einem Übertragungsweg
der Antriebskraft ein Bewegungswandler verwendet wird.
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Diese Ausführungsform hat beispielhafte Konstruktionen
einer Vorrichtung gezeigt, die das automatische Getriebe betätigt. Die
Erfindung kann außerdem
bei einem System zum Umschalten zwischen Vierrad- und Zweiradantrieb
und bei einem Mechanismus für
die Umsetzung zwischen hoher und geringer Drehzahl, die beide mit
dem ähnlichen Synchronisationsmechanismus
versehen sind, angewendet werden. Ferner kann die ähnliche
Wirkung erreicht werden, wenn die Erfindung an einem Betätigungsmechanismus
angewendet wird, der, obwohl er keinen Synchronisationsmechanismus
besitzt, lediglich in einem Teil des Betätigungsbereichs wie bei einem
Wahlmechanismus eines automatischen Getriebes eine große Betätigungskraft
erzeugen muß.
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Wie oben beschrieben wurde, ist es
bei der Erfindung möglich,
eine Drehzahländerungseinrichtung
zu schaffen, die selbst mit einem Motor mit einem kleinen Ausgangsdrehmoment
eine Schaltbetätigungskraft,
die ausreichend groß ist,
erzeugen und eine Schaltoperation in einer kurzen Zeitperiode ausführen kann.
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In heutigen Kraftfahrzeugen kann
die Erfindung eine Drehzahländerungseinrichtung
realisieren, die gut montiert werden kann, eine kurze Zeitdauer zur
Beendigung der Schaltoperation benötigt, ein weiches Betätigungsgefühl bietet
und einen guten Fahrkomfort realisiert. Ferner kann die verringerte Motorausgangsleistung
helfen, die Kosten der Drehzahländerungseinrichtung
zu reduzieren.
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Es ist mit dieser Erfindung möglich, eine Drehzahländerungseinrichtung
zu schaffen, die selbst mit einem Motor mit einem kleinen Ausgangsdrehmoment
eine Schaltbetätigungskraft,
die ausreichend groß ist,
erzeugen und eine Schaltoperation in einer kurzen Zeitperiode ausführen kann.
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Für
einen Fachmann ist ferner selbstverständlich, daß die vorhergehende Beschreibung
an den Ausführungsformen
der Erfindung erfolgte, und daß an
der Erfindung verschiedene Änderungen
und Modifikationen ohne vom Erfindungsgedanken der Erfindung und
vom Umfang der beigefügten
Ansprüche
abzuweichen, ausgeführt
werden können.