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Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Arbeitszylinder für ein Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Getriebe, das gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 mit einem solchen Arbeitszylinder ausgestattet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, das gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 mit einem solchen Getriebe ausgestattet ist.
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Bei Fahrzeugen, insbesondere Schwerfahrzeugen, z. B. Lastkraftwagen, ist das Getriebe mit einem oder mehreren Arbeitszylindern ausgestattet, die die Funktion haben, das Übersetzungsverhältnis im Getriebe zu ändern. Der Arbeitszylinder steuert den Eingriff und das Lösen von Zahnrädern im Getriebe, so dass geeignete Übersetzungsverhältnisse erzielt werden. Der Zylinder ist vorzugsweise pneumatischer Art und druckluftbetätigt, obwohl andere Fluide zu seiner Betätigung verwendet werden könnten, z. B. Hydrauliköl.
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Das Getriebe bei Lastkraftwagen nimmt häufig die Form eines Automatikgetriebes an, das eine große Zahl zusammenwirkender Komponenten zum Bewirken des automatischen Gangwechsels umfasst. Der Arbeitszylinder muss deshalb möglichst klein sein, so dass Raum für alle Komponenten ist, die im Getriebe untergebracht werden müssen. Eine oder mehrere elektronische Einheiten des Fahrzeugs empfangen Informationen über Sensoren über seinen Antrieb und liefern Signale unter anderem an Ventile, die Druckluft oder Hydrauliköl dem Arbeitszylinder zuführen oder von diesem wegführen, der somit den Eingriff und das Lösen der Zahnräder im Getriebe steuert, so dass geeignete Übersetzungsverhältnisse für den bestimmten Betriebszustand des Fahrzeugs bewirkt werden.
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GB-A-759235 bezieht sich auf einen Arbeitszylinder für das Getriebe eines Motorfahrzeugs, wobei der Zylinder durch ein unter Druck stehendes Fluid, z. B. Druckluft oder Hydrauliköl, das durch in einem Zylindergehäuse ausgebildete Öffnungen zugeführt wird, in drei verschiedene Betriebsstellungen gebracht werden kann. Ein Kolben im Zylinder ist an der Innenseite des Zylindergehäuses durch ringförmige Schalenteile gelagert, die Vertiefungen für Dichtungen aufweisen. Die Dichtungen nehmen bei dieser Version eine erhebliche Kraft auf. Gleichzeitig muss das Zylindergehäuse von beträchtlicher Länge sein, damit es genug Lagerfläche für die ringförmigen Schalenteile hat.
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US-A-4593606 bezieht sich auf einen Arbeitszylinder für ein Getriebe für ein Fahrzeug. Der Zylinder ist mit einem Zusatzkolben ausgestattet, der es ermöglicht, einen Hauptkolben in eine mittlere Stellung zu bringen. Der Hauptkolben ist mit einem Gleitlager ausgestattet, das um seine Außenseite herum verläuft und an die Innenseite des Zylindergehäuses stößt. Damit der Hauptkolben an der Innenseite des Zylinders gelagert werden kann, muss das Zylindergehäuse von ausreichender Länge sein.
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Kurzfassung der Erfindung
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Trotz bekannter Lösungen besteht Bedarf daran, einen Arbeitszylinder weiterzuentwickeln, der eine geringere axiale Ausdehnung hat als bisherige Arbeitszylinder und dadurch den Raumbedarf des Zylinders im Getriebe reduziert, so dass im Getriebe Raum für alle notwendigen Komponenten desselben besteht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Arbeitszylinder mit kleinen Abmessungen für ein Getriebe anzubieten.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kompakten Arbeitszylinder mit geringen Fertigungskosten für ein Getriebe anzubieten.
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Diese Aufgaben werden mit einem Arbeitszylinder für ein Getriebe der in der Einführung genannten Art gelöst, der durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Getriebe mit einem Arbeitszylinder mit kleinen Abmessungen anzubieten.
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Diese Aufgabe wird mit einem Getriebe gelöst, das mit einen Arbeitszylinder der in der Einführung genannten Art ausgestattet und durch die in Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug mit einem Getriebe mit einem Arbeitszylinder mit kleinen Abmessungen anzubieten.
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Diese Aufgabe wird mit einem Fahrzeug gelöst, das mit einen Getriebe der in der Einführung genannten Art ausgestattet und durch die in Patentanspruch 11 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.
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Ein solcher Arbeitszylinder hat eine geringere axiale Ausdehnung als bisherige Arbeitszylinder und reduziert dadurch den Raumbedarf des Zylinders im Getriebe, so dass im Getriebe Raum für alle notwendige Komponenten desselben besteht. Fahrzeuggetriebe weisen normalerweise eine Vielzahl von Getriebestufen auf, wodurch es notwendig wird, zwei oder mehr Arbeitszylinder im Getriebe bereitzustellen. Dadurch wird die Notwendigkeit, dass die jeweiligen Zylinder kleine Abmessungen aufweisen, noch weiter gesteigert. Die Möglichkeit, dass der Zylinder kleinere Abmessungen aufweist, verringert auch den Materialbedarf und führt dadurch zu gesenkten Fertigungskosten für den Zylinder. Das Getriebe kann als Ganzes kompakt sein in den Fällen, in denen der Arbeitszylinder kleine Abmessungen aufweist, und führt dadurch zu einem verringerten Gewicht des Fahrzeugs und damit auch zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in der nachstehenden detaillierten Beschreibung angegeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Dabei ist
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1 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einem Arbeitszylinder und einem Getriebe gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Schnittansicht des Arbeitszylinders gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer ersten Endstellung,
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3 eine Schnittansicht des Arbeitszylinders gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Zwischenstellung,
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4 eine Schnittansicht des Arbeitszylinders gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer zweiten Endstellung,
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5 eine Schnittansicht des Arbeitszylinders gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer ersten Endstellung.
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Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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1 ist eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 1, z. B. eines Lastkraftwagens. Das Fahrzeug ist mit einem Verbrennungsmotor 2 ausgestattet, der mit einem Getriebe 4 verbunden ist. Das Getriebe ist über eine Antriebswelle 8 mit den Antriebsrädern 6 des Fahrzeugs verbunden. Das Getriebe ist mit einem Arbeitszylinder 10 ausgestattet, der die Funktion hat, ein oder mehrere Zahnräder 12 im Getriebe mit dem Ziel zu bewegen, das Übersetzungsverhältnis im Getriebe zu ändern. Da Fahrzeuggetriebe üblicherweise eine Vielzahl von Getriebestufen umfassen, müssen zwei oder mehr Arbeitszylinder im Getriebe bereitgestellt werden. Der Zylinder 10 ist vorzugsweise pneumatischer Art und druckluftbetätigt, obwohl andere Fluide, z. B. Hydrauliköl, zu seiner Betätigung verwendet werden könnten.
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Das Getriebe 4 bei Lastkraftwagen nimmt häufig die Form eines Automatikgetriebes 4 an, das eine große Zahl zusammenwirkender Komponenten zum Bewirken des automatischen Gangwechsels umfasst. Der Arbeitszylinder 10 muss deshalb möglichst klein sein, so dass Raum für alle Komponenten ist, die im Getriebe 4 untergebracht werden müssen.
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2 ist eine Schnittansicht des Arbeitszylinders 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer ersten Endstellung. Er weist ein Zylindergehäuse 14 auf, das mit jeweils einer ersten und einer zweiten Stirnwand 16 und 18 ausgestattet ist, um einen Raum 20 zu bilden, in dem ein Kolben 22 so angeordnet ist, dass er sich axial hin- und herbewegen kann. Eine Kolbenstange 24 ist über ein Befestigungselement 26 mit dem Kolben verbunden. Die Kolbenstange ist so angeordnet, dass sie sich durch eine Öffnung 28 in der ersten Stirnwand 16 erstreckt. An ihrem vom Kolben weg weisenden Ende ist die Kolbenstange mit einer Befestigungsvorrichtung 30 zum Verbinden mit einem Arm ausgestattet, der die Zahnräder 12 im Getriebe zum Gangwechsel bewegt.
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Der Kolben 22 teilt den Raum 20, der vom Zylindergehäuse 14, der ersten Stirnwand 16 und der zweiten Stirnwand 18 gebildet wird, in jeweils einen ersten und einen zweiten Raum 34 und 36. Eine erste Durchtrittsöffnung 38 steht in Verbindung mit dem ersten Raum 34, und eine zweite Durchtrittsöffnung 40 steht in Verbindung mit dem zweiten Raum 36. Ein Fluid zum Bewegen des Kolbens relativ zum Zylindergehäuse 14 wird durch die erste und die zweite Durchtrittsöffnung 38, 40 zu- und weggeführt. Diese Durchtrittsöffnungen sind über ein erstes und ein zweites Ventil 44, 46, die vorzugsweise durch Signale von einer Steuerungseinheit 48 gesteuert werden, mit einer Druckquelle 42 verbunden. Ebenfalls mit der Steuerungseinheit 48 verbunden ist ein Sensor 50, der in der zweiten Stirnwand 18 angebracht ist und die Stellung des Kolbens im Zylindergehäuse erfasst. Dies wird mit Hilfe eines Stifts 52 erreicht, der mit dem Kolben verbunden ist und sich in einem länglichen Hohlraum 54 im Sensor 50 erstreckt. Der Sensor 50 ist vorzugsweise mit einer nicht abgebildeten Spule ausgestattet, die durch Induktion die Stellung des äußeren Endes des Stifts relativ zur Spule registriert. Mittels des Sensors 50 zum Erfassen der Stellung des Stifts im länglichen Hohlraum ist es möglich, die Stellung des Kolbens 22 im Zylindergehäuse 14 zu ermitteln.
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Eine dritte Durchtrittsöffnung 56 im Zylindergehäuse 14 steht in Verbindung mit dem Umgebungsluftdruck. Diese dritte Durchtrittsöffnung steht in Kontakt mit einem dritten Raum 58, der zwischen dem Kolben 22, dem Zylindergehäuse 14 und der jeweiligen dazwischen befindlichen ersten und zweiten Radialdichtung 60, 62 gebildet wird. Diese Radialdichtungen sind so konstruiert, dass sie bei axialen Bewegungen des Kolbens relativ zum Zylindergehäuse auf dem Kolben und dem Zylindergehäuse gleiten. Sie verhindern, dass unter Druck stehendes Fluid zwischen dem ersten, zweiten und dritten Raum 34, 36, 58 fließt. Die dritte Durchtrittsöffnung 56 hat die Funktion, einen negativen oder positiven Druck, der im dritten Raum 58 auftritt, mit dem Umgebungsdruck auszugleichen.
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Die erste und die zweite Radialdichtung 60, 62 werden mit Steifungselementen 64 bereitgestellt, die mit einem um den Kolben laufenden Flansch 68 zusammenarbeiten sollen. Diese Radialdichtungen können daher als Sekundärkolben dienen und die Kraft von dem unter Druck stehenden Fluid auf den Flansch 68 des Kolbens übertragen, um damit eine Axialkraft auf den Kolben auszuüben.
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Der Kolben 22 ist mit einem axialen Hohlraum 70 ausgestattet und so angeordnet, dass er mittels eines Gleitlagers 72 gegen einen an der zweiten Stirnwand 18 befindlichen Vorsprung 74 stößt. Der Hohlraum 70 ist vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmig mit einer Mittellinie 76, die im Wesentlichen mit der Kolbenmittellinie 78 zusammenfällt. Der Vorsprung 74 ist vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmig mit einem kleineren Durchmesser als demjenigen des Hohlraums 70. In Fällen, in denen sowohl der Hohlraum 70 als auch der Vorsprung 74 kreisförmig sind, ist auch das Gleitlager 72 im Wesentlichen kreisförmig, um dem Kolben 22 eine stabile Lagerung bereitzustellen. Um dem Kolben 22 über seinen gesamten Hub eine stabile Lagerung bereitzustellen, ist das axiale Ausmaß des Hohlraums 70 und des Vorsprungs 74 gleich oder größer als der Hub des Kolbens 22. Die erste Stirnwand 16 ist an ihrer Öffnung mit einem Kolbenstangenlager 80 ausgestattet, das in Verbindung mit einer Kolbenstangendichtung 79 als Lager dient und radiale Kräfte zwischen der Kolbenstange 24 und der ersten Stirnwand 16 aufnimmt. Die kombinierte Wirkung des Gleitlagers 72 zwischen dem Kolben 22 und dem Vorsprung 74 an der zweiten Stirnwand 18 in Verbindung mit dem Kolbenstangenlager 80 besteht darin, dass der Kolben und die Kolbenstange sich mit großer Stabilität im Zylindergehäuse 14 hin- und herbewegen können. Das Gleitlager 72 zwischen dem Kolben 22 und dem Vorsprung 74 an der zweiten Stirnwand ermöglicht es auch, das axiale Ausmaß des Arbeitszylinders 10 zu verringern, wodurch der Raumbedarf für den Zylinder 10 im Getriebe 4 verringert wird, so dass im Getriebe 4 Raum für alle notwendigen Komponenten desselben besteht. Dass der Zylinder 10 kleinere Abmessungen aufweisen kann, verringert auch den Materialbedarf und führt dadurch zu gesenkten Fertigungskosten für den Zylinder 10. Das Getriebe 4 kann als Ganzes kompakt konstruiert sein in den Fällen, in denen der Zylinder 10 kleine Abmessungen aufweist, was zu einem verringerten Gewicht des Fahrzeugs 1 und damit auch zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.
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Bei der in 2 abgebildeten ersten Ausführungsform der Erfindung befindet sich das Gleitlager 72 in einer Vertiefung 82, die innen rings um den Hohlraum 70 im Kolben 22 verläuft. Dies bedeutet, dass das Gleitlager 72 die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 22 begleitet. Die Vertiefung 82 befindet sich vorzugsweise in der Nähe einer Stirnfläche 84 des Kolbens 22, die von der Kolbenstange 24 weg weist, wodurch sich eine größere Stabilität über den gesamten Hub des Kolbens 22 ergibt.
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Wie oben erwähnt, bewegt der Arbeitszylinder 10 die im Getriebe 4 befindlichen Zahnräder 12 während der Gangwechsel. Wenn Gangwechsel von einer Getriebestufe zur anderen mit einer neutralen Zwischenstellung stattfinden, muss der Kolben 22 in drei Stellungen im Zylindergehäuse 14 lenkbar sein, die jeweils eine erste und eine zweite Endstellung und eine Zwischenstellung umfassen.
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Um den Kolben 22 von der in 2 abgebildeten ersten Endstellung zu einer in 3 abgebildeten Zwischenstellung zu bewegen, wird unter Druck stehendes Fluid über die erste und die zweite Durchtrittsöffnung 38, 40 dem ersten und dem zweiten Raum 34, 36 im Zylindergehäuse 14 zugeführt. Die Ventile 44, 46 öffnen sich daher und unter Druck stehendes Fluid wird von der Druckquelle dem ersten und dem zweiten Raum zugeführt. Der Kolben wird somit veranlasst, sich zu der in 3 abgebildeten Zwischenstellung zu bewegen. Die Radialdichtungen 60, 62, die gegen den um den Kolben laufenden Flansch 68 stoßen, üben nicht nur Kräfte in Gegenrichtungen auf den Kolben aus, sondern wirken auch abdichtend zum dritten Raum 58, der sich zwischen diesen beiden Dichtungen bildet, so dass das unter Druck stehende Fluid im ersten und im zweiten Raum 34, 36 gehalten wird und den dritten Raum 58 nicht erreichen kann und deshalb das Zylindergehäuse 14 durch die dritte Durchtrittsöffnung 56 nicht verlassen kann. Die Innenseite des Zylindergehäuses ist vorzugsweise mit einer umlaufenden Nut 86 ausgestattet, die Stoßflächen 88 für die beiden Radialdichtungen 60, 62 bereitstellt. Das axiale Ausmaß dieser kreisförmigen Nut 86 entspricht vorzugsweise demjenigen des kreisförmigen Flanschs 68. Die im Wesentlichen mittige Position der kreisförmigen Nut 86 im Zylindergehäuse 14 bedeutet, dass die in 3 abgebildete Zwischenstellung dadurch erreicht wird, dass die kreisförmige Nut 86 am Zylindergehäuse und der kreisförmige Flansch 68 am Kolben 22 fest zwischen den Radialdichtungen 60, 62 liegen. In der in 3 abgebildeten Zwischenstellung hat der Arbeitszylinder 10 die im Getriebe 4 befindlichen Zahnräder 12 zu einer neutralen Stellung gelenkt. Die Bewegung des Kolbens 22 von der ersten Stellung zur Zwischenstellung hat den Stift 52 weiter in den Hohlraum 54 im Sensor 50 bewegt. Der Sensor 50 sendet daher Signale über die Stellung des Kolbens 22 im Zylindergehäuse 14 an die Steuerungseinheit 48 und ermöglicht es dadurch der Steuerungseinheit, zu entscheiden, welches Übersetzungsverhältnis im Getriebe eingestellt ist. Der Einfachheit halber wurden die Steuerungseinheit 48, die Ventile 44, 46 und die Druckquelle 42 mit den zugehörigen Verbindungen und Leitungen in 3 weggelassen.
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Um den Kolben 22 von der in 3 abgebildeten Zwischenstellung zu einer in 4 abgebildeten zweiten Endstellung zu bewegen, wird unter Druck stehendes Fluid durch die erste Durchtrittsöffnung 38 einem ersten Raum 34 zugeführt, während gleichzeitig der zweite Raum 36 durch die zweite Durchtrittsöffnung 40 von Fluid entleert wird. Um einen negativen Druck im dritten Raum 58 zu verhindern, fließt Fluid durch die dritte Durchtrittsöffnung 56 ein. Das erste Ventil 44 öffnet sich daher und unter Druck stehendes Fluid wird von der Druckquelle 42 dem ersten Raum 34 zugeführt. Das zweite Ventil 46 verhindert, dass Fluid durch die zweite Öffnung 40 weggeführt wird. Der Kolben 22 bewegt sich dann zur in 4 abgebildeten zweiten Endstellung. Die erste Radialdichtung 60 stößt abdichtend gegen die kreisförmige Nut 86 im Zylindergehäuse 14 und verhindert, dass unter Druck stehendes Fluid den dritten Raum 58 erreicht, der zwischen den Radialdichtungen 60, 62 gebildet wird, mit dem Ergebnis, dass das Fluid im ersten Raum 34 gehalten wird und den dritten Raum 58 nicht erreichen kann und deshalb das Zylindergehäuse nicht durch die dritte Durchtrittsöffnung 56 verlassen kann. In der in 4 abgebildeten zweiten Endstellung hat der Arbeitszylinder 10 die im Getriebe 4 befindlichen Zahnräder 12 zu einer zweiten Getriebestellung gelenkt. Die Bewegung des Kolbens 22 von der Zwischenstellung zur zweiten Endstellung hat den Stift 52 weiter in den Hohlraum 54 im Sensor 50 bewegt. Der Sensor sendet daher Signale über die Stellung des Kolbens im Zylindergehäuse 14 an die Steuerungseinheit 48. Der Einfachheit halber wurden die Steuerungseinheit 48, die Ventile 44, 46 und die Druckquelle 42 mit den zugehörigen Verbindungen und Leitungen in 4 weggelassen.
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Um den Kolben 22 zur ersten Endstellung zurückzubringen, wird Fluid dem zweiten Raum 36 zugeführt, worauf der erste und der dritte Raum 34, 58 von Fluid entleert werden. Vorzugsweise gibt es eine Passage 90 hinter dem Gleitlager 72, so dass Fluid über einen Querkanal 91 in der zweiten Stirnwand 18, der mit dem zweiten Raum 36 in Verbindung steht, zum axialen Hohlraum 70 des Kolbens fließen und von diesem wegfließen kann. Der zweite Raum 36 steht somit über die Passage 90 in Verbindung mit dem axialen Hohlraum des Kolbens. Der Querkanal 91 erstreckt sich im Wesentlichen radial, während sich die Passage 90 im Wesentlichen axial erstreckt.
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5 ist eine Schnittansicht des Arbeitszylinders 10 bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer ersten Endstellung. Die erste Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten darin, dass sich das Gleitlager 72 auf dem Vorsprung 74 befindet, wodurch es einfach ist, das Lager abzunehmen und wieder einzusetzen, indem die zweite Stirnwand 18 vom Zylindergehäuse 14 getrennt und nach dem Anbringen des neuen Gleitlagers 72 auf dem Vorsprung 74 wieder angebracht wird.
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Die angeführten Komponenten und Merkmale, die oben angegeben sind, können innerhalb des Umfangs der Erfindung mit verschiedenen angeführten Ausführungsformen kombiniert werden.
