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Schaltvorrichtung mit elektromagnetischer Betätigung der Gangschaltelemente
für Stufenwechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltvorrichtung mit elektromagnetischer Betätigung der Schaltelemente
für Stufenwechselgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, von deren schaltbaren
Rädern nicht mehr als zwei auf jeder von zwei oder mehr Schaltwellen sitzen.
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Bei einem bekannten derartigen Getriebe ist für jede Schaltgabel eine
Elektromagnetgruppe vorgesehen, die aus je einem Elektromagnet für einen der zu
schaltenden Gänge und einem Elektromagnet für den Leerlauf besteht. Es hat sich
insbesondere bei Kraftfahrzeugen ergeben, daß die durch die zur Verfügung stehende
geringe Stromstärke begrenzte Leistungsfähigkeit der Magnete nicht ausreicht, um
die Schaltbarkeit durchzuführen, insbesondere dann, wenn Synchronisierungseinrichtungen
vorgesehen sind, die den Kraftbedarf während des Schaltens erhöhen.
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Gegenstand eines älteren Patentes ist ferner ein Stufenwechselgetriebe,
dessen sämtliche schaltbaren Räder nebeneinander auf einer einzigen Schaltwelle
sitzen. Die Schalträder sind über beweglich in radialen Aussparungen der Schaltwelle
sitzende Kugeln durch einen in der Schaltwelle längsverschiebbar angeordneten Ziehkeil
mittels Taschen in den Schalträdern kuppelbar. Der Ziehkeil trägt gleichachsig einen
Magnetkern, der fortlaufend von in Reihe nebeneinander und gleichachsig zur Schaltwelle
angeordneten Magnetspulen für sämtliche Gänge bewegbar ist. Bei dieser Schaltvorrichtung
kann nur zwischen zwei benachbarten Gängen umgeschaltet werden. Bei Rückkehr in
die am Ende der Gangreihe vorgesehene Leerlaufstellung muß über sämtliche dazwischenliegenden
Gänge durchgeschaltet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei Stufenwechselgetrieben der eingangs
beschriebenen Art die Vorteile der elektromagnetischen Schaltung auch mit der gegebenen
begrenzten Leistungsfähigkeit der Elektromagnete ausnutzen zu können und in einfacher
Weise zu verhüten, daß bei einem bereits eingeschalteten Gang eine weitere Gangstufe
zugeschaltet wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Elektromagnete jeder Schaltwelle
zu dieser gleichachsig angeordnet sind und der Magnetkern jeder Elektromagnetgruppe
unmittelbar mit einem zugehörigen Ziehkeil verbunden ist, durch den in an sich bekannter
Weise jeweils eines der schaltbaren Räder mit der zugehörigen Schaltwelle durch
Verschieben von beweglich in radialen Aussparungen der Schaltwelle gelagerten Kugeln
in Taschen der schaltbaren Räder kuppelbar ist.
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Durch die gleichachsige Anordnung jeder Magnetgruppe zu ihrer Schaltwelle
und die unmittelbare Verbindung des Magnetkernes mit dem Ziehkeil ist die verlustfreie
Übertragung der Magnetkraft an die Kuppelstelle des Ziehkeiles gesichert. Die Verwendung
von radial beweglichen, vom Ziehkeil betätigten Kuppelgliedern hat den weiteren
Vorteil, daß bei Beginn des Schaltvorganges eine Synchronisierung dadurch erzielt
wird, daß das unterschiedlich von der Schaltwelle sich drehende Zahnrad die in seinen
Taschen eintauchenden Kugeln zurückweist und dadurch eine kleine Zurückverschiebung
des Ziehkeiles bewirkt, der vom Elektromagnet sofort wieder in Schaltrichtung verschoben
wird und dadurch bestrebt ist, die Kugeln wieder in die Taschen zu drücken, die
dann, wenn der Gleichlauf zwischen der Welle und dem zu kuppelnden Rad hergestellt
ist, vollständig in die Radtasche eintauchen und vom Ziehkeil so lange darin gehalten
werden, solange der gekuppelte Zustand bestehenbleiben soll. Durch die Reibung der
Kugeln an den Innenwänden des schaltbaren Rades bei Beginn des Schaltvorganges sowie
durch das Abweisen der Kugeln von den Radtaschen wird der Gleichlauf hergestellt,
ohne daß besondere Vorrichtungen zur Synchronisierung notwendig sind und ohne daß
für die Synchronisierung Mehrarbeit zu leisten ist.
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Bei einem bekannten Stufenwechselgetriebe mit zwei Schaltwellen und
Ziehkeilschaltung wird die Kupplung der Schaltwelle mit dem schaltbaren Rad dadurch
erzeugt, daß der Ziehkeil über radial verschiebbare Glieder eine Reibkupplung gegen
das zu kuppelnde Rad drückt. Die hierzu notwendigen Kräfte sind so hoch, daß sie
von einem Elektromagnet in der bei Kraftfahrzeugen zur Verfügung stehenden
Größe
nicht aufgebracht werden können. Außerdem hat ein derartiges Ziehkeilgetriebe den
Nachteil, daß die Reibungskupplungen eine wesentliche Vergrößerung der Getriebemassen
mit sich bringen.
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Zwecks elektrischer Sicherung der Gangschaltung gegen ungewolltes
Schalten einer zweiten Gangstufe, wenn eine andere bereits eingerückt ist, halten
gemäß dem weiteren Merkmal der Erfindung von den Gangschaltelementen jeder der zwei
oder mehr Schaltwellen beeinfiußbare Kontakte die Stromleitung zu den Magnetspulen
der jeweils anderen Schaltwellen unterbrochen, solange ein Gang auf einer Schaltwelle
eingerückt ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an sich bekannte, willkürlich
betätigbare Kontakte für die Gangschaltung vorgesehen, von denen jeweils einer die
zugeordnete Magnetspule mit Masse verbinden kann, sowie ein Stromquellenkontakt
in der Zuleitung von der Stromquelle zu den Magnetspulen, der gemeinsam mit jedem
der willkürlich betätigbaren Kontakte geschlossen wird.
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Es sind weiterhin zwei Kontakte im Bewegungsbereich jedes Gangschaltelementes
vorgesehen, die in jeder Schaltstellung desselben jeweils die zugehörige, jedoch
an der Schaltung dieses Ganges nicht beteiligte Magnetspule mit Masse verbinden.
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Das Schalten der Vorwärtsgänge und des Rückwärtsganges ist gegenseitig
dadurch abgesichert, daß der Rückwärtsgang auf einer besonderen Schaltwelle in an
sich bekannter Weise mittels mindestens eines Elektromagnets schaltbar ist und daß
in der vom Stromquellenkontakt zu den Magnetspulen für die Vorwärtsgänge führenden
Stromzuleitung die Spule eines seinen Kontakt im erregten Zustand öffnenden Relais
angeordnet ist, wobei der Kontakt dieses Relais im Schaltstromkreis des Elektromagnets
für den Rückwärtsgang liegt, und ferner ein vom Gangschaltelement des Rückwärtsganges
gesteuerter Kontakt liegt, der bei eingerücktem Rückwärtsgang geöffnet ist: Hierdurch
kann lediglich entweder den Elektromagneten der Vorwärtsgänge oder dem Elektromagnet
für den Rückwärtsgang Strom zugeführt werden.
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Zusätzlich zur elektrischen Sicherung gegen gleichzeitiges Schalten
mehrerer Gänge ist eine mechanische Gangverriegelung vorgesehen, bei der auf dem
freien Ende des einen Ziehkeiles ein Kontaktarm befestigt ist, an dem eine rechtwinkelig
zur Ziehkeilachse gerichtete Nase sitzt, die in den Bereich einer parallel zur Ziehkeilachse
gerichteten Aussparung am freien Ende eines weiteren Kontaktarmes am anderen Ziehkeil
eingreift, und eine mittig zwischen beiden Ziehkeilen an einen festen Drehpunkt
gelagerte, in der Parallelebene oberhalb der von den beiden Ziehkeilachsen gebildeten
Ebene schwenkbare Wippe mit im rechten Winkel zu ihrer Längsachse verlaufende Aussparungen
an beiden freien Enden an auf den Kontaktarmen befestigten Zapfen angreift.
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Mechanische Gangverriegelungen sind bereits bekannt. Patentschutz
für den Gegenstand von An-3pruch 6 wird lediglich im Rahmen eines reinen Unteranspruchs
nur in Verbindung mit dem Gegen-3tand von Anspruch 1 beansprucht.
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In der Zeichnung ist ein nachfolgend beschriebenes A,usführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Es geigt Abb.1 den Querschnitt durch ein Zweischaltwellen-;etriebe
mit mechanischer Gangsicherung, Abb.2 das elektrische Schaltschema der Gangschaltvorrichtung
und der elektrischen Gangschaltsicherung.
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Das Stufenwechselgetriebe hat vier Vorwärtsgänge I, II, III, IV. Der
Rückwärtsgang ist in Abb.1 nicht dargestellt. Im nur teilweise dargestellten Getriebegehäuse
30 sind die beiden Schaltwellen 31 und 32 mittels Kugellagern 33 gelagert. In einer
Axialbohrung jeder der beiden Schaltwellen 31 und 32 sitzt axial verschiebbar je
ein Ziehkeil 34 bzw. 35. Auf der Schaltwelle 31 sitzen fest die Räder 36 und 37
des 1I. und I. Ganges und frei drehbar die schaltbaren Räder 38 und 39 des III.
und IV. Ganges. Diese Räder stehen in ständigem Eingriff mit den zugehörigen schaltbaren
Rädern 40 und 41 und den festen Rädern 42 und 43 auf der Schaltwelle 32. Jeweils
die größeren Räder jedes Radpaares sind schaltbar, so daß die Raddurchmesser ohne
Beeinträchtigung des Schaltkupplungsmechanismus möglichst klein gewählt werden können,
wodurch die rotierenden Massen klein gehalten werden.
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In die Laufflächen der schaltbaren Räder 40, 41, 38, 39 sind Taschen
44 eingearbeitet. Die Schaltwellen 31, 32 haben im Bereich ihrer schaltbaren Räder
radiale Bohrungen 45, 46; in denen radial beweglich Kugeln 47 gelagert sind. Die
Kugeln 47 sind von zwei Köpfen 34', 34" des Ziehkeiles 34 und einem Kopf 35' des
Ziehkeiles 35 so weit in die Taschen 44 des zugehörigen schaltbaren Rades einschiebbar,
daß die Schaltwelle und das Rad miteinander gekuppelt sind.
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In Leerlaufstellung steht der Ziehkeil 34 so, daß seine beiden Köpfe
34' und 34" seitlich der Schaltkugeln 47 der beiden Räder 38 und 39 stehen, während
der Schaltkopf 35' des Ziehkeiles 35 sich zwischen den Kugeln 47 der beiden Räder
40 und 41 befindet. Nach Abb. 1 kuppelt der Ziehkeil 35 das Rad 40 mit der Schaltwelle
32. Der II. Gang ist dadurch eingerückt. Nuten 48 in den Schaltwellen 31 und 32
dienen dem Einrasten von in den Ziehkeilen 34 und 35 federnd gelagerten Kugeln 49,
wodurch die jeweilige Stellung des Ziehkeiles arretiert ist.
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Gleichachsig zu den Schaltwellen 31 und 32 sind je zwei Magnetspulen
50 für den II. und 51 für den I. Gang der Schaltwelle 32 sowie Magnetspulen 52 für
den III. und 53 für den IV. Gang der Schaltwelle 31 zugeordnet.
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In die Elektromagnetgruppe 50, 51 ragt die Verlängerung des Ziehkeiles
35, auf der ein Magnetkern 54 befestigt ist. In die Elek tromagnetgruppe 52, 53
ragt die Verlängerung des Ziehkeiles 34, auf der ein Magnetkern 55 befestigt ist.
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Das elektrische Schaltschema der Schaltvorrichtung und die Sicherung
der übrigen Magnetspulen gegen ungewolltes Schalten ist in Abb.2 gezeigt. Diesem
Schaltschema ist das Getriebe nach Abb. 1 mit vier Vorwärtsgängen zugrunde gelegt,
wobei auch der in Abb.1 nicht dargestellte Rückwärtsgang einbezogen ist.
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Von Hand zu betätigende elektrische Schalter 56 (I. Gang), 57 (1I.
Gang), 58 (11I. Gang) und 59 (IV. Gang) als Massekontakte und ein weiterer Schalter
als Stromquellenkontakt 3 sind in einem Gehäuse 60 untergebracht. Jeder Kontakt
56, 57, 58, 59 steht für sich allein mit der zugehörigen Magnetspule 51, 50, 52
bzw. 53 für die Vorwärtsgänge in ununterbrochener Verbindung. In den Magnetspulen
sind entsprechend Abb. 1 die Magnetkerne 54 und 53
axial beweglich.
Die Magnetkerne und die Ziehkeile bilden zusammen je ein Gangschaltelement. Am dem
Ziehkeilkopf abgewandten Ende jedes mit Masse verbundenen Gangschaltelementes ist
ein Kontaktarm 14 bzw. 15 befestigt, der bei Leerlaufstellung des jeweiligen Gangschaltelementes
einen Kontakt 1 bzw. 2 geschlossen hält und in Richtung der Ziehkeilbewegung sich
in Mittelstellung zwischen zwei Kontaktstellen 5 und 6 bzw. 7 und 8 befindet.
Die Stromzuleitung vom Stromquellenkontakt 3 zu den beiden Magnetspulen 52 und 53
ist über den Kontakt 1, zu den beiden Magnetspulen 51 und 50 über den Kontakt 2
geführt.
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Die Kontaktstelle 5 ist mit der Magnetspule 50 für den Il. Gang dem
zugeordneten Schalter 57, die Kontaktstelle 6 mit dem Schalter 56 und der Magnetspule
51 für den I. Gang, die Kontaktstelle 7 mit dem Schalter 59 und der Magnetspule
53 für den IV. Gang und die Kontaktstelle 8 mit dem Schalter 58 und der Magnetspule
52 für den 11I. Gang über Zweigleitungen verbunden.
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Wird der Ziehkeil 35 oder 34 nach einer Richtung in Schaltstellung
verschoben, dann werden der Kontakt 1 bzw. 2 geöffnet und je nach Gangschaltung
entweder die Kontaktstelle 5 oder 6 bzw. 7 oder 8 geschlossen. In der gemeinsamen
Stromzuleitung zu den Magnetspulen 50, 51, 52, 53 ist zwischen einem
Stromquellenkontakt 3 und den Kontakten 1 und 2 ein Relais eingeschaltet, dessen
vom Plusstrom durchflossene Spule 9 seinen Kontakt 10 öffnet. Der Relaiskontakt
10 ist in der Stromzuleitung zur Magnetspule 61 für den Rückwärtsgang angeordnet,
die vor der Relaisspule 9 von der Stromzuleitung hinter dem Stromquellenkontakt
3 abgezweigt ist. In dieser Zweigleitung ist ein Rückwärtsgangschalter 23 vorgesehen.
Bei einem eingerückten Vorwärtsgang ist über eine der Kontaktstellen 5 bis 8 die
Masseverbindung für die Relaisspule 9 hergestellt, so daß in diesem Falle bei Betätigung
des Rückwärtsgangschalters 23 die Magnetspule 61 keinen Strom erhält.
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Der Rückwärtsgang wird beispielsweise ebenfalls von einem Ziehkeil
62 einer dritten Schaltwelle mittels des von der Magnetspule 61 bewegbaren
Magnetkerns 63 gegen den Druck einer Schraubenfeder 22
eingerückt.
Das freie Ende 64 des Ziehkeiles 62 schließt bei der in Abb. 1 dargestellten Ausschaltstellung
des Rückwärtsganges einen Kontakt 11 in der Stromzuleitung zu den Magnetspulen 50
bis 53 für die Vorwärtsgänge hinter der Relaisspule 9.
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Der Stromquellenkontakt 3 kann um den Punkt 4 drehbar vorgesehen sein,
und zwar derart, daß er vor jeder Gangschaltung beim Betätigen der Kontakte 56,
5"7, 58, 59 und 23 geschlossen wird.
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Die Schaltung der Gänge geht wie folgt vor sich: Soll der I. Gang
eingeschaltet werden, so wird zunächst der Stromquellenkontakt 3 und dann der Kontakt
56 geschlossen. Die Magnetspule 51 ist dadurch mit der Stromquelle über den geschlossenen
Kontakt 2 verbunden, und der Magnetkern 54 bewegt sich n die Spule 51 hinein. Vor
der Endstellung erhält die Kontaktstelle 5 Massekontakt. Dadurch wird auch die Magnetspule
50 unter Strom gesetzt. Jedoch überwiegt die Kraft der Magnetspule 51 bei
der Einwirkung auf den Magnetkern 54. Beim Loslassen des Kontaktes 56 wird zunächst
der Stromquellenkonakt 3 geöffnet, so daß beide Magnetspulen 51 und 50 ,tromlos
werden, und hierauf trennt der Kontakt 56. der Ziehkeil 35 verbleibt somit in der
1. Gangstellung. Dhabei ist der Kontakt 1 und damit die Zuleitung zu den Magnetspulen
52 und 53 unterbrochen. Es ist somit in dieser Stellung nicht möglich, den IIl.
und den IV. Gang einzuschalten.
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Soll der II. Gang eingeschaltet werden, so wird zunächst über die
Betätigung des Kontaktes 57 der Stromquellenkontakt 3 geschlossen. Damit erhält
die Magnetspule 50 Strom (die Kontaktstelle 5 hat Masseverbindung) und bewegt den
Magnetkern 54 und den Ziehkeil 35 aus der Arretierstellung. Der Ziehkeil
35 wird dann durch die Kugeln 47 infolge der sich unterschiedlich drehenden Schalträder
in die Leerlaufstellung bewegt. Der Kontakt 57 der Gangschaltung für den 1I. Gang
wird geschlossen, so daß nun auch über diesen Kontakt die Magnetspule
50 Strom erhält und den Gang einrückt. Ungefähr im letzten Drittel der Schaltbewegung
wird die Kontaktstelle 6 an Masse über den Kontaktarm 14 gelegt, und die Magnetspule
51 erhält Strom. Durch öffnen des Stromquellenkontaktes 3 werden beide Magnetspulen
wieder stromlos, und der 1I. Gang ist eingeschaltet.
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Soll der III. Gang eingerückt werden, so wird wieder der Stromquellenkontakt
3 geschlossen. Die Magnetspule 51 wird über die Kontaktstelle 6 unter Ström gesetzt.
Der Kontakt 1 ist zunächst unterbrochen, so daß in die Magnetspule 52 für den 11I.
Gang noch kein Strom fließt, obwohl der Kontakt 58 für den III. Gang geschlossen
ist. Nachdem die Magnetspule 51 unter Strom ist, wird zunächst der Ziehkeil 35 der
Gänge I und Il in die Leerlaufstellung gezogen, durch öffnen der Kontaktstelle 6
der Stromkreis der Magnetspule 51 unterbrochen und der Kontakt 1 geschlossen. Damit
erhält die Magnetspule 52 Strom, und der 1I1. Gang wird eingeschaltet.
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Der Vorgang vollzieht sich in analoger Weise bei Einschaltung des
IV. Ganges bzw. beim Zurückschalten zum 1I1., Il. oder I. Gang. Die Einschaltung
eines neuen Ganges ist immer elektrisch so lange gesperrt, bis der vorher eingeschaltete
Gang außer Wirkung kommt.
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Auch beim Rückwärtsgang muß dafür gesorgt sein, daß er nicht zusammen
mit einem anderen Gang betätigt werden kann. Die Zuleitung zu den Magnetspulen 51,
50, 52 und 53 für die Vorwärtsgänge führt nach dem Stromquellenkontakt
3 über das Relais 9,
10, welches bewirkt, daß die Rückwärtsgangspule
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stromlos bleibt, wenn zu einer der vier Magnetspulen 50 bis
53 Strom fließt. Ferner führt die Zuleitung zu den Magnetspulen 51, 50, 52,
53 über den Kontakt 11. Wird der Rückwärtsgang betätigt, dann öffnet sich der Kontakt
11, und die Spulen 51, 50, 52 und 53 können nicht mehr unter Strom gesetzt werden.
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Die in Abb. 2 dargestellte Verriegelung durch die Kontakte 1 und 2
kann durch die in der Abb. 1 dargestellte Vorrichtung ersetzt werden. Die beiden
Kontaktarme 14 und 15 sind mit einer Aussparung 16 bzw. einer Nase 17 versehen,
die den Gang der benachbarten Schaltwelle dann mit Sicherheit ausschaltet, wenn
der andere Ziehkeil gegenläufig bewegt wird. An der Unterseite dieser Einrichtung
befindet sich ein am Gehäuse befestigter Bolzen 18, um welchen eine Wippe
19 drehbar gelagert ist. An den Kontakthebeln 14, 15 sind Zapfen 20 und 21
befestigt, welche in die Wippe 19 eingreifen. Wird der andere Ziehkeil in die Richtung
des noch eingerückten Ziehkeiles bewegt, beispielsweise wenn der 1I. Gang eingeschaltet
ist und der III. Gang eingerückt werden soll, dann zieht die Wippe 19 mittels der
Zapfen 21 und 20 den Ziehkeil 35 mit Sicherheit
aus der Stellung
für den II. Gang heraus in die Leerlaufstellung. Diese Vorrichtung bewirkt, daß
auf mechanischem Wege jeweils der vorher eingeschaltete Gang ausgeschaltet wird,
ganz gleich, welcher Gang eingeschaltet werden soll.
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Die Verriegelung des Rückwärtsganges kann auch in diesem Fälle auf
elektrischem Wege, wie vorstehend beschrieben, erfolgen.
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Am Prinzip der elektrischen Verriegelung ändert sich nichts, wenn
die vier Vorwärtsgänge gemeinsam und der Rückwärtsgang gesondert angeordnet sind
oder wenn der Rückwärtsgang gemeinsam mit dem I. und 1I. Gang, hingegen der III.
und IV: Gang gesondert angeordnet sind.
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Zu erwähnen ist noch, daß der Stromquellenkontakt 3 gleichzeitig die
Funktion eines Leerlaufkontaktes hat. Wird nur der Stromquellenkontakt 3 niedergedrückt,
ohne daß ein neuer Gang eingeschaltet wird, so erfolgt die Schaltung in den Leerlauf.
Beim Rückwärtsgang kann z. B. eine Feder 22 dafür sorgen, daß der Rückwärtsgang
beim Loslassen des Rückwärtsgangschalters 23 selbsttätig in die Leerlaufstellung
gebracht wird. Es ist dann zwar erforderlich; den Kontakt für den Rückwärtsgang
während der Dauer des Rückwärtsfahrens geschlossen zu halten, erspart aber in diesem
Fall eine weitere der Rückwärtsgangschaltung zugeordnete Magnetspule.
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Eine Ganganzeige ist auf einfachste Art möglich, indem z. B. Glühbirnen
für die Ganganzeige mit den Kontaktstellen 5 bis 8 verbunden werden, d. h. Ganganzeiger
I mit Kontakt 5, Ganganzeiger 1I mit Kontakt 6, Ganganzeiger III mit Kontakt 7 und
Ganganzeiger IV mit Kontakt B.