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Synchronisiervorrichtung für Zahnräderwechselgetriebe Die Erfindung
bezieht sich auf eine Synchronisiervorrichtung für Zahnräderwechselgetriebe mit
mindestens einem begrenzt verdrehbar und mittels einer Schaltmuffe axial verschiebbar
angeordneten Synchronring, der über eine Synchronisierfläche mit einer an dem zu
kuppelnden, in Form eines Kupplungsringes ausgebildeten Bauteil angebrachten Gegenfläche
zusammenwirkt, wobei die Synchronisierkraft durch eine Servoeinrichtung, z.
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B. durch zwischen dem Synchronring und dem Schaltmuffenträger eingesetzte,
auf in Umfangsrichtung geneigten Schrägflächen auflaufende Anpreßkörper erzeugt
wird, und betrifft Maßnahmen zur Verbesserung der Funktion derartiger Gleichlaufeinrichtungen.
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Synchronisiervorrichtungen für Zahnräderwechselgetriebe sind bereits
in einer großen Anzahl unterschiedlicher Ausführungen bekannt. Auch ist es bei Synchronisierungen
ohne Servoeinrichtung bekannt, den mit dem Synchronring zusammenarbeitenden Kupplungsring
in axialer Richtung federnd ab zu stützen, wobei die Anordnung der Federn verschiedenartig
sein kann, um die Reibteile in Neutralstellung zu arretieren. Die dabei vorgesehenen,
zwischen den Reibt eilen oder den zu kuppelnden
Bauteilen eingesetzten
Federn müssen hierbei jeweils vor dem Anlegen der Reibflächen des Synchronringes
und des Kupplungsringes durch die Schaltkraft vollständig überwunden werden. Ein
selbständiger Synchronisiereffekt tritt dabei nicht auf, vielmehr wirkt vielfach
der Anpreßkraft ein fester nicht federnder Widerstand entgegen.
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Außerdem werden, da die Reibwerte sehr stark streuen, insbesonderte
bei Servosynchronisierungen, gefährliche Momentenspitzen erzeugt, die durch die
federnde Abstützung hervorgerufen werden, so daß ein dadurch bedingter konstruktiver
Aufwand bei den bekannten vergleichbaren Ausführungen erforderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Synchronisiervorrichtung
für Zahnräderwechselgetriebe der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der
die Nachteile der vorbekannten Ausführungen nicht auftreten und mit der dennoch
bei einfachem Aufbau sowie hoher Betriebssicherheit und Lebensdauer ein selbsttätiger
Synchronisiereffekt innerhalb einer äußerst kurzen Synchronisierzeit erzielbar ist.
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Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Synchronisiervorrichtung
mit Servoeinrichtung dadurch erreicht, daß der durch die Schaltmuffe mit dem Schaltmuffenträger
zu kuppelnde Kupplungsring und/oder der Schaltmuffenträger zur Abstützung der Synchronisierkraft
über Federelemente mit einem oder mehreren Bauteilen in Verbindung stehen; Zur Abstützung
der Synchronisierkraft können hierbei zwischen dem Schaltmuffenträger sowie einem
ortsfesten Bauteil, vorzugsweise einem mit dem Kupplungsring verbundenen Zahnrad
oder einer ortsfesten Anlagescheibe, in axialer Richtung wir kende Federelemente
eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, zwischen dem Schaltmuffenträger und
d@E ZU zu dessen Lagerung
dienenden Bauteil, z. B. einer
Antriebskeilwelle, in Umfangsrichtung wirkende Federelemente einzusetzen.
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Zur Begrenzung des Federweges der Federelemente und damit zur Begrenzung
der Synchronisierkraft ist es des weiteren angebracht, daß der Synchronring bei
dessen federnder Abstützung gegenüber dem Schaltmuffenträger z. B. durch in diesen
eingearbeitete Ausnehmungen eingreifende Ansätze oder bei federnder Abstützung des
Schaltmuffenträgers auf der Keilwelle gegenüber dieser z. B. mittels einer auf dieser
drehfest angeordneten und in den Synchronring mit Ansätzen eingreifende Scheibe
begrenzt verdrehbar angeordnet ist.
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Als Federelemente können elastische Gummiringe, Wellscheiben, Tellerfedern
oder ähnliche bekannte Maschinenelemente vorgesehen werden.
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Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Synchronisiervorrichtung für
Zahnräderwechselgetriebe zeichnet sich nicht nur durch einen einfachen Aufbau, einer
hohen Betriebssicherheit und Lebensdauer aus, sondern vor allem dadurch, daß die
gesamte durch die Servoeinrichtung erzeugte Anpreßkraft an Federelementen abgestützt
und durch einen festgelegten Federweg begrenzt ist, wodurch eine selbsttätige Synchronisierung
erzielt wird.
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Dadurch, daß nämlich der Kupplungsring der Synchronisiervorrichtung
über Federelemente mit einem oder mehreren Bauteilen in Verbindung steht, wobei
durch einen gegebenenfalls zu begrenzenden Arbeits- bzw. Federweg die Größe der
Anpreßkraft vorher bestimmt ist, wird erreicht, daß der Effekt der selbsttätigen
Synchronisation auftritt. Bei den bisher bekannten Servosynchronisierungen dient
die Servoeinrichtung zur Verstärkung der Anpreßkraft bzw. des Synchronisiermomentes.
Ein selbsttätiger
Synchronisiereffekt ist mit diesen Ausführungen
nicht erzielbar, da dort keine Einrichtungen zur Begrenzung der Synchronisierkräfte
vorgesehen sind. Die Servoeinrichtungen sind daher derartig bemessen, daß die Servokraft
nur einen Teil der Synchronisierkraft beträgt, um ein Blockieren zu vermeiden.
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Diese Servosynchronisierungen unterliegen außerdem der Gefahr gefährlicher
Momentenspitzen, weil infolge des großen Streubereiches des Reibwertes bei zu wirksam
ausgelegter Servoeinrichtung die Selbsthemmungsgrenze sehr leicht erreicht werden
kann und somit ein Blockieren auftritt.
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Gegenüber diesen bekannten Servosynchronisierungen weist die vorgeschlagene
Synchronisiervorrichtung den besonderen Vorteil auf, daß aufgrund der Anpreßkraftbegrenzung
eine weitgehende Unabhängigkeit von der Streuung des Reibwertes erzielt wird und
somit das Normalsynchronisiermoment um ein vielfaches höher angesetzt werden kann,
als bei Synchronisiervorrichtungen ohne federnde Abstützung der zusammenwirkenden
Bauteile, ohne daß eine Überlastung auftritt. Das Synchronisiermoment steht dabei
in einem proportionalen Verhältnis zum Reibwert, weil die Anpreßkraft, die der Kraft
der Federelemente in der Endarbeitsstellung entspricht, konstant bleibt. Bei den
bekannten Servosynchronisierungen steigt dagegen die Anpreßkraft mit dem in Abhängigkeit
von dem Reibwert angestiegenen größer werdenden Synchronisiermoment.
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Bei einem Schaltvorgang wird der Synchronring gleichzeitig mit seiner
Verdrehung zum Schaltmuffenträger, gesteuert durch die Servoeinrichtung, wie z.
B. durch zwischen dem Muffenträger und dem Synchronring eingesetzte, auf Schrägflächen
auflaufende Wälzkörper in Achsrichtung gegen den Druck der Federelemente, um den
Arbeitsweg, der gleichzeitig Federweg des die Anpreßkraft abstützenden Federelementes
ist, verschoben. Die Begrenzung des Arbeitsweges wird durch die Verdrehbegrenzung
des
Synchronringes zum Muffenträger vorgenommen und die Anpreßkraft des Synchronringes
entspricht hierbei der Federkraft in der Endarbeitsstellung. Eine von Hand aufzubringende
Anpreßkraft ist somit nicht erforderlich, da die Servowirkung im Selbsthemmungsbereich
liegt und infolgedessen selbsttätig die gesamte Anpreßkraft erzeugt wird. Aufgrund
der vorgesehenen Arbeitswegbegrenzung ist es zulässig, die Selbsthemmungsgrenze
zu überschreiten. Die Belastungsgröße der einzelnen Bauteile wird allein von der
Kraft der Federelemente bestimmt, die daher entsprechend zu dimensionieren sind.
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Weitere Einzelheiten der gemäß der Erfindung ausgebildeten Synchronisiervorrichtung
für Zahnräderwechselgetriebe sind den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen,
die nachfolgend im einzelnen erläutert sind, zu entnehmen.
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Hierbei zeigt: Fig. 1 eine Servosynchronisierung für ein Zahnräderwechselgetriebe
im Axialschnitt mit zwischen den Zahnrädern und den diesen zugeordneten Kupplungsringen
eingesetzten Federelementen, Fig. 2 eine Synchronisiervorrichtung nach Fig. 1 mit
zwischen dem Schaltmuffenträger und ortsfesten Gegenscheiben eingesetzten Federelementen,
Fig. 3 und 4 ein Ausfürungsbeispiel einer Synchronisiervorrichtung mit in Umfangerichtung
federnd abgestützt tem Muffenträger und Fig. 5 ein Schaubild über den Reibwertverlauf
bei Synchronisiervorrichtungen in Abhängitgkeit von der Geschwindigkeit.
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Die in Fig. 1 dargestellte und mit dem Bezugszeichen 1 versehene
Synchronisiervorrichtung für Zahnräderwechselgetriebe zur kraftschlüssigen bzw.
formschlüssigen Verbindung einer Welle 2 mit jeweils einem der Zahnräder 3 oder
4 besteht aus den Zahnrädern 3, 4 zugeordneten Kupplungsringen 7 und 8, einem mit
der Welle 2 verbundenen Schaltmuffenträger 5 zur Lagerung der verschiebbaren Schaltmuffe
6 sowie den Synchronringen 9 und 10, die mit den Kupplungsringen 7 und 8 zusammenwirken.
Die Synchronringe 9 und 10 sind hierbei mit Sperringen 11 bzw. 12 ausgestattet,
um ein Eingreifen der Verzahnung der Schaltmuffe 6 in die Verzahnung der Kupplungsringe
7 bzw. 8, bevor Gleichlauf zwischen den zu kuppelnden Teilen hergestellt ist, zu
verhindern. Der Synchronisiervorrichtung 1 ist außerdem zur Verstärkung der Anpreßkraft
eine Servoeinrichtung 13 zugeordnet, die aus den Wälzkörpern 14, die auf Schrägflächen
15 und 16 des Muffenträgers 5 bzw. der Synchronringe 9 oder 10 auflaufen, gebildet
ist.
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Um die bei der Synchronisation auftretenden axial gerichteten Kräfte
federnd abzustützen, ist zwischen dem Kupplungsring 7 und dem Zahnrad 3 ein elastisch
verformbarer Gummiring 17 mit kreisförmigem Querschnitt als Federelement eingesetzt,
während das zwischen dem Zahnrad 4 und dem Kupplungsring 8 angeordnete Federelement
18 einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Auch ist es möglich, als Federelement
eine Wellscheibe 19, wie es in der rechten Hälfte der Fig. 1 des weiteren alternativ
dargestellt wurde, zu verwenden.
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Wird durch die Sohaltmuffe 6 tal Schaltvorgang eingeleitet, und über
eine nicht dargestellte Andrückeinrichtung der Synchronring 10 nach links verschoben,
so wird dessen nicht bezichnete Reibfläche an die Gegenreibfläche des Kupplungsringes
8 gedrückt. Außerdem laufen bei der dabei hervorgerufenen Relativ-Verdrehung die
Wälzkörper 14 der Servoeinrichtung 13 auf
den Schrägflächen 15 und
16 des Muffenträgers 5 bzw. des Synchronringes 10 auf, so daß die Anpreßkraft selbsttätig
verstärkt wird. Der Synchronring 10 und der Kupplungsring 8 werden dabei gegen die
Kraft des Federelementes 18 gleichzeitig mit der Relativdrehung des Synchronringes
8 gegenüber dem Muffenträger 5 axial verschoben. Diese Axialverschiebung wird wiederum
mit der und durch die Verdrehbegrenzung des Synchronringes 10 gegenüber dem Muffenträger
5 begrenzt, wobei die Kraft des Federelementes 18 in der Endstellung gleich ist
der Anpreßkraft auf den Synchronring 10, so daß hierbei gefährliche Momentenspitzen
nicht auftreten können. Der Synchronisiervorgang wird somit völlig selbständig bei
äußerst kurzer Schaltzeit ausgeführt.
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Nachdem der Gleichlauf zwischen der Welle 2 und dem mit dieser zu
verbindenden Zahnrad 4 hergestellt ist, wird die Servoeinrichtung 13 entspannt,
indem durch das Federelement 18 der Kupplungsring 8 und der Synchronring 10 wiederum
in die Ausgangsstellung zurückgedrückt wird. Dieser selbständige Rückführungsvorgang
bietet außerdem den Vorteil, daß auch bei großen Schleppmomenten die Sperreinrichtung
nicht oder nur wenig belastet wird.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Synchronisiervorrichtung 21, mittels
der über einen Schaltmuffenträger 25 und eine Schaltmuffe 26 eine Welle 22 wahlweise
mit einem auf der Welle 22 drehbar gelagerten Zahnrad 23 oder 24 gekuppelt werden
kann, wobei wiederum zur Angleichung der Drehzahlen an diesen mit Synchronringen
29 und 30 zusammenarbeitende Kupplungsringe 27 und 28 angebracht sind, ist der Muffenträger
25 axial federnd abgestützt. Zu diesem Zweck sind auf der Welle 22 zwei Scheiben
38 und 39 ortsfest angeordnet und zwischen diesen und dem Muffenträger 25 sind Pederelemente
36 und 37 eingesetzt. Die Verdrehbegrenzung der mit einer nicht dargestellten Servoeinrichtung
zusammenwirkenden
Synchronringe 29 und 30 sowie der mit diesen fest verbundenen Sperringe 31 bzw.
32 wird hierbei durch die in Ausnehmungen 35 des Muffenträgers 25 eingreifenden
Vorsprünge 33 und 34 der Sperringe 31 bzw. 32 bewerkstelligt.
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Soll bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beispielsweise das Zahnrad
23 mit der Welle 22 formschlüssig verbunden werden, so wird über die Schaltmuffe
26 und die nicht gezeigte Servoeinrichtung der Synchronring 29 nach rechts zur Anlage
an den Kupplungsring 27 verschoben. Die federnde Abstützung des Muffenträgers 25
erfolgt hierbei durch das gegenüberliegende Federelement 37, über das der Muffenträger
25 an die ortsfest gelagerte Scheibe 39 in der bereits beschriebenen Art gedrückt
wird.
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Die Synchronisiervorrichtung 41 nach den Fig. 3 und 4 zur Angleichung
der Drehzahlen zwischen der Welle 42 und den Zahnrädern 43 oder 44 ist in der gleichen
Weise ausgestattet wie die Gleichlaufeinrichtung nach den Fig. 1 oder 2. Jedoch
ist hierbei der die Schaltmuffe 46 tragende Muffenträger 45 in Umfangsrichtung federnd
abgestützt. Zu diesem Zweck ist die Welle 42 als Keilwelle ausgebildet, und der
Schaltmuffenträger 45 ist mit zugeordneten Ausnehmungen 51 versehen, wobei zwischen
den dadurch gebildeten einander zugekehrten Anlageflächen Federelemente 52 und 53
eingesetzt sind.
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Die Verdrehbegrenzung der Synchronringe 49 und 50 gegenüber dem Muffenträger
45 wird durch drehfest mit der Welle 42 verbundene Scheiben 54 und 55.bewerkstelligt,
die mittels Vorsprüngen 56 bzw. 57 in Ausnehmungen 58, 59 der Synchronringe 49 bzw.
50 eingreifen. Durch auf nicht dargestellte Schrägflächen auflaufende Wälzkörper
62 in Form von Kugeln wird hierbei die auf die mit den Zahnrädern 43 bzw. 44 fest
verbundenen Kupplungsringe 47, 48 ausgeübte Kraft ebenfalls selbsttätig
verstärkt
und durch Anlegen des Ansatzes 56, wie es aus Fig. 4, die einen Schnitt nach der
Linie IV-IV der Fig. 3 darstellt, hervorgeht, mit seiner Anlagefläche 61 an die
Gegenfläche 60 wird der Federweg und somit die Anpreßkraft begrenzt, so daß Momentenspitzen
nicht auftreten können.
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Aus dem Schaubild nach Fig. 5 ist der Verlauf des Reibmomentes am
Synchronring einer Synchronisierung in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindigkeit
zu entnehmen. Die Kurve I zeigt hierbei den Verlauf des Reibmomentes bei einer Synchronisierung
ohne Servoeinrichtung, während in der Kurve II der Verlauf des Reibmomentes bei
einer Synchronisierung mit Servoeinrichtung dargestellt ist. Der Kurve II ist hierbei
deutlich zu entnehmen, daß bei geringer Gleitgeschwindigkeit durch den damit steigenden
Reibwert Momentenspitzen auftreten, durch die die Synchronisiervorrichtung unter
Umständen beschädigt werden kann.
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Des weiteren ist in Kurve III der Verlauf des Reibmomentes am Synchronring
bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Synchronisiervorrichtung mit federnder
Abstützung der Anpreßkraft gezeigt. Das Moment ist, ohne daß eine Anpreßkraft von
Hand aufgebracht wird, nahezu gleichbleibend hoch und unmittelbar abhängig von dem
Reibwert µ , gemäß Kurve IIIa, wobei außerdem keine Spitzenbelastung der Synchronringe
auftritt.