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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Planetengetriebe gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Patentanspruchs
1. Solch ein Planetengetriebe wird insbesondere aber nicht ausschließlich bei
Zusatzgetrieben verwendet, die dafür gedacht sind, zwischen ein Hauptgetriebe
und eine Kraftübertragung
zu den Antriebsrädern
eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Schwerlastwagens, eingefügt zu werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Zusatzgetriebe
werden üblicherweise
dazu benutzt, die Anzahl der Gangwechselmöglichkeiten (Gangabstufungen)
zu verdoppeln. Sie umfassen normalerweise eine Planetengetriebe,
durch das die Gangwechselmöglichkeiten
des Fahrzeugs in einen niedrigen Gangbereich und einen hohen Gangbereich
aufgeteilt werden können.
Der hohe Gangbereich ist nicht untersetzt, während in dem niedrigen Gangbereich
Gebrauch von der Untersetzung des Planetengetriebes gemacht wird.
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Ein
bekanntes Ausführungsbeispiel
eines Planetengetriebes ist in der
US 5 083 993 A beschrieben und offenbart ein
Getriebe mit einer axial verlagerbaren Kupplungshülse, die
mit Kupplungsringen auf beiden Seiten eines Hohlrades gekoppelt
werden kann. Darüber
hinaus sind auf jeder Seite der Planetenräder, zwischen den Planetenrädern und
einem entsprechenden Kupplungsring, Synchronisierringe angeordnet.
Die Kupplungshülse
hat an ihren axialen Enden Aussparungen zur Aufnahme von unter Federvorspannung
stehenden Verriegelungskörpern, die
gegen Schultern an den Synchronisierringen stoßen, um eine Axialkraft auf
die Synchronisierringe zu übertragen.
Die Aufnahme der Verriegelungskörper und
ihrer Federn in der Kupplungshülse
führt zu
einer komplizierten Synchronisieranordnung mit vielen Teilen.
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Ferner
ist aus
DE 31 29 414
A1 ein Umlaufräder-Wendegetriebe
für ein
stufenlos regelbares Zugorgangetriebe eines Kraftfahrzeugs bekannt, dessen
Eingangselement mit der Antriebswelle und dessen Ausgangselement
mit einer die Antriebswelle umfassenden Hohlwelle verbunden ist.
Das Wendegetriebe weist ferner zwei weitere Elemente zum Schalten
eines Vorwärts-
und eines Rückwärtsgangsbereichs
auf. Ein Planetenradträger
ist als Eingangselement vorgesehen und hat zwei untereinander in
Eingriff stehende Planetenradsätze,
von denen der eine mit dem als Ausgangselement vorgesehenen Sonnenrad
und der andere mit dem als Reaktionselement vorgesehenen Hohlrad
in Eingriff steht. Das Hohlrad wirkt zugleich als Synchronnabe für eine Synchronisiermuffe.
Es kann, indem es über
einen zusätzlichen
Synchroniegel mit der Synchronisiermuffe zusammenwirkt, über einen
Synchronring mit einem an dem Getriebe drehfest festgelegten Synchronkegelring
oder mit einer am Planetenradträger ausgebildeten
Synchronkegelscheibe gekoppelt werden.
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Eine
weitere Anordnung für
ein Planetenschaltgetriebe ist aus der
DE 34 44 562 A1 bekannt. Dieses
umfasst einen Planetenradsatz mit einem Sonnenrad, das fest mit
der Eingangswelle verbunden ist und in die Planetenräder eines
Planetenradträgers
eingreift, der in üblicher
Weise mit der Ausgangswelle verbunden ist. Ein koaxiales Hohlrad
umgibt diese Anordnung und ist über
eine Eingriffshülse mit
dem Planetenradträger
bzw. mit dem Gehäuse koppelbar.
Zur Synchronisierung bei einem Gangwechsel kann diese Eingriffshülse axial
verschoben und so mit entsprechenden Kupplungsringen gekoppelt werden.
Als Synchronisierungsmittel dienen hierbei dem jeweiligen Kupplungsring
zugeordnete Synchronisierringe sowie eine Ringfeder. Die gesamte Anordnung
von Kupplungsringen und Synchronisierringen ist wie der Kopplungsbereich
der Eingriffshülse
in axialer Richtung auf einer Seite neben den Planetenrädern angeordnet.
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Die
DE 1 555 158 A offenbart
ein übliches Wechselgetriebe,
bei dem zwischen der Schaltmuffe und einem ihr gegenüber begrenzt
drehbeweglichen Synchronisierring Federmittel zur verbesserten Synchronisierung
angeordnet sind. Diese Federmittel sind durch Knickfedern mit einer
H-förmigen
Gestalt gebildet.
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Die
DE 2 062 631 A offenbart
eine Vorrichtung zum synchronisierten Kuppeln eines Zahnrads mit
einer Welle eines üblichen
Wechselgetriebes. Diese umfasst einen nachgiebigen Ring, der an
an den Synchronisierringen ausgebildeten Vorsprüngen anliegt. Bei einer axialen
Bewegung der Synchronisiermuffe wird der Ring zusammengedrückt, so
dass der entsprechende Synchronring unter Verformung des nachgiebigen
Rings und der Reibung an dem entsprechenden zu koppelnden Zahnrad unter
Druck anliegt und auf diese Weise die Synchronisierung bewirkt.
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Die
vorliegende Erfindung will eine Synchronisieranordnung für ein Planetengetriebe
bereitstellen, die einfach ist und eine möglichst kleine Zahl von Teilen
aufweist.
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Hierzu
wird ausgehend von dem eingangs genannten Planetengetriebe ein Planetengetriebe mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche betreffen
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist die Federeinrichtung in einem ersten Zustand entspannter und
in einem zweiten Zustand gespannter.
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Bevorzugt
ist der koaxiale Sicherungsring, den die Federeinrichtung umfasst,
in einer inneren Nut der Kupplungshülse gehalten und wird, wenn eine
Axialkraft auf ihn wirkt, in Umfangsrichtung kontrahiert und aus
der Nut herausgedrängt,
wobei der Sicherungsring dann über
die Innenfläche
der Kupplungshülse
gleiten kann.
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Bevorzugt
umfassen die Innenzähne
der Kupplungshülse
drei Sätze
von Zähnen,
einen ersten, in einem axial mittleren Abschnitt der Hülse angeordneten
Satz, und einen zweiten und dritten Zahnsatz, der mit Abstand von
dem ersten Zahnsatz in je einem Endbereich der Hülse angeordnet ist, wobei die
axialen Lücken
zwischen dem ersten Zahnsatz und dem zweiten und dritten Zahn satz
die Relativverschiebung des zugehörigen Sicherungsrings aufnehmen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in
denen
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1 ein
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe
ist, der nur einen Abschnitt oberhalb der Rotationslängsachse
zeigt,
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2 eine
Figur ähnlich 1 ist,
die das Getriebe in einem hohen Gangbereich zeigt,
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3 einen
Zwischenschritt beim Wechseln aus dem niedrigen Gangbereich in den
hohen Gangbereich wiedergibt und den Eingriff eines Synchronkegels
zeigt,
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4 einen
Zwischenschritt beim Wechseln aus dem niedrigen Gangbereich in den
hohen Gangbereich wiedergibt und das Ende des Synchronisationsvorgangs
zeigt, und
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5 einen
Schnitt längs
der Linie V-V in 1 zeigt.
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Figurenbeschreibung
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Unter
Bezugnahme auf 1, 2 und 5 der
Zeichnungen wird anhand eines Teilschnitts ein Zusatzgetriebe zur
Anbringung an dem Hauptgetriebe eines schweren Fahrzeugs wie etwa eines
Lastwagens oder eines Busses beschrieben. Das Zusatzgetriebe hat
ein Gehäuse 11 mit
einer sich aus dem nicht dargestellten Hauptgetriebe hineinerstreckenden
Eingangswelle 12. Die Eingangswelle 12 ist in
dem Hauptgetriebe und dem Gehäuse 11 durch
Lager 14 drehbar angebracht, die in einer inneren Stirnwand 15 des
Gehäuses 11 befestigt
sind.
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Ein
Sonnenrad 16 ist durch Keilwellennuten drehfest mit der
Eingangswelle 12 verbunden. Das Sonnenrad 16 hat
Außenzähne, die
mit zumindest einem und vorzugsweise mit mehreren, beispielsweise mit
fünf in
Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Planetenrädern 17 in
Eingriff stehen. Jedes Planetenrad 17 ist drehbar auf einem
rohrförmigen Wellenstummel 18 angebracht,
dessen eines Ende an einem Planetenradträger 19 und dessen
anderes Ende an einem Planetenradhalter 21 befestigt ist. Der
Planetenradhalter 21 hält
das entsprechende Planetenrad auf dem zugehörigen Wellenstummel 18.
Der Planetenradträger 19 ist
einstückig
mit einer Ausgangswelle 13 ausgebildet, die in einer nicht
gezeigten äußeren Stirnwand
des Getriebegehäuses 11 koaxial
zur Eingangswelle drehbar gelagert ist, üblicherweise – wie aus
dem Stand der Technik bekannt – durch
Lager wie den für
die Eingangswelle gezeigten. Eine durch das Sonnenrad 16 verursachte
Drehung der Planetenräder 17 bewirkt
eine Drehung des Planetenradträgers 19.
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Ein
erster Kupplungsring 22 mit sich axial erstreckenden Außenzähnen 23 ist
auf einer Seite der Planetenräder
koaxial zur Eingangswelle 12 durch Stifte 24 drehfest
an der inneren Stirnwand 15 des Getriebegehäuses angebracht.
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Ein
zweiter Kupplungsring 25 mit sich axial erstreckenden Außenzähnen 26 ist
koaxial und drehfest am Planetenradträger 19 angebracht,
an dem er durch Schweißen
befestigt ist, an dem er jedoch ebenso durch Zähne oder Keilwellennuten auf
seiner radial inneren Umfangsrand drehfest gehalten werden könnte, die
in gleiche Zähne
oder Keilwellennuten auf dem Planetenradträger 19 eingreifen.
Der zweite Kupplungsring 25 ist auf der dem ersten Kupplungsring 22 gegenüberliegenden
Seite der Planetenräder 17 angeordnet.
Die zwei Kupplungsringe 22, 25 weisen auf ihren
den Planetenrädern 17 benachbarten
Seiten radial nach außen
gerichtete, kegelstumpfförmige
Flächen 27, 28 auf.
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Ein
koaxiales Hohlrad 29 ist axial zwischen den beiden Kupplungsringen 22, 25 und
konzentrisch zu den Planetenrädern 17 angeordnet.
Das Hohlrad 29 hat Innenzähne 31 zum Eingriff
mit den Planetenrädern 17,
und hat Außenzähne 32,
die dieselbe Form wie die Außenzähne 23, 26 der
beiden Kupplungsringe 22, 25 haben und mit diesen
Zähnen
radial fluchten. Das koaxiale Hohlrad 29 ist zwischen einem
Paar von Synchronisierringen 36, 37 axial fluchtend
zum Planetenrad 17 angeordnet. Die Außenzähne 32 sind axial
mittig auf dem Hohlrad 29 angeordnet, das dann auf jeder
axialen Seitenfläche
mit einer Schulter 34, 35 von geringerem Durchmesser versehen
wird.
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Das
Paar von Synchronisierringen 36, 37 ist derart
angeordnet, dass ein erster Synchronisierring 36 axial
zwischen dem ersten Kupplungsring 22 und dem Hohlrad 29 und
ein zweiter Synchronisierring 37 axial zwischen dem Hohlrad 29 und
dem zweiten Kupplungsring 25 angeordnet ist. Jeder Synchronisierring 36, 37 hat
Außenzähne 38,
die radial mit den Zähnen 23, 26 der
Kupplungsringe 22, 25 und den Außenzähnen 23 des
Hohlrades 29 fluchten. Jeder Synchronisierring 36, 37 hat
eine radial einwärts
gerichtete, kegelstumpfförmige
Fläche 39 bzw. 41 zum Eingriff
mit den Flächen 27, 28 gleicher
Art an den Kupplungsringen 22, 25, so dass die
zwei Synchronisierringe 36, 37 spiegelbildlich
zueinander angeordnet sind.
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Die
axial äußeren Enden
der Außenzähne 38 der
Synchronisierringe 36, 37 sind abgeschrägt, um in
die Zähne
hineinzuführen,
während
die axial inneren Enden der Zähne 38 im
wesentlichen ebene Seitenflächen
aufweisen.
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Außerhalb
der beiden Kupplungsringe 22, 25, der Synchronisierringe 36, 37 und
des Hohlrades 29 befindet sich eine axial verschiebbare
Kupplungshülse 42.
Die Kupplungshülse 42 hat
in drei Sätze
unterteilte Innenzähne,
einen mittleren Satz 43 zum Eingriff mit den Außenzähnen 32 des
Hohlrades 29, und entsprechende Sätze 44, 45 an
jedem axialen Endabschnitt der Kupplungshülse zum Eingriff mit den entsprechenden
Synchronisierringen 36, 37 und Kupplungsringen 22, 25.
Die Kupplungshülse 42 hat einen
ringförmigen
Schlitz 46 auf ihrer Außenfläche, in die eine nicht gezeigte
Steuergabel zum axialen Verschieben der Kupplungshülse 42 während eines Gangwechsels
eingreift.
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Benachbart
den beiden endseitigen Zahnsätzen 44, 45 ist
axial einwärts
davon an jedem Ende eine radial einwärts gewandte Ringnut 48a, 48b mit gekrümmtem Querschnitt
angeordnet. Jede Nut 48a, 48b kann teilweise einen
eines Paares von Sicherungsringen 47a, 47b mit
kreisringförmigem
Querschnitt aufnehmen, die innerhalb der Kupplungshülse 42 und
koaxial dazu angeordnet sind, einer in jeder axialen Lücke zwischen
dem mittleren Zahnsatz 43 und den beiden endseitigen Zahnsätzen 44, 45.
Die Sicherungsringe 47a, 47b sind federnde, geschlitzte Ringe,
die in einem entspannteren Zustand sind, wenn sie sich in der Nut 48 befinden,
und die in einem gespannteren Zustand sind, wenn sie auf einen kleineren
Umfang als die ringförmige
Nut 48 kontrahiert werden.
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Die
Funktion des oben beschriebenen Planetengetriebes wird im folgenden
erläutert.
Gemäß 1 der
beigefügten
Zeichnungen sind die Innenzähne 31 des
Hohlrades 29 mit den Planetenrädern 17 in Eingriff.
Die Außenzähne 32 des
Hohlrades 29 sind in Eingriff mit den mittleren Zähnen 43 der
Kupplungshülse 42.
Die Kupplungshülse 42 ist über den endseitigen
Zahnsatz 44, der in die Außenzähne 23 des ersten
Kupplungsrings 22 eingreift, mit dem ersten Kupplungsring 22 verbunden.
Die Kupplungshülse 42 ist
bezüglich
des Gehäuses 11 ortsfest
gehalten und der Planetenradträger 19 kann
bezüglich
der Eingangswelle 12 frei drehen und der niedrige Gangbereich
ist in Betrieb.
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Das
Einschalten des hohen Gangbereichs wird durch Bewegen der Kupplungshülse 42 nach rechts
bewirkt, wodurch die endseitigen Zähne 44 der Kupplungshülse 42 von
dem ersten Kupplungsring 22 außer Eingriff geraten.
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Gleichzeitig
werden die zwei Sicherungsringe 47a, 47b von der
Kupplungshülse 42 nach
rechts getragen, wobei der Sicherungsring 47a in seiner
Nut 48a gehalten ist und der andere Sicherungsring 47b durch
Reibung in seiner Stellung gehalten ist, die durch seine federnde
Expansion innerhalb der Hülse erzeugt
wird. Die beiden Sicherungsringe 47a, 47b werden
miteinander verschoben, bis der Sicherungsring 47a gegen
den benachbarten Zahn 38 des zweiten Synchronisierrings 37 stößt und der
Sicherungsring 47b gegen die benachbarte Seite des Zahns 32 des
Hohlrades 29 stößt.
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Eine
Zunahme der rechtsgerichteten Kraft bewirkt, dass die Kupplungshülse 42 durch
den Sicherungsring 47a eine Axialkraft auf den zweiten Synchronisierring 37 ausübt, so dass
ihre kegelstumpfförmige
Fläche 41 die
kegelstumpfförmige Reibfläche 28 am
zweiten Kupplungsring 25 berührt. Dieser Zustand ist in 3 wiedergegeben.
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In
dem Maß,
wie die rechtsgerichtete Kraft auf die Kupplungshülse 42 aufgebracht
wird, kontrahiert der Sicherungsring 47a, springt aus seiner
Nut 48a heraus und die Kupplungshülse 42 gleitet nach rechts.
Die erhöhte
Kraft auf den zweiten Synchronisierring 37 bringt die Synchronisierkegelflächen 41, 28 vollständig miteinander
in Eingriff. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt.
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Der
zweite Synchronisierring unterliegt somit einer Beschleunigung,
die die Drehzahl der Kupplungshülse 42 so
weit erhöht,
bis praktisch kein Unterschied in den Drehzahlen der Kupplungshülse 42, dem
Synchronisierring 37 und dem zweiten Kupplungsring 25 mehr
besteht. Wenn gleiche Drehzahlen erreicht sind, reicht die Axialkraft,
die der benachbarte, endseitige Zahnsatz 45 der Kupplungshülse 42 auf
die abgeschrägten
Flächen
der Zähne 26 des zweiten
Kupplungsrings ausübt,
dazu aus, die Kupplungshülse 42 in
eine Stellung zu drehen, in der der benachbarte, endseitige Zahnsatz 45 in
die Lücken zwischen
den angrenzenden Zähnen 26 des
zweiten Kupplungsrings 25 rutschen können.
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Die
Kupplungshülse 42 wird
nun nach rechts verschoben, um die endseitigen Zähne 45 vollständig in
Eingriff mit dem zweiten Kupplungsring 25 zu bringen. Die
zwei Sicherungsringe 47a, 47b gleiten somit axial
in den Lücken
zwischen den Zahnsätzen,
so dass der Sicherungsring 47b in seine Nut 48b zurückkehrt.
In diesem Zustand, der in 2 wiedergegeben
ist, ist die Kupplungshülse 42 durch
den endseitigen Zahnsatz 45, der in die Außenzähne 26 des zweiten
Kupplungsrings 25 eingreift, mit dem zweiten Kupplungsring 25 verbunden.
Da das Hohlrad 29 nun bezüglich der Ausgangswelle 13 feststeht,
befindet sich das Getriebe in einem hohen Gangbereich, in dem die
Ausgangswelle 13 mit derselben Drehzahl wie die Eingangswelle 12 rotiert.
In diesem Zustand ist der rechte Sicherungsring 47a axial
zwischen den Außenzähnen 38 des
zweiten Synchronisierrings 37 und dem inneren, mittleren
Zahnsatz 43 der Kupplungshülse angeordnet. Der Sicherungsring 47a ist aus
seiner benachbarten Nut 48a verlagert worden und befindet
sich in einem kontrahierten, gespannten Zustand. Der linke Sicherungsring 47b ist
in seiner zugehörigen
Nut 48b aufgenommen und befindet sich in einem entspannten
Zustand nahe den Zähnen 32 des
Hohlrades 29.
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Wenn
der niedrige Gangbereich des Planetengetriebes eingelegt werden
soll, bewegt die nicht dargestellte Steuergabel die Kupplungshülse 42 nach
links und verlagert sich aus der in 2 gezeigten
Stellung in die in 1 gezeigte Stellung. Wenn der
Gangbereichswechsel unter Betriebsbedingungen stattfindet, verschiebt
die Kupplungshülse 42 die beiden
Sicherungsringe 47a, 47b gleichzeitig und der endseitige
Zahnsatz 45 der Kupplungshülse 42 kommt von den
Außenzähnen 26 des
zweiten Kupplungsrings 25 und damit von der Ausgangswelle 13 frei.
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Die
Kupplungshülse 42 führt ihre
nach links gerichtete Bewegung unter Mitnahme der zwei Sicherungsringe 47a, 47b fort,
wobei der Sicherungsring 47b in der Nut 48b gehalten
ist und der Sicherungsring 47a durch Reibung zwischen ihm
und der Innenfläche
der Kupplungshülse
in Stellung gehalten ist, die durch seine federnde Vorspannung erzeugt wird.
Gleichzeitig stößt der linke
Sicherungsring 47b gegen den Zahn 38 des ersten
Synchronisierrings 36 und der Sicherungsring 47a stößt gegen
den Außenzahn 32 des
Hohlrades 29.
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Eine
Zunahme der linksgerichteten Kraft führt dazu, dass die Kupplungshülse 42 eine
Axialkraft auf den ersten Synchronisierring 46 ausübt, wodurch
ihre konische Fläche 31 die
konische Fläche 34 des
stehenden ersten Kupplungsrings 22 berührt. Des weiteren wird dadurch
der Sicherungsring 47b federnd verformt, so dass er beim
nach links Gleiten der Kupplungshülse sich kontrahiert und aus
seiner Nut 48 herausspringt. Der erste Synchronisierring 36 unterliegt
deshalb einer Bremskraft, die die relative Drehzahl des Hohlrades 29 und
der Kupplungshülse 42 verlangsamt.
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Nachdem
die Relativdrehung durch das Abbremsen aufgehoben und ein synchrones
Drehen erreicht worden ist, reicht die Axialkraft, die der benachbarte,
endseitige Zahnsatz 44 auf die abgeschrägten Flächen der Zähne 23 des ersten
Kupplungsrings ausübt,
dazu aus, die Kupplungshülse 42 in
eine Stellung zu drehen, in der die benachbarten Zähne 44 in
die Lücken
zwischen den angrenzenden Zähnen 23 der
Kupplungshülse 42 gleiten
können.
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Die
Kupplungshülse 42 kann
nun weiter nach links verschoben werden, um vollständig mit
dem ersten Kupplungsring in Eingriff zu geraten. Die zwei Sicherungsringe 47a, 47b,
die axial stationär
gehalten werden, gleiten somit axial in den entsprechenden Lücken zwischen
den Zahnsätzen
und werden bezüglich
der Kupplungshülse 42 nach
rechts verschoben, wobei der rechte Sicherungsring 47a in
seine Nut 48a zurückkehrt,
wie in 1 dargestellt ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann der erste Kupplungsring am Sonnenrad oder an
der Eingangswelle und der zweite Kupplungsring an dem Getriebegehäuse befestigt
sein.
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Das
oben beschriebene Getriebe hat den Vorteil, dass es in axialer Richtung
kurz und von einfacher Konstruktion ist. Darüber hinaus ergibt sich wegen
des Herausspringens der Sicherungsringe 47a, 47b aus
ihren Nuten eine spürbare
Rückmeldung
an einen die Steuergabel bedienenden Fahrer.
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Des
weiteren kann die Zahl der Zähne 38 auf den
Synchronisierringen 36, 37 von der Zahl der Zähne 32 des
Hohlrades 29 abweichen. Daraus ergibt sich eine größere Anzahl
unterschiedlicher Berührstellen,
wodurch Probleme im Hinblick auf Sonnenräder mit facettierten Zähnen verringert
werden, die durch nur wenige Berührstellen
hervorgerufen werden.