DE19740305A1 - Schaltkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltkupplung mit den Merkmalen nach den Oberbegriff von Anspruch 1.

In Schaltgetrieben, die unter Zugkraftunterbrechung geschaltet werden, d. h. daß eine Eingangswelle während des Schaltvorgangs durch eine Kupplung von einer Antriebsma­ schine getrennt wird, kann man den jeweiligen Gang mit ei­ ner Schaltkupplung der eingangs beschriebenen Art einlegen, indem eine Schaltverzahnung einer Schiebemuffe in eine Kup­ pelverzahnung eines Kupplungskörpers geschoben wird, der an einem zu kuppelnden Getriebeelement befestigt ist, z. B. an einem Zahnrad oder Getriebegehäuse. Dabei wird das Dreh­ moment im geschalteten Zustand von dem einen Getriebeele­ ment über den Kupplungskörper, die Kuppelverzahnung, die Schaltverzahnung, die Schiebemuffe und einen Muffenträger auf ein anderes Getriebeelement, z. B. ein Zahnrad oder eine Welle, übertragen oder am Getriebegehäuse abgestützt. Der Muffenträger kann ein in der Schiebemuffe liegender Synchronkörper oder ein außerhalb angeordneter Führungsring sein. Der Muffenträger ist an dem anderen Getriebeelement befestigt. Die Schiebemuffe ist über eine Mitnahmeverzah­ nung axial verschiebbar mit dem Muffenträger verbunden. Die Mitnahmeverzahnung kann gleichzeitig eine andere Funktion übernehmen, insbesondere kann sie als Schaltverzahnung oder Laufverzahnung ausgebildet sein.

Der geschaltete Gang bestimmt das Übersetzungsverhält­ nis und damit das Drehzahlverhältnis zwischen der Eingangs­ welle und einer Ausgangswelle des Getriebes. Die nicht ge­ kuppelten Getriebeelemente, z. B. frei umlaufende, ständig im Eingriff befindliche Zahnräder, der übrigen Gänge drehen mit einer ihrer Übersetzung entsprechenden Differenzdreh­ zahl zu den geschalteten Getriebeelementen. Wird von einem Gang zu einem anderen gewechselt, müssen die zu kuppelnden Teile während des Schaltens auf eine annähernd gleiche Drehzahl gebracht werden, bevor die Schaltverzahnung der Schiebemuffe in die Kuppelverzahnung des zu schaltenden Kupplungskörpers eingreifen kann.

Hierzu dient eine Synchronisiereinrichtung. Sie be­ sitzt in der Regel Reibflächen, z. B. einen Reibkonus und Reibgegenkonus, die mit den zu schaltenden Getriebeelemen­ ten drehfest verbunden sind und eine Rutschkupplung bilden. Beim axialen Verschieben der Schiebemuffe wird die Rutsch­ kupplung solange aktiviert, bis ein Gleichlauf der zu kup­ pelnden Getriebeelemente zumindest annähernd erreicht ist. Eine Sperreinrichtung verhindert, daß die Schaltverzahnung der Schiebemuffe in die Kuppelverzahnung des Kupplungskör­ pers einspuren kann, bevor Gleichlauf erreicht ist. Sie hat in der Regel zur Schaltrichtung schräge Flächen, z. B. eine Sperrverzahnung, an einem Synchronisierring, die mit schrä­ gen Flächen an der Schiebemuffe, z. B. an der Schaltverzah­ nung zusammenwirken. Die schrägen Flächen an der Schaltver­ zahnung dienen zum einen dazu, die Sperreinrichtung bei Gleichlauf unter dem Einfluß der Schaltkraft zu entsperren, und zum anderen, das Einspuren in die Kuppelverzahnung zu ermöglichen, indem der Reibschluß zwischen den Reibkonen der Synchronisierringe gelöst wird.

Solche Schaltkupplungen sind bekannt, und zwar für haltgetriebe in Planetenbauweise durch die DE 34 44 562 A1 und für Schaltgetriebe in Vorgelegebauweise durch die DE 34 44 670 A1.

Aus der DE 43 24 814 A1 ist ferner eine gattungsmäßi­ ge, formschlüssige Schaltkupplung bekannt, deren Schie­ bemuffe auf einem Synchronkörper drehfest, aber axial ver­ schiebbar angeordnet ist. Die Schiebemuffe trägt eine Schaltverzahnung, die mit einer Kuppelverzahnung an einem Kupplungskörper zusammenarbeitet. Die Stirnflächen der Schaltverzahnung und der Kuppelverzahnung verlaufen in Drehrichtung, so daß sie bei der axialen Schaltbewegung stumpf aufeinander treffen. Der Kupplungskörper ist dreh­ fest, aber mittels einer Wellfeder axial elastisch nachgie­ big mit einem Zahnrad verbunden, das drehbar auf einer Ge­ triebewelle gelagert ist.

Mit der Schiebemuffe ist ein erster Synchronisierring mit einem Reibkonus axial verschiebbar und um einen vorge­ gebenen Winkelbetrag gegenüber der Schiebemuffe drehbar verbunden. Zu diesem Zweck greifen Laschen durch Aussparun­ gen der Schiebemuffe, wobei das Spiel zwischen den Ausspa­ rungen und den Laschen so gewählt ist, daß der vorgegebene Drehwinkel erreicht wird. Sperrflächen an den Laschen und an den Aussparungen der Schiebemuffe bilden eine Sperrein­ richtung, die verhindert, daß die Schiebemuffe in Schalt­ richtung weiterbewegt werden kann, solange der Synchroni­ sierring gegenüber der Schiebemuffe verdreht ist. Sie er­ zeugen gleichzeitig eine aus der Schaltkraft abgeleitete Axialkraft, mit der der Reibkonus des ersten Synchronisier­ rings gegen einen Reibgegenkonus eines zweiten Synchroni­ sierrings gedrückt wird, der drehfest mit einem Zahnrad verbunden ist, das drehbar auf einer Getriebewelle gelagert ist.

Wird die Schiebemuffe aus einer Neutralposition in Schaltrichtung bewegt, wird die Sperreinrichtung über Rast­ mittel aktiviert, so daß sich der erste Synchronisierring begrenzt zur Schiebemuffe verdreht und die Sperrflächen aufeinander treffen. Durch das Rutschmoment zwischen dem Reibkonus und dem Reibgegenkonus, das auch Synchronisiermo­ ment genannt wird, wird ein Gleichlauf zwischen dem Zahnrad und der Getriebewelle erreicht. Dies um so schneller, je größer das Synchronisiermoment ist. Bei Gleichlauf ist es nun möglich, über die schrägen Sperrflächen, trotz des Reibschlusses zwischen den Synchronisierringen diese zusam­ men mit dem Zahnrad gegenüber der Schiebemuffe zurückzudre­ hen, so daß die Schiebemuffe weiterbewegt werden kann und mit ihrer Schaltverzahnung stumpf auf die Kuppelverzahnung trifft. Diese gibt elastisch nach und spurt erst in die Schaltverzahnung ein, wenn unabhängig von der Schaltkraft durch Schleppmomente des Getriebes, Schwingungen oder ein Antriebsmoment einer sich schließenden Fahrzeugkupplung der Kupplungskörper ein wenig gegenüber der Schiebemuffe ver­ dreht wird.

Um schnell einen Gleichlauf der zu kuppelnden Getrie­ beelemente zu erreichen, ist es wünschenswert, ein großes Synchronisiermoment zu erzeugen. Das Synchronisiermoment hängt im wesentlichen von der Reibpaarung der Reibkonen und der Anpreßkraft ab, die wiederum eine Funktion der Schalt­ kraft und des Konuswinkels der beiden Reibkonen ist. Je kleiner der Konuswinkel ist, desto größer ist die Anpreß­ kraft. Allerdings tritt bei einem kleinen Konuswinkel in Abhängigkeit vom Reibwert der Reibpaarung Selbsthemmung auf, die den Schaltkomfort üblicher Synchronisierungen stark beeinträchtigt. Daher werden in der Regel Konuswinkel größer gleich 6,5° gewählt. Große Konuswinkel führen außer­ dem zu einer geringeren Flächenpressung und damit geringe­ ren Belastung des Reibbelags. Ferner ist geometrisch be­ dingt eine kleinere Verschleißreserve notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Schalt­ kupplungen das Synchronisiermoment zu erhöhen, ohne den Schaltkomfort zu beeinträchtigen und den Bauraum zu vergrö­ ßern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung haben der Reibkonus und der Reibge­ genkonus einen Konuswinkel, der kleiner ist als der 1,1- fache Betrag des Arkustangens des Reibwerts u dieser Reib­ paarung. Damit weicht die erfindungsgemäße Auslegung des Konuswinkels von den üblichen Konuswinkeln ab. Es wird be­ wußt ein kleinerer Konuswinkel gewählt, der in dem Bereich der Selbsthemmung mit einem Sicherheitsabstand hineingeht. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer gattungsgemäßen Schaltkupplung das Einspuren der Schaltver­ zahnung in die Kuppelverzahnung unabhängig von der Schalt­ kraft erfolgt und somit nicht den Schaltkomfort beeinflußt. Daher kann der Konuswinkel unter Berücksichtigung der ande­ ren Faktoren, Flächenpressung, Verschleißreserve usw. im Sinne eines großen Synchronisiermoments optimiert werden, ohne auf die den Schaltkomfort beeinträchtigende Selbsthem­ mung Rücksicht nehmen zu müssen.

Um den Konuswinkel unter Berücksichtigung der übrigen Faktoren ausreichend groß wählen zu können, ist es zweckmä­ ßig für den Reibkonus bzw. den Reibgegenkonus Reibflächen oder Reibbeläge vorzusehen, deren Reibpaarung Reibwerte über 0,1 haben. Besonders geeignet ist ein Reibbelag aus Carbon-Fiber, mit dem sich Reibwerte µ bis zu 0,14 errei­ chen lassen. Bei einem solchen Reibwert liegt der Konuswin­ kel, bei dem Selbsthemmung auftritt bei 8°. Somit lassen sich Schaltkupplungen realisieren, die sowohl ein hohes Synchronisiermoment haben als auch in bezug auf die Flä­ chenpressung und die Verschleißreserve in üblichen Synchro­ nisierungen gleichwertig sind.

In zahlreichen Anwendungen wird die Schaltkupplung als Doppelkupplung ausgeführt. Hierbei ist es zweckmäßig, daß die zu beiden Seiten der Schiebemuffe angeordneten ersten Synchronisierringe mit axial angeordneten, auf dem Umfang verteilten Laschen durch Aussparungen in der Schiebemuffe greifen und sich jeweils an Stirnflächen des anderen Syn­ chronisierrings abstützen. Die in der Schiebemuffe vorgese­ henen Aussparungen sind abwechselnd den Laschen des einen oder anderen Synchronisierrings zugeordnet. Die Laschen sind auf die Aussparungen in der Schiebemuffe so abge­ stimmt, daß sie die Drehbewegung der ersten Synchronisier­ ringe zur Schiebemuffe auf einen vorgegebenen Drehwinkel begrenzen. Ferner weisen sie Gegensperrflächen auf, die mit Sperrflächen an den Aussparungen der Schiebemuffe zusammen­ wirken.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeich­ nungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusam­ menfassen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schaltkupplung,

Fig. 2 einen Teilschnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Schiebemuffe mit zwei ersten Synchronisier­ ringen.

Auf einer Getriebewelle 1, einem ersten zu kuppelnden Getriebeelement, sind zwei Zahnräder 2 und 3 als zweite kuppelnde Getriebeelemente mittels Lager 4, vorzugsweise Nadellager, gelagert. Zwischen den Zahnrädern 2 und 3 ist die Schaltkupplung angeordnet. Sie ist als Doppelkupplung ausgebildet und daher im wesentlichen symmetrisch aufge­ baut. Wegen der Verständlichkeit der Beschreibung und der Übersichtlichkeit der zeichnerischen Darstellung sind mehr­ fach vorkommende Bauteile mit einer gleichen Kennziffer versehen bzw. nur einmal gekennzeichnet.

Die Schaltkupplung hat eine Schiebemuffe 9. Diese ist auf einem Muffenträger, einem Synchronkörper 8, mittels ihrer Schaltverzahnung 10 drehfest, aber axial verschiebbar geführt. Der Synchronkörper 8 sitzt fest auf der Getriebe­ welle 1. In ihm sind Rastbolzen 11 angeordnet, die durch eine Feder 12 gegen die Schaltverzahnung 10 gedrückt werden und in der Neutralposition der Schaltmuffe 9 in eine Nut 13 eingreifen. Die Rastbolzen 11 sichern ferner die Position der Schiebemuffe 9 im geschalteten Zustand.

Die Schaltverzahnung 10 der Schiebemuffe 9 arbeitet mit einer Kuppelverzahnung 6 an einem Kupplungskörper 5 zusammen, der über eine Mitnahmeverzahnung 7 drehfest, aber axial verschiebbar mit dem Zahnrad 2, 3 verbunden ist. Der Kupplungskörper 5 stützt sich elastisch über eine Wellfe­ der 14 an einem Zahnrad 2, 3 unmittelbar oder mittelbar ab. Die einander zugewandten Stirnflächen der Schaltverzah­ nung 10 und der Kuppelverzahnung 6 verlaufen in Umfangs­ richtung, so daß sie stumpf aufeinander treffen, wenn die Schiebemuffe 9 in Schaltrichtung 31 bewegt wird.

Mit der Schiebemuffe 9 ist ein erster Synchronisier­ ring 15, 25 verbunden, der mit Laschen 23, 24, von denen mehrere auf dem Umfang verteilt sind, durch Aussparungen 21 in der Schiebemuffe 9 durchgreifen (Fig. 2, Fig. 3). Bei der dargestellten Doppelkupplung sind die Aussparungen 21 wechselweise den Laschen 23 des einen ersten Synchronisier­ rings 15 oder den Laschen 24 des anderen ersten Synchroni­ sierrings 25 zugeordnet. Die Laschen 23, 24 der Synchroni­ sierringe 15, 25 stützen sich jeweils an Stirnflächen des anderen Synchronisierrings 15, 25 ab. Wie Fig. 3 zeigt, sind die Laschen 23, 24 stirnseitig gestuft, wobei eine axiale vorstehende Stufe 29 in entsprechende Ausnehmun­ gen 30 des anderen Synchronisierrings 15, 25 eingreifen. Damit können die Synchronisierringe 15, 25 zueinander so­ wohl radial und axial als auch in Umfangsrichtung zueinan­ der ausgerichtet werden. Bügelfedern 19, die ebenfalls durch die Aussparungen 21 geführt sind, halten die Synchro­ nisierringe 15, 25 zusammen. Die Laschen 23, 24 verbreitern sich in Schaltrichtung 31 und weisen an den Übergangsberei­ chen Gegensperrflächen 28 auf, die mit Sperrflächen 27 an den Aussparungen 21 der Schiebemuffe 9 zusammenarbeiten.

Die Bügelfedern 19 haben im mittleren Bereich eine in Umfangsrichtung verlaufende Einprägung 20, in die die Schiebemuffe 9 mit einem Rastbund 22 in der Neutralposition einrastet.

Der erste Synchronisierring 15, 25 weist einen Reibko­ nus 17 auf, der mit einem Reibgegenkonus 18 eines zweiten Synchronisierrings 16, 26 zusammenarbeitet. Der zweite Syn­ chronisierring 16, 26 ist drehfest mit dem Zahnrad 2, 3 verbunden, in dem er in die zahnradseitige Mitnahmeverzah­ nung 7 des Kupplungskörpers 5 eingreift. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wellfeder 14 zwischen dem zwei­ ten Synchronisierring 16, 26 und dem Kupplungskörper 5 an­ geordnet. Der Reibkonus 17 und der Reibgegenkonus 18 haben einen Konuswinkel γ. Für γ soll erfindungsgemäß gelten,
γ<1,1.arctan µ,
wobei µ der Reibwert der Reibpaarung zwischen dem Reibko­ nus 17 und dem Reibgegenkonus 18 ist.

Zu Beginn der Schaltung wird die Schiebemuffe 9 in Schaltrichtung 31 bewegt. Über den Rastbund 22 und die Bü­ gelfeder 19 wird der Reibkonus 17 gegen den Reibgegenko­ nus 18 gedrückt. Bei einer Differenzdrehzahl zwischen der Getriebewelle 1 und dem Zahnrad 2, 3 wird der erste Syn­ chronisierring 15, 25 in Umfangsrichtung gegenüber der Schiebemuffe 9 verdreht, so daß die Gegensperrfläche 28 zu­ sammen mit der Sperrfläche 27 an der Schiebemuffe 9 verhin­ dert, daß die Schiebemuffe 9 weiter in Schaltrichtung 31 bewegt werden kann. Wird Gleichlauf zwischen dem Zahnrad 2, 3 und der Getriebewelle 1 erreicht, bewirkt die Schaltkraft über die Sperrfläche 27 und die Gegensperrfläche 28, daß der erste Synchronisierring 15, 25 mit dem zweiten Synchro­ nisierring 16, 26 und dem Zahnrad 2, 3 zurückgedreht wird, so daß die Schaltmuffe 9 weitergeschaltet werden kann und mit ihrer Schaltverzahnung 10 stumpf auf die Kuppelverzah­ nung 6 trifft, die elastisch ausweicht. Erst wenn durch Schleppmomente des Getriebes, durch Schwingungen oder durch ein Antriebsmoment einer sich schließenden Fahrzeugkupplung der Reibschluß zwischen dem Reibkonus 17 und dem Reibgegen­ konus 18 gelöst wird und sich die Kupplungsverzahnung 6 gegenüber der Schaltverzahnung um einen gewissen Drehwinkel verdreht hat, kann die Schaltverzahnung 10 in die Kuppel­ verzahnung 6 einspuren und die Schaltung ist abgeschlossen.

Bezugszeichenliste

1

Getriebewelle

2

Zahnrad

3

Zahnrad

4

Lager

5

Kupplungskörper

6

Kuppelverzahnung

7

Mitnahmeverzahnung

8

Synchronkörper

9

Schiebemuffe

10

Schaltverzahnung

11

Rastbolzen

12

Feder

13

Nut

14

Wellfeder

15

erster Synchronisierring

16

zweiter Synchronisierring

17

Reibkonus

18

Reibgegenkonus

19

Bügelfeder

20

Einprägung

21

Aussparung

22

Rastbund

23

Lasche

24

Lasche

25

erster Synchronisierring

26

zweiter Synchronisierring

27

Sperrfläche

28

Gegensperrfläche

29

Stufe

30

Ausnehmung

31

Schaltrichtung
γ Konuswinkel
µ Reibwert

Claims (9)

1. Schaltkupplung mit den Merkmalen:

• - eine Schiebemuffe (9) ist drehfest, aber axial ver­ schiebbar, mit einem ersten zu kuppelnden Getriebeele­ ment (1) verbunden,
• - ein erster Synchronisierring (15, 25) mit einem Sperr­ mechanismus (28) und einem Reibkonus (17) ist gegen­ über der Schiebemuffe (9) begrenzt verdrehbar,
• - ein zweiter Synchronisierring (16, 26) ist an einem zweiten zu kuppelnden Getriebeelement (2, 3) drehfest angebracht und wirkt über seinen Reibgegenkonus (18) mit dem Reibkonus (17) des ersten Synchronisier­ rings (15, 25) zusammen,
• - die Schiebemuffe (9) hat eine Schaltverzahnung (10) mit in Drehrichtung verlaufenden Stirnflächen,
• - ein Kupplungskörper (5) mit einer der Schaltverzah­ nung (10) entsprechenden Kuppelverzahnung (16) ist drehfest, aber axial elastisch nachgiebig mit dem zweiten Getriebeelement (2, 3) verbunden,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reibko­ nus (17) und der Reibgegenkonus (18) einen Konuswinkel (γ) haben, der kleiner ausgelegt ist als der 1,1-fache Betrag des Arkustangens des Reibwerts (µ).

2. Schaltkupplung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reibkonus (17) bzw. der Reibgegenkonus (18) Reibflächen oder Reibbeläge aufweisen, deren Reibpaarung Reibwerte (µ) über 0,1 haben.

3. Schaltkupplung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Reibbelag Carbon-Fiber verwendet ist.

4. Schaltkupplung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkupplung als Doppelkupplung mit zwei ersten Synchro­ nisierringen (15, 25) ausgebildet ist, die auf gegenüber­ liegenden Seiten der Schiebemuffe (9) angeordnet sind und mit axial angeordneten, auf dem Umfang verteilten La­ schen (23, 24) durch Aussparungen (21) in der Schiebemuf­ fe (9) durchgreifen und sich am jeweils anderen Synchroni­ sierring (15, 25) abstützen.

5. Schaltkupplung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laschen (23, 24) auf die Aussparungen (21) so abgestimmt sind, daß sie die Dreh­ bewegung der ersten Synchronisierringe (15, 25) zur Schie­ bemuffe (9) begrenzen.

6. Schaltkupplung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Laschen (23, 24) in Schaltrichtung (31) verbreitern und an dem Übergang zwi­ schen dem schmaleren Bereich und dem breiteren Bereich Ge­ gensperrflächen (28) aufweisen, die mit Sperrflächen (27) an den Aussparungen (21) der Schiebemuffe (9) zusammenwir­ ken.

7. Schaltkupplung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die La­ schen (23, 24) stirnseitig radial gestuft sind und mit der axial vorstehenden Stufe (29) in Ausnehmungen (30) des an­ deren Synchronisierrings (15, 25) eingreifen.

8. Schaltkupplung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Um­ fang verteilte Bügelfedern (19) die ersten Synchronisier­ ringe (15, 25) axial zusammenhalten.

9. Schaltkupplung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bügelfeder (19) im mittleren Bereich eine in Umfangsrichtung verlaufende Ein­ prägung (20) aufweist, in die die Schiebemuffe (9) in der Neutralposition einrastet.