DE19809413A1

DE19809413A1 - Schaltgetriebe

Info

Publication number: DE19809413A1
Application number: DE1998109413
Authority: DE
Inventors: Roland John
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-09-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltgetriebe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Schaltwelle mit einer Schaltwellenmitte, einem drehfest mit dieser verbundenen Schaltfinger mit einer Schaltfingermitte, welcher durch axiale Verschiebung der Schaltwelle wahlweise in eines von mehreren Schaltmaulen jeweiliger Schaltstangen derart hineinragt, daß bei einer Drehung der Schaltwelle um einen ersten vorbestimmten Schaltwinkel der Schaltfinger mit einer Schaltfingerkontur an Wandungen des jeweiligen Schaltmauls anschlagend die jeweilige Schaltstange zum Einrücken oder Ausrücken eines Ganges verschiebt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei herkömmlichen Getrieben ist die Kontur des Schaltfingers kreisförmig ausgebildet. Die Kreiskontur gewährleistet bei Drehung der Schaltwelle für jeden Schaltwinkel ein Anliegen des Schaltfingers an die beiden Schaltmaulwänden. Ferner erfüllt die Kreiskontur die Bedingung, daß es für jeden Punkt der Kurve einen gegenüberliegenden Punkt auf der Kreiskontur gibt, dessen Tangente parallel zu der des anderen ist, mit der Besonderheit, daß ein Abstand dieser Tangenten für alle gegenüberliegenden Punkte auf der Kreiskontur gleich ist. Diese Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß man größere Schaltwege der Schaltstange bzw. Schaltschiene nur durch größere Drehwinkel der Schaltwelle oder durch einen längeren Hebelarm zwischen Schaltwelle und Schaltfinger realisieren kann. Einer Vergrößerung dieser Parameter steht jedoch eine Vergrößerung der Schaltkräfte am Handschalthebel entgegen. Im sogenannten Synchronpunkt, d. h. wenn der Synchronring sperrt, treten die größten Schaltkräfte auf. Insbesondere in diesem Punkt wirken sich diese Maßnahmen negativ aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die obengenannten Nachteile gemindert werden und bei konstantem Schaltwinkel zwischen Schaltwelle und Schaltfinger größere Schaltwege der Schaltstange für einen kleineren Hebelarm als bisher, also kleinere Schaltkräfte, im Synchronpunkt erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Getriebe der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Schaltfingerkontur zumindest in einem vorbestimmten Abschnitt aus wenigstens zwei Evolventenästen eines Kreises mit einem Radius r größer oder gleich Null oder einer beliebigen anderen geometrischen Figur zusammengesetzt ist. Der Einfachheit halber werden im weiteren jedoch nur Kreisevolventen betrachtet.

Dies hat den Vorteil, daß durch die Generierung der Schaltfingerkontur aus Evolventenästen beispielsweise eines Kreises in allen Stellungen des Schaltfingers beim Verschieben der Schaltstange zum Schalten von Gängen die Schaltfingerkontur bei den zwei Anschlagpunkten an Wandungen des Schaltmauls parallele Tangenten hat, welche auch für verschiedenen Winkelstellungen des Schaltfingers im Schaltmaul einen konstanten Abstand voneinander aufweisen. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, daß durch entsprechende Veränderung des die Evolventenäste generierenden Kreises Schaltfingerkonturen erzeugbar sind, die bei identischen Schaltwinkeln und identischer Anordnung des Schaltfingers bezüglich der Schaltwellenmitte unterschiedliche Schaltwege, d. h. Verschiebungen der Schaltstange, erzeugen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bildet die Schaltfingermitte einen Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems mit einer x-Achse und einer y-Achse, wobei die y-Achse des Koordinatensystems die Schaltfingermitte mit der Schaltwellenmitte in Mittelstellung des Schaltfingers verbindet und der die wenigstens zwei Evolventenäste erzeugende Kreis einen Mittelpunkt R(R_x,R_y) im Koordinatensystem aufweist.

Zweckmäßigerweise tangiert der Kreis wenigstens eine, insbesondere beide Koordinatenachsen. Dies erzielt man beispielsweise dadurch, daß der Mittelpunkt R(R_x,R_y) des Kreises im Koordinatensystem derart gewählt ist, daß |R_y| gleich dem Radius r des Kreises und 0 ≦ |R_x| < B/2 ist, wobei B die maximale Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 ist.

Eine besonders einfache Ableitung der Schaltfingerkontur ergibt sich dadurch, daß ausgehend von einem Punkt A des Kreises, an dem dieser die x-Achse tangiert, eine Gerade a bis zu einem ersten Punkt C der maximalen Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 in negativer x-Richtung gezogen ist, daß ausgehend vom Punkt A eine Gerade b bis zu einem zweiten Punkt D der maximalen Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 in positiver x-Richtung gezogen ist, daß sich die Gerade a vom Kreis wie ein Faden um maximal einen Viertelkreis abwickelt und sich die Gerade b wie ein Faden auf den Kreis um maximal einen Viertelkreis aufwickelt, wobei die von offenen, dem Kreis abgewandten Enden der Geraden a und b überstrichenen Punkte zwei Evolventenäste in je einem Quadranten des Koordinatensystems ausbilden, und daß sich die Schaltfingerkontur durch Spiegeln der so erzeugten Evolventenäste an der Y-Achse vervollständigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform lautet eine Parameterdarstellung des ersten Evolventenastes für einen Kreis mit Radius r und einem Mittelpunkt R(R_x,R_y) folgendermaßen:

wobei B die maximale Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 ist, für solche ϕ ∈ [0;2π], für die gilt

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung lautet eine Parameterdarstellung des zweiten Evolventenastes für einen Kreis mit Radius r und einem Mittelpunkt R(R_x,R_y) folgendermaßen:

Zweckmäßigerweise ist

Einen erzeugenden Kreis, welcher beide Koordinatenachsen tangiert, erzielt man dadurch, daß R_x = r und/oder R_y = r ist, wobei r der Radius des Kreises ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist

wobei B die maximale Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltfingers,

Fig. 2 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltfingers und

Fig. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltfingers.

Die schematischen Darstellungen 1 bis 3 zeigen drei verschiedene bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltfingerkontur 10 und deren Erzeugung mittels eines Kreises 12. Ein kartesisches Koordinatensystem mit einer x-Achse 14 und einer y-Achse 16 bildet einen Ursprung 18, welcher gleichzeitig die Schaltfingermitte ist. Die Schaltfingerkontur 10 hat bei y = 0 keine Breite B und die sich gegenüberliegenden Endpunkte der Schaltfingerkontur 10 bei y = 0 liegen daher bei den Koordinatenpunkten (-B/2;0) und (+B/2;0). In den Fig. 1 bis 3 befindet sich die Schaltwellenmitte auf einem Punkt der positiven y-Achse 16 und ist aus Darstellungsgründen in den Fig. 1 bis 3 nicht eingezeichnet. Der die Schaltfingerkontur 10 erzeugende Kreis 12 hat einen Mittelpunkt R im Koordinatensystem mit den Koordinatenpunkten R_x und R_y und einen Radius r. Aus diesem Kreis 12 werden die beiden Evolventenäste 20 und 22 wie folgt erzeugt.

Ausgehend von einem Punkt A des Kreises 12 bei der Koordinate (R_x;0), an dem der Kreis 12 die x-Achse 14 tangiert, ist eine Gerade a bis zu einem ersten Punkt C bei der Koordinate (-B/2;0) der maximalen Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 in negativer x-Richtung gezogen. Die Gerade a hat hier eine Länge a₀=(B/2-R_x). Ausgehend vom Punkt A ist ferner eine Gerade b bis zu einem zweiten Punkt D bei der Koordinate (+B/2;0) der maximalen Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 in positiver x-Richtung gezogen ist. Die Gerade b hat hier eine Länge b₀=(B/2+R_x). Die Gerade a wird vom Kreis 12 wie ein Faden um maximal einen Viertelkreis im Uhrzeigersinn abwickelt. Die Gerade b wird wie ein Faden auf den Kreis 12 um maximal einen Viertelkreis im Uhrzeigersinn aufwickelt. Dabei überstreichen die offenen, dem Kreis 12 abgewandten Enden 24 und 26 der Geraden a und b Punkte, die die jeweiligen Evolventenäste 20 und 22 in je einem Quadranten des Koordinatensystems ausbilden. Durch Spiegeln der so erzeugten Evolventenäste 20 und 22 an der Y-Achse vervollständigt sich die Schaltfingerkontur 10.

Die Geraden a und b werden durch Bewegen eines Punktes 28 auf dem Kreis 12 um Winkel ϕ ab- bzw. aufgewickelt. Die von den Geraden a und b gebildete Gerade ab tangiert dabei den Kreis 12 am Punkt 28. In den Fig. 1 bis 3 ist für einen bestimmten Winkel ϕ eine Ab- bzw. Aufwickelsituation der Geraden a und b festgehalten. Die Länge der Geraden a beträgt nun vom Punkt 28 ausgehend durch das Abwickeln a₀+r_ϕ und die Länge der Geraden b beträgt nun vom Punkt 28 ausgehend durch das Aufwickeln b₀-r_ϕ. Es ergibt sich unmittelbar geometrisch, daß für alle Winkel ϕ im Intervall [0;π/2] die Gerade a genau um so viel länger wird, wie die Gerade b kürzer wird. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Punkten 24 und 26 der Schaltfingerkontur 10 immer konstant gleich und zwar für dieses Ausführungsbeispiel immer gleich a₀+b₀. Ferner sind entsprechende Tangenten 28 und 30 der Schaltfingerkontur 10 von gegenüberliegenden Punkten 24 und 26 immer senkrecht zu Verbindungslinie ab und somit parallel zueinander. Daher erfüllt die erfindungsgemäße Schaltfingerkontur dieselben eingangs genannten Bedingungen wie die herkömmliche Kreiskontur.

Fig. 1 und 2 veranschaulichen den Sonderfall, in denen der Kreis 12 beide Koordinatenachsen 14 und 16 tangiert, jedoch für unterschiedliche Koordinaten des Kreismittelpunktes R(R_x,R_y) und unterschiedliche Kreisradien r. In diesen beiden bevorzugten Ausführungsformen ist R_x = R_y = r. Es zeigt sich, daß die Krümmung der Schaltfingerkontur gemäß der Konstruktion von Fig. 2 größer ist als diejenige der Konstruktion gemäß Fig. 1. Eine weitere Steigerung dieser Krümmung erzielt man dadurch, daß der Kreis nur noch die x-Achse 14 tangiert. Dies zeigt Fig. 3, wobei hier eine Extremsituation für R_x=-B/2 dargestellt ist. Der Winkel ϕ darf hier beim Ab- bzw. Aufwickeln der Geraden a und b nur so groß werden, bis die zweite Evolvente 22 die y-Achse 16 erreicht. Mit anderen Worten ist der x-Wert der Koordinaten der zweiten Evolvente 22 immer größer oder gleich Null zu halten. Es ist anschaulich, daß hierbei der Winkel ϕ nicht mehr den Wert π/2 entsprechend einem Viertelkreis erreicht. Die erste Evolventenast 20 erstreckt sich somit nicht mehr über den vollen dritten Quadranten des Koordinatensystems. Der fehlende Teil der Schaltfingerkontur 10 ergibt sich dabei einfach durch Verbinden des offenen Endes des Evolventenastes 20 im dritten Quadranten und dem entsprechenden offenen Ende des gespiegelten Evolventenastes 32 im zweiten Quadranten mit einer Geraden 34.

Dadurch daß alle derart erzeugten Schaltfingerkonturen für r < 0 sowie R_x und R_y ungleich Null asymmetrisch zur Schaltschienenachse verlaufen, bewirkt ein solcher Schaltfinger durch seine Kontur 10 einen zusätzlichen Schaltweg. Denkt man sich nämlich die Schaltwellenmitte in die Mitte des Schaltfingers am Punkt 18, so kann man bei Kreisquerschnitt diesen drehen ohne daß die Schaltschiene einen Weg macht, während für r ungleich Null die asymmetrische Schaltfingerkontur 10 die Schaltschiene bereits durch Drehen ohne jeden Hebelarm hin- und herbewegt.

Die Vorteile einer asymmetrisch zur Schaltschienenachse verlaufenden Schaltfingerkontur 10 sind folgende: Während bei der Kreiskontur die Schaltmaul- bzw. Schaltfingerbreite B den Schaltschienenweg nicht beeinflußt, fließt für die Kontur 10 mit Asymmetrie die Breite B als zusätzlicher Parameter ein. Durch die Asymmetrie gewinnt man zusätzlichen Schaltschienenweg. Man kann damit den Schaltfinger für einen gleichen Schaltwinkel wie bei Kreiskontur näher zur Schaltwellenmitte hin positionieren, d. h. man hat einen kleineren Hebelarm und damit kleinere Schaltkräfte zum Schaltbeginn am Handschalthebel. Bei dem herkömmlichen kreisförmigen Schaltfinger nimmt der Hebelarm und damit die Schaltkraft mit zunehmenden Schiebemuffenweg ab, beim asymmetrischen Schaltfinger ist es umgekehrt. Gerade zum Schaltbeginn, wenn die Sperrsteinfedern gedrückt werden, ansynchronisiert wird und der Synchronring sperrt, sind kleinere Hebelarme wünschenswert. Später beim Überschieben der Schiebemuffe sind kleinere Hebelarme nicht mehr wichtig. Um nun kleine Schaltkräfte zu erhalten, sind die oberen beiden Konturäste 20, 32 vorzugsweise möglichst stark gestaucht und die unteren beiden Konturäste vorzugsweise möglichst stark gestreckt (Fig. 3).

Soll die Eingangs genannte Konturbedingung für eine volle Umdrehung gelten, erreicht man wachsende Asymmetrie, in dem der Kreis 12 die Achsen 14 und 16 tangierend vergrößert wird (Fig. 1 und 2) . Das Maximum wird im linken Scheitelpunkt (-B/2;0) für a₀=0 und b₀ = Schaltmaulbreite B erreicht. Berücksichtigt man dazu noch, daß der Schaltfinger nicht um 180 Grad sondern maximal um 35 Grad gedreht wird, kann die Bedingung, daß der Kreis 12 die Achse 16 durch die Schaltwellenmitte berührt, fallen gelassen werden. Man vergrößert nun Stauchung und Streckung derart, daß man im linken Scheitelpunkt (-B/2;0) den Kreisradius r verkleinert (Fig. 3). Die maximal gedehnte Evolvente wird durch Aufwickeln und nicht, wie vielleicht naheliegt, durch Abwickeln erreicht, und zwar deshalb, da sich nur für das Aufwickeln ein möglichst großer Krümmungskreisradius in den Scheitelpunkten (-B/2;0) und (+B/2;0) konstruieren läßt.

Das Maximum für einen Schaltwinkel kleiner 60 Grad sind letztlich zwei Kreisbögen mit Mittelpunkt im Scheitelpunkt (-B/2;0) und (+B/2;0) und Radius gleich Schaltmaulbreite B. Für diesen Extremfall erfolgt das Gangherausnehmen über einen einzigen Punkt. Da Radien nicht unbegrenzt klein gefertigt werden können und kleine Radien schnell abgenutzt werden, ist der Radius des Kreises 12 vorzugsweise ungleich Null aber klein zu wählen.

In einem Sonderfall läßt sich die gewünschte Asymmetrie auch durch zwei Kreispaare erreichen: Der Kreisradius ist Null, die Halbachse a entspricht mit seiner Länge a₀ einem Mindestradius und die Halbachse b hat eine Länge b₀ entsprechend der Differenz aus Schaltmaulbreite B und Halbachse a₀.

Die Schaltkraft läßt sich durch die Schaltfingerasymmetrie in vorteilhafter Weise für große Schaltwinkel stärker vermindern. So wird in vorteilhafter Weise für einen Schaltwinkel von beispielsweise 30 Grad, einem Schiebemuffenweg von 10,4 mm und einer Schaltfingerdicke von 9,2 mm im Synchronpunkt die Schaltkraft um etwa 5% gesenkt.

Bezugszeichenliste

10

Schaltfingerkontur

12

Kreis

14

x-Achse

16

y-Achse

18

Ursprung/Schaltfingermitte

20

Evolventenäste

22

Evolventenäste

24

offenes Ende der Geraden a

26

offenes Ende der Geraden b

28

Tangente

30

Tangente

32

gespiegelter Evolventenast

34

Gerade

Claims

1. Schaltgetriebe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Schaltwelle mit einer Schaltwellenmitte, einem drehfest mit dieser verbundenen Schaltfinger mit einer Schaltfingermitte (18), welcher durch axiale Verschiebung der Schaltwelle wahlweise in eines von mehreren Schaltmaulen jeweiliger Schaltstangen derart hineinragt, daß bei einer Drehung der Schaltwelle um einen ersten vorbestimmten Schaltwinkel der Schaltfinger mit einer Schaltfingerkontur (10) an Wandungen des jeweiligen Schaltmauls anschlagend die jeweilige Schaltstange zum Einrücken oder Ausrücken eines Ganges verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfingerkontur (10) zumindest in einem vorbestimmten Abschnitt aus wenigstens zwei Evolventenästen (20, 22) eines Kreises (12) mit einem Radius r größer oder gleich Null oder einer beliebigen anderen geometrischen Figur zusammengesetzt ist.

2. Schaltgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfingermitte einen Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems mit einer x-Achse und einer y-Achse bildet, wobei die y-Achse des Koordinatensystems die Schaltfingermitte mit der Schaltwellenmitte in Mittelstellung des Schaltfingers verbindet und der die wenigstens zwei Evolventenäste erzeugende Kreis einen Mittelpunkt R(R_x,R_y) im Koordinatensystem aufweist.

3. Schaltgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis wenigstens eine, insbesondere beide Koordinatenachsen tangiert.

4. Schaltgetriebe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt R(R_x,R_y) des Kreises im Koordinatensystem derart gewählt ist, daß |R_y| gleich dem Radius r des Kreises und 0 ≦ |R_x| < B/2 ist, wobei B die maximale Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 ist.

5. Schaltgetriebe nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schaltfingerkontur aus dem Kreis R(R_x,R_y) derart ableitet, daß ausgehend von einem Punkt A des Kreises, an dem dieser die x-Achse tangiert, eine Gerade a bis zu einem ersten Punkt C der maximalen Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 in negativer x-Richtung gezogen ist, daß ausgehend vom Punkt A eine Gerade b bis zu einem zweiten Punkt D der maximalen Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 in positiver x-Richtung gezogen ist, daß sich die Gerade a vom Kreis wie ein Faden um maximal einen Viertelkreis abwickelt und sich die Gerade b wie ein Faden auf den Kreis um maximal einen Viertelkreis aufwickelt, wobei die von offenen, dem Kreis abgewandten Enden der Geraden a und b überstrichenen Punkte zwei Evolventenäste in je einem Quadranten des Koordinatensystems ausbilden, und daß sich die Schaltfingerkontur durch Spiegeln der so erzeugten Evolventenäste an der y-Achse vervollständigt.

6. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Parameterdarstellung des ersten Evolventenastes für einen Kreis mit Radius r und einem Mittelpunkt R(R_x,R_y) folgendermaßen lautet,
wobei B die maximale Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 ist, für solche ϕ ∈ [0;2π], für die gilt

7. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Parameterdarstellung des zweiten Evolventenastes für einen Kreis mit Radius r und einem Mittelpunkt R(R_x,R_y) folgendermaßen lautet,
wobei B die maximale Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 ist, für solche ϕ ∈ [0;2π], für die gilt

8. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß

9. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß R_x = r und/oder R_y = r ist, wobei r der Radius des Kreises ist.

10. Schaltgetriebe nach einem der Ansprüche 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß
ist, wobei B die maximale Breite der Schaltfingerkontur bei y = 0 ist.

11. Schaltgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreismittelpunkt R die Koordinaten R_x und R_y in einem kartesischen Koordinatensystem hat, wobei R_x und R_y ungleich Null sind.