DE19840621C2

DE19840621C2 - Vorrichtung zum servomechanischen Schalten eines Stufengetriebes

Info

Publication number: DE19840621C2
Application number: DE1998140621
Authority: DE
Inventors: Guenter Ruehle; Henning Diel
Original assignee: Getrag Getriebe und Zahnradfabrik Hermann Hagenmeyer GmbH and Co
Current assignee: Magna PT BV and Co KG
Priority date: 1998-09-05
Filing date: 1998-09-05
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2018-09-06
Also published as: DE19840621A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum servomechanischen Schalten eines Stufengetriebes

a) mit einer Eingangswelle,
b) mit einer Zwischenwelle und
c) mit einer Ausgangswelle,
d) wobei Festräder und Losräder zur Bildung von die Gänge definierenden Radsätzen auf den Wellen verteilt angeordnet sind und das Stufengetriebe als Gruppengetriebe aus gebildet ist,
e) mit mindestens zwei Schaltgabeln zum Betätigen von den Losrädern zugeordneten Synchronisiereinrichtungen zum Be tätigen der Gänge, und
f) mit einer motorisch antreibbaren Schaltwalze, die mit einer der Anzahl der Schaltgabeln entsprechenden Anzahl von Umfangsnuten in geneigten Abschnitten schräg zur Axialrichtung der Schaltwalze verlaufen und ferner Be tätigungsorgane der Schaltgabeln in den Umfangsnuten laufen, derart, daß beim Durchlaufen geneigter Abschnitte die zugehörige Schaltgabel betätigt wird,
g) wobei schließlich bei vorbestimmten Gangwechseln zum Ein legen eines neuen Ganges zwei Synchronisiereinrichtungen geschlossen werden.

Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der DE 195 05 320 C1 bekannt.

Die bekannte Vorrichtung dient zum Steuern eines Stufen getriebes mit sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang. Die Schalträder der insgesamt sieben Gänge sind auf einer Eingangs welle und einer Ausgangswelle verteilt, wobei die Schalträder der Vorwärtsgänge mit Festrädern kämmen, die auf einer Zwischenwelle angeordnet sind. Zum Schalten der insgesamt sieben Gänge sind drei Schiebemuffen vorgesehen, die jeweils in zwei Richtungen auslenkbar sind.

Die Anordnung ist bei dem bekannten Getriebe so gewählt, daß beim Hochschalten vom Leerlauf in den ersten Gang, vom zweiten in den dritten Gang und vom vierten in den fünften Gang sowie beim Rückschalten vom fünften in den vierten Gang und vom dritten in den zweiten Gang jeweils zwei neue Synchronisier einrichtungen geschlossen werden müssen. Dies geschieht bei dem bekannten Getriebe gleichzeitig. Das bekannte Getriebe hat da mit den Nachteil, daß dann, wenn aufgrund der unterschiedlichen zu synchronisierenden Massenträgheitsmomente eine der beiden Synchronisierungen zuerst den Gleichlauf erreicht, bei dieser Synchronisierung das Sperrmoment auf Null reduziert wird. Diese Synchronisierung wird dann während des Durchschaltens, nämlich vom Synchronende bis zum Formschluß im Kupplungskörper, infolge des Synchrondrehmomentes der anderen Synchronisierung ratschen. Hierzu muß man sich vergegenwärtigen, daß während des Schalt vorganges der Drehmomentfluß vom Eingang des Getriebes her über die Kupplungsmitnehmerscheibe, die erste Synchronisierung, den zwischen den beiden Synchronisierungen befindlichen Radsatz und von dort über die zweite Synchronisierung zur Fahrzeugmasse läuft.

Bei dem bekannten Getriebe wird zum Betätigen der Schaltgabeln eine Schaltwalze verwendet. Die Schaltwalze ist mit Umfangs nuten versehen. Die Umfangsnuten laufen abschnittsweise schräg zur Achsrichtung der Schaltwalze.

Bei dem bekannten Getriebe werden die Gänge über den Steigungs winkel der Umfangsnuten ein- und ausgelegt. Der Steigungswinkel wird dabei so gewählt, daß keine Selbsthemmung auftritt und daß der Durchmesser der Schaltwalze je nach Gangzahl nicht zu groß wird. Dies hat den Nachteil, daß bei vorgegebenem Antriebs- Drehmoment für die Schaltwalze die Schaltkraft nicht optimal ausgenutzt wird.

In den Umfangsnuten sind zylindrische Führungsstifte geführt, die über einen Schaltfinger mit jeweils einer Schaltgabel ver bunden sind. Da die Führungsstifte zylindrisch ausgebildet sind, treten bei den verwendeten kleinen Radien hohe Hertz'sche Pressungen im Kontaktpunkt zwischen Führungsstift und Umfangs nut bzw. Walzenkörper auf.

Schließlich ist bei dem bekannten Getriebe die Schaltwalze relativ kompliziert ausgeführt, weil auf einer Schaltwelle mehrere Rotorelemente als Schaltwalzen mit Umfangsnuten axial nebeneinander angeordnet sind. Die Formgebung der Rotorelemente ist ebenfalls kompliziert und aufwendig in der Herstellung.

In der vorstehend erörterten DE 195 05 320 C1 findet sich ein Hinweis auf die DE 42 05 671 A1, aus der ein Schaltgetriebe in Gruppenbauweise bekannt sei, bei dem für das Schalten eines Ganges das Ausführen zweier Synchronisiervorgänge erforderlich sei. Die beiden Synchronisiervorgänge könnten dabei nachein ander (in der Reihe) oder gleichzeitig (parallel) ausgeführt werden. Die Betätigung der beiden Synchronisiervorgänge nach einander habe indes den Nachteil, daß bei bestimmten Schaltvor gängen ein großer Stufensprung im ersten Schritt synchronisiert werden müsse. Im darauffolgenden Schritt müßten dann die Drehzahlen in umgekehrter Richtung verändert werden. Weiterhin verschlechterten sich bei nacheinander durchgeführten Synchronisiervorgängen die Kraftverhältnisse am Schalthebel durch den insgesamt nahezu verdoppelten Weg zum Einlegen eines Ganges. Diese Nachteile könnten jedoch vermieden werden, wenn beide Synchronisiervorgänge gleichzeitig ausgeführt werden.

In der DE 42 05 671 A1 ist ein Gangschaltgetriebe eines Kraft fahrzeugs beschrieben, bei dem die Schaltgabeln von einer Schaltwalze betätigt werden. Über den Zeitablauf bei den Synchronisiervorgängen ist dabei nichts angegeben. Bei diesem bekannten Getriebe ist eine Eingangswelle vorgesehen, in deren axialer Verlängerung sich eine Ausgangswelle befindet. Parallel zur Eingangswelle und Ausgangswelle ist eine Nebenwelle vor gesehen, die nach Art einer Vorgelegewelle wirkt. Auf der Ein gangswelle befindet sich ein Losrad und unmittelbar daneben auf der Ausgangswelle ein weiteres Losrad, wobei diese beiden Los räder zusammen mit zugehörigen Festrändern der Nebenwelle als Gruppenradsätze dienen. Weitere drei Losräder sind auf der Aus gangswelle gelagert.

Beim Durchschalten der Vorwärtsgänge erfolgt eine Gruppen umschaltung beim Wechsel vom ersten in den zweiten Gang, vom zweiten in den dritten Gang und vom vierten in den fünften Gang, insgesamt also dreimal. Bei jedem Gruppenwechsel müßten daher erhebliche Massen beschleunigt bzw. verzögert werden, nämlich die Masse der Eingangswelle, die Masse der bei der artigen Getrieben drehfest mit der Eingangswelle verbundenen Kupplungs-Mitnehmerscheibe sowie schließlich die Drehmasse der als Vorgelegewelle dienenden Nebenwelle. Demzufolge ist bei den genannten Gruppenwechseln eine erhebliche Reibarbeit zu leisten, was zu längeren Schaltzeiten und höherem Verschleiß der Reibbeläge führt. Dies gilt insbesondere bei sequentieller Synchronisierung, wie in der DE 195 05 320 C1 zutreffend ange merkt ist.

Aus der DE 44 44 120 C1 ist noch ein Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Dieses Getriebe ist ebenfalls in Gruppenbauweise ausgeführt, wobei eine Eingangswelle, eine Zwischenwelle und eine Ausgangswelle vorgesehen sind und sich sämtliche Losräder, einschließlich der Losräder der Gruppenradsätze auf der Zwischenwelle befinden. Über eine Betätigung der Synchronisiereinrichtungen ist in der DE 44 44 120 C1 nichts ausgesagt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter zubilden, daß diese Nachteile vermieden werden.

Insbesondere soll ein Ratschen im Bereich der Synchroni sierungen vermieden werden, wenn bei bestimmten Gangwechseln zwei Synchronisierungen betätigt werden müssen.

Weiterhin soll bei vorgegebenem Antriebs-Drehmoment für die Schaltwalze der Neigungswinkel der geneigten Abschnitte der Um fangsnuten dahingehend optimiert werden, daß eine maximale Schaltkraft ausgenutzt wird.

Ferner soll die Führung der Betätigungsorgane in den Umfangs nuten so ausgebildet werden, daß eine möglichst geringe Pressung und damit ein möglichst geringer Verschleiß statt findet.

Schließlich soll die Schaltwalze in möglichst einfacher und kostengünstiger Weise aufgebaut werden.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,

a) daß die Losräder auf der Zwischenwelle angeordnet sind,
b) daß beim Durchschalten der Vorwärtsgänge die Synchroni siereinrichtungen der Gruppenumschaltung nur einmal umge schaltet werden,
c) daß beim Gruppenwechsel zunächst der alte Gang ausgelegt, dann die Gruppe gewechselt und schließlich der neue Gang eingelegt wird, und
d) daß die geneigten Abschnitte der Umfangsnuten in Umfangs richtung der Schaltwalze einander nicht überlappen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Dadurch, daß gezielt nur eine Synchronisiereinrichtung ge schaltet und nach Abschluß der Synchronisierung die zweite Synchronisiereinrichtung ohne zusätzlichen Leerweg oder allen falls mit äußerst geringer Überdeckung geschaltet wird, kann das weiter oben geschilderte Problem nicht auftreten, so daß ein Ratschen der Synchronisiereinrichtungen sicher vermieden wird.

Die Maßnahme der sequentiellen Synchronisierung in Verbindung mit den weiter genannten gegenständlichen Merkmalen des Gruppen-Stufengetriebes hat den Vorteil, daß beim Gruppen wechsel nur extrem geringe Massen beschleunigt bzw. verzögert werden müssen, nämlich gerade die Masse der Zwischenwelle. Wenn nämlich der alte Gang ausgelegt und der neue Gang noch nicht eingelegt sind, besteht keine feste Verbindung von der Zwischenwelle zur Antriebswelle. Es kann daher in diesem Zu stand problemlos die Gruppenumschaltung vorgenommen werden, wo bei getriebeseitig alle Losräder sowie die Eingangswelle abge koppelt sind.

Der Erfindung kommt damit das Verdienst zugute, im Gegensatz zu den Ausführungen in der DE 195 05 320 C1 erkannt zu haben, daß bei Verwendung einer modifizierten Getriebekonfiguration die jenigen Nachteile gerade vermieden werden können, die dort im Zusammenhang mit dem Getriebe gemäß DE 42 05 671 A1 genannt sind.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Stufengetriebe sechs Vor wärtsgänge aufweist, die durch drei Schalträder und zwei Final- Drive-Übersetzungen dargestellt werden, wobei die drei Schalträder auf einer Zwischenwelle angeordnet sind und mit Festrädern auf einer Eingangswelle kämmen und zwei weitere Schalträder der Final-Drive-Übersetzungen ebenfalls auf der Zwischenwelle angeordnet sind und mit Festrädern kämmen, die auf Halbwellen beidseits eines Ausgleichsgetriebes sitzen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein extrem klein bauendes Getriebes zur Verfügung steht, das mit einer entsprechend kom pakten Vorrichtung servomechanisch schaltbar ist.

Besonders bevorzugt bei Ausführungsformen der Erfindung, aber auch bei anderen Anwendungsfällen ist weiterhin, wenn die ge neigten Abschnitte im wesentlichen einen vorbestimmten Winkel α mit der Axialrichtung der Schaltwalze einschließen, wobei der Winkel α aus dem mathematischen Maximum der Formel:

für die Schaltkraft F_{ax_R} bei vorgegebenem Drehmoment T_W bestimmt wird, wobei n die Anzahl der Gänge des Stufengetriebes, S_W der Schaltweg zwischen zwei Gängen in Richtung der geneigten Ab schnitte, a der Verweilweg eines Ganges in Umfangsrichtung der Schwaltwalze, G der Umfangsweg für das Umschalten der Final- Drive-Übersetzungen, ρ der Reibungswinkel und b der nutfreie Umfangsbereich ist.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß für eine bestimmte Kon figuration eines Getriebes bei vorgegebenem Drehmoment für den Antrieb der Schaltwalze der optimale Winkel α gefunden werden kann, bei dem sich aus dem vorgegebenen Drehmoment eine maxima le Schaltkraft F_{ax_R} ergibt.

In diesem Fall ist weiterhin bevorzugt, wenn dann der mittlere Durchmesser d_m der Schaltwalze aus dem optimierten Winkel α ge mäß der Formel

bestimmt wird.

Diese Maßnahme hat ebenfalls den Vorteil, zu einer extrem klei nen Bauform des Getriebes mit zugehöriger Vorrichtung zu füh ren.

Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung, die auch in ande rem Zusammenhang einsetzbar sind, ist die Schaltwalze aus einem im wesentlichen zylindrischen Walzenkörper sowie zwei stirnsei tigen Einsätzen aufgebaut.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Schaltwalze auf beson ders einfache Weise hergestellt werden kann. Während nämlich im Stand der Technik die Walzen als Vollkörper oder zweiteilig als spanabhebend hergestellte Hohlkörper hergestellt werden, kann durch die vorstehend genannten Maßnahmen eine einfachere Her stellbarkeit erreicht werden, weil die drei Einzelteile der Schaltwalzen jeweils in herkömmlicher Weise einfach bearbeitbar sind.

Dies gilt insbesondere dann, wenn bei einer bevorzugten Weiter bildung dieser Variante der Walzenkörper als vorzugsweise stranggepreßter Leichtmetall-Profilkörper ausgebildet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine weitere Vereinfachung in der Herstellung möglich ist, weil der Walzenkörper selbst bereits als stranggepreßtes Leichtmetallteil vorgegeben ist und nur noch die Umfangsnuten in den Walzenkörper eingearbeitet werden müssen.

Bei einer anderen Gruppen von Ausführungsbeispielen, die auch in anderem Zusammenhang eingesetzt werden können, sind die Be tätigungsorgane der Schaltgabeln als Nutensteine ausgebildet, wobei die Nutensteine in Draufsicht eine im wesentlichen rhom bische Form aufweisen.

Diese Maßnahme hat gegenüber herkömmlichen zylindrischen Füh rungsstiften und dgl. den Vorteil, daß ein wesentlich größerer Anlagebereich zwischen Walze bzw. Umfangsnut und Betätigungsor gan bewirkt werden kann. Die Hertz'sche Pressung wird auf diese Weise drastisch reduziert und dadurch die Lebensdauer der Schaltwalze erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein äußerst schematisiertes Getriebeschema eines Ge triebes, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Vorteil einsetzbar ist;

Fig. 2 eine Tabelle zur Veranschaulichung der Einstellung der Gänge bei dem Getriebe gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematisierte Seitenansicht eines Ausführungs beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schaltwalze;

Fig. 4 eine Abwicklung des Umfangs der Schaltwalze gemäß Fig. 3;

Fig. 5 zwei Funktionsdarstellungen mit zugehöriger Formel zur Erläuterung der Optimierung eines Neigungswin kels bei den Umfangsnuten gemäß Fig. 4;

Fig. 6 in vergrößertem Maßstab eine Schnittdarstellung ent lang der Linie VI-VI von Fig. 7; und

Fig. 7 eine Schnittdarstellung, in vergrößertem Maßstab, entlang der Linie VII-VII von Fig. 3.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt ein Getriebe, im dargestell ten Ausführungsbeispiel ein Stufengetriebe mit sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang für ein Kraftfahrzeug. Es ver steht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf diese Gängezahl oder auf den Einsatzfall von Kraftfahrzeugen beschränkt ist.

Das Getriebe 10 umfaßt eine Eingangswelle 12, auf dem Fest- Zahnräder 14, 16, 18 und 20 nebeneinander drehfest angeordnet sind.

Auf einer zur Eingangswelle 12 parallelen Zwischenwelle 24 sind hingegen Los-Zahnräder 26, 28, 30 und 32 drehbar gelagert.

Schließlich ist noch eine Nebenwelle 36 vorgesehen, auf der ein Umkehrrad 38 sitzt.

Eine erste Schiebemuffe 40 ist zwischen den Los-Zahnrädern 30 und 32 auf der Zwischenwelle 24 angeordnet. Die erste Schiebe muffe 40 ist in zwei axialen Richtungen auslenkbar. In Fig. 1 ist auf der linken Seite eine erste Synchronisiereinrichtung 41a sowie auf der rechten Seite eine zweite Synchronisierein richtung 41b angedeutet. Die erste Schiebemuffe 40 dient in an sich bekannter Weise zum Betätigen der Synchronisiereinrichtun gen 41a, 41b sowie zum Herstellen einer drehfesten Verbindung zwischen den Los-Zahnrädern 30 oder 32 mit der Zwischenwelle 24.

In entsprechender Weise befindet sich zwischen den Los- Zahnrädern 26 und 28 eine zweite Synchronisiereinheit 42 mit Synchronisiereinrichtungen 43a (links) und 43b (rechts).

Weiterhin sind auf der Zwischenwelle 24 zwei sogenannte Final- Drive-Übersetzungen 46 und 48 angeordnet, so daß das Getriebe 10 von der Bauart eines Gruppengetriebes ist. Diese Übersetzun gen umfassen Los-Zahnräder 50 und 52, die auf der Zwischenwelle 24 drehbar gelagert sind.

Parallel zur Zwischenwelle 24 erstrecken sich zwei Ausgangs- Halbwellen 54a und 54b, die zwischen sich ein Ausgleichsgetrie be 56 einschließen. Auf den Ausgangs-Halbwellen 54a, 54b sind Fest-Zahnräder 58, 60 drehfest angeordnet. Die Fest-Zahnräder 58 bzw. 60 kämmen mit den Los-Zahnrädern 50 bzw. 52.

Zwischen den Los-Zahnrädern 50 und 52 ist eine dritte Schiebe muffe 62 vorgesehen, die zum Betätigen zweier Synchronisierein richtungen 63a (links) und 63b (rechts) vorgesehen ist.

Durch Betätigung der Synchronisiereinrichtungen 41a, 41b, 43a, 43b, 63a und 63b können nun die sechs Vorwärtsgänge und der Rückwärtsgang eingelegt werden, wie dies aus der Tabelle gemäß Fig. 2 ersichtlich ist.

Man erkennt aus der Tabelle insbesondere, daß die dritte Schie bemuffe 62 die Funktion einer Gruppenschaltung hat, weil bei betätigter zweiter Synchronisiereinrichtung 63b der dritten Schiebemuffe 62 der erste, zweite und dritte Vorwärtsgang ein gelegt werden kann (durch Einlegen der Synchronisiereinrichtun gen 41b bzw. 41a bzw. 43b), während zum Einlegen des vierten, fünften und sechsten Ganges die erste Synchronisiereinrichtung 63a der dritten Schiebemuffe 62 geschlossen wird (zusammen mit den Synchronisiereinrichtungen 41b bzw. 41a bzw. 43b).

Für eine servomechanische Betätigung des Getriebes 10 bedeutet dies, daß die dritte Schiebemuffe 62 beim sequentiellen Hoch- bzw. Rückschalten nur einmal hin- bzw. hergeschaltet werden muß, nämlich beim Übergang vom dritten in den vierten bzw. vom vierten in den dritten Gang.

Zum servomechanischen Betätigen des Getriebes 10 ist eine Vor richtung vorgesehen, die schematisiert in Fig. 3 dargestellt ist.

Kernstück der Vorrichtung ist eine drehbare Schaltwalze 70, de ren Drehachse mit 72 bezeichnet ist. Die Schaltwalze 70 besteht aus einem im wesentlichen hohlzylindrischen Walzenkörper 74 so wie zwei an den Stirnseiten in den Walzenkörper 74 drehfest eingesetzten Einsätzen 76 bzw. 78.

Der Walzenkörper 74 ist bevorzugt ein Leichtmetall-Profilteil, das vorzugsweise stranggepreßt ist und somit zu geringen Kosten in großen Mengen mit genügender Genauigkeit hergestellt werden kann. Die Einsätze 76 bzw. 78, die im wesentlichen zum Lagern des Walzenkörpers 74 in der Achse 72 dienen, sind hingegen als Aluminium-Druckgußteile oder als Sinterteile oder als Kunst stoffteile ausgebildet oder aber aus üblichem Stahl herge stellt.

Der in Fig. 3 rechte Einsatz 78 ist an seinem Umfang mit einer Verzahnung 80 versehen. In die Verzahnung 80 greift ein erstes Ritzel 82, das drehfest auf einer Welle 84 sitzt. Die Welle 84 trägt ferner ein großes Zahnrad 86, das seinerseits mit einem zweiten Ritzel 88 kämmt. Das zweite Ritzel 88 sitzt auf der Ausgangswelle eines Elektromotors 90, der mittels einer elek tronischen Steuerung 92 betreibbar ist.

Durch entsprechende Ausgangssignale der Steuerung 92 wird der Elektromotor 90 in Drehung versetzt, woraufhin über die Über setzung 88/86/82/80 die Schaltwalze 70 in Rotation versetzt wird.

Auf der Umfangsfläche der Schaltwalze 70 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Umfangsnut 94, eine zweite Um fangsnut 95 sowie eine dritte Umfangsnut 96 eingebracht. Fig. 4 zeigt die drei Umfangsnuten 94, 95 und 96 in einer Abwicklung des Walzenkörpers 74 mit weiteren Einzelheiten, auf die noch einzugehen sein wird.

In die Umfangsnuten 94, 95, 96 greifen Nutensteine 98 ein, von denen in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber nur einer darge stellt ist. Der Nutenstein 98, dessen weitere Einzelheiten in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind und noch erläutert werden, ist fest mit einer Schaltgabel 100 versehen. Die Schaltgabel 100 ist von an sich herkömmlicher Bauweise und verschiebbar auf einer Stange 102 angeordnet. Die Schaltgabel 100 dient wie die beiden anderen Schaltgabeln zum selektiven Betätigen der Schie bemuffen 40, 42 und 62, wie dies ebenfalls an sich bekannt ist.

Wie man in weiteren Einzelheiten aus Fig. 4 erkennt, verlaufen die drei Umfangsnuten 94, 95 und 96 über den Umfang U des Wal zenkörpers 74 teilweise gerade, teilweise geneigt. In Fig. 4 ist beispielhaft mit 104 ein in Umfangsrichtung gerader Ab schnitt der ersten Umfangsnut 94 angedeutet, während mit 106 ein geneigter Abschnitt der zweiten Umfangsnut 95 gekennzeich net ist.

Es ist leicht einzusehen, daß bei einer Rotation der Schaltwal ze 70 bzw. des Walzenkörpers 74 die Nutensteine 98, die in den Umfangsnuten 94, 95 und 96 laufen, beim Durchfahren gerader Ab schnitte 104 nicht auf der Stange 102 verschoben werden, wäh rend beim Durchlaufen geneigter Abschnitte 106 eine Verschie bung auf der Stange 102 in der einen oder in der anderen Rich tung bewirkt wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient die erste Umfangsnut 94 zum Betätigen der zweiten Schiebemuffe 42, d. h. der beiden Synchronisiereinrichtungen 43a und 43b. Die zweite Umfangsnut 95 dient zum Betätigen der ersten Schiebemuffe 40 mit den Syn chronisierungen 42a und 42b. Die dritte Umfangsnut 96 schließ lich dient zum Betätigen der dritten Schiebemuffe 62 mit den Synchronisierungen 63a und 63b.

Wie man aus der Abwicklung gemäß Fig. 4 erkennen kann, schlie ßen sich die geneigten Abschnitte 106 der drei Umfangsnuten 94, 95 und 96 in Umfangsrichtung aneinander an. Es gibt keinen Be reich, in dem sich geneigte Abschnitte der Umfangsnuten 94, 95 und 96 in Umfangsrichtung überlappen. Dies drückt sich unter anderem dadurch aus, daß beim Übergang von einem Gang zum ande ren jeweils eine Neutralstellung N durchlaufen wird, die in Fig. 4 strichpunktiert eingezeichnet sind.

Betrachtet man bspw. einen Hochschaltvorgang vom dritten zum vierten Gang, d. h. in der weiter oben erläuterten Weise von ei ner Gruppe zur anderen Gruppe mittels der Final-Drive- Übersetzungen 46 und 48, so ergibt sich folgendes:
Im dritten Gang sind die Synchronisierungen 43b und 63b betä tigt. Folglich sind an dieser Stelle (in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet) die Umfangsnuten 94 und 96 jeweils nach rechts verlagert. Wenn nun die Schaltwalze 70 im Sinne eines Hoch schaltvorganges verdreht wird, so schwenken beide Umfangsnuten 94 und 96 wieder nach links. Die rechte Umfangsnut 96 wird aber weiter durchlaufen, bis ein Bereich G des Gruppenwechsels been det ist. Dabei wird von der zweiten Synchronisierung 63b auf die erste Synchronisierung 63a der dritten Schiebemuffe 62 um geschaltet. Während dies geschieht, also über den gesamten Be reich G, verlaufen die beiden anderen Umfangsnuten 94 und 95 in der neutralen Mittellage. Erst wenn der Gangwechselbereich G durchlaufen ist, schwenkt die zweite Umfangsnut 95 nach rechts, mit der Folge, daß nunmehr die zweite Synchronisierung 41b der ersten Schiebemuffe 40 betätigt wird.

Der Gangwechsel vom dritten zum vierten Gang vollzieht sich so mit derart, daß zunächst die Synchronisierung 43b gelöst, dann von der Synchronisierung 63b auf die Synchronisierung 83a umge schaltet und schließlich die Synchronisierung 41b eingeschaltet wird. Diese Übergänge vollziehen sich sequentiell, vorzugsweise ohne zusätzlichen Leerweg. Es können allenfalls fertigungs bedingt äußerst geringe Überschneidungen auftreten. Dies hat zur Folge, daß der zwischen den beiden zuzuschaltenden Synchro nisierungen (41b und 63a beim Hochschalten vom dritten in den vierten Gang) befindliche Radsatz immer von einer Seite her gegen die Fahrzeugmasse abgestützt wird und keine undefinierten Zwischenzustände eintreten können, die das eingangs geschilder te Ratschen einer Synchronisierung zur Folge haben können.

In Fig. 4 ist eingezeichnet, daß die geneigten Abschnitte 106 unter einem Winkel α zur Umfangsrichtung der Schaltwalze 70 bzw. des Walzenkörpers 74 verlaufen. Dieser Winkel α wird er findungsgemäß dahingehend optimiert, daß für ein vorbestimmtes zur Verfügung stehendes Drehmoment T_W der Winkel α so bestimmt wird, daß eine maximale Schaltkraft F_{ax_R} auf die Schaltgabel 100 ausgeübt wird (vgl. Fig. 3). Diese Vorgehensweise gilt un abhängig vom dargestellten Ausführungsbeispiel und ist auch bei allgemeineren Anwendungen einsetzbar.

Zur Bestimmung des optimalen Steigungswinkels α benötigt man die Anzahl n der Gänge des Getriebes 10, einschließlich dem Rückwärtsgang. Ferner muß der Reibungswinkel ρ aus dem Reib koeffizienten µ (ρ = arctan µ) bestimmt werden.

Für die Bestimmung des Umfanges U des Walzenkörpers 74 aus der Geometrie der Umfangsnuten 94, 95 und 96 müssen ferner der je weilige Schaltweg S_W, der Verweilweg a in der jeweiligen Gang position, die Umfangslänge G beim Gruppenwechsel und schließ lich die nutfreie Breite b bekannt sein.

Aus diesen Größen läßt sich eine Formel für die Axialkraft F_{ax_R} in Abhängigkeit vom Steigungswinkel α wie folgt bestimmen:

während sich andererseits der mittlere Durchmesser d_m des Wal zenkörpers 74 mit

ergibt.

Diese beiden Funktionen sind in Fig. 5 graphisch aufgetragen. Man erkennt, daß die Kurve für die Axialkraft F_{ax_R} ein ausge prägtes Maximum besitzt. An dieser Stelle läßt sich somit für eine vorgegebene Konfiguration einer Schaltwalze 70 sowie für ein vorgegebenes Antriebs-Drehmoment T_W derjenige Steigungswin kel α bestimmen, bei dem die Axialkraft F_{ax_R} maximal ist. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel lag der optimale Stei gungswinkel α bei 18°. Dabei ergab sich eine maximale Axial kraft F_{ax_R} von 1.510 N. Bei diesem Anwendungsfall wurde mit ρ = 7° bzw. µ = 0,12 gerechnet. Bei sechs Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang war n = 7. Ferner waren S_W = 7,5 mm, a = 10 mm, G = 18 mm, b = 2 mm und T_W = 40.000 Ncm.

Wenn man den optimalen Steigungswinkel α bestimmt hat, läßt sich aus der Kurve für den mittleren Durchmesser d_m der zugehö rige Wert bestimmen, der bei dem bereits angesprochenen Bei spielsfall bei 114 mm lag.

Damit die Nutensteine 98 in den Umfangsnuten 94, 95 und 96 mög lichst reibungsarm und damit möglichst verschleißarm laufen, wird bei dem erfindungsgemäßen Stufengetriebe 10 von der her kömmlichen Bauweise abgewichen, wonach nämlich üblicherweise zylindrische Führungsstifte verwendet werden.

Statt dessen haben die Nutensteine 98 in Draufsicht eine im we sentlichen rhombische Formgebung, wie man deutlich aus der Fig. 6 erkennt. Die Nutensteine 98 können auch in Achsrichtung leicht angeschrägt bzw. ballig ausgebildet sein, wie dies in Fig. 7 angedeutet ist.

Auf diese Weise ergibt sich eine geringere Hertz'sche Pressung, wenn die Nutensteine 98 durch die geneigten Abschnitte 106 der Umfangsnuten 94, 95 und 96 laufen.

Claims

1. Vorrichtung zum servomechanischen Schalten eines Stufen getriebes (10)

a) mit einer Eingangswelle (12),
b) mit einer Zwischenwelle (24) und
c) mit einer Ausgangswelle (54),
d) wobei Festräder (14, 16, 18, 20, 38, 58, 60) und Losräder (26, 28, 30, 32, 50, 52) zur Bildung von die Gänge definierenden Radsätzen auf den Wellen (12, 24, 54) verteilt angeordnet sind und das Stufengetriebe (10) als Gruppengetriebe ausgebildet ist,
e) mit mindestens zwei Schaltgabeln (100) zum Betätigen von den Losrädern (26, 28, 30, 32, 50, 52) zuge ordneten Synchronisiereinrichtungen (41, 43, 63) zum Betätigen der Gänge, und
f) mit einer motorisch antreibbaren Schaltwalze (70), die mit einer der Anzahl der Schaltgabeln (100) ent sprechenden Anzahl von Umfangsnuten (94, 95, 96) in geneigten Abschnitten (106) schräg zur Axialrichtung der Schaltwalze (70) verlaufen und ferner Be tätigungsorgane der Schaltgabeln (100) in den Um fangsnuten (94, 95, 96) laufen, derart, daß beim Durchlaufen geneigter Abschnitte (106) die zuge hörige Schaltgabel (100) betätigt wird,
g) wobei schließlich bei vorbestimmten Gangwechseln zum Einlegen eines neuen Ganges zwei Synchronisier einrichtungen (41, 43, 63) geschlossen werden,

dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Losräder (26, 28, 30, 32, 50, 52) auf der Zwischenwelle (24) angeordnet sind,
b) daß beim Durchschalten der Vorwärtsgänge die Synchronisiereinrichtungen (63) der Gruppen umschaltung nur einmal umgeschaltet werden,
c) daß beim Gruppenwechsel zunächst der alte Gang aus gelegt, dann die Gruppe gewechselt und schließlich der neue Gang eingelegt wird, und
d) daß die geneigten Abschnitte (106) der Umfangsnuten (94, 95, 96) in Umfangsrichtung der Schaltwalze (70) einander nicht überlappen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stufengetriebe (10) sechs Vorwärtsgänge aufweist, die durch drei Schalträder (26, 30, 32) und zwei Final-Drive- Übersetzungen (46, 48) dargestellt werden, wobei die drei Schalträder (26, 30, 32) auf einer Zwischenwelle (24) an geordnet sind und mit Festrädern auf einer Eingangswelle (12) kämmen und zwei weitere Schalträder (50, 52) der Final-Drive-Übersetzungen (46, 48) ebenfalls auf der Zwischenwelle (24) angeordnet sind und mit Festrädern (58, 60) kämmen, die auf Halbwellen (54a, 54b) beidseits eines Ausgleichsgetriebes (56) sitzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Abschnitte (106) im wesentlichen einen vor bestimmten Winkel (α) mit der Axialrichtung der Schalt walze (70) einschließen, wobei der Winkel (α) aus dem mathematischen Maximum der Formel:
für die Schaltkraft (F_{ax_R}) bei vorgegebenem Drehmoment (T_W) bestimmt wird, wobei n die Anzahl der Gänge des Stufen getriebes (10), S_W der Schaltweg zwischen zwei Gängen in Richtung der geneigten Abschnitte (106), a der Verweilweg eines Ganges in Umfangsrichtung der Schaltwalze (70), G der Umfangsweg für das Umschalten der Final-Drive-Über setzungen (46, 48) und b der nutfreie Umfangsbereich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser d_m der Schaltwalze (70) aus dem Winkel (α) gemäß der Formel:
bestimmt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltwalze (70) aus einem im wesentlichen zylindrischen Walzenkörper (74) sowie zwei stirnseitigen Einsätzen (76, 78) aufgebaut ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenkörper als vorzugsweise stranggepreßter Leicht metall-Profilkörper ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Be tätigungsorgane der Schaltgabeln (100) als Nutensteine (98) ausgebildet sind, wobei die Nutensteine (98) in Draufsicht eine im wesentlichen rhombische Form auf weisen.