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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltgabel für ein Schaltgetriebe
eines Kraftfahrzeugs, die im eingebauten Zustand in einer axialen Richtung
zum Schalten eines Ganges unter Zusammenwirkung mit einem weiteren,
in einer Umfangsrichtung drehenden Schaltelement des Getriebes, insbesondere
einer Schaltmuffe, beweglich angeordnet ist, mit mindestens einem
Kontaktkissen, das einstückig
mit der Schaltgabel ausgebildet ist oder als separates, mit der
Schaltgabel verbindbares Element ausgebildet ist, wobei das Kontaktkissen
mindestens eine Kontaktfläche
aufweist, die einer in Umfangsrichtung verlaufenden, seitlichen
Fläche
einer Nut des weiteren Schaltelements, in die das Kontaktkissen
eingreift, gegenüberliegt.
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Schaltgabeln
mit solchen Schaltkissen sind im Stand der Technik allgemein bekannt.
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In
herkömmlichen
Schaltgetrieben für
Kraftfahrzeuge wird ein Schaltvorgang üblicherweise mittels einer
Schaltgabel bewirkt, die mit einer Schaltmuffe zusammenwirkt. Die
Schaltmuffe verbindet im geschalteten Zustand zwei Zahnräder eines
Zahnradpaars eines Ganges derart, dass es zu einer kraftschlüssigen Verbindung
zwischen einem Getriebeantriebsstrang und einem Getriebeabtriebsstrang kommt. Üblicherweise
ist die Schaltmuffe als Teil einer Synchronisierungseinheit ausgebildet.
Die Synchronisierungseinheit dient zur Angleichung einer Drehzahldifferenz
zwischen den Zahnrädern
des Zahnradpaars, welches den bestimmten Gang des Getriebes repräsentiert.
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Die
Schaltgabel ist drehfest mit einer Schaltstange verbunden, die wiederum
bspw. mit einem Schalthebel verbunden sein kann, der von einem Fahrer
bei einem Gangwechsel betätigt
wird. Bei einem Gangwechsel wird die Schaltstange, und somit auch
die fest damit verbundene Schaltgabel, in axialer Richtung der Schaltstange
betätigt.
Die Schaltgabel überträgt die axiale
Bewegung auf die Schaltmuffe. Dazu weist die Schaltmuffe in umfänglicher
Richtung eine Nut auf, in die die Schaltgabel eingreift.
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Je
nach Größe der Drehzahldifferenz
können große Kräfte zwischen
einer Seitenwand der Nut und der Schaltgabel auftreten.
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Zusätzlich zu
der auf Grund des Schaltvorganges induzierten Kraft muss die Schaltgabel
auch die zur Synchronisierung erforderliche Kraft übertragen
können.
Während
eines Schaltvorganges wird die Gabel an die Nut der Schaltmuffe
gedrückt.
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Selbst
im geschalteten Zustand berühren sich
Schaltgabel und die Nut der Schaltmuffe. Da sich die Schaltmuffe üblicherweise
mit einer sehr hohen Drehzahl dreht, kommt es zu Abrieberscheinungen
zwischen Schaltgabel und Schaltmuffe. Diesen Verschleißerscheinungen
begegnet man üblicherweise
derart, dass die gegeneinander reibenden Teile mit einem Schmiermittel
besprüht
werden, wie z.B. einem Schmieröl.
Das Öl
mindert die Reibung zwischen der Gabel und der Muffe. Es verhindert
sie jedoch nicht.
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Zusätzlich kann
der Teil der Schaltgabel, der in Berührung mit der Schaltmuffe kommt,
mit einer Schutzbeschichtung versehen sein, um die Verschleißerscheinungen
zu reduzieren. Dazu werden spezielle Materialmixturen verwendet,
wie z.B. Kunststoffgemische oder Messing. Diese zusätzlichen
Vorkehrungen sind jedoch kostenintensiv und eine sorgfältige Beölung der
Reibpartner ist nichtsdestotrotz notwendig.
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Es
stellt sich daher die Aufgabe, eine verbesserte Schaltgabel bereitzustellen,
bei der die Verschleißerscheinungen
auf Grund von Reibung eliminiert bzw. reduziert werden. Insbesondere
stellt sich die Aufgabe, eine Schaltgabel bereitzustellen, die günstig, leicht
und materialsparend ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltgabel der eingangs erwähnten Art
gelöst,
wobei die Kontaktfläche
des Kontaktkissens einen Rampenabschnitt, der relativ zu der seitlichen
Fläche
der Nut geneigt orientiert ist, und einen Kontaktabschnitt umfasst,
der im Wesentlichen parallel relativ zur seitlichen Fläche der
Nut orientiert ist und die seitliche Fläche der Nut während eines
Schaltvorgangs berührt,
wobei ein Neigungswinkel des Rampenabschnitts und eine Länge des
Rampenabschnitts in Umfangsrichtung derart gewählt sind, dass sich bei Bereitstellung
eines Schmiermittels eine im Wesentlichen laminare Schmiermittelströmung zwischen
der Kontaktfläche
und der seitlichen Fläche
der Nut einstellt.
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Eine
laminare Schmiermittelströmung
zwischen der Schaltgabel und der sich in der Regel mit hoher Drehzahl
drehenden Schaltmuffe gewährleistet,
dass nahezu permanent Schmiermittel zwischen diesen beiden Komponenten
vorhanden ist, so dass es in diesem Zustand keinerlei Kontakt und
somit zu keinen Verschleißerscheinungen
kommt. Da eine laminare Strömung
keine Turbulenzen aufweist, befindet sich immer Schmiermittel zwischen
der Schaltgabel und der Schaltmuffe, was eine ausreichende Beölung gewährleistet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Länge des Rampenabschnitts in
Umfangsrichtung in einem Bereich von 70-90° der gesamten Länge des
Kontaktkissens, die sich aus der Summe der Längen des Rampenabschnitts und
des Kontaktabschnitts in Umfangsrichtung ergibt.
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Die
Wahl eines relativ langen Rampenabschnitts erleichtert die Ausbildung
einer laminaren Strömung
in den Bereichen, wo es üblicherweise
zu Berührungen
zwischen der Schaltgabel und der Schaltmuffe kommt. Bekanntermaßen kommt
es bei strömenden
Me dien, die plötzlich
einer Durchmesseränderung
ihres Strömungskanals
ausgesetzt werden, zu großen
Geschwindigkeitsänderung
des Mediums in stromabwärtiger
Richtung. Diese Geschwindigkeitsänderungen
resultieren in Turbulenzen. Turbulenzen wiederum stören eine
gleichmäßige Strömung. Es
kann somit zu Strömungsabrissen
kommen, was sich in einem nicht Vorhandensein von Schmiermittel
zwischen Schaltgabel und Schaltmuffe äußert. Ein ausreichend langer
Rampenabschnitt dagegen gewährleistet
den Aufbau einer laminaren Strömung.
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Von
großem
Vorteil hat es sich herausgestellt, wenn der Neigungswinkel des
Rampenabschnitts in einem Bereich von 5–10° liegt.
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Dieser
Winkelbereich hat sich bei Versuchen als besonders vorteilhaft für das Errichten
einer laminaren Strömung
herausgestellt.
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Auch
von Vorteil ist es, wenn sich an den Rampenabschnitt und den Kontaktabschnitt
ein weiterer, Schmiermittel-ausleitender Rampenabschnitt anschließt, dessen
Neigungswinkel umgekehrten Vorzeichens ist.
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Durch
Vorsehen eines Schmiermittel-ausleitenden Rampenabschnitts ist gewährleistet,
dass das Schmiermittel beim Verlassen des Kontaktabschnitts keine
Turbulenzen bildet. Auch hier ändert sich
der Durchmesser des Strömungskanals
kontinuierlich bzw. linear, so dass es zu keinen abrupten und unstetigen
Querschnittsänderungen
kommt, die Turbulenzen verursachen könnten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Rampenabschnitt mehrstufig aufgebaut, wobei sich an jede
Stufe jeweils ein Zwischenabschnitt anschließt, der parallel zur seitlichen Fläche der
Nut orientiert ist.
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Durch
einen mehrstufigen Aufbau des Rampenabschnitts kann sich die Schmiermittelströmung nach
dem Durchlaufen einer ersten Rampenstufe vorerst einmal beruhigen,
bevor es zu einer weiteren Änderung
der effektiven Durchtrittsfläche
des Strömungskanals
kommt. Somit sind auch größere Neigungswinkel
der Rampenabschnitte möglich,
bei denen eine größere Wahrscheinlichkeit
zur Ausbildung von Turbulenzen besteht, da die Turbulenzen in den Abschnitten
mit konstantem Strömungsquerschnitt sich
wieder beruhigen können.
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Außerdem ist
es von Vorteil, wenn das Kontaktkissen aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung hergestellt ist. Insbesondere dann, wenn das Kontaktkissen
einstöckig
mit der Schaltgabel gebildet ist.
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Eine
derart aufgebaute Schaltgabel ist kostengünstig und leicht, auch im Hinblick
auf das Gewicht des gesamten Schaltgetriebes, in das die Schaltgabel
eingebaut wird.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer schematisch dargestellten Schaltgabel, die in
Wirkverbindung mit einer exemplarischen Schaltmuffe steht;
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2 eine
Schnittansicht durch die Anordnung der 1 entlang
einer Linie II-II in 1;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie III-III in der 2;
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4 eine
schematische Teilansicht der 3;
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5 eine
weitere Ausgestaltung eines Kontaktkissens gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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6 eine
Ausgestaltung eines weiteren Kontaktkissens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In
den nachfolgenden Figuren werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Eine Schaltgabel gemäß der vorliegenden
Erfindung wird allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
werden.
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In 1 ist
eine Seitenansicht einer Schaltgabel 10 dargestellt. Die
Schaltgabel 10 ist in 1 nicht
vollständig
dargestellt. Sie umfasst teilweise dargestellte Schenkel 12,
die durch eine gestrichelte Linie angedeutet sind. Die Schenkel 12 sind
wiederum drehfest mit einer hier nicht dargestellten Schaltstange
verbunden. Die Schaltgabel 10 weist des Weiteren ein halbringförmiges Element 14 auf,
welches zur Kopplung an ein weiteres Schaltelement 16 des hier
nicht weiter dargestellten Schaltgetriebes ausgebildet ist.
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Bei
dem weiteren Schaltelement 16 kann es sich um eine Schaltmuffe 16 handeln.
Die in 1 dargestellte Schaltmuffe 16 ist scheibenförmig ausgebildet
und weist an ihrem Innenumfang eine Synchronisierungseinrichtung 18 auf,
die hier aus Zähnen 19 gebildet
ist. Die Schaltmuffe 16 ist um eine Mittelachse 20 in
Umfangsrichtung 22 drehbar gelagert. Die Mittelachse 20 steht
senkrecht zur Zeichnungsebene der 1.
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In 2 ist
die Schnittansicht entlang der Linie II-II der 1 dargestellt.
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Die
Schaltmuffe 16 weist außenumfänglich eine Nut 24 auf,
die durch seitliche Wände 25 gebildet
wird. Die Nut 24 selbst umfasst seitliche Flächen 26 und
einen Boden 28. In die Nut 24 greift ein in radialer
Richtung orientierter Vorsprung des ringförmigen Elements 14 der
Schaltgabel 10 ein. Dieser Vorsprung wird nachfolgend als „Kontaktkissen" 30 bezeichnet.
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Das
Kontaktkissen 30 und die Nut 24 wirken während eines
Schaltvorgangs derart zusammen, dass die Schaltgabel 10 über ihr
Kontaktkissen 30 eine axiale Bewegung der Schaltmuffe 16 induziert. Die
axiale Bewegung erfolgt parallel zur Mittelachse 20.
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In 3 ist
der Schnitt entlang der Linie III-III der 2 gezeigt.
Die 3 zeigt in Draufsicht einen Schnitt durch das
Kontaktkissen 30, welches in die Nut 24 eingreift.
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Die
Nut 24 bewegt sich in Richtung der Pfeile 22 unter
dem Kontaktkissen 30 weg. Es versteht sich, dass die hier
eingezeichnete Drehrichtung lediglich beispielhaft ist. Die Schaltmuffe
könnte
genauso gut umgekehrt gedreht werden. Dann wäre das Kontaktkissen 30 in
der Zeichnungsebene der 3 um 180° zu drehen.
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Mit
gestrichelten Hilfslinien 32 ist die Form eines herkömmlichen
Vorsprungs des kreisförmigen Elements 14 der
Schaltgabel 10 angedeutet. Ferner sind aus dem Stand der
Technik ballig ausgeformte Kontaktkissen 30 bekannt, bei
denen die Hilfslinien 32 in Richtung der Nutenwände 25 aufgebläht ausgebildet
sind (hier nicht dargestellt).
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Wie
in 3 dargestellt, verbreitert sich die Breite des
Kontaktkissens 30 in Drehrichtung 22 der Schaltmuffe 16.
Dies bedeutet, dass ein Abstand S zwischen einer seitlichen Fläche des
Kontaktkissens 30 und den Seitenwänden 25 in Richtung
des Pfeils 22 abnimmt. Ferner weist das Kontaktkissen 30 – bezüglich der
Drehrichtung 22 – in
einem hinteren Bereich – eine
konstante Breite auf. Dies bedeutet, dass der Kanal zwischen der
Nutenwand 25 und dem Kontaktkissen 30 in diesem
Bereich eine konstante Querschnittsfläche aufweist.
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Bei
einem Schaltvorgang wird das Kontaktkissen 30 in eine der
Richtungen eines mit 33 bezeichneten Hilfspfeils bewegt.
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4 zeigt
das Kontaktkissen 30 der 3 stark
schematisiert und lediglich teilweise. Das Kontaktkissen 30 weist
einen rampenförmigen
Abschnitt 34 auf, der relativ zur Nutenwand 25 mit
einem Winkel α geneigt
ist. Ferner weist das Kontaktkissen 30 einen Kontaktabschnitt 36 auf,
der parallel relativ zur Nutwand 25 orientiert ist. Zwischen
dem Kontaktabschnitt 36 der seitlichen Fläche des
Kontaktkissens 30 und der Seitenfläche 26 der Nutenwand 25 bildet sich
ein Kanal der Breite S. Dieser Kanal wird üblicherweise bei Verwendung
eines Schmiermittels, wie z.B. Öl,
von demselben durchströmt.
In der 4 ist eine Schmiermittelströmung mit einem Pfeil 37 angedeutet.
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Der
sich zwischen der Seitenwand 25 und der seitlichen Fläche des
Kontaktkissens 30, die durch die Abschnitte 34 und 36 gebildet
wird, bildende Strömungskanal
ist derart ausgelegt, dass sich eine laminare Strömung zwischen
der Nutwand 25 und dem Kontaktkissen 30 einstellt,
und zwar insbesondere im Bereich 36.
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Die
Länge des
Rampenabschnitts 34 in Umfangsrichtung wird nachfolgend
mit l' bezeichnet
werden. Die Gesamtlänge
des Kontaktkissens 30 in Umfangsrichtung 22 wird
nachfolgend mit l bezeichnet werden. Versuche haben ergeben, dass
sich eine laminare Strömung
bei einem Neigungswinkel α von 5–10° dann ergibt,
wenn l' = 70 % – 90 % von
l erfüllt ist.
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Es
versteht sich, dass die Wahl der Rampenparameter l' und α davon abhängt, welches
Schmiermittel eingesetzt wird, da die Viskosität des Schmiermittels natürlich auch
Einfluss darauf hat, unter welchen Bedingungen sich eine laminare
Strömung
zwischen dem Kontaktkissen 30 und der Nutenwand 25 einstellt.
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Bei
handelsüblichem
Schmieröl,
welches bei Getrieben verwendet wird, haben sich die o.g. Parameter
als vorteilhaft herausgestellt. Unter anderem wurde ein Schmieröl mit einer
kinematischen Viskosität
von 6,4 mm2/s (bei 100°C) bei einer Ölmenge von V ≤ 0,5 l/min,
einer axialen Kraft zum Verschieben der Schaltmuffe von 900 N und
einer max. Drehzahl der Schaltmuffe von 6500 min–1 verwendet.
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Die
Erzeugung einer laminaren Schmiermittelströmung wird durch Faktoren, wie
z.B. Rampenlänge,
Winkel α,
Toleranzen bei den Maßen
der Schaltmuffe, Toleranzen bei den Maßen der Schaltgabel, Drehzahl
der Schaltmuffe, Ölsorte
(Viskosität), etc.,
beeinflusst.
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Nachfolgend
werden noch Alternativen für die
Ausgestaltung des Kontaktkissens aufgezeigt werden.
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5 zeigt
einen zweistufigen Aufbau mit zwei Rampen R1 und
R2. Der Neigungswinkel der Rampen beträgt α1 bzw. α2.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Neigungswinkel α1 und α2 gleich groß sind.
Außerdem
können
mehr als zwei Rampen vorgesehen werden.
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Der
mehrstufige Aufbau der 5 hat den Vorteil, dass zwischen
den verschiedenen Rampen sogenannte Zwischenabschnitte 40 vorgesehen sind,
in denen sich die Schmiermittelströmung beruhigen kann, sollte
der Neigungswinkel α der
Strömungsrichtung
vorangehenden Rampe derart groß gewählt worden
sein, dass Turbulenzen nicht mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen
werden können.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Kontaktkissens gezeigt. Der Aufbau ist ganz ähnlich zu
dem der 4. An den Kontaktabschnitt 36 schließt sich
ein Schmiermittel-ausleitender Rampenabschnitt 38 an. Der
das Schmiermittel-ausleitende Rampenabschnitt 38 sorgt
für eine
kontinuierliche Querschnittsänderung
des sich zwischen dem Kontaktkissen 30 und der Nutenwand 25 bildenden
Strömungskanals.
Er ist in einem Winkel β angeschrägt, der
dem Betrag nach z.B. gleich dem Winkel α1 der Schräge der einleitenden
Rampe sein kann. Es versteht sich, dass auch die ausleitende Rampe
mehrstufig aufgebaut sein könnte.
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Es
versteht sich ferner, dass eine Schaltgabel mit einem oder mehreren
Kontaktkissen ausgebildet sein kann. Auch die Position des Kontaktkissens relativ
zur restlichen Schaltgabel ist frei wählbar. Die Form der Gabel kann
variieren.
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Die
Kontaktkissen können
auch in Form von Schuhen auf jeweilige Enden einer Gabel gesteckt werden.