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Die Erfindung betrifft eine Synchronisationseinheit eines Schaltgetriebes, mit einem Synchronkörper, der um eine Getriebeachse drehbar ist, einer Schaltmuffe, die relativ zum Synchronkörper drehfest, aber axial verschieblich angeordnet ist, um den Synchronkörper drehfest mit einer gangradseitigen Schaltverzahnung verbinden zu können, sowie einer Sperrsynchronisationsbaugruppe, die eine axiale Verschiebung der Schaltmuffe zur Schaltverzahnung hin sperren oder freigeben kann, wobei die Sperrsynchronisationsbaugruppe einen radial nach außen beaufschlagten Sperrstein aufweist, der in einer nicht-geschalteten Getriebestellung in eine Umfangsnut der Schaltmuffe eingreift, wobei die Umfangsnut eine zwischen der Radialrichtung und der Axialrichtung schräg geneigte Nutflanke und der Sperrstein eine zwischen der Radialrichtung und der Axialrichtung geneigte Schrägfläche aufweist, und wobei die Nutflanke und die Schrägfläche bei einer Axialverschiebung der Schaltmuffe zusammenwirken.
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Schaltgetriebe mit einer solchen Synchronisationseinheit sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt und weisen den Vorteil auf, dass am Reibring (Synchronring) des Schaltgetriebes auf eine Sperrverzahnung verzichtet werden kann, was die Herstellung des Reibrings erheblich vereinfacht. Bei asynchronen Drehzahlen des Synchronkörpers und des zu koppelnden Gangrads wird die Schaltmuffe also in diesem Fall nicht von der Sperrverzahnung des Reibrings, sondern von einem Sperrstein der Synchronisationseinheit an einer axialen Bewegung in Richtung zum Gangrad gehindert.
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Die
DE 10 2007 010 307 B3 zeigt ein Getriebe mit einer Sperr-Synchronkupplung, wobei ein Sperrmechanismus dafür sorgt, dass der Eingriff der Verzahnungen von Schaltmuffe und Kupplungskörper erst dann möglich ist, wenn die Drehzahlen von Synchronkörper und Gangrad weitgehend synchronisiert sind. Das beschriebene Getriebe wird beispielsweise als Schaltgetriebe für Kraftfahrzeuge verwendet und weist eine gattungsgemäße Synchronisationseinheit auf.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Sperr-Synchronkupplungen mit verzahntem Reibring ist durch die Synchronisationseinheit mit einem Sperrstein und gegebenenfalls einem Synchronstein eine fertigungstechnisch einfachere Getriebeherstellung möglich. Es gibt Bestrebungen, Verschleißerscheinungen insbesondere an dem eventuell vorhandenen Synchronstein, aber auch an der Innenverzahnung der Schaltmuffe zu minimieren.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Synchronisationseinheit für Schaltgetriebe, die im Betrieb einen hohen Schaltkomfort sowie einen möglichst geringen Verschleiß aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Synchronisationseinheit der eingangs genannten Art, bei der die Nutflanke der Schaltmuffe oder die Schrägfläche des Sperrsteins einen ersten Flächenabschnitt und in axialer Richtung anschließend einen zweiten Flächenabschnitt mit unterschiedlichen Neigungswinkeln zur Axialrichtung aufweist.
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Diese unterschiedlichen Neigungswinkel sorgen beim Einlegen eines Gangs zunächst für eine zuverlässige Drehzahlsynchronisation und danach für eine Beibehaltung der Synchrondrehzahlen während einer sogenannten „Freiflugphase” des Schaltgetriebes. Zudem unterstützen die geneigten Flächenabschnitte beim Auslegen des Gangs ein zuverlässiges Einrasten des Sperrsteins in die Umfangsnut der Schaltmuffe.
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In einer Ausführungsform weist der erste Flächenabschnitt einen größeren, übersperrenden Neigungswinkel und der zweite Flächenabschnitt einen kleineren, untersperrenden Neigungswinkel auf.
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Außerdem sind die Nutflanke und die Schrägfläche vorzugsweise so ausgebildet, dass die Schaltmuffe und der Sperrstein bei einer Axialverschiebung der Schaltmuffe ausgehend von der nicht-geschalteten Getriebestellung zunächst über den ersten Flächenabschnitt und dann über den zweiten Flächenabschnitt zusammenwirken. Infolge dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Synchronisationseinheit wird zunächst durch den übersperrend ausgebildeten ersten Flächenabschnitt gewährleistet, dass die Schaltmuffe erst nach einer Drehzahlsynchronisation zwischen Kupplungskörper und Synchronkörper axial verschoben werden kann. Anschließend stellt der untersperrend ausgebildete zweite Flächenabschnitt sicher, dass der Kupplungskörper und der Synchronkörper weiterhin über eine Reibverbindung gekoppelt bleiben und somit identische Drehzahlen beibehalten.
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In einer Ausführungsform der Synchronisationseinheit grenzt an einen Nutgrund der Umfangsnut in axialer Richtung zunächst der erste Flächenabschnitt und an diesen dann der zweite Flächenabschnitt an.
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Ferner kann an eine zentrale, radiale Außenfläche des Sperrsteins in axialer Richtung zunächst der zweite Flächenabschnitt und an diesen dann der erste Flächenabschnitt angrenzen. Bei dieser Ausgestaltung der Umfangsnut und/oder des Sperrsteins Isst sich der zweite Flächenabschnitt durch eine einfache Nachbearbeitung (sogenanntes Abfasen) mit minimalem Aufwand an der Umfangsnut und/oder dem Sperrstein ausbilden.
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Vorzugsweise umfasst die Synchronisationseinheit einen um die Getriebeachse drehbaren, sperrverzahnungsfreien Reibring zur Bildung einer reibschlüssigen Kopplung zwischen dem Synchronkörper und einem Kupplungskörper. Auf eine Sperrverzahnung des Reibrings kann aufgrund der bereits erwähnten Sperrsynchronisationsbaugruppe verzichtet werden, was zu einer erheblich vereinfachten Fertigung des Reibrings führt.
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Besonders bevorzugt entspricht die Abmessung des zweiten Flächenabschnitts in axialer Richtung im Wesentlichen einem Freiflugweg des Schaltgetriebes. Als „Freiflugweg” wird dabei der axiale Abstand zwischen einer Innenverzahnung der Schaltmuffe und einer Außenverzahnung des Kupplungskörpers nach dem Erfüllen der Schaltbedingung, also nach einer Drehzahlsynchronisation, bezeichnet.
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Die Nutflanke und die Schrägfläche können somit während eines Freiflugwegs über den zweiten Flächenabschnitt zusammenwirken. Durch diesen gegenüber der Axialrichtung geneigten zweiten Flächenabschnitt wird somit sichergestellt, dass die Schaltmuffe und der Kupplungskörper bis zu einem Eingriff der Verzahnungen reibschlüssig gekoppelt bleiben und somit auch beim Eingriff der Verzahnungen noch synchrone Drehzahlen aufweisen. Ein Kratzen des Schaltgetriebes beim Einlegen des Gangs wird somit verhindert.
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Die gestellte Aufgabe wird im Übrigen auch gelöst durch eine Synchronisationseinheit der eingangs genannten Art, bei der die Sperrsynchronisationsbaugruppe einen Synchronstein umfasst, der an eine Innenverzahnung der Schaltmuffe angrenzt, wobei der Sperrstein radial beweglich in einer Öffnung des Synchronsteins aufgenommen ist, und wobei ein an die Schaltmuffe angrenzender Öffnungsrand abgerundet und/oder ein axiales Ende der Schaltmuffen-Innenverzahnung gefast ist. Diese Abrundung und/oder Abfasung führt insbesondere beim Auslegen eines Gangs zu deutlich reduzierten Verschleißerscheinungen, so dass die Dauerhaftigkeit der Synchronisationseinheit verbessert wird.
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Ein Rundungsradius des Öffnungsrands und/oder eine radiale Abmessung der Fase können dabei kleiner oder gleich der Zahntiefe der Schaltmuffen-Innenverzahnung sein und besonders bevorzugt etwa 0,5 mm bis 2,0 mm betragen. Bei Rundungsradien oder Fasenabmessungen in dieser Größenordnung hat sich herausgestellt, dass die Funktionalität und Schaltsicherheit des Getriebes nicht beeinträchtigt wird, der Verschleiß insbesondere am Synchronstein, aber auch an der Schaltmuffe hingegen deutlich reduziert ist.
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In einer Ausführungsvariante ist ein axiales Ende der Schaltmuffen-Innenverzahnung gefast, und ein Fasenwinkel zur Getriebeachse beträgt etwa 5° bis 20°.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einem perspektivischen Längsschnitt eines Schaltgetriebes mit erfindungsgemäßer Synchronisationseinheit im Bereich einer Sperrsynchronisationsbaugruppe;
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2 einen Ausschnitt aus einem Querschnitt des Schaltgetriebes gemäß 1, ebenfalls im Bereich einer Sperrsynchronisationsbaugruppe;
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3 ein schematisches Längsschnittdetail der erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
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4 ein schematisches Längsschnittdetail der erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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5 ein schematisches Längsschnittdetail der erfindungsgemäßen Synchronisationseinheit gemäß einer dritten Ausführungsform; und
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6 einen Detailausschnitt „X” der 5.
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Die 1 und 2 zeigen Ausschnitte aus einem perspektivischen Längsschnitt bzw. einem Querschnitt eines Schaltgetriebes 8. Das Getriebe umfasst eine Synchronisationseinheit 10 mit einem Synchronkörper 12, der um eine Getriebeachse A drehbar ist, einen um die Getriebeachse A drehbaren ersten Reibring 14, einen um die Getriebeachse A drehbaren zweiten Reibring 16 und einen um die Getriebeachse A drehbaren dritten Reibring 18. Der dritte Reibring 18 ist radial zwischen dem ersten Reibring 14 und dem zweiten Reibring 16 angeordnet und kann sowohl mit dem ersten Reibring 14 als auch mit dem zweiten Reibring 16 in Reibkontakt gebracht werden. Zur Bildung des Reibkontakts weisen die Reibringe 14, 16, 18 Reibflächen 19 auf, welche wenigstens zum Teil mit einem besonderen Reibbelag versehen sein können.
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Die Synchronisationseinheit 10 weist ferner eine Sperrsynchronisationsbaugruppe 20 mit einem Synchronstein 22, einem Sperrstein 24 und einem Federelement 26 auf, wobei der Synchronstein 22 den ersten Reibring 14 und den zweiten Reibring 16 in einer Umfangsrichtung 28 drehfest miteinander verbindet. Die drehfeste Verbindung ist gemäß 2 dadurch realisiert, dass der erste Reibring 14 und der zweite Reibring 16 jeweils eine Ausnehmung haben, die zwischen zwei in Umfangsrichtung 28 beabstandeten, im Wesentlichen axial ausgerichteten Vorsprüngen 30, 32 des ersten Reibrings 14 bzw. des zweiten Reibrings 16 gebildet ist, wobei sich der Synchronstein 22 in Umfangsrichtung 28 weitgehend spielfrei in die Ausnehmungen erstreckt (vgl. 2).
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Obwohl die 1 und 2 beispielhaft ein Schaltgetriebe 8 mit Mehrfachsynchronisierung, d. h. mit mehreren ineinander gesteckten Reibringen 14, 16, 18 zeigen, ist die Erfindung keinesfalls darauf beschränkt und lässt sich problemlos auf Schaltgetriebe 8 mit Einfachsynchronisierung, d. h. mit nur einem Reibring 14 übertragen.
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Außerdem wird explizit darauf hingewiesen, dass in der Regel mehrere (insbesondere drei) gleichmäßig über den Umfang verteilte, im Wesentlichen identische Sperrsynchronisationsbaugruppen 20 vorgesehen und in Ausnehmungen 33 des Synchronkörpers 12 aufgenommen sind, von denen in den 1 und 2 jeweils eine gezeigt ist.
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Im Übrigen umfasst das Schaltgetriebe 8 noch eine Schaltmuffe 34, die relativ zum Synchronkörper drehfest, aber axial verschieblich angeordnet ist, sowie zwei Kupplungskörper 36, die über die Schaltmuffe 34 drehfest mit dem Synchronkörper 12 verbunden werden können. Am Außenumfang des Synchronkörpers 12 ist angrenzend an die Ausnehmungen 33 zur Aufnahme der Sperrsynchronisationsbaugruppen 20 eine in den Figuren nicht sichtbare Außenverzahnung vorgesehen, welche sich mit einer Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 in Eingriff befindet. Im geschalteten Zustand ist die Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 auch in Eingriff mit einer Schaltverzahnung 40 des jeweiligen Kupplungskörpers 36, der mit einem Gangrad fest verbunden ist. Eine zum Schalten eines Gangs notwendige Axialverschiebung der Schaltmuffe 34 zur jeweiligen Schaltverzahnung 40 hin wird durch die Sperrsynchronisationsbaugruppe 20 in Abhängigkeit vom Drehzahlverhältnis des Synchronkörpers 12 und des Kupplungskörpers 36 gesperrt oder freigegeben.
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Wie bereits erwähnt, umfasst die Sperrsynchronisationsbaugruppe
20 dabei den Synchronstein
22, das Federelement
26 und den durch das Federelement
26 radial nach außen beaufschlagten Sperrstein
24, wobei der Sperrstein
24 in eine Umfangsnut
42 auf der Innenseite der Schaltmuffe
34 eingreift und deren Axialverschiebung im nicht-synchronisierten Zustand blockiert. Das Funktionsprinzip dieser Sperrsynchronisierung ist bereits allgemein aus dem Stand der Technik bekannt. Diesbezüglich wird explizit auf die
DE 10 2007 010 307 B3 verwiesen und auf weitere Erläuterungen verzichtet.
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In der nicht-geschalteten Neutralstellung der Synchronisationseinheit 10 gemäß 1 wird deutlich, dass die Umfangsnut 42 eine zwischen der Radialrichtung 44 und der Axialrichtung 46 schräg geneigte Nutflanke 48 und der Sperrstein 24 eine zwischen der Radialrichtung 44 und der Axialrichtung 46 geneigte Schrägfläche 50 aufweist, wobei die Nutflanke 48 und die Schrägfläche 50 bei einer Axialverschiebung der Schaltmuffe 34 zusammenwirken, indem sie z. B. wenigstens abschnittsweise aneinander entlanggleiten.
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Die 3 zeigt ein schematisches Längsschnittdetail einer ersten Ausführungsform der Synchronisationseinheit 10 während des Schaltvorgangs. In dieser ersten Ausführungsform weist die Schrägfläche 50 des Sperrsteins 24 einen ersten Flächenabschnitt 52 und in axialer Richtung 46 anschließend einen zweiten Flächenabschnitt 54 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln α1, α2 zur Axialrichtung 46 auf. Ausgehend von einer zentralen, radialen Außenfläche 56 des Sperrsteins 24 grenzt dabei in axialer Richtung 46 beiderseits zunächst der zweite Flächenabschnitt 54 und an diesen dann der erste Flächenabschnitt 52 an. Ein Neigungswinkel α3 der Nutflanke 48 ist in diesem Fall vorzugsweise konstant und entspricht im wesentlichen dem Neigungswinkel α1 des ersten Flächenabschnitts 52.
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Die 4 zeigt ein schematisches Längsschnittdetail einer zweiten Ausführungsform der Synchronisationseinheit 10 während des Schaltvorgangs. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß 3 lediglich dadurch, dass statt der Schrägfläche 50 des Sperrsteins 24 die Notflanke 48 der Schaltmuffe 34 den ersten Flächenabschnitt 52 und in axialer Richtung 46 anschließend den zweiten Flächenabschnitt 54 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln α1, α2 zur Axialrichtung 46 aufweist. Dabei grenzt an einen Nutgrund 58 der Umfangsnut 42 in axialer Richtung 46 zunächst der erste Flächenabschnitt 52 und an diesen dann der zweite Flächenabschnitt 54 an. Ein Neigungswinkel α3 der Schrägfläche 50 ist in diesem Fall vorzugsweise konstant und entspricht im wesentlichen dem Neigungswinkel α1 des ersten Flächenabschnitts 52.
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Selbstverständlich sind darüber hinaus auch Ausführungsvarianten denkbar, bei denen sowohl die Schrägfläche 50 als auch die Nutflanke 48 jeweils zwei Flächenabschnitte 52, 54 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln α1, α2 zur Axialrichtung 46 aufweisen.
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Gemäß den 3 und 4 ist der Neigungswinkel α1 des ersten Flächenabschnitts 52 größer als der Neigungswinkel α2 des zweiten Flächenabschnitts 54. Insbesondere ist der Neigungswinkel α1 des ersten Flächenabschnitts 52 übersperrend, d. h. so groß ausgebildet, dass eine Axialverschiebung der Schaltmuffe 34 gesperrt wird, bis die Drehzahlen des Synchronkörpers 12 und des Kupplungskörpers 36 synchronisiert sind. Erst nach einer Drehzahlsynchronisierung reicht die über die Nutflanke 48 und die Schrägfläche 50 übertragene Radialkomponente einer Schaltkraft aus, um den Sperrstein 24 radial einwärts zu drücken, so dass eine Axialverschiebung der Schaltmuffe 34 möglich wird. Demgegenüber ist der Neigungswinkel α2 des zweiten Flächenabschnitts 54 untersperrend ausgebildet, so dass die Axialverschiebung der Schaltmuffe 34 nicht blockiert werden kann, wenn die Schaltmuffe 34 und der Sperrstein 24 über den zweiten Flächenabschnitt 54 zusammenwirken.
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In den Synchronisationseinheiten 10 gemäß den 1 bis 4 entspricht die axiale Abmessung f des zweiten Flächenabschnitts 54 im Wesentlichen einem Freiflugweg des Schaltgetriebes 10. Als „Freiflugweg” wird dabei der axiale Abstand zwischen der Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 und der Schaltverzahnung 40 des Kupplungskörpers 36 bezeichnet, wenn die Schaltbedingung erfüllt ist, d. h. eine Sperrung der axialen Schaltmuffenbewegung durch den Sperrstein 24 überwunden ist (vgl. Getriebestellung in 4).
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Gemäß 3 setzt sich eine axiale Abmessung f' der Schrägfläche 50 des Sperrsteins 24 zusammen aus einer axialen Abmessung f des zweiten Flächenabschnitts 54, welche in diesem Fall dem Freiflugweg entspricht, und einer axialen Abmessung f'' des ersten Flächenabschnitts 52.
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In gleicher Weise setzt sich gemäß 4 eine axiale Abmessung f' der Nutflanke 48 der Umfangsnut 42 zusammen aus einer axialen Abmessung f des zweiten Flächenabschnitts 54, welche in diesem Fall dem Freiflugweg entspricht, und einer axialen Abmessung f'' des ersten Flächenabschnitts 52.
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In der nicht-geschalteten Stellung der Synchronisationseinheit 10 entspricht die axiale Abmessung f' der Schrägfläche 50 bzw. der Nutflanke 48 einem axialen Abstand zwischen der Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 und der Schaltverzahnung 40 des Kupplungskörpers 36 (vgl. 1).
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Somit wirken bei der beschriebenen Geometrie der Synchronisationseinheit 10 die Nutflanke 48 der Schaltmuffe 34 und die Schrägfläche 50 des Sperrsteins 24 während des Freiflugwegs über den zweiten Flächenabschnitt 54 zusammen.
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Da die Sperrsynchronisierung der Synchronisationseinheit 10 durch die beschriebene Sperrsynchronisationsbaugruppe 20 realisiert wird, ist bei einer Einfachsynchronisierung der (einzige) Reibring 14 bzw. sind bei einer Mehrfachsynchronisierung alle Reibringe 14, 16, 18 sperrverzahnungsfrei ausgebildet. Sie können daher in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise als einfache Konusringe hergestellt werden (vgl. 1 und 2).
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Die 5 zeigt ein schematisches Längsschnittdetail der Synchronisationseinheit 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Synchronstein 22 der Sperrsynchronisationsbaugruppe 20 grenzt dabei an die Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 an, wobei der Sperrstein 24 radial beweglich in einer Öffnung 60 des Synchronsteins 22 aufgenommen ist, und wobei ein an die Schaltmuffe 34 angrenzender Öffnungsrand 62 abgerundet und ein axiales Ende 64 der Schaltmuffen-Innenverzahnung 38 gefast ist.
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Die 6 zeigt einen Detailausschnitt X der 5, anhand dessen deutlich wird, dass ein Rundungsradius r des Öffnungsrands 62 und eine radiale Abmessung b der Fase 66 kleiner oder gleich der Zahntiefe t der Schaltmuffen-Innenverzahnung 38 sind und vorzugsweise etwa 0,5 mm bis 2 mm betragen. Ein Fasenwinkel β der Fase 66 beträgt vorzugsweise 5° bis 20° relativ zur Getriebeachse A.
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Alternativ zur dritten Ausführungsform gemäß den 5 und 6 sind auch Ausführungsvarianten denkbar, bei denen entweder nur der Öffnungsrand 62 des Synchronsteins 22 abgerundet oder aber nur ein axiales Ende 64 der Schaltmuffen-Innenverzahnung 38 gefast ist. Herstellungstechnisch aufwendiger aber ebenfalls vorstellbar sind Ausführungsvarianten, bei denen der Öffnungsrand 62 des Synchronsteins 22 gefast und/oder das axiale Ende 64 der Schaltmuffen-Innenverzahnung 38 abgerundet ist.
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Die Abrundung des Öffnungsrands 62 und/oder die Abfasung der Schaltmuffen-Innenverzahnung 38 reduziert den beim Schaltvorgang auftretenden Verschleiß insbesondere am Synchronstein 22, aber auch an der Innenverzahnung 38. Diese Verschleißminderung macht sich unter anderem beim Auslegen eines Gangs bemerkbar. Der Synchronstein 22 kann nämlich insbesondere in einer geschalteten Stellung des Schaltgetriebes 8 so verkippen, dass sich Abschnitte des Öffnungsrands 62 radial weiter nach außen erstrecken als die Zahnspitzen der Innenverzahnung 38. Dies ist in 5 angedeutet, wobei die Verkippung des Synchronsteins 22 zur Veranschaulichung zeichnerisch übertrieben dargestellt ist.
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Beim Auslegen des Gangs wird die Schaltmuffe 34 ausgehend von der Position gemäß 5 nach rechts verschoben, so dass die Innenverzahnung 38 der Schaltmuffe 34 im Bereich des Öffnungsrands 62 auf den Synchronstein 22 trifft. Ohne die vorgesehene Abrundung und/oder Abfasung treten bei diesem Vorgang Verschleißerscheinungen auf.
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Obwohl in der dritten Ausführungsform der Synchronisationseinheit 10 gemäß 5 weder die Nutflanke 48 der Schaltmuffe 34 noch die Schrägfläche 50 des Sperrsteins 24 zwei unterschiedlich geneigte Flächenabschnitte 52, 54 aufweist, ist klar, dass die beschriebenen, vorteilhaften Merkmale der drei beschriebenen Ausführungsformen in sinnvoller Weise beliebig miteinander kombinierbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010307 B3 [0003, 0030]
