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Sychronisiertes Getriebe
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Die Erfindung bezieht sich auf ein synchronisiertes Getriebe gemäß
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Bei solchen Getrieben ist man bestrebt, den Schaltvorgang möglichst
schnell durchzuführen, ohne aber die an der Synchronisation beteiligten Elemente
übermäßig zu belasten.
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Zum Einlegen von Gängen an Getrieben werden häufig druckmittelbeaufschlagte
Zylinder verwendet. In der Regel sind dieses Zylinder, die drei Stellungen einnehmen
können, da das Einrückelement im Getriebe jeweils zwischen zwei Zahnräder angeordnet
ist und durch Verschieben aus der Mittelstellung in Richtung zum einen oder anderen
Zahnrad das jeweilige Zahnrad gekoppelt wird. Auch bei Schaltungen, die nach dem
H-Schema
angeordnet sind, muß der Schaltzylinder drei Stellungen einnehmen können, welche
den Stellungen Vorn (ungerader Gang), Mitte (Neutral) und Hinten (gerader Gang)
des Schalthebels entsprechen.
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Ein solcher Schaltzylinder mit drei Stellungen ist aus der DE-OS 31
18 583 bekannt. Diese Anordnung erfüllt spezielle Bedingungen am Getriebe, wie z.B.
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die Forderung nach einem möglichst geringen Aufwand bei begrenztem
Einbauraum. Ein Dreistellungszylinder ist jedoch relativ teuer und aufwendig.
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Um kurze Schaltzeiten zu erzielen und gleichzeitig eine Beschädigung
von Bauteilen zu vermeiden, ist es ein weiteres Erfordernis, die Betätigungskraft
und die Laufgeschwindigkeit der Schaltelemente der Einkuppelvorrichtung am Getriebe
in den einzelnen Wegabschnitten genau den Getriebegegebenheiten anzupassen.
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Die Kraft, mit der die Synchronisationseinrichtung eines Getriebes
im Idealfall betätigt werden sollte, muß sehr genau wegabhängig gesteuert werden.
Sie muß ausgehend von der ausgekuppelten Neutralstellung, mit einem relativ kleinen
Wert beginnen, bis sich der Synchronkörper in seine Sperrposition begeben hat. Während
der anschließenden Sychronisationsphase, in der die Zahnräder ihre Drehzahlen aneinander
angleichen, ist eine hohe Kraft erforderlich. In der darauffolgenden Einschiebe-
und Koppelphase ist wiederum nur eine kleine Kraft erforderlich.
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Der ideale Geschwindigkeitsverlauf der Schaltelemente kann etwa wie
folgt dargestellt werden. Die Schaltelemente sollten sich, ausgehend von der ausgekuppelten
Neutralstellung, zunächst mit relativ kleiner Ge-
schwindigkeit
bewegen, die bis zu dem Punkt, an dem sich der Synchronring in Sperrposition begibt,
bis auf nahe Null absinken sollte. Die Geschwindigkeit der Schaltbewegung sollte
dann solange bei annähernd Null bleiben, bis die Synchronisationsphase beendet ist.
Danach kann sie wieder sehr hoch werden, sie sollte aber am Ende, wenn der Endanschlag
erreicht wird, wieder auf annähernd Null abgefallen sein, um ein hartes Anschlagen
der Bauelemente zu vermeiden.
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Dieser Verlauf läßt sich zwar mit beispielsweise hydraulischen Betätigungs-
bzw. Steuerelementen erzielen, der Aufwand würde allerdings sehr hoch sein.
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Hydraulische oder elektromagnetisch-hydraulische Steuerelemente haben
weiterhin den Nachteil, daß sie störanfällig sein können und außerdem die Umschaltvorgänge
totzeitbehaftet sind. Außerdem ergeben sich allein schon aus der temperaturabhängigen
Viskosität der Hydraulikflüssigkeit Schaltzeitveränderungen.
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Bei fremd- oder hilfskraftbetätigten Getrieben wird aus diesem Grund
häufig Druckluft zur Betätigung der Schaltelemente verwendet. Dies stellt in bezug
auf Aufwand und Zuverlässigkeit die günstigste Lösung dar.
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Als nachteilig hat sich allerdings die Kompressibilität und die zu
geringe Dämpfwrkung bei den erforderlichen schnellen Geschwindigkeitsänderungen
der Schaltelemente herausgestellt. Die Verhältnisse sind um so ungünstiger, je größer
die Massen der bewegten Schaltelemente sind.
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Wird beispielsweise die bei Synchrongetrieben übliche Schiebemuffe,
die in ihren Endstellungen mittels eines federbelasteten angespitzten Bolzens in
einer Kerbe gerastet ist, mit Druckluft mittels eines
Zylinders
betätigt, dann wird sich in den Toträumen des Zylinders solange ein Druck und damit
eine potentielle Energie aufbauen, bis die Rastkraft und die Haftreibung der Schiebemuffe
überwunden wird. Diese potentielle Energie wird sich während der weiteren Bewegung
der Schiebemuffe, da nun kaum noch Gegenkraft vorhanden ist, in kinetische Energie
umwandeln und die Schiebemuffe stark beschleunigen.
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Die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Schiebemuffe wird in
der Folge auf die Anschläge der Sperreinrichtung der Synchronisation treffen und
sie, da diese die Energie in der Regel nicht voll aufnehmen kann, durchbrechen.
Dies führt zum Ratschen und letztlich zur Zerstörung der Synchronisations-Einrichtung.
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Ganz ähnliche negative Erscheinungen treten auf, wenn die Schiebemuffe
die Synchronisationsphase, in der eine hohe Betätigungskraft erforderlich ist, verläßt
und in einen Wegbereich gelangt, in dem nur eine sehr kleine Gegenkraft vorhanden
ist. Auch hierbei verwandelt sich die in der Druckluft gespeicherte potentielle
Energie in kinetische Energie, und die Schiebemuffe prallt mit großer Wucht gegen
ihren Endanschlag.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben,
die mit einfachen Mitteln eine Betätigung der Getriebeschaltelemente in drei Stellungen
ermöglicht und außerdem über den Lastbereich mit unterschiedlichen, festgelegten
Laufgeschwindigkeiten und unterschiedlichen festgelegten Betätigungskräften läuft.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 enthaltene Erfindung
gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in
den
Unteransprüchen angegeben.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich
dadurch, daß mit höheren Drücken und kürzeren Druckaufbauzeiten im Betätigungszylinder
gefahren werden kann, da durch eine entsprechende genau angepaßte Gestaltung der
Drosselkanten der Dämpfeinrichtung in Wegbereichen, wo eine Überlastung der Bauteile
eintreten würde, ein bestimmter Anteil der Betätigungskraft von der Dämpfeinrichtung
aufgenommen wird.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß statt eines Dreistellungszylinders
ein Zweistellungszylinder verwendet werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und nachfolgend beschrieben.
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Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch die hydraulische Dämpfeinrichtung
in Wirkverbindung mit einer vereinfacht dargestellten Synchronisiereinrichtung für
einen Zahnradsatz, sowie eine Steuereinrichtung und ein Betätigungselement.
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Das Betätigungselement ist als Zweistellungszylinder 7 ausgebildet.
Es enthält einen Kolben 69, der mechanisch mit einer Schaltwelle 8 verbunden ist
und diese bei entsprechender Druckbeaufschlagung dreht. Der Kolben 69 kann von zwei
Seiten mit Druck beaufschlagt werden.
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Die linke Seite des Zweistellungszylinders 7 ist über eine Leitung
55 und einen Auslaß 44 eines Ventils 43 mit der Atmosphäre verbunden.
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In einer zweiten Stellung des Ventils 43 ist die linke Seite des Zweistellungszylinders
7 über die Leitung 55,
einen Kanal 45 und eine Leitung 57 mit einem
Druckluftvorrat 42 verbindbar. Diese Schaltstellung kann von einer Elektronik 59
bei Bedarf über eine elektrische Leitung 61 am Ventil 43 ausgelöst werden.
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Die rechte Seite des Zweisteliungszylinders 7 ist über eine Leitung
56 und einen Kanal 47 eines Ventils 46 mit der Atmosphäre verbunden. In einer zweiten
Stellung des Ventils 46 ist die rechte Seite des Zweistellungszylinders 7 über die
Leitung 56 und einen Kanal 48 mit dem Druckluftvorrat 42 verbindbar. Diese Schaltstellung
kann von der Elektronik 59 über eine elektrische Leitung 62 am Ventil 46 ausgelöst
werden.
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Weiterhin greift ein Hebel 3 in eine Schiebemuffe 4 einer Synchronisiereinrichtung
1 ein. Damit ist die Schiebemuffe 4, mit der ein Gang eingelegt werden kann, mit
der Schaltwelle 8 verbunden. Die Schiebemuffe 4 kann von der Schaltwelle 8 nach
links und rechts verschoben werden und geht dann an den Zahnrädern 5 und 6 auf Anschlag.
Damit ist dann das jeweilige Zahnrad über die Schiebemuffe 4 und einen Zwischenkörper
70 mit einer Getriebehauptwelle 66 verbunden.
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Die Synchronisier-Einrichtung 1 ist nur vereinfacht dargestellt. Es
handelt sich um eine allgemein übliche Sperrsynchronisation, die eine Kuppelung
der Schiebemuffe 4 mit einem der Zahnräder 5 oder 6 erst dann zuläßt, wenn sich
die Drehzahlen des jeweiligen Zahnrades und der Getriebehauptwelle einander angeglichen
haben.
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Eine mit einem flüssigen Druckmedium, vorzugsweise
Getriebeöl,
gefüllte Dämpfeinrichtung 9 ist ebenfalls mit der Schaltwelle 8 verbunden. Ein Rotor
11 überträgt die wechselseitige Drehbewegung der Schaltwelle 8 auf einen eng in
die Bohrung 16 eingepaßten Kolben 12 und verschiebt diesen axial. Eine Drehung des
Kolbens 12 wird durch eine Führung einer Paßschraube 13 in einer Nut 14 verhindert.
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An dem Kolben 12 sind zwei Abflachungen 39,40 angebracht, die von
den Stirnseiten des Kolbens 12 in schräge Steuerfasen 19,20 auslaufen. Diese bewirken
beim Überfahren von Gehäusesteuerkanten 17,18 eine Dämpfung. Zwei federbelastete
Rückschlagventile 35,36 im Kolben 12 öffnen, wenn der Druck in den Dämpfungsräumen
23,24 geringer ist als der Druck im Raum 15, während bei Überdruck in den Dämpfungsräumen
23,24 die Rückschlagventile 35, 36 auf ihren Dichtsitz gepreßt werden und so den
Rückfluß sperren. Für die Wirksamkeit der Dämpfeinrichtung 9 ist es erforderlich,
daß der Kolben 12 waagerecht liegt und vollkommen mit dem Dämpfungsmedium bedeckt
ist. Der Kolben 12 ist weiterhin so ausgebildet, daß sich die Dämpfungsräume 23,24
über die Abflachungen 39,40 selbst entlüften können. Die Länge des Kolbens 12 ist
so bemessen, daß eine beidseitige Führung in Bohrung 16 immer gewährleistet ist.
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Ebenfalls mit der Schaltwelle 8 verbunden ist ein Weggeber 41, der
die Stellung der Schaltwelle 8 über eine Leitung 60 an die Elektronik 59 meldet.
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Die zur Steuereinrichtung 64 gehörenden Teile liegen innerhalb einer
strichpunktierten Umrahmung. Zur Steuereinrichtung 64 gehört noch ein Ventil 49.
Die beiden Dämpfräume 23,24 der Dämpfeinrichtung 9 sind über dieses Ventil 49 und
Leitungen 53 und 54 miteinander verbindbar.
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Das Ventil 49 weist zwei Stellungen 50,51 auf. In der gezeichneten
Stellung 50 sind die Leitungen 53 und 54 voneinander abgeschlossen. In der anderen
Stellung 51 sind die Leitungen 53 und 54 über eine Drossel 52 miteinander verbunden.
Um die Viskositätsabhängigkeit der Drossel 52 gering zu halten, ist die Drosselbohrung
so ausgeführt, daß ihre Länge maximal 1 x Durchmesser ist. Der Durchmesser der Drossel
ist so bemessen, daß in der Stellung 51 des Ventils 49 die Laufgeschwindigkeit des
Kolbens 12 nahe Null ist.
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Das Ventil 49 ist über eine elektrische Leitung 63 von der Elektronik
59 steuerbar.
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In der in der Zeichnung dargestellten Position befindet sich die Synchronisiereinrichtung
1 des Getriebes in Neutralstellung. Folglich steht somit der Rotor 11 mit dem Kolben
12 in der Mittelposition.
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Die Dämpfeinrichtung 9 ist so ausgelegt, daß bei Bewegung des Kolbens
12 aus der Mittelposition heraus in die Richtung 37 oder 38 die Dämpfung sofort
wirksam wird.
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Wird ein Gang aus der Neutralstellung durch Belüften der linken Kolbenseite
des Zweistellungszylinders 7 eingelegt, dann wird der Rotor 11 in Richtung des Pfeiles
37 gedreht und der Kolben 12 nach links geschoben. Das Dämpfungsmedium muß dann
aus dem Dämpfungsraum 23 über die Leitung 53, die Drossel 52 und die Leitung 54
in den Raum 24 transportiert werden. Hierbei wird das Ventil 49 von der Elektronik
59 so gesteuert, daß die gedrosselte Stellung 51 wirksam ist.
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Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben 12 nach links fährt, wird
also bestimmt durch den Querschnitt der Drossel 52. Zweckmäßigerweise sollte diese
Geschwindig-
keit im Bereich unmittelbar vor Wirksamwerden der
Sperreinrichtung der Synchronisationseinrichtung 1 nahe Null liegen.
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Die Sperreinrichtung enthält einen bei Sperrsynchronisationen allgemein
üblichen Sperring (nicht dargestellt), der mit einer Schiebemuffe 4 und einem Synchronring
2 in Wirkverbindung steht.
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Ist die Sperreinrichtung der Synchronisation wirksam, darf sich der
Kolben 12 weiterhin nur sehr langsam bewegen, da der Angleich der Drehzahlen der
Zahnräder 5 oder 6 mit der Hauptwelle 66 Zeit erfordert. Die Dämpfung wird deshalb
erst dann wieder aufgehoben, wenn die Steuerkante 33 des Kolbens 12 die Gehäusesteuerkante
27 nach links überfährt. Das verdrängte Medium aus dem Dämpfungsraum 23 fließt dann
über die gehäuseseitige Ringnut 29, die Nut 14 und die gehäuseseitige Ringnut 31
in den drucklosen Raum 15.
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Entsprechendes gilt wegen des symmetrischen Aufbaus der Dämpfungseinrichtung
9 bei einer Bewegung in Richtung des Pfeiles 38 für die Steuerkante 34, die Gehäusesteuerkante
30 und die gehäuseseitigen Ringnuten 32 und 28.
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Kurz vor dem Endanschlag der Schiebemuffe 4 am Zahnrad 5 wird dann
die Dämpfung wieder wirksam, wenn die schräge Steuerfase 19 des Kolbens 12 die Gehäusesteuerkante
25 überfährt. Somit wird ein Teil der in den Massen der Betätigungsorgane gespeicherten
kinetischen Energie abgebaut und ein harter Anschlag der Teile vermieden.
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Besonders kritisch im Hinblick auf das Ratschen der Sychronisation
ist die Steuerung von einer Endposition in die andere.
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Wird der Zweistellungszylinder 7 von der Steuereinrichtung 64 beispielsweise
so gesteuert, daß sich eine Bewegung des Kolbens 12 aus der linken Endposition in
Richtung des Pfeiles 38 ergibt, dann wird das Medium aus dem Dämpfungsraum 24 bis
zum Erreichen der Mittelposition ungedrosselt herausfließen können, da keine Steuerkanten
wirksam sind. In den Dämpfungsraum 23 kann das Dämpfungsmedium über das Rückschlagventil
35 einfließen. Somit ergibt sich zunächst eine ungedämpfte und damit schnelle Bewegung
des Kolbens 12 aus der linken Endposition in die Mittelstellung.
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Im weiteren Wegverlauf wird die schräge Steuerfase 20 wirksam, welche
die Gehäusesteuerkante 18 überfährt.
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Sie soll bei schnellem Lauf des Kolbens 12 eine kontinuierliche Abbremsung
der Einrückelemente bewirken und hohe Druckspitzen im Dämpfungsraum 24 vermeiden.
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Der weitere Bewegungsablauf erfolgt wie oben beschrieben bei der Bewegung
des Kolbens nach links, wobei auch bei diesem Bewegungsablauf das Ventil 49 von
der Elektronik 59 so gesteuert wird, daß der gedrosselte Durchgang 51 wirksam ist.
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Bei den Dämpfungsvorgängen wird also ein Teil der kinetischen Energie
durch Drosselung vernichtet und somit eine schädigende Wirkung auf die Einrückelemente
der Synchronisationseinrichtung vermieden. Trotzdem ist eine kurze Schaltzeit gewährleistet.
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Eine weitere erforderliche Funktion ist die Bewegung des Einrückelementes
4 aus einer der Endpositionen rechts oder links in die Neutral- oder Mittelstellung.
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Aus der linken Endposition erfolgt ein Schalten in die Mittelstellung
auf die gleiche Weise wie oben be-
schrieben beim Schalten aus
der linken Endposition in die rechte Endposition, mit dem einzigen Unterschied,
daß das Ventil 49 geschlossen ist, also die dargestellte Position einnimmt. Wenn
der Kolben 12 aus der linken Position in die Mittelstellung ankommt, kann das Medium
aus dem Dämpfungsraum 24 nun über keine Öffnung mehr entweichen, der Kolben bleibt
also stehen.
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Der Weggeber 41 registriert diese Mittelstellung und meldet sie an
die Elektronik 59. Diese nimmt dann die Druckbeaufschlagung des Kolbens 69 auf der
rechten Seite durch eine entsprechende Steuerung des Ventils 46 wieder weg. Die
Schiebemuffe 4 bleibt somit in der Mittel- oder Neutralstellung stehen.
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Diese Mittelstellung kann durch eine Festhaltevorrichtung 71 mit einer
federbelasteten Raste, die in eine Kerbe im Rotor 11 eingreift, noch stärker fixiert
werden.
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Somit läßt sich also auf einfache Weise trotz Verwendung eines einfachen
Zweistellungszylinders 7 eine Mittelstellung erreichen.
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Die Übertragung der Bewegung der Schaltwelle 8 auf den Kolben 12 erfolgt
deshalb über den Rotor 11, weil dadurch die Abdichtung des Gehäuses 10 vereinfacht
wird.
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Weiterhin ist eine besonders kompakte Bauweise möglich, wenn man die
Hilfs- oder Fremdkraftbetätigung 7 mit der Dämpfeinrichtung 9 in eine Baueinheit
bringt.
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