DE69406416T2

DE69406416T2 - Synchronisiereinrichtung mit Bolzen

Info

Publication number: DE69406416T2
Application number: DE69406416T
Authority: DE
Inventors: Derek Paul James Corns; Mark Anthony Hirsch; Patrick Randrianarison; Donald Michael Stout
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-19
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: CA2138430C; EP0664411B1; CA2138430A1; BR9405098A; US5497867A; KR100272205B1; CN1115016A; ATE159569T1; JPH07293584A; KR950019310A; DE69406416D1; JP3577610B2; ES2109618T3; CN1062943C; EP0664411A1

Description

Gebiet der Erfindung

Bei der Erfindung geht es um Synchronisiereinrichtungen in der Bauart mit Zapfen für Getriebe. Genauer gesagt, geht es bei der Erfindung um das axiale Halten eines Konusreibgliedes für derartige Einrichtungen.

Hintergrund zu der Erfindung

In der Technik für mehrgängige Geschwindigkeitswechselgetriebe ist es hinlänglich bekannt, Synahronisiereinrichtungen zu verwenden, um die Schaltzeit bei einigen oder allen Getriebegangstufen zu verkürzen. Es ist ferner bekannt, dass die Kraft, die einem Fahrzeugfahrer beim Schalten abgefordert wird, d.h. die an dem Schalthebel auf zuwendende Kraft, durch die Verwendung von Synchronisiereinrichtungen mit Servorwirkung vermindert werden kann. Ein Beispiel für den Stand der Technik für eine Synchronisiereinrichtung mit Servowirkung und in der Bauart mit Zapfen ist aus dem US-Patent 5 092 439 ersichtlich.
Zu der Synchronisiereinrichtung in der Bauart mit Zapfen, wie sie in dem obigen Patent beschrieben ist, gehören Reib- und Klauenglieder, um jeweils axial voneinander beabstandete Zahnräder mit einer Welle zu synchronisieren und an diese formschlüssig anzukuppeln; Sperrmittel, die in Abhängigkeit von Vorkraft erzeugenden Mitteln in Eingriff kommen, die ein initiales Einrücken der Reibglieder in Abhängigkeit von einer initialen Einrückbewegung eines der Klauenglieder durch eine Schaltkraft in bewirken, wobei die Sperrglieder dazu dienen, ein asynchrones Einrücken der Klauenglieder zu verhindern und die Schaltkraft auf die Reibglieder zu übertragen, um deren Synchronisationsdrehmoment zu vergrößern; und Servokraft erzeugende Rampen, die auf das Drehmoment ansprechen, um eine zusätzliche Kraft in Richtung und zusätzlich zu der Schaltkraft zu erzeugen, um das Synchronisationsdrehmoment der Reibglieder weiter zu erhöhen. Eine Synchronisiereinrichtung in der Bauart mit Zapfen, bei der die Erfindung Verwendung findet, kann, braucht aber keine Servokraft erzeugende Rampen aufzuweisen.
Eine Vielzahl von Synchronisiereinrichtungen in der Bauart mit Zapfen enthalten Ringe mit Konusreibflächen, die aus einer Neutralstellung der Synchroneinrichtung axial in eine passende Eingriffsstellung mit Konusreibflächen bewegbar sind, die von Gliedern gebildet sind, die drehfest und gegen jegliche axiale Bewegung bezüglich der Zahnräder gesichert sind.
Ein derartiges axiales Festlegen dieser Glieder wird bevorzugt, um das Spiel zwischen den Reibflächen sicherzustellen, wenn sich die Synchronisiereinrichtung in der Neutralstellung befindet, um sicherzustellen, dass die Flächen trennen, wenn die Synchronisiereinrichtung aus der eingerückten Stellung in die Neutralstellung bewegt wird, und um ein unbeabsichtigtes Einrücken der Servokraft erzeugenden Rampen, beispielsweise zufolge der viskosen Scherkraft des Öls zwischen den Reibflächen, die zum Erzeugen eines Drehmomentes führt, auszuschließen oder zu vermindern usw.
Bei einigen Getriebekonstruktionen ist es schwierig und/oder zufolge der Kosten prohibitiv, einige der Glieder an den Zahnrädem axial festzulegen. Die hier geoffenbarte Erfindung eliminiert die Notwendigkeit, die Glieder gegen jegliche Axialbewegung zu sichern. Die Erfindung stellt auch das oben erwähnte Spiel, Trennung und Verminderung der viskosen Scherkraft für den Fall sicher, dass andere Maßnahmen versagen, die dazu verwendet werden, die Glieder an den Zahnrädern zunächst festzulegen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe besteht darin, das funktionelle Wechselwirken zwischen den Reibflächen einer Synchronisiereinrichtung zu verbessern.
Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung in der Bauart mit Zapfen, wie sie in der US-A-5 092 439 geoffenbart ist, die den Oberbegriff des Anspruches 1 wiedergibt, wobei die Synchronisiereinrichtung wahlweise wirksam zu machen ist, um entweder ein erstes oder ein davon axial beabstandetes zweites Getriebeteil durch Reibschluss mit einer Welle zu synchronisieren und an diese formschlüssig anzukuppeln. Die Getriebeteile sind bezüglich einer mit der Welle gemeinsamen Achse gegenüber dieser drehbar gelagert und gegen axiale Bewegung gegenüber der Welle gesichert. Mit jedem Getriebeteil sind Antriebsklauenmittel starr verbunden, die mit axial beweglichen Klauenmitteln in Eingriff zu bringen sind, die axial sich erstreckende Innenverzahnungszähne aufweisen, die durchgehend mit axial sich erstreckenden Außenverzahnungszähnen zusammenpassen, die an der Welle befestigt sind. Erste und zweite Konusreibflächen sind jeweils durch axial voneinander beabstandete erste und zweite Glieder gebildet, die jeweils durch Befestigungsmittel drehfest mit dem ersten und dem zweiten Getriebeteil und zur begrenzten Axialbewegung weg von dem Raum zwischen den Zahnrädem verbunden sind. Dritte und vierte Konusreibflächen sind durch Paare von axial voneinander beabstandeten Ringen gebildet, die konzentrisch zu den Wellmitteln angeordnet und zwischen den voneinander beabstandeten Getriebeteilen axial beweglich sind, um jeweils mit den ersten und zweiten Reibflächen zwecks Synchronisation der Getriebeteile mit der Welle axial in Eingriff bewegbar zu sein. Eine Scheibe verläuft radial zwischen den Ringen, um die bewegbaren Ringe sowie die Klauenmittel in Abhängigkeit von einer axialen bidirektionalen Schaltkraft (F&sub0;), die auf die Scheibe einwirkt, axial in die Eingriffsstellung zu bewegen. Es sind Mittel dazu vorgesehen, die Scheibe gegen axiale Bewegung relativ zu den axial beweglichen Klauenmitteln zu sichern. Sperrmittel verhindern ein Einrücken der Klauenmittel vor dem Synchronisieren. Zu den Sperrmitteln gehören mehrere, in Umfangsrichtung voneinander beabstandete und axial sich erstreckende Zapfen, die die Ringe starr miteinander verbinden. Die Zapfen erstrecken sich durch Öffnungen in der Scheibe. Jeder Zapfen trägt axial voneinander beabstandete Sperrschultern, die mit Sperrschultern in Eingriff zu bringen sind, die an gegenüberliegenden Seiten der Scheibe um die zugehörigen Öffnungen herum ausgebildet sind. Vorkrafterzeuger haben den Zweck, in Abhängigkeit von einer initialen Axialbewegung der Scheibe zufolge der Schaltkraft aus der Neutralstellung in Richtung auf eines der Getriebeteile entweder die dritte oder die vierte Reibfläche jeweils mit der ersten oder zweiten Reibfläche in Eingriff zu bringen, um die Sperrmittel in Abhängigkeit von dem Einrücken der Reibflächen, die ein über die Zapfen auf die Scheibe übertragenes Synchronisationsdrehmoment zu erzeugen, in Eingriff zu bringen, und um die Schaltkraft über die in Eingriff stehenden Sperrmittel auf die miteinander in Berührung stehenden Reibflächen zu übertragen, um die Einrückkraft für die einander berührenden Reibflächen zu erhöhen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel eine Axialbewegung der ersten und zweiten Reibglieder in Richtung auf die Reibringe ermöglichen und dass mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete starre Glieder zwischen den ersten und den zweiten Gliedern axial eingefügt sind, um die Bewegung zu begrenzen oder aufzuhalten.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die erfindungsgemäße Synchronisiereinrichtung ist in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, in denen
Fig. 1 eine zweiseitig wirkende Synchronisiereinrichtung, geschnitten längs einer Linie 1-1 nach Fig. 2 zeigt;
Fig. 2 den Sperrmechanismus, teilweise geschnitten längs einer Linie 2-2 nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 einen Teil des Sperrmechanismus, geschnitten längs der Linie 3-3 nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 eine Komponente der Fig. 1 und 2, in einer perspektivischen Darstellung zeigt;
Fig. 5 und 6 Einzelteilzeichnungen eines Schiebers und eines Zapfens aus den Fig. 1 und 2 zeigen;
Fig. 7 eine Klauenkupplung der Einrichtung nach Fig. 1, im eingerückten Zustand und in einer Ausschnittsdarstellung zeigt;
Fig. 8 und 9 gezahnte Abschnitte der Einrichtung, geschnitten längs der Linie 8-8 nach Fig. 1, in einer Teildarstellung zeigen;
Fig. 10 eine grafische Darstellung der Axialkräfte und Drehmomente, die auf die Schaltscheibe des Synchronisierers wirken, zeigt; und
Fig. 11 eine vergrößerte Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Teils der Synchronisiereinrichtung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Der Ausdruck "synchronisierte Kupplungseinrichtung" soll eine Kupplungseinrichtung bezeichnen, die dazu verwendet wird, ein ausgewähltes Gangzahnrad mit einer Welle mittels einer formschlüssigen Schaltkupplung drehfest zu kuppeln, wobei der Versuch des Einrückens der formschlüssigen Kupplung verhindert wird, solange, bis die Teile der formschlüssigen Kupplung im Wesentlichen in Synchronität mittels einer synchronisierenden Reibkupplung gebracht sind, die der formschlüssigen Kupplung zugeordnet ist. Der Ausdruck "Servokraft erzeugen" soll eine synchronisierte Kupplungsanordnung bezeichnen, die Rampen, Nocken oder Ähnliches aufweist, um die Einrückkraft der Synchronisierkupplung proportional zu dem Synchronisationsdrehmoment der Reibkupplung zu verstärken.
Zunächst wird hauptsächlich auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, die eine Zahnrad- und Synchronisieranordnung 10 eines im Übrigen nicht gezeigten Getriebes veranschaulichen, das dazu vorgesehen ist, in einem Landfahrzeug verwendet zu werden, insbesondere bei Schwerlast- LKWs. Jedoch kann die Anordnung 10 auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden. Zu der Anordnung gehören, eine Getriebeeingangswelle 11 und eine Hauptwelle 12, die drehbar bezüglich im Wesentlichen gemeinsamer Achsen 11a und 12a gelagert ist, voneinander beabstandete Gangzahnräder 14, 16, die auf der Welle drehbar gelagert und gegen eine axiale Bewegung relativ zu der Welle mittels eines ringförmigen Anlaufgliedes, das in bekannter Weise an der Welle gesichert ist, gesichert sind, sowie eine zweiseitig wirkende, synchronisierte Kupplungsanordnung 18 in Bauart mit Zapfen. Wenn die Anordnung 10 Teil eines Zwillingsvorgelegegetriebes ist, wie es in den US-Patenten 3 648 546 und 4 788 889 ist, kämmen die Zähne 14a des Zahnrads 14 ständig mit Zahnrädem auf nicht gezeigten Vorgelegewellen, die durch ein Zahnrad 16 angetrieben sind, wobei die Welle 12 mit einer Last gekuppelt oder wahlweise an diese ankuppelbar ist und die Welle 12 in bekannter Weise sich frei etwas radial bewegen kann. Das Zahnrad 16 ist mit der Eingangswelle 11 profilverzahnt und die Zähne 16a kämmen ständig mit Zähnen von Zahnrädem der nicht veranschaulichten Vorgelegewellen.
Zu der Synchronisiereinrichtung 18 gehören ringförmige Reibglieder oder Konusringe 20, 22, ringförmige Klauenkupplungsglieder 14b, 16b, die drehfest mit den Zahnrädem 14, 16 verbunden sind, Klauenkupplungsglieder 24, 26 mit Innenverzahnungszähnen 24, 26a, die verschieblich mit Außenverzahnungszähnen 12b zusammenpassen, die einstückige mit der Welle ausgebildet oder auf andere Weise an dieser befestigt sind, eine radial sich erstreckende Schaltscheibe 28 mit axial einander gegenüberliegenden Stirnflächen 28a, 28b, die sandwichartig zwischen den in axialer Richtung zeigenden Flächen 24b, 26b der Klauenglieder 24, 26 angeordnet sind, drei H-förmige Sicherungsglieder 30 (von denen eines in Fig. 4 perspektivisch gezeigt ist), um die Scheibe und die Klauenglieder gegen eine Axialbewegung relativ zueinander zu sichern, ringförmige Reibglieder oder Ringe 32, 34, die starr durch drei in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Zapfen 36 starr miteinander verbunden sind, die sich von jedem der Reibglieder in axialer Richtung erstrecken und durch Öffnungen 28c in der Scheibe hindurchführen, und drei Vorkraft erzeugende Anordnungen 38, von denen jede eine Feder 40 und einen Schieber 42 aufweist, der mit Flächen, die auf den Zapfen ausgebildet sind, zusammenwirkt. Die Anzahl der Sicherungselemente 30, der Zapfen 36 und der Anordnungen 38 kann größer oder kleiner sein als hier beschrieben.
Die Welle 11, das Zahnrad 16 und ein Lager 17 werden vorzugsweise als Einheit durch eine Lagerringsitzflächenöffnung 19a, die sich in einer teilweise gezeigten Gehäusewand 19 des Getriebes befindet, montiert. Da der Durchmesser des Reibgliedes 22 größer als der Durchmesser der Öffnung 19a ist, wird das Reibglied 22 an dem Zahnrad 16 befestigt, nachdem die Einheit eingebaut ist.
Die Reibglieder 20, 22 tragen innere Konusreibflächen 22a, 22b, die jeweils mit nach außen zeigenden Konusreibflächen 32a, 34a der ringförmigen Reibglieder 32, 34 zusammenpassen. Wie unschwer zu erkennen ist, sind die Reibglieder 20, 32 und 22, 34 zu Paaren angeordnet und bilden Reibkupplungen, um vor dem Einrücken der Klauenkupplungen die Zahnräder mit der Welle zu synchronisieren. Die Reibglieder 20, 22 enthalten eine Innenverzahnung 20b, 22b, die verschieblich mit Außenverzahnungen 14c, 16c zusammenpasst, die an den Zahnrädem 14, 16 ausgebildet sind, um eine Relativdrehung zwischen diesen zu verhindem. Anschlag- oder Reaktionsflächen 14d, 16d, die durch die Zahnräder 14, 16 gebildet sind, begrenzen eine axiale Bewegung der Teile 20, 22 weg aus dem Raum zwischen den Zahnrädem Eine axiale Bewegung der Glieder in Richtung auf den Raum zwischen den Zahnrädem wird durch eine Reihe von starren länglichen Gliedern 44 begrenzt oder verhindert, die sich verschieblich durch die axial miteinander fluchtenden Öffnungen 32b, 34b in den Gliedern 32, 34 und durch Öffnungen 28d in der Scheibe 28 erstrecken. Ein Federclip oder ein elastisches Band 46, beispielsweise ein reibschlüssig sitzender O-Ring 56, kann dazu verwendet werden, vor dem Einbau der Teile 32, 34 zwischen die Glieder 20, 22 jedes der Glieder 44 zu sichern. Die Glieder 44 stellen auch das Trennen der Konusflächen sicher, wenn eines der bewegbaren Klauenglieder 24, 26 aus einer eingerückten Stellung in die Neutralstellung bewegt wird.
Ein breiter Bereich von Konuswinkeln kann verwendet werden; hier wird ein Konuswinkel von 7,5 Grad verwendet. Die Reibflächen können durch eine Vielzahl bekannter Reibmaterialien gebildet sein, die an dem Grundteil befestigt sind; hier wird pyrolytisches Karbonreibmaterial bevorzugt, wie es aus den US-Patenten 4 700 823, 4 844 218 und 4 778 548 bekannt ist.
Die Zapfen 36 sind genauer in Fig. 6 gezeigt. Jeder Zapfen umfasst einen Abschnitt 36a mit einem großen Durchmesser, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Scheibenöffnung 28c, einen Abschnitt 36b mit vermindertem Durchmesser oder einen Taillenabschnitt 36b, der sich zwischen den Reibringen 32, 34 befindet (hier mittig angeordnet), konische Sperrschultern oder Flächen 36c, 36d, die sich von den Zapfenachsen aus radial nach außen und in axialer Richtung voneinander weg erstrecken unter Winkeln, die hier etwa vierzig Grad bezogen auf eine Gerade senkrecht zu der Zapfebnachse betragen, und vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise unabhängigen Vorkraft erzeugende Flächen 36e, 36f sowie verlängerte Zentrierflächen 36g, 36h. Wenn die verjüngten Abschnitte in ihren zugehörigen Öffnungen der Scheibe angeordnet sind, gestatten sie eine begrenzte Verdrehung der starren Anordnung aus Reibringen und Zapfen gegenüber der Scheibe, damit die Sperrschultern der Zapfen mit den angefasten Sperrschultern 28e, 28f, die um die Öffnung der Scheibe herum ausgebildet sind, in Eingriff kommen können. Die Vorkraft erzeugenden Flächen 36e, 36f schneiden die konischen Sperrschultern 36c, 36d tangential bzw. sie schneiden einen Abschnitt davon ab, sind vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) flache planare Flächen und schließen gegenüber den Zapfenachsen Winkel ein, die etwas kleiner sind als die Winkel der Sperrflächen. Die Zentrierflächen 36g, 36h sind ebenfalls flache planare Flächen und schließen gegenüber den Zapfenachsen Winkel ein, die wesentlich kleiner sind als die Winkel der Sperrflächen und Vorkraft erzeugenden Flächen, wie dies ohne weiteres aus der Zeichnung zu ersehen ist. Wie hierin offenbart ist, bilden die Sehnenlängen der flachen Flächen Tangenten an konzentrische Kreise um die Zapfenachse und die Wellenachse. Alternativ können die Flächen 36e-36f auch entfallen und die Vorkraft erzeugenden Schieber 124 wirken dann gegen die Sperrflächen 36c, 36d.
Die Schieber 42 sind durch in Schlitzen 28g der Scheibe angeordnete schraubenförmige Druckfedern 40 radial nach außen in Richtung auf die Vorkraft erzeugenden Flächen der Zapfen vorgespannt. Die große Erstreckung der Schlitze verläuft vorzugsweise radial, bezogen auf die Schaftachse. Die Schlitze reichen ferner in axialer Richtung durch die Stirnfläche 28a, 28b der Scheibe in die Scheibenöffnung 28c hinein und sind mit Enden 28h an ihrem radial innenliegenden Ende versehen, gegen die die Federn anliegen.
Wie zuvor erwähnt, weisen die Klauenglieder 24, 26 Innenverzahnungszähne 24a, 26a auf, die gleitend mit Außenverzahnungszähnen 12b zusammenpassen, die an der Welle befestigt sind. Die Außenverzahnungszähne tragen Evolventenzahnflanken 12c, die parallel zu der Schaftachse liegen, wobei das Zusammenpassen mit den Zahnflanken der Verzahnung an den Klauengliedern eine Relativdrehung verhindert. Die H-förmigen Schieber 30 weisen jeweils Endabschnitte 30a, 30b, die gegen Klauengliederflächen 24c, 26c anliegen, und einen Mittenabschnitt 30c auf, der die Endabschnitte miteinander verbindet. Der Mittenabschnitt verläuft stramm passend durch die axial ausgerichteten Schlitze 24d, 26d in den Klauengliedern und mit Spiel durch Öffnungen 28k, die radial sich erstreckende Anschlagflächen 28n, 28m aufweisen, die mit dem Mittenabschnitt 30c zusammenwirken, um eine Drehbewegung der Scheibe gegenüber den Klauengliedern und der Welle aus den nachstehend erwähnten Gründen zu begrenzen.
Wie am besten aus den Fig. 1 bis 2 und 7 bis 10 zu erkennen ist, sind Abschnitte einiger der Außenverzahnungszähne 12b in beide axiale Richtungen, bezogen auf die Neutralstellung der Scheibe 28 gemäß den Fig. 1, 2 und 8 modifiziert, um eine oder mehrere Rampenflächen zu erzeugen, die mit einer entsprechenden Anzahl von Rampenflächen zusammenwirken, die durch die Reaktionsmittel oder Innenverzahnungszähne 48 gebildet sind, die sich von der Scheibe 28 radial nach innen und in die axial verlaufenden Zwischenräume zwischen den Zähnen 12b der Welle erstrekken. Die Rampenflächen gestatten eine begrenzte Drehbewegung der Scheibe relativ zu den Klauengliedern 24, 26 sowie der Welle 12 und reagieren auf das Synchronisationsdrehmoment zwischen den Konuskupplungen und der Welle, um eine zusätzliche axiale Servokraft zu erzeugen, um die Einrückkraft für die Konuskupplung zu erhöhen, die durch die auf die Scheibe 28 einwirkende Schaltkraft initiahsierend in Eingriff gebracht sind, damit auf diese Weise das Synchronisationsdrehmoment, das von der Konuskupplung erzeugt wird, erhöht wird. Die Rampenflächen können zum Erhöhen der Synchronisationskraft für eines oder beide Zahnräder und/oder zum Erhöhen der Synchronisationskraft in Abhängigkeit von dem Drehmoment in der jeweiligen Richtung, wie sie beim Herauf- oder beim Herunterschalten auftritt, gestaltet sein. Genau gesagt, enthält jeder Zahn 12b, der sich in Umfangsrichtung zwischen dem H-förmigen Mittenabschnitt 30c befindet, erste und zweite axial voneinander beabstandete Ausnehmungen, die ringförmige Nuten bilden mit ersten, durch pfeilerförmige Abschnitte 50 gebildeten Enden, axial gegenüberliegenden Enden 12d, 12e und einem kleinsten Außendurchmesser 12f. Der minimale Außendurchmesser 12f ist größer als der Verzahnungsfußkreisdurchmesser 12b und größer als die Innendurchmesser 24c, 26c der Klauenkupplungsverzahnungen 24a, 26a. Außerdem ist der minimale Außendurchmesser 12f kleiner als der durch die Zahnköpfe der Innenverzahnungszähne 48 der Scheibe definierte Durchlass. Die pfeilerförmigen Abschnitte 50 haben eine Rautengestalt und sind durch Abtragen von Abschnitten an dem jeweiligen Zahn an seinen in beiden Achsrichtungen liegenden Seiten gebildet. Die axiale und radiale Erstreckung der abgetragenen Abschnitte ist so gewählt, dass die Bearbeitung der Boost-Rampenflächen 50a, 50b, 50c, 50d an dem pfeilerförmigen Abschnitt 50 vereinfacht und die Auswirkung minimiert wird, die ein solches Abtragen auf die Festigkeit der Zähne 12b hat. Ferner sind die Verzahnungszähne 12b mit einer ausreichenden radialen Tiefe ausgestaltet, damit die Rampenflächen ausreichend Fläche aufweisen, um die Abnutzung zufolge der dagegen wirkenden Kräfte zu minimieren. Die axiale Erstreckung der abgetrennten Abschnitte oder Ausnehmungen zwischen den axialen Enden 50a, 50b, 50c, 50d der pfeilerförmigen Abschnitte 50 und der axialen Enden 12d, 12e der Zähne 12 wird einfach durch Einarbeiten einer ringformigen Nut in die Zähne erzeugt. Die axiale Länge der entfernten Abschnitte reicht aus, um das Einführen eines Bearbeitungswerkzeugs zu erleichtern, mit dem die Rampenflächen erzeugt werden. Die Rampenflächen 50a, 50b wirken jeweils gegen Rampenflächen 48a, 48b an den Scheibenzähnen 48, um die zusätzlichen Axialkräfte (Fa) zu erzeugen, damit die Synchronisationsgeschwindigkeit des Zahnrades 14 in Abhängigkeit von dem Drehmoment in der jeweiligen Richtung erhöht oder verbessert wird. Die Rampenflächen 50c, 50d wirken jeweils gegen Rampenflächen 48c, 48d, um die zusätzlichen Axialkräfte (Fa) für das Zahnrad 16 in Abhängigkeit von dem Drehmoment in beide Richtungen zu erzeugen. Die Winkel der Rampenflächen können variiert werden, um unterschiedliche Werte für die zusätzlichen Kräfte beim Herauf- oder beim Herunterschalten und für hohe und für niedrige Gänge zu erhalten. Wenn bei einem oder mehreren Gängen keine zusätzliche Kraft in einer Richtung erwünscht ist, können die Rampenflächen auch parallel zu der Verzahnung ausgebildet sein, d.h. es sind effektiv keine Rampenflächen vorgesehen. Die Größe oder der Betrag der Axialkräfte ist, wie weiter unten erläutert wird, eine Funktion des mittleren Radiusverhältnisses der Reibkupplungen und der Servokraft erzeugenden Rampen. Demgemäß kann die Größe der zusätzlichen Kräfte bei einer gegebenen Schaltkraft, die mittels einer Schaltgabel auf die Schaltscheibe 28 einwirkt, durch Veränderung der Rampenwinkel und/oder des mittleren Radiusverhältnisses variiert werden. Die Innenverzahnungszähne 48 und die pfeilerförmigen Abschnitte 50 können mit Nicht-Boost- Flächen oder Flachstellen 48e und 50e an ihren in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sein. Die Nicht-Boost-Flächen wirken gegeneinander, während sich die Schaltscheibe 28 in der Neutralstellung befindet und verhindern eine Aktivierung der Servokraft erzeugenden Rampen für den Fall, dass eine der Konuskupplungen, beispielsweise wegen der viskosen Scherung des Öls, zwischen den Reibflächen ein Drehmoment erzeugt.
Wenn sich die Scheibe 28, wie in den Fig. 1 und 8 gezeigt, in der Neutralstellung befindet, sind die Taillenabschnitte 36b der Zapfen 36 in radialer Richtung mit den zugehörigen Scheibenöffnungen 28c ausgerichtet, die Reibflächen der Konuskupplungen befinden sich in einem geringfügigen Abstand voneinander und werden in dieser räumlichen Anordnung durch die abgeschrägten Vorkraft erzeugenden Flächen 42a, 42b der Schieber 42 gehalten, die auf die Vorkraft erzeugenden Flächen 36e, 36f der Zapfen 36 zufolge der Kraft der Federn 40 und durch die Enden 44a, 44b der länglichen Glieder 44 einwirken, die gegen die Reibglieder 20, 22 anstoßen. Wenn es gewünscht wird, eines der Zahnräder an die Welle anzukuppeln, wird ein geeigneter und nicht gezeigter Schaltmechanismus, wie er in dem US-Patent 4 920 815 geoffenbart ist, mit dem Außenumfang der Schaltscheibe 28 in bekannter Weise gekuppelt, um die Schaltscheibe längs der Achse der Welle 12 entweder nach links, zwecks Ankuppelns des Zahnrades 16, oder nach rechts, zwecks Ankuppelns des Zahnrades 14, bewegt. Der Schaltmechanismus kann durch den Fahrer über ein Gestängesystem von Hand betätigt werden, selektiv durch einen Aktuator oder durch Mittel, die automatisch die Bewegung des Schaltmechanismus initialisieren und die Stärke der Kraft, die durch den Schaltmechanismus aufgebracht wird, kontrollieren. Wenn der Schaltmechanismus von Hand bewegt wird, ist die Kraft proportional der Kraft, die von dem Fahrer am Schalthebel aufgebracht wird. Gleichgültig, ob von Hand oder automatisch aufgebracht, wird die Kraft auf die Schaltscheibe 28 in axialer Richtung zur Einwirkung gebracht und sie wird in Fig. 10 durch die Länge eines Pfeiles F&sub0; dargestellt.
Die initiale, nach rechts gerichtete Axialbewegung der Scheibe 28 zufolge der durch den Fahrer aufgebrachten Schaltkraft F&sub0; wird über die Vorkraft erzeugenden Schieber 42 auf die Zapfen durch die Vorkraft erzeugenden Flächen 46f übertragen, um einen initialen Reibeingriff der Konusfläche 32a mit der Konusfläche 20a hervorzurufen. Die initiale Eingriffskraft der Konusflächen ist natürlich eine Funktion der Kraft der Federn 40 und der Winkel der Vorkraft erzeugenden Flächen. Der initiale Reibeingriff (vorausgesetzt es besteht ein Asynchronzustand und es werden im Augenblick die Wirkung der Vorkraft erzeugenden Rampen vernachlässigt) erzeugt eine initiale Einrückkraft für die Konuskupplung sowie ein initiales Synchronisationsdrehmoment T&sub0;, das eine begrenzte Relativdrehung zwischen der Scheibe 28 und dem eingerückten Reibring sicherstellt und somit eine Bewegung des taillierten Abschnitts 36b des Zapfens zu der entsprechenden Seite der Scheibenöffnung 28c, um so ein Berühren der Zapfensperrschulter 36c mit der Scheibensperrschulter 28e hervorzurufen. Wenn die Sperrschultern einander berühren, wird die gesamte Schaltkraft F&sub0;, die von dem Fahrer an der Schaltscheibe 28 aufgebracht wird, auf den Reibring 32 über die Sperrschultern übertragen, womit die Konuskupplung durch die volle Kraft entsprechend der Schaltkraft F&sub0; des Fahrers eingerückt wird, um ein resultierendes, durch den Fahrer verursachtes Synchronisationsdrehmoment T&sub0; hervorzurufen. Dieses durch den Fahrer verursachte Synchronisationsdrehmoment T&sub0; wird durch einen Pfeil T&sub0; in Fig. 10 dargestellt. Da die Sperrschultern unter einem Winkel gegenüber der in Axialrichtung wirkenden Schaltkraft F&sub0;, hervorgerufen durch den Fahrer, verlaufen, erzeugen sie eine Gegenkraft oder ein Entsperrdrehmoment, das dem Synchronisationsdrehmoment der Konuskupplung entgegengesetzt ist, jedoch während des Asynchronzustands eine geringere Größe als dieses aufweist. Wenn die Synchronität weitgehend erreicht ist, fällt das Synchronisationsdrehmoment unter das Entsperrdrehmoment, womit die Sperrschultern die Zapfen in eine konzentrische Lage zu den Öffnungen 28c bringen, was eine fortgesetzte Axialbewegung der Scheibe und ein Einrücken der Außenklauenzähne 24d des Klauenglieds 24 in die Innenklauenzähne 24b des Zahnrades 14 gestattet, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Wie aus dem Stand der Technik bekannt und lediglich durch Bezugszeichen für die Klauenzähne 16b in Fig. 7 spezifiziert ist, sind die führenden Abschnitte der Klauenzähne mit Abschrägungen 16c in axialer/radialer Richtung versehen, um die Zahnbeschädigung während der ersten Berührung zu vermindern und sie sind mit in Umfangsrichtung zeigenden Fasen oder Keilflächen 16d versehen, um die Zähne in eine passende Ausrichtung zu drehen. Klauenkupplungen mit derart gestalteten Führungsabschnitten sind genauer in dem US-Patent 4 246 993 und dem US-Patent 3 265 173 beschrieben, das eine Lehre für die geeigneten Abschrägungswinkel gibt. Die keilförmige Zahnbrust, die asymmetrisch sein kann, verhindert eine Verzögerung bei der vollständigen Durchführung des Schaltvorgangs zufolge eines Anstoßens Zahnbrust an Zahnbrust an den führenden Enden der Zähne. Um ein glattes und relativ anstrengungsarmes Ausführen der Schaltvorgänge zu erleichtern, sind die Klauenzähne vorzugsweise in Umfangsrichtung so fein oder klein, wie praktisch möglich, wodurch die Gradzahl oder die Drehwinkelgradzahl minimiert wird, bis die Klauenzähne ineinander passend aufeinander ausgerichtet sind. Andererseits sind die Klauenzähne vorzugsweise im Durchmesser so groß wie noch praktikabel.
Wenn noch die Wirkungen der Servokraft erzeugenden Rampen vernachlässigt werden, ergibt sich das Drehmoment der Konuskupplung als Folge der Kraft F gemäß der folgenden Gleichung:
T&sub0; = F&sub0;Tcµc/sin α
mit:
Rc = mittlerer Radius der Konusreibfläche,
µc = Reibkoeffizient der Konusreibfläche und
α = der Winkel der Konusreibflächen.
Wenn nun die Wirkung der Servokraft erzeugenden Rampen betrachtet wird und unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 8 und 9 wird das Synchronisationsdrehmoment T&sub0;, das sich als Folge der von dem Fahrer ausgeübten axialen Schaltkraft F&sub0; ergibt, mittels der Zapfen 36 auf die Scheibe 28 übertragen und über die Vorkraft erzeugenden Rampenflächen auf die Welle 12 übermittelt. Im Eingriffszustand begrenzen die Servokraft erzeugenden Rampenflächen die Drehung der Scheibe gegenüber der Welle 12 und den Klauengliedern 24, 26 und erzeugen eine axiale Kraftkomponente oder eine zusätzliche Axialkraft Fa, die auf die Scheibe in derselben Richtung einwirkt, wie die Schaltkraft F&sub0;, wodurch die Einrückkraft für die Konuskupplung weiter erhöht wird, um ein zusätzliches Synchronisationsdrehmoment Ta zu erzeugen, das zu dem Drehmoment T&sub0; hinzukommt. Fig. 8 veranschaulicht die Stellung der Servokraft erzeugenden Rampenflkäche und die Stellung der Verzahnungen 24a, 26a der Klauenteile bezüglich der Verzahnung 12b der Welle, wenn sich die Schaltscheibe 28 in der Neutralstellung entsprechend der Stellung nach Fig. 1 befindet. Fig. 9 zeigt eine Stellung der Rampen und Verzahnungen, während das Zahnrad 14 durch die miteinander in Eingriff stehenden Konusflächen 32a, 20a synchronisiert wird. Die miteinander in Eingriff stehenden Konusflächen erzeugen ein Synchronisationsdrehmoment in eine Richtung, wie sie durch das Einrücken der Rampenfläche 48a der Scheibe in die Rampenflächen 50a der Welle bewirkt wurde. Somit ist die Summe der Axialkräfte zum Einrücken der Konuskupplung gleich F&sub0; plus Fa, und die Summe der Synchronisationsdrehmomente, die an der Konuskupplung hervorgerufen werden, T&sub0; plus Ta, wie dies in Fig. 10 grafisch veranschaulicht ist. Für eine gegebene Schaltkraft F&sub0;, hervorgerufen durch den Fahrer und ein Synchronisationsdrehmoment T&sub0;, ebenfalls hervorgerufen durch den Fahrer, ist die Größe der zusätzlichen Kraft vorzugsweise eine Funktion des Winkels der miteinander in Eingriff stehenden Servokraft erzeugenden Rampenflächen. Dieser Winkel ist vorzugsweise groß genug, um eine zusätzliche Kraft Fa mit einer Größe zu erzeugen, die ausreicht, um das Synchronisationsdrehmoment deutlich zu erhöhen und die Synchronisationszeit in Abhängigkeit von einer moderaten Anstrengung des Fahrers beim Schalten zu vermindern. Jedoch ist dieser Winkel vorzugsweise auch klein genug, um eine kontrollierte zusätzliche Axialkraft Fa hervorzurufen, d.h. die Kraft Fa sollte in Abhängigkeit von einem Zu- oder Abnehmen der Kraft F&sub0; ihrerseits abnehmen oder ansteigen. Wenn der Rampenwinkel zu groß ist, sind die Rampen selbstsperrend und nicht Servorkraft erzeugend; wenn somit ein initiales Einrücken der Konuskupplung einmal erreicht ist, steigt die Kraft Fa schnell und unkontrollierbar unabhängig von der Kraft F&sub0; an, wodurch die Konuskupplung in den Selbstblockierzustand getrieben wird. Das Selbstsblockieren anstelle des Servokrafterzeugens vermindert die Schaltqualität und das Schaltgefühl, kann die Synchronisiererkomponenten überlasten, kann zu einer Überhitzung und schnellen Abnutzung der Konuskupplungsflächen führen und kann sogar die Bewegung des Schalthebels durch den Fahrer übersteuern.
Die Hauptvariablen zur Berechnung der Winkel der Servokraft erzeugenden Rampen zum Erzeugen der zusätzlichen Axialkraft Fa, die proportional zu der Kraft F&sub0;, hervorgerufen durch den Fahrer, ansteigt oder abnimmt, sind der Konuskupplungswinkel, der Reibkoeffizient der Konuskupplung, der mittlere Radius der Konuskupplung und der Servokraft erzeugenden Rampen, der Reibkoeffizient der Rampen sowie der Druckwinkel der Servokraft erzeugenden Rampen. Der Druckwinkel kann null sein. Hier haben die Rampen einen Druckwinkel von 20 Grad. Weitere Details zur Berechnung und Steuerung der Servokraft erzeugenden Kräfte oder Boost-Kräfte sind in dem US-Patent 5 092 439 nachzulesen.
Fig. 11 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel für das längliche Teil 44. Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel ist jedes längliche Teil mit 114 bezeichnet und an seinen Enden 114a, 114b modifiziert, in dem Sinne, als es Anti-Reibmittel 114c, 114d trägt, die den Seitendruck zwischen den Enden und den Konusringen 20, 22 vermindern. Ein solcher Seitendruck ist für die Schaltgualität nachteilig und kann zufolge von Abnutzung und Wärmeerzeugung zu Fehlern führen, wenn die Enden mit den Konusringen in Berührung kommen. Hier sind die Antireibmittel 114c, 114d jeweils eine Kugel, die in einer Ausnehmung in den Enden 114a, 114b festgehalten gelagert ist. Die Schmierung zwischen jeder Ausnehmung und der Kugel kann durch Imprägnieren der Ausnehmung mit einem Schmiermittel oder durch Spritzen des Getriebeöls auf die freiliegenden Teile der Kugel erreicht werden.
Es wurden zwei Ausführungsbeispiele für eine Synchronisiereinrichtung mit Servokrafterzeugung und einer verbesserten Positionierung in der Neutralstellung geoffenbart. Die nachstehenden Ansprüche sollen den erfindenschen Teil der geoffenbarten Einrichtung abdecken.

Claims

1. Synchronisieranordnung (18), in der Bauart mit Zapfen, die wahlweise dazu dient, um entweder ein erstes oder ein zweites, von dem ersten axial beabstandetes Getriebeteil (14,16), die gegenüber einer Welle (12) einer Achse (12a) drehbar gelagert und relativ zu der Welle gegenüber einer Axialbewegung gesichert sind, reibschlüssig zu synchronisieren und formschlüssig anzukuppeln; wobei die Anordnung aufweist:

Antriebsklauenmittel (14b,16b), die an jedem Getriebeteil (14,16) befestigt und in axial beweglichen Klauenmitteln (24d,26d) einrückbar sind, der eine axial sich erstreckende Innenverzahnung (24a,26a) zugeordnet ist, die durchgehend verschieblich mit einer axial sich erstreckenden Außenverzahnung (12b) zusammenpasst, die an der Welle (12) befestigt ist, wobei die Außenverzahnung (12b) gegenüberstehende Paare von Flankenflächen (12c) mit dazwischen befindlichen Lücken aufweist;

erste und zweite konusförmige Reibflächen (20a,22a), die jeweils an einem ersten und einem davon axial beabstandeten zweiten Teil (20,22) ausgebildet sind, die jeweils mit Hilfe von Befestigungsmitteln (14c,16c und 14d,16d) drehfest an dem ersten bzw. dem zweiten Getriebeteil (14) und von dem Zwischenraum zwischen den Getriebeteilen (14,16) weg begrenzt axial bewegbar gesichert sind; und eine dritte sowie eine vierte Konusreibfläche (32a,34a), die an einem Paar von axial voneinander beabstandeten Ringen (32,34) ausgebildet sind, die zu der Wellenachse (12a) konzentrisch und zwischen den voneinander beabstandeten Getriebeteilen (14,16) axial beweglich sind, um axial mit der jeweils ersten oder zweiten Reibfläche (20a,22a) in Eingriff zu kommen, damit die Getriebeteile (14,16) mit der Welle (12) synchronisiert werden;

einen Flansch (28), der sich radial zwischen den Ringen (32,34) erstreckt, um die Ringe und die axial beweglichen Klauenglieder (24d,26d) in Abhängigkeit von einer axialen bidirektionalen Schaltkraft (F&sub0;) in diesen Eingriff zu bewegen, die mittels des Flansches (28) zugeführt wird, und Mittel (30), um den Flansch gegen axiale Bewegung relativ zu den axial beweglichen Klauenmitteln (24d,26d) zu sichern;

Sperrmittel (36d,36c und 28e,28f), um das Einrücken der axial beweglichen Klauenmittel (24d,26d) vor der Synchronität zu verhindern, wobei die Sperrmittel eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten und axial sich erstreckenden Zapfen (36) aufweisen, die starr die Ringe (32,34) miteinander verbinden und die durch Durchgangsöffnungen (28c) in dem Flansch (28) hindurchragen, wobei jeder Zapfen axial voneinander beabstandete Sperrschultern (36d,36c) trägt, die mit Sperrschultern (28e,28f) in Eingriff zu bringen sind, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Flansches (28) um die zugehorige Öffnung (28c) herum ausgebildet sind;

vorkrafterzeugende Mittel (38,36f,36e), um in Abhängigkeit von einer anfänglichen durch die Schaltkraft verursachten Axialbewegung des Flansches (28) aus der Neutralstellung in Richtung auf eines der Getriebeteile (14,16) die dritte oder die vierte Reibfläche (32a,34a) jeweils mit der ersten oder der zweiten Reibfläche (20a, 22a) in Eingriff zu bringen, damit die Sperrmittel (36d, 36c und 28e,28f) in Abhängigkeit von dem Eingriff der Reibflächen (20a,22a,32a,34a) ein Synchronisationsdrehmoment erzeugen, das über die Zapfen (36) auf den Flansch (28) übertragen wird, und um die Schaltkraft auf die miteinander in Eingriff stehenden Reibflächen über die in Eingriff stehenden Sperrmittel zu übertragen, um die Eingriffskraft der miteinander in Eingriff stehenden Flächen zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, dass: die Befestigungsmittel (14c,16c und 14d,16d) eine axiale Bewegung von wenigstens dem ersten oder dem zweiten Teil (20,22) in Richtung auf wenigstens einen der Reibringe (32,34) ermöglichen; und

eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter starrer Glieder (44) vorgesehen ist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Teil (20,22) axial eingefügt sind, um eine begrenzte Axialbewegung von diesen in Richtung auf die Reibringe (32,34) zu ermöglichen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der: die Befestigungsmittel (14c,16c und 14d,16d) eine Anzahl von Sätzen von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Öffnungen (28c,32d,34d) umfassen, die in axialer Richtung durch das Paar der Ringe (32,34) und den Flansch (28) hindurch führen, und dass die starren Glieder (44) jeweils längliche Teile sind, die verschieblich in einem der Sätze von Öffnungen angeordnet sind und einander gegenüberliegende Enden (44a,44b oder 114c,114d) aufweisen, die sich in verhältnismäßig kleinem Abstand dem ersten und dem zweiten Teil (20,22) gegenüber befinden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, die Mittel (46) enthält, um die länglichen Glieder (44) in den Öffnungen (28c,325,34d) vor dem Einbau der Ringe (32,34) zwischen dem ersten und dem zweiten Teil (20,22) zu halten.

4. Synchronisieranordnung nach Anspruch 1 oder 2, die aufweist:

erste Servo-Mittel (48,50), die erste und zweite Rampenmittel (50a,48a) tragen, die in Abhängigkeit von dem Synchronisationsdrehmoment (T&sub0;) in einer Richtung in Eingriff zu bringen sind, um in Abhängigkeit von dem Synchronisationsdrehmoment zwischen den Reibflächen (20a, 32a) und der Welle (12) zu arbeiten und um eine zusätzliche Axialkraft (Fa) zu erzeugen, durch die die Eingriffskraft für die erste Reibfläche (32a) erhöht wird.

5. Synchronisieranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ferner vorgesehen ist,

dass die Mittel (30) zum Befestigen des Flansches (28) eine in Umfangsrichtung gerichtete Bewegung des Flansches gegenüber den axial beweglichen Klauengliedern (24d, 26d) ermöglichen;

dass wenigstens eine der Lücken in der Außenverzahnung (12a) eine erste Rampenfläche (50a) aufweist, die in wenigstens einem Paar von Flankenflächen (12c) enthalten ist, wobei die erste Rampenfläche (50a) einen Winkel bildet, der kleiner als 90º ist, gemessen gegenüber einer Ebene rechtwinklig zu der Achse (12a) und der Flankenfläche (12c); und

Reaktionsmittel (48), die von dem Flansch (28) radial nach innen in die eine Lücke ragen, wobei zu den Reaktionsmitteln eine zweite Rampenfläche (48a) gehört, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Rampenfläche (50a) verläuft und die mit dieser in Abhängigkeit von dem Synchronisationsdrehmoment in der einen Richtung, hervorgerufen durch die in Eingriff stehenden Reibflächen (20a, 32a), die zu dem ersten Getriebeteil (14) gehören, in Eingriff zu bringen sind, um eine zusätzliche Axialkraft für den Flansch (28) in einer Richtung der Schaltkraft zu erzeugen, damit die Eingriffskraft für die Reibflächen (20a,32a), die zu dem ersten Getriebeteil (14) gehören, erhöht wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, bei der: die einander gegenüberliegenden Enden jedes länglichen Teils (114) Antireibmittel (114c,114d) trägt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der: die Antireibmittel (114c,114d) eine gelagerte Kugel umfassen, die in einer Tasche (114a,114b), wie sie in jedem Ende von jedem länglichen Teil vorgesehen ist, enthalten ist.