Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung bezieht sich auf einen selbst verstärkten
Synchronisationsmechanismus für ein Getriebe.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen solchen
Mechanismus, der verbesserte selbstverstärkende Rampenflächen
hat.
Hintergrund der Erfindung
-
Es ist in der Getriebetechnik mit mehreren
Gangübersetzungen bekannt, daß Synchronisationsmechanismen verwendet
werden können, um die Schaltzeit von allen oder einigen
der Getriebegangübersetzungen zu verringern. Es ist auch
bekannt, daß der von einem Fahrzeugbediener erforderliche
Schaltaufwand, d. h. die Kraft, die auf einen Schalthebel
aufgebracht wird, durch Anwendung von
Synchronisationsmechanismen der selbst verstärkenden Bauart verringert
werden kann. Da der Schaltaufwand des Bedieners im
allgemeinen die Fahrzeuggröße vergrößert, sind
Synchronisationsmechanismen der selbstverstärkenden Bauart insbesondere
für Schwerlastwägen wichtig. Beispiele des Standes det
Technik von solchen Mechanismen sind zu sehen mit
Bezugnahme auf die US-Patente 2,410,511; 2,896,760; 3,548,983;
4,413,715; 4,732,247; 4,869,353 und 5,092,439.
-
Die Synchronisationsmechanismen der obigen Patente weisen
Reibungs- und Klauenglieder auf, um jeweils ein Zahnrad
mit einer Welle zu synchronisieren und positiv zu
verkuppeln; Blockiermittel, die ansprechend auf eine
Vorantriebsvorrichtung in Eingriff gebracht werden, die einen
anfänglichen Eingriff der Reibglieder ansprechend auf die
anfängliche Eingriffsbewegung von einem der Klauenglieder
durch eine Schaltkraft bewirken, wobei die Blockiermittel
betreibbar sind, um einen asynchronen Eingriff der Klauenglieder
zu verhindern, und um die Schaltkraft auf die
Reibglieder zu übertragen, um das
Synchronisationsdrehmoment davon zu vergrößern; und selbstverstärkende Rampen,
die auf das Drehmoment reagieren, um zusätzliche Kraft in
Richtung der Schaltkraft und zusätzlich dazu vorzusehen,
um weiter das Synchronisationsdrehmoment der
Reibungsglieder zu vergrößern.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Ein Ziel dieser Erfindung ist es, selbst verstärkte
Synchronisationsmittel zur Verringerung der Schaltzeit und
zur Verbesserung der Schaltqualität vorzusehen.
-
Eine Synchronisationsvorrichtung, die eine Kupplung
aufweist, wie um US-Patent 5,092,439 offenbart, die den
Stand der Technik darstellt, auf den sich der Oberbegriff
des Anspruches 1 bezieht, synchronisiert reibungsmäßig
erste und zweite Antriebe bzw. Antriebsmittel und
verbindet diese positiv, die zur Relativdrehung um eine
gemeinsame Achse angeordnet sind. Die Kupplung weist erste
Klauenmittel auf, die axial in Eingriff mit zweiten
Klauenmitteln bewegbar sind, um positiv die Antriebsmittel
ansprechend auf die Eingriffsbewegung der ersten
Klauenmittel durch eine axial gerichtete Schaltkraft (Fo) zu
verbinden. Erste Reibungsmittel bewegen sich axial in
Eingriff mit zweiten Reibungsmitteln ansprechend auf die
Eingriffsbewegung der ersten Klauenmittel zur Erzeugung
eines Synchronisationsdrehmomentes. Erste und zweite
Blockierungsmittel bewegen sich in Eingriff ansprechend
auf die Eingriffsbewegung der ersten Klauenmittel zum
Verhindern eines asynchronen Eingriffes der Klauenmittel
zur Übertragung der Schaltkraft (Fo) auf die ersten
Reibungsmittel, um eine Eingriffskraft der Reibungsmittel zu
bewirken, und um ein Drehmoment gegen das Synchronisierungsdrehmoment
zu erzeugen, um die ersten und zweiten
Blockierungsmittel außer Eingriff zu bewegen, wenn die
Synchronisation erreicht wurde. Erste und zweite
selbstverstärkende Mittel mit winklig angeordneten Oberflächen
sind, wenn sie in Eingriff sind, wirksam zur Reaktion
gegen das Synchronisationsdrehmoment zur Erzeugung einer
zusätzlichen Axialkraft (Fa) in Richtung der Schaltkraft
(Fo) zur Vergrößerung der Eingriffskraft der
Reibungsmittel. Die Eingriffsoberflächen gleiten axial relativ
zueinander ansprechend auf die Bewegung der
Blockierungsmittel außer Eingriff, wenn die Synchronisation erreicht
wurde.
-
Die Erfindung wird gekennzeichnet durch die schrägen
Oberflächen der selbstverstärkenden Mittel, die Winkel
haben, die entlang ihrer axialen Ausdehnung des
Gleiteingriffs mit den in Eingriff stehenden schrägen Oberflächen
der zweiten selbstverstärkenden Mittel variieren, um die
Größe der zusätzlichen Axialkraft (Fa) zu variieren, wenn
die in Eingriff stehenden Oberflächen axial relativ
zueinander gleiten; und die schrägen Oberflächen der ersten
selbstverstärkenden Mittel variieren in einer Richtung
zur Verringerung der Größe der zusätzlichen Axialkraft
(Fa) wenn sich die ersten Klauenmittel zu den zweiten
Klauenmitteln hin bewegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Der selbstverstärkende Synchronisationsmechanismus der
Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, in
denen die Figuren folgendes darstellen:
-
Fig. 1 eine Schnittansicht eines doppelt wirkenden
Synchronisationsmechanismusses, wenn man ihn
entlang der Linie 1-1 der Fig. 2 ansieht;
-
Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene Ansicht des
Mechanismusses, wenn man ihn entlang der Linie 2-
2 in Fig. 1 ansieht;
-
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teils des
Mechanismusses, wenn man ihn entlang der Linie 3-3 der
Fig. 1 ansieht;
-
Fig. 4 eine Perspektivansicht einer Komponente in den
Fig. 1 und 2;
-
Fig. 5 und 5A detaillierte Ansichten einer
Stiftkomponente und einer Stößelkomponente in den Fig.
1 und 2;
-
Fig. 6 eine Teilansicht des Mechanismusses in Fig. 1,
wobei eine Klauenkupplung davon in einer
Einrück- bzw. Eingriffsposition ist;
-
Fig. 7 und 8 Schnittansichten von selbstverstärkenden
Rampenflächen des Mechanismusses, wenn man ihn
entlang der Linie 7-7 der Fig. 1 ansieht;
-
Fig. 9 eine grafische Darstellung von Axialkräften und
Drehmomenten, die auf einen Schub- bzw.
Schaltflansch der Synchronisationsvorrichtung wirken;
-
Fig. 10 eine grafische Darstellung der sich
selbstverstärkenden Rampenflächen in Fig. 7; und
-
Fig. 11 bis 13 grafische Darstellungen von
verbesserten sich selbstverstärkenden Rampenflächen.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
-
Der Ausdruck "Synchronisationskupplungsmechanismus", wie
er hier verwendet wird, soll einen Kupplungsmechanismus
bezeichnen, der verwendet wird, um nicht drehbar einen
Gang bzw. ein Zahnrad mit ausgewählter Übersetzung mit
einer Welle zu koppeln, und zwar mittels einer positiven
Kupplung, wobei ein versuchter Eingriff der positiven
Kupplung verhindert wird, bis die Glieder der positiven
Kupplung im wesentlichen auf synchrone Drehung gebracht
wurden, und zwar durch Synchronisieren der
Reibungskupplung, die mit der positiven Kupplung assoziiert ist. Der
Ausdruck "sich selbst verstärkend" soll einen
Synchronisationskupplungsmechanismus bezeichnen, der Rampen oder
Nocken oder ähnliches aufweist, um die Eingriffs- bzw.
Einrückkraft der Synchronisationskupplung proportional
zum Synchronisationsdrehmoment der Reibungskupplung zu
vergrößern.
-
Wenn man nun hauptsächlich die Fig. 1 und 2 anschaut,
ist dort im Detail eine Zahnrad- und
Synchronisationsanordnung 10 gezeigt, die eine Welle 12 aufweist, die zur
Drehung um eine Mittelachse 12a montiert ist, wobei axial
beabstandete Zahnräder 14, 16, drehbar auf der Welle
getragen werden und gegen eine Axialbewegung relativ zur
Welle durch ringförmige Schubglieder 18, 20 gesichert
sind, und einen doppelt wirkenden
Synchronisationskupplungsmechanismus. Die Schubglieder 18, 20 werden axial in
ringförmigen Nuten 12b, 12c in Keilzähnen 13 der Welle
gehalten, und sind gegen eine Drehung relativ zur Welle
durch einen Haltestift 24 (Fig. 2) befestigt, der in
einem Raum zwischen zwei der Zähne 13 angeordnet ist.
-
Der Synchronisationsmechanismus 22 weist ringförmige
Reibgliedteile 26, 28 und Klauenkupplungsgliederteile 30,
32 auf, die integral mit den Zahnrädern 14, 16 ausgeformt
sind, Klauenkupplungsglieder 34, 36 mit inneren
Keilzähnen 38, 40, die gleitend zu den äußeren Keilzähnen 13
passen, die integral mit der Welle 12 ausgebildet sind,
oder in anderer Weise daran angebracht sind, weiter einen
sich radial erstreckenden Schiebeflansch 42 mit axial
entgegengesetzt weisenden Seiten 42a, 42b, die
sandwichartig zwischen axial zueinanderweisenden Oberflächen 34a,
36a der Klauenglieder 34, 36 aufgenommen sind, weiter
drei H-förmige Halteglieder 44 (von denen eines in der
Perspektive in Fig. 4 gezeigt ist) um den Flansch und
die Klauenglieder gegen eine relative Axialbewegung zu
sichern, ringförmige Reibglieder oder Ringe 46, 48, die
starr miteinander durch drei in Umfangsrichtung
beabstandete Stifte 50 gesichert bzw. befestigt sind, die sich
axial von jedem der Reibungsglieder und durch die
Öffnungen 42c in dem Flansch erstrecken, und drei Vorantriebe
und neutrale Zentrierungsanordnungen 52, die jeweils eine
Feder 54 und einen Stößel 56 aufweisen, der mit
Oberflächen zusammenwirkt bzw. reagiert, die von den Stiften
definiert werden. Alternativ können die
Synchronisationsmittel 22 von der einzeln wirkenden Stiftbauart sein,
d. h. konfiguriert, um nur ein Zahnrad mit einer Welle zu
synchronisieren und durch eine Klauenkupplung zu koppeln;
ein solcher Mechanismus wird im US-Patent 3,221,851
offenbart. Auch die Anzahl der Halter 44, der Stifte 50 und
der Anordnungen 52 kann mehr oder weniger als hier
offenbart sein. Weiterhin kann der Synchronisationsmechanismus
ein anderer als einer mit einer Stiftbauart sein,
beispielsweise kann der Synchronisationsmechanismus eine
sogenannte Laufring- bzw. Nutenringbauart sein.
-
Wie leicht zu sehen ist, bilden die Reibglieder 26, 46
und 28, 48 ein Paar, um Reibungskupplungen zu definieren,
um die Zahnräder mit der Welle vor dem Eingriff der
Klauenkupplungen zu synchronisieren. Kegelkupplungen werden
bevorzugt; jedoch können andere Bauarten von
Reibungskupplungen verwendet werden. Die Reibungsglieder 26, 28
können an den assoziierten Rädern bzw. Zahnrädern in
irgendeiner von verschiedenen bekannten Weisen angebracht
werden. Die Reibungsglieder 26, 28 haben innere
Kegelreibflächen 26a, 28a, die jeweils mit äußeren
Kegelreibflächen 46a, 48a zusammenpassen. Die Glieder 26, 28 und
46, 48 werden auch jeweils als Synchronisationstassen und
Synchronisationsringe bezeichnet.
-
Ein breiter Bereich von Kegelwinkeln kann verwendet
werden; Kegelwinkel von 7,5 Grad werden hier eingesetzt. Die
Reibflächen 46a, 48a und/oder 26a, 28a können durch
irgendeines von verschiedenen bekannten Reibmaterialien
definiert werden, die an dem Basisglied angebracht sind;
hier werden pyrolytische Karbon- bzw.
Kohlenstoffreibmaterialen bevorzugt, wie beispielsweise offenbart in den
US-Patenten 4,700,823; 4,844,218 und 4,778,548.
-
Die Stifte 50 sind genauer in Fig. 5 gezeigt. Jeder
Stift weist Hauptdurchmesserteile 50a auf, und zwar mit
geringfügig kleineren Durchmessern als dem Durchmesser
der Flanschöffnungen 42c, einen Teil mit verringertem
Durchmesser oder Nutenteil 50b, der zwischen den
Reibringen 46, 48 beabstandet ist (hier in der Mitte) konische
Blockierungsschultern oder Blockierungsflächen 50c, 50d,
die sich radial nach außen von der Stiftachse und axial
weg voneinander erstrecken, und zwar in Winkeln von hier
ungefähr 45 Grad relativ zu einer Linie senkrecht zur
Stiftachse, und vorzugsweise jedoch nicht
notwendigerweise unabhängige Vorantriebsflächen 50e, 50f und erweiterte
bzw. verlängerte sekundäre Zentrierflächen 50g, 50h. Die
Nutenteile gestatten eine begrenzte Drehung des starren
Reibringes und der Stiftanordnung relativ zum Flansch,
wenn sie in ihren jeweiligen Flanschöffnungen angeordnet
sind, um den Eingriff der Stiftblockierungsschultern mit
abgeschrägten Blockierungsschultern 42d, 42e zu bewirken,
die um die Flanschöffnungen herum definiert sind. Die
Vorantriebsflächen 50e, 50f schneiden sehnenartig einen
Teil der konischen Blockierungsschultern 50c, 50d oder
entfernen einen Teil davon, sind vorzugsweise (jedoch
nicht notwendigerweise) flache ebene Oberflächen und
Formenwinkel relativ zur Stiftachse, die in gewisser Weise
kleiner sind als die Winkel der Blockierungsflächen. Die
Zentrierungsflächen 50g, 50h sind auch flache ebene
Oberflächen, und sie formen, wie leicht aus den Zeichnungen
offensichtlich wird, Winkel relativ zur Stiftachse, die
wesentlich kleiner sind, als die Winkel der Blockierungs-
und Vorantriebsflächen. Wie hier offenbart erstreckt sich
die Sehne bzw. der Kreisschnitt der flachen Oberflächen
tangential zu Kreisen, die konzentrisch zur Stiftachse
und zur Wellenachse sind. Die Axialkräfte, die von den
sekundären Zentrierflächen vorgesehen werden, sollten
ausreichen, um den Flansch 42 in seine neutrale Position
zurückzubringen, und zwar in dem Fall, daß eine solche
Positionierung nicht vollständig durch den Verschiebe-
bzw. Schaltmechanismus zur Bewegung des Flansches bewirkt
wurde.
-
Die Stößel 56 sind radial nach außen zu den
Stiftvorantriebs- und Zentrierungsflächen durch
Schraubendruckfedern 54 vorgespannt, die in Schlitzen 42f des Flansches
angeordnet sind. Die Hauptausdehnung der Schlitze
erstreckt sich vorzugsweise jedoch nicht notwendigerweise
radial relativ zur Wellenachse. Die Schlitze erstrecken
sich auch axial durch die Flanschseiten 42a, 42b in die
Flanschöffnungen 42c und haben Enden 42a an ihrer radial
inneren Erstreckung bzw. Stelle, damit die Federn dagegen
wirken können. Der radial innere Teil der Federn kann
durch nicht gezeigte Mittel gehalten werden, wie
beispielsweise Zapfen, die sich radial nach außen von den
Schlitzenden erstrecken. Die Stößel 56 können aus einem
Metallblechmaterial geformt werden, werden jedoch
vorzugsweise aus einem gegossenen oder verdichteten Material
geformt, wie beispielsweise aus Stahl, um strukturelle
Steifigkeit und strukturelle Härte zu bieten. Jeder
Stößel 56 hat einen in gewisser Weise U-förmigen Querschnitt
mit einem geschlossenen Ende, das einen Kopfteil mit
flachen winkligen Oberflächen 56a, 56b definiert, um mit den
flachen Vorantriebs- und Zentrierungsflächen der
assoziierten Stifte 50 zusammenzuarbeiten. Die Seitenwände von
jedem Stößel haben Oberflächen 56c, 56d, um gleitend mit
den sich radial erstreckenden Seitenwandflächen des
Schlitzes 42 zusammenzuarbeiten, um den Stößel in der
Umfangsrichtung zu halten. Die Stößelseitenwände haben auch
Oberflächen 56e, 56f, um gleitend mit den axial
ausgerichteten, sich radial erstreckenden Endflächen 34a, 36a
der Klauenglieder 34, 36 zusammenzuarbeiten, um den
Stößel in der axialen Richtung zu halten.
-
Wie zuvor erwähnt, weisen die Klauenglieder 34, 36 innere
Keilzähne 38, 40 auf, die gleitend zu den äußeren
Keilzähnen 13 passen, die an der Welle befestigt sind.
Die äußeren Keile haben Involutenflankenflächen 13a, die
sich parallel zur Wellenachse erstrecken, und das
Zusammenpassen davon mit den Flankenflächen der
Klauengliederkeile verhindert eine Relativdrehung dazwischen. H-
förmige Glieder 44 weisen jeweils Endteile 44a, 44b auf,
die gegen Klauengliederflächen 34b, 36b wirken, und einen
Mittelteil 44c, der die Endteile verbindet. Der
Mittelteil erstreckt sich eng durch die sich axial
erstreckenden Schlitze 34c, 36c in den Klauengliedern und frei
durch die Öffnungen 42h mit sich radial erstreckenden
Stoppflächen 42n, 42m, die mit dem Mittelteil 44c
zusammenarbeiten, um die Rotationsbewegung des Flansches
relativ zu den Klauengliedern und der Welle zu begrenzen, und
zwar aus später erklärten Gründen.
-
Wie am besten in den Fig. 1, 2 und 6-8 zu sehen,
werden Teile der äußeren Zähne 13 der Welle in beiden
axialen Richtungen von der neutralen Position der Fig. 1
und 7 des Flansches 42 modifiziert, um eine oder mehrere
Rampenflächen vorzusehen, die mit einer gleichen Anzahl
von Rampenflächen zusammenarbeiten, die von den Reaktions-
bzw. Gegenwirkungsmitteln oder inneren Zähnen 43
definiert werden, die sich radial vom Flansch 42 nach innen
erstrecken, und zwar in die sich axial erstreckenden
Freiräume zwischen den Wellenkeilen 13. Die Rampenflächen
gestatten eine begrenzte Drehung des Flansches relativ zu
den Klauengliedern 34, 36 und der Welle 12, und sie
nehmen das Synchronisationsdrehmoment zwischen den
Kegelkupplungen und der Welle auf, um eine zusätzliche axiale
selbstverstärkende Kraft zu bieten, um die Eingriffskraft
der Kegelkupplung zu verstärken, die anfänglich von einer
Schaltkraft in Eingriff gebracht wird, die auf den
Flansch 42 aufgebracht wird, wodurch das
Synchronisationsdrehmoment gesteigert wird, das von der Kegelkupplung
geliefert wird. Die Rampenflächen können zur Vergrößerung
der Synchronisationskraft für ein oder beide Zahnräder
vorgesehen werden, und/oder zur Steigerung der
Synchronisationskraft ansprechend auf Drehmoment in jeder
Richtung, wie es bei Herauf- und Herunterschaltvorgängen
angetroffen wird. Insbesondere hat jeder Zahn 13 in
Umfangsrichtung zwischen jedem H-förmigen Haltermittelteil
44c erste und zweite axial beabstandete Ausnehmungen, die
ringförmige Nuten definieren, und zwar mit ersten Enden,
die von einem zapfenartigen Teil 13b definiert werden,
axial gegenüberliegende Enden 13c, 13d und minimale
Außendurchmesser 13e. Die minimalen Außendurchmesser 13e
sind größer als der Wurzel- bzw. Innendurchmesser der
Keile 13, und größer als die Innendurchmesser 38a, 40a
der Klauenkupplungskeile 38, 40. Auch sind die minimalen
Außendurchmesser 13e kleiner als die Innendurchmesser 43a
der inneren Zähne 43. Der zapfenartige Teil 13b hat eine
diamantenartige Form, die geformt wird durch Entfernung
von Teilen von jedem Zahn in beiden axialen Richtungen
davon. Die axiale und radiale Ausdehnung der entfernten
Teile wird ausgewählt, um die Herstellung von Boost- bzw.
Antriebsrampenflächen 13f, 13g, 13h, 13 m auf dem Zapfenteil
13b zu erleichtern, und um die Effekte zu
minimieren, die eine solche Entfernung bezüglich der Festigkeit
der Zähne hat. Weiterhin werden die Keil- (Wellen-) zähne
13 mit ausreichender radialer Tiefe versehen, um sicher
zu stellen, daß die Rampenflächen genügend
Oberflächengebiet haben, um die Abnutzung aufgrund der darauf
wirkenden Kräfte zu minimieren. Die axiale Ausdehnung der
entfernten Teile oder Ausnehmungen zwischen den axialen
Enden 13n, 13p des Zapfenteils 13b und die axialen Enden
13c, 13d der Zähne 13 werden einfach geformt durch
Einarbeiten von ringförmigen Nuten in den Zähnen. Die axiale
Länge des entfernten Teils ist ausreichend, um das
Einführen eines Bearbeitungswerkzeuges zu erleichtern, um
die Rampenflächen zu formen. Die Rampenflächen 13f, 13g
reagieren jeweils gegen die Rampenflächen 43b, 43c auf
den Flanschzähnen 43, um die zusätzlichen Axialkräfte
vorzusehen, um die Synchronisationsrate des Zahnrades 16
zu steigern oder ihr beizuhelfen, und zwar ansprechend
auf Drehmoment in irgend einer Richtung. Die
Rampenflächen 13h, 13m wirken bzw. reagieren jeweils gegen
Rampenflächen 43d, 43e, um die zusätzlichen Axialkräfte für das
Zahnrad 14 ansprechend auf das Syhchronisationsdrehmoment
in jeder Richtung vorzusehen. Die Winkel der
Rampenflächen können variiert werden, um unterschiedliche Mengen
an zusätzlicher Axialkraft für Herauf- und
Herunterschaltvorgänge und für hohe und niedrige
Gangübersetzungen zu liefern. Auch wenn keine zusätzliche Axialkraft in
einer Richtung für einen Gang oder für mehrere bevorzugt
wird, können die Rampenflächen parallel zu den Keilzähnen
sein, d. h. es werden keine effektiven Rampenflächen
vorgesehen. Die Größe oder das Ausmaß der zusätzlichen
axialen Kräfte ist auch eine Funktion der mittleren
Radiusübersetzung der Reibungskupplungen und der selbst
verstärkenden Rampen, wie weiter im folgenden erklärt wird.
Entsprechend kann die Größe der zusätzlichen Kräfte für
eine gegebene Schaltkraft, die auf den Schaltflansch 42
durch eine Schaltgabel aufgebracht wird, variiert werden
durch Variieren der Rampenwinkel und/oder des mittleren
Radiusverhältnisses.
-
Wenn der Flansch 42 in der neutralen Position der Fig.
1 und 7 ist, sind die Teile 50b mit verringertem
Durchmesser der Stifte 50 radial mit ihren assoziierten
Flanschöffnungen 42c ausgerichtet, die Reibungsflächen der
Kegelkupplungen sind geringfügig voneinander beabstandet
und werden in dieser beabstandeten Beziehung durch
winklig angeordnete Vorantriebsflächen 56a, 56b der Stößel 56
gehalten, die auf die Vorantriebsflächen 50e, 50f der
Stifte 50 durch die Kraft der Federn 54 wirken. Die
Axialkraft, die von der Vorantriebsfläche geliefert wird,
ist vorzugsweise ausreichend, um gegen irgendeine
zusätzliche Axialkraft auf dem Flansch 42 durch die
selbstverstärkenden Rampen aufgrund von viskoser Scherwirkung des
Öls zwischen den Kegelkupplungsflächen zu wirken. Wenn es
erwünscht ist, irgendein Zahnrad mit der Welle zu
koppeln, wird ein entsprechender und nicht gezeigter
Schaltmechanismus, wie beispielsweise im US-Patent 4,920,815
offenbart, mit dem Außenumfang des Flansches 42 in
bekannter Weise verbunden, um den Flansch axial entlang der
Achse der Welle 12 entweder nach links zur Kupplung des
Zahnrades 14 oder nach rechts zur Kupplung des Zahnrades
16 zu bewegen. Der Schaltmechanismus kann manuell durch
einen Bediener durch ein Verbindungssystem bewegt werden,
kann selektiv durch eine Betätigungsvorrichtung bewegt
werden, oder kann durch Mittel bewegt werden, die
automatisch eine Schaltmechanismusbewegung einleiten, und die
auch die Größe der Kraft steuern, die durch den
Schaltmechanismus aufgebracht wird. Wenn der Schaltmechanismus
manuell bewegt wird, ist die Kraft proportional zu der
Kraft, die von dem Bediener auf einen Schalthebel aufgebracht
wird. Wenn sie manuell oder automatisch
aufgebracht wird, wird die Kraft auf den Flansch 42 in
Axialrichtung aufgebracht und wird durch die Länge des Pfeils
Fo in Fig. 9 dargestellt.
-
Die anfängliche Axialbewegung des Flansches 42 nach
rechts durch die Bedienerschaltkraft Fo wird auf die
Stifte durch die Vorantriebsflächen 50f, 50b übertragen,
um den anfänglichen Reibeingriff der Kegelfläche 48a mit
der Kegelfläche 28a zu bewirken. Die anfängliche
Eingriffskraft der Kegelfläche ist natürlich eine Funktion
der Kraft der Federn 54 und der Winkel der
Vorantriebsflächen. Der anfängliche Reibeingriff (vorausgesetzt, ein
asynchroner Zustand existiert, und man ignoriert momentan
den Effekt der selbstverstärkenden Rampen) erzeugt eine
anfängliche Kegelkupplungseingriffskraft und ein
Synchronisationsdrehmoment 10, was eine begrenzte Relativdrehung
zwischen dem Flansch 42 und dem in Eingriff stehenden
Reibungsring sicherstellt, und daher eine Bewegung der
Stiftteile 50b mit verringertem Durchmesser zu den
entsprechenden Seiten der Flanschöffnungen 42c, um einen
Eingriff der Stiftblockierungsschultern 50c mit den
Flanschblockierungsschultern 42d vorzusehen. Wenn die
Blockierungsschultern im Eingriff sind, wird die volle
Bedienerschaltkräft Fo auf dem Flansch 42 auf den
Reibring 48 über die Blockierungsschultern übertragen,
wodurch die Kegelkupplung durch die volle Kraft der
Bedienerschaltkraft Fo in Eingriff gebracht wird, um ein
daraus resultierendes Bedienersynchronisationsdrehmoment To
zu liefern. Dieses Bedienersynchronisationsdrehmoment To
wird dargestellt durch den Pfeil To in Fig. 9. Da die
Blockierungsschultern in Winkeln relativ zur
Axialrichtung der Bedienerschaltkraft Fo angeordnet sind, erzeugen
sie eine Gegenkraft oder ein Endblockierungsdrehmoment,
das gegen das Synchronisationsdrehmoment von der Kegelkupplung
wirkt, jedoch bezüglich der Größe während
asynchroner Zustände geringer ist. Wenn eine wesentliche
Synchronisation erreicht wurde, fällt das
Synchronisationsdrehmoment unter das Endblockierungsdrehmoment, wodurch
die Blockierungsschultern die Stifte in konzentrischen
Bezug mit den Öffnungen 42c bewegen, um eine fortgesetzte
Axialbewegung des Flansches und einen Eingriff der
äußeren Klauenzähne 36d des Klauengliedes 36 mit den inneren
Klauenzähnen 32a des Klauengliedes 32 zu gestatten, wie
in Fig. 6 gezeigt. Wie es im Stand der Technik bekannt
ist und durch Bezugszeichen nur für die Klauenzähne 30a
des Klauengliedes 30 in Fig. 6 bezeichnet, haben die
vorderen Teile der Klauenzähne geneigte Vorderkanten 30b,
um einen Schaden des Zahns während des ersten Kontaktes
zu verringern, und haben Abschrägungen oder
Keilstirnseiten 30c, um die Zähne in passender Ausrichtung zu
verriegeln. Die Klauenzähne mit diesen Vorderteilen werden
genauer im US-Patent 4,246,993 zusammen mit dem US-Patent
3,265,173 offenbart, welches eine Lehre bezüglich der
ordnungsgemäßen Neigungswinkel vorsieht. Die
Keilstirnseiten, die asymmetrisch sein können, verhindern eine
Verzögerung der Schaltvollendung aufgrund des anliegenden
Kontaktes der Vorderkanten der Zähne. Um eine sanfte und
relativ mühelose Vollendung der Schaltvorgänge zu
erleichtern, sind die Klauenzähne vorzugsweise so fein oder
klein wie ausführbar in Umfangsrichtung, wodurch die
Anzahl der Drehverriegelungsgrade minimiert wird, die nötig
sind, um in passender Weise die Klauenzähne auszurichten.
Auch werden die Klauenzähne vorzugsweise um einen so
großen Durchmesser wie möglich angeordnet.
-
Wenn man immer noch die Effekte der selbsterregenden bzw.
selbstverstärkenden Rampen ignoriert, wird das
Kegelkupplungsdrehmoment, das von der Kraft Fo geliefert wird,
durch die Gleichung (1) ausgedrückt:
-
To = FoRcuc/sinα (1)
-
wobei gilt:
-
Rc = mittlerer Radius der Kegelreibungsfläche,
-
uc = Reibungskoeffizient der Kegelreibfläche, und
-
α = Winkel der Kegelreibflächen.
-
Wenn man nun die Wirkung der selbstverstärkenden Rampen
ansieht und insbesondere auf die Fig. 7 und 8 Bezug
nimmt, wird das Synchronisationsdrehmoment To aufgrund
der vom Bediener aufgebrachten Axialschaltkraft Fo
natürlich auf den Flansch 42 durch die Stifte 50 übertragen,
und wird als Reaktion auf die Welle 12 über die
selbstverstärkenden Rampenflächen übertragen. Die
selbstverstärkenden Rampenflächen begrenzen die Drehung des
Flansches relativ zur Welle 12 und den Klauengliedern 34, 36,
wenn sie im Eingriff sind, und erzeugen eine axiale
Kraftkomponente oder eine zusätzliche Axialkraft Fa, die
auf den Flansch in der gleichen Richtung wirkt, wie die
Schaltkraft Fo, wodurch weiter die Eingriffskraft der
Kegelkupplung vergrößert wird, um ein zusätzliches
Synchronisationsdrehmoment Ta zu liefern, welches zum Drehmoment
To hinzukommt. Fig. 7 veranschaulicht die Position der
selbstverstärkenden Rampenflächen und die Position der
Klauengliederkeile 38, 40 zu den Wellenkeilen 13, während
der Schaltflansch 42 in der neutralen Position
entsprechend der Position der Fig. 1 ist. Fig. 8
veranschaulicht eine Position der Rampen und Keile, während das
Zahnrad 16 durch die im Eingriff stehenden Kegelflächen
28a, 48a synchronisiert wird. Die im Eingriff stehenden
Kegelflächen erzeugen ein Synchronisationsdrehmoment in
einer Richtung, die den Eingriff der
Flanschgliederrampenflächen 43c mit den Wellenrampenflächen 13g bewirkt
hat. Daher ist die Summe der Axialkräfte zum Einrücken
der Kegelkupplung Fo + Fa, und die Summe der
Synchronisationsdrehmomente, die von der Kegelkupplung erzeugt
werden, ist To + Ta, wie grafisch in Fig. 9 gezeigt. Für
eine gegebene Bedienerschaltkraft Fo und ein
Bedienersynchronisationsdrehmoment To ist die Größe der zusätzlichen
Axialkraft Vorzugsweise eine Funktion des Winkels der
eingerückten selbstverstärkenden Rampenflächen. Dieser
Winkel ist vorzugsweise groß genug, um eine Zusatzkraft
Fa von ausreichender Größe zu erzeugen, um in
signifikanter Weise das Synchronisationsdrehmoment zu vergrößern,
und die Synchronisationszeit zu verringern, und zwar
ansprechend auf einen mittelmäßigen Schaltaufwand oder eine
mittlere Schaltkraft durch den Bediener. Jedoch ist
dieser Winkel ebenfalls vorzugsweise klein genug, um eine
gesteuerte zusätzliche Axialkraft Fa zu erzeugen, d. h.
die Kraft Fa sollte ansprechend darauf ansteigen oder
absinken, daß die Kraft Fo zunimmt oder abnimmt. Wenn der
Rampenwinkel zu groß ist, sind die Rampen
selbstverriegelnd anstatt selbstverstärkend; sobald daher der
anfängliche Eingriff der Kegelkupplung bewirkt wurde, wird die
Kraft Fa schnell und nicht steuerbar unabhängig von der
Kraft Fo ansteigen, wodurch die Kegelkupplung zu einer
Verriegelung hin getrieben wird. Die Selbstverriegelung
anstelle des Selbstantriebes verringert die
Schaltqualität oder das Schaltgefühl, kann die
Synchronisationskomponenten überbeanspruchen, kann eine Überhitzung und eine
schnelle Abnutzung der Kegelkupplungsflächen verursachen
und kann auch die Schalthebelbewegung des Bedieners
übersteuern bzw. übergehen.
-
Die hauptsächlichen Variablen zur Berechnung der
selbstverstärkenden Rampenwinkel Θ und zum Vorsehen von
zusätzlichen Axialkräften Fa, die proportional zu den
Bedienerkräften Fo ansteigen oder absinken, sind der Kegelkupplungswinkel
α, der Kegelkupplungsreibkoeffizient Pc,
das mittlere Radiusverhältnis Rc der Kegelkupplung und Rr
der selbstverstärkenden Rampen, der
Rampenreibungskoeffizient ur und der Winkel der selbstverstärkenden Rampen.
Das gesamte Synchronisationsdrehmoment Tt, das von der
Kegelkupplung erzeugt wird, ist:
-
Tt = Ft Rc uc/sinα (2)
-
wobei gilt
-
Tt = To + Ta (3)
-
und
-
Ft = Fo + Fa (4)
-
Die Gleichung für die zusätzliche Axialkraft Fa, die ohne
Ableitung gegeben wird, ist folgende:
-
wobei der Rampenwinkel Θ von einer Ebene senkrecht zur
Wellenachse 12a gemessen wird, und wobei Ftan auf die
Rampen wirkt und die Tangentialkraftkomponente des
Drehmomentes Tt bei Rt ist. Tt und Ftan für eine
Drehmomentrichtung werden jeweils dargestellt durch gleichbezeichnete
Pfeile in Fig. 2. Weitere Details zur Berechnung und zur
Steuerung der selbstverstärkenden Kräfte oder Boost- bzw.
Vortriebskräfte können erhalten werden durch Bezugnahme
auf das US-Patent 5,092,439.
-
Die Elemente 60 und 62 in Fig. 10 sind jeweils
schematische Darstellungen des zapfenartigen Teils 13b und des
inneren Zahns 43 in Fig. 7. Die Rampenflächen 60a, 60b,
60c, 60d und 62a, 62b, 62c, 62d, die durch die Elemente
60, 62 definiert werden, reagieren gegeneinander in der
gleichen Weise, wie für die Fig. 7 und 8 beschrieben.
Fig. 10 ist gezeigt, um den Übergang von den
Rampenflächen in Fig. 7 und 8 auf die Rampenflächen in Fig. 11-
13 zu verdeutlichen.
-
Die Fig. 11-13 veranschaulichen schematisch Elemente
70 und 72, die jeweils analog zu dem zapfenartigen Teil
60 und dem inneren Zahn 62 in Fig. 10 sind, und jeweils
kurvenlinienförmige Rampenflächen 70a, 70b, 70c, 70d und
72a besitzen, die aktive Rampenwinkel Θ dazwischen
vorsehen, die über ihre. Eingriffslänge variieren, und zwar
anstelle des konstanten Winkels Θ, der von den
Rampenflächen der Elemente 60, 62 vorgesehen wird. Die
kurvenlinienförmigen Rampenflächen, insbesondere die
Oberflächen 70a-70d, können jeweils durch eine Reihe von flachen
Oberflächen definiert werden, die zusammen eine gekrümmte
Rampe definieren. Die kurvenlinienförmigen Oberflächen
haben verschiedene Vorteile gegenüber den Oberflächen des
Standes der Technik mit konstantem Rampenwinkel.
Beispielsweise sehen die kurvenlinienförmigen Oberflächen
eine relativ hohe zusätzliche Axialkraft (Fa) vor,
während die Blockierungsflächen des Stiftes 50 und des
Schaltflansches 42 in Eingriff stehen, und eine geringere
Axialkraft (Fa) während des Endblockierens des
Schaltflansches, wenn man sich der Synchronisation nähert. Die
geringere Axialkraft (Fa) trägt zur schnellen
Endblockierung bei, weiter zu verringerten
Beschleunigungs-/Abbremsungsraten der Komponenten, wenn sie sich der
Synchronisation nähern, zu verringerter Drehzahldifferenz während
des Einrastens der Klauenkupplungsglieder, weiter zu verringertem
hackeligen Verhalten während der
Schaltungsvollendung, zu verringertem Aufschlagen der
Klauenkupplungszähne, zu verbessertem Schaltaufwand, usw..
-
Fig. 11 veranschaulicht die Position der selbst
verstärkenden Rampenflächen, während der Schaltflansch 42 in der
neutralen Position der Fig. 1 ist. Fig. 2
veranschaulicht die Position der selbstverstärkenden Rampenflächen,
während der Schaltflansch blockiert wird. Und Fig. 13
veranschaulicht die Position der selbstverstärkenden
Rampenflächen, wenn sich die Klauenkupplungen dem Eingriff
nähern, nach dem der Schaltflansch endblockiert wurde.