DE69802154T2

DE69802154T2 - Bolzentyp Synchroniesiereinrichtung

Info

Publication number: DE69802154T2
Application number: DE69802154T
Authority: DE
Inventors: Eugene Ralph Braun; Joseph Douglas Reynolds
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1998-08-01
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2018-08-02
Also published as: TR199801546A3; ZA987030B; DE69802154D1; BR9803014A; JPH11108078A; US5924535A; PL327885A1; EP0897066B1; AR013392A1; CN1120309C; TR199801546A2; CA2242151A1; CN1208136A; CA2242151C; EP0897066A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Verbesserungen einer nach Zapfen- Bauart ausgeführten Synchronisiereinrichtung für ein Getriebe.

Hintergrund zu der Erfindung

Auf dem Gebiet der mehrgängigen Geschwindigkeitswechselgetriebe ist es bekannt, dass Synchronisieranordnungen verwendet werden können, um bei einigen oder bei sämtlichen Getriebegängen die Dauer des Schaltvorgangs zu reduzieren. Ebenso ist es bekannt, dass sich durch Verwendung von Synchronisieranordnungen, die mit Servokraft erzeugenden Mitteln arbeiten, der zum Schalten nötige Kraftaufwand des Fahrzeugführers, d. h. die auf einen Schalthebel ausgeübte Kraft, verringern lässt. Da im Allgemeinen der Kraftaufwand des Fahrzeugführers für das Schalten mit der Fahrzeuggröße zunimmt, sind Synchronisieranordnungen, die mit Servokraft arbeiten, von besonderer Bedeutung für Schwerlastfahrzeuge. Jedoch sind derartige Synchronisieranordnungen nicht auf den Einsatz in Lastkraftwagen begrenzt. Beispiele aus dem Stand der Technik für Synchronisiereinrichtungen, die für die hier beschriebene Synchronisiereinrichtung von Bedeutung sind, lassen sich gemäß den US Patenten 5 078 245 und 3 548 983 sowie der Deutschen Patentschrift 1 098 824 entnehmen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Synchronisiereinrichtung der mit Zapfen ausgeführten Bauart zu schaffen, die über einen verbesserten Eingriff der Klauenkupplungshälften verfügt.
Eine weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Synchronisiereinrichtung nach Zapfen-Bauart mit einer verbesserten Begrenzung der Servokraft zu schaffen.
Eine Synchronisieranordnung in der Bauart mit Zapfen, wie sie in dem US Patent 5 078 245 beschrieben ist, enthält eine Synchronisiereinrichtung in der Bauart mit Zapfen, die wahlweise dazu dient, entweder einen ersten oder einen zweiten Antrieb zu synchronisieren und mit einer Welle, die eine Achse aufweist, formschlüssig zu verbinden. Die Synchronisiereinrichtung enthält erste und zweite Klauenkupplungshälften, die jeweils mit dem ersten bzw. dem zweiten Antrieb fest verbunden sind und jeweils entsprechend einer axialen bidirektionalen Schaltkraft (F&sub0;), die einen sich radial erstreckenden Flansch bewegt, mit axial beweglichen dritten und vierten Klauenkupplungshälften miteinander in Eingriff bringbar sind. Erste und zweite Reibelemente sind jeweils drehfest an dem ersten bzw. dem zweiten Antrieb gesichert. Dritte und vierte Reibelemente sind zu der Welle koaxial angeordnet und zwischen den Antrieben axial bewegbar, um jeweils mit dem ersten oder dem zweiten Reibelement reibschlüssig in Eingriff zu kommen, um ein synchronisierendes Drehmoment zur Synchronisierung der Antriebe mit der Welle zu erzeugen. Sperrmittel dienen im Eingriffszustand dazu, ein Einrücken der Klauenkupplungshälften vor der Synchronisierung zu verhindern. Die Sperrmittel weisen mehrere in Umfangsrichtung voneinander beanstandete Zapfen oder Stifte auf, die sich starr in axialer Richtung zwischen dem dritten und dem vierten. Reibelement und in eine Gruppe von Öffnungen in dem Flansch hinein erstrecken. Jeder Zapfen weist eine Sperrschulter auf, die mit einer Sperrschulter in Eingriff bringbar ist, die um die zugehörige Öffnung herum ausgebildet ist. Mehrere erste und zweite Servokraft erzeugende Rampenmittel (Servorampenmittel) sind in Abhängigkeit von dem synchronisierenden Drehmoment in Eingriff überführbar, um auf den Flansch in Richtung der Schaltkraft (F&sub0;) eine zusätzliche Kraft (Fa) hervorzurufen und die Gesamteinrückkraft auf die Reibelemente zu erhöhen. Die ersten Servorampenmittel sind bezüglich des Flansches drehfest gehalten, und die zweiten Servorampenmittel sind in Bezug auf die Welle drehfest und in axialer Richtung fest gehalten.
Eine ähnliche Synchronisiereinrichtung nach der Zapfen- Bauart ist in der Europäischen Patentanmeldung EP-A-0492833 beschrieben. Bei der in dieser Druckschrift geoffenbarten Klauenkupplungsanordnung sind das erste und das zweite Servorampenmittel in Bezug auf die dritte und die vierte Klauenkupplungshälfte radial innen angeordnet.
Die Verbesserung beinhaltet Anschlagmittel, um die Axialbewegung des dritten und vierten Klauenkupplungsmittels nach dem Einrücken entsprechend mit der ersten bzw. der zweiten Klauenkupplungshälfte zu begrenzen, während das erste und das zweite Servorampenmittel in Eingriff bleiben, so dass die Drehmomentübertragung zwischen der Welle und den eingerückten Klauenkupplungshälften über die im Eingriff befindlichen Servorampenmittel erfolgt, die eine Eingriffshaltekraft schaffen, um den eingerückten Zustand der eingerückten Klauenkupplungshälften beizubehalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Servokraft erzeugende Synchronisieranordnung gemäß der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht:
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer teilweise schematisch dargestellten, doppelt wirkenden Synchronisieranordnung in einer neutralen Stellung, gesehen längs der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2;
Fig. 2 zeigt eine teilweise gebrochene Querschnittdarstellung der Synchronisiereinrichtung, mit Blick längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine etwas vergrößerte Teilansicht der Synchronisiereinrichtung, in einer Schnittdarstellung, geschnitten längs der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 veranschaulicht die Servokraft erzeugenden Rampen in Fig. 3 in einer Eingriffsstellung;
Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der axialen Kräfte und Drehmomente, die auf einen Schaltflansch der Synchronisiereinrichtung wirken;
Fig. 6 zeigt eine Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform der zweiseitig wirkenden Synchronisiereinrichtung gemäß Fig. 1, in einer Schnittdarstellung, mit Blick auf die Linie 6-6 in Fig. 7;
Fig. 7 zeigt eine teilweise gebrochene Querschnittsansicht der abgewandelten Synchronisiereinrichtung, mit Blick längs der Schnittlinie 7-7 in Fig. 6;
Fig. 8 zeigt eine etwas vergrößerte Teilansicht der Synchronisiereinrichtung, in einer Schnittdarstellung, geschnitten längs der Linie 8-8 in Fig. 9; und
Fig. 9 veranschaulicht eine Eingriffsstellung der Servokraft erzeugenden Rampen in Fig. 8;

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Die hierin verwendete Bezeichnung "Synchronisationskupplungsanordnung" bezeichnet eine Kupplungsanordnung, die dazu verwendet wird, um ein gewähltes Getriebezahnrad mittels einer Formschlusskupplung/Klauenkupplung drehfest an eine Welle zu kuppeln, wobei ein beabsichtigtes Einrücken der formschlüssigen Kupplung solange verhindert wird, bis die Elemente der formschlüssigen Kupplung durch eine der formschlüssigen Kupplung zugeordnete synchronisierende Reibungskupplung in eine im Wesentlichen synchrone Drehbewegung gebracht sind. Die Bezeichnung "Servokraft erzeugend" bezieht sich auf eine Synchronisationskupplungsanordnung, die Rampen, Nocken oder Ähnliches aufweist, um die Einrückkraft der Synchronisationskupplung im Verhältnis zu dem synchronisierenden Drehmoment der Reibungskupplung zu vergrößern.
Es wird im Folgenden auf die Zeichnungen eingegangen, in denen eine Zahnradanordnung 10 in Kombination mit einer doppelt wirkenden Synchronisiereinrichtung 20 dargestellt ist. Zu der Zahnradanordnung gehören eine Welle 12, die in einem Getriebe um eine Achse 12a drehbar zu lagern ist, sowie axial voneinander beanstandete Antriebe oder Zahnräder 14, 16. Die Welle 12 weist zylindrische Flächen 12b, 12c auf, auf denen die Zahnräder über Lager 18 drehbar gelagert sind.
Die doppelt wirkende Synchronisiereinrichtung 20 enthält eine ringförmige Nabe 22 mit einem äußeren Umfang, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Flächen. Die Nabe beinhaltet zwei Ringe 24, 26 und weist eine axiale Ausdehnung auf, durch die die Zahnräder über axial in entgegengesetzte Richtungen weisende Schultern 24a, 26a, die eine axiale Bewegung der Zahnräder aufeinander zu begrenzen, voneinander getrennt gehalten werden. Eine axiale Bewegung der Zahnräder voneinander weg wird durch ausschnittsweise dargestellte Anschläge 28 erreicht. Verzahnungszähne 12d der Welle greifen in Innenverzahnungszähne 24b, 26b der Ringe passend, um eine relative Drehung zwischeneinander zu verhindern. Die Ringe 24, 26 weisen drei in radialer Richtung nach außen ragende Leisten 24c, 26c auf, die Servokraft erzeugende Rampen 24d, 24e, 26d, 26e definieren, auf die nachstehend näher eingegangen wird. Die Synchronisiereinrichtung 20 enthält ferner Reibelemente 30, 32 und Klauenkupplungselemente 34, 36 mit Außenverzahnungen 34a, 36a, die mit den Zahnrädern 14, 16 einstückig ausgebildet sind, ein aus einem Stück gefertigtes oder einheitliches Schaltelement 38, ringförmige Reibelemente 40, 42, die durch drei in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Zapfen 44, die sich in axialer Richtung von den Reibelementen aus durch Öffnungen 46a in einem Flansch 46 hindurch erstrecken, starr miteinander verbunden sind, und drei Servokraft erzeugende Anordnungen 48. Das einheitliche Schaltelement 38 enthält den Flansch 46, der sich von Klauenkupplungselementen 50, 52 aus radial nach außen erstreckt, und einen Ring 54, der sich von den Klauenkupplungselementen 50, 52 aus radial nach innen erstreckt. Die Klauenkupplungselemente 50, 52 weisen Innenverzahnungen 50a, 52a auf, die mit den Außenverzahnungen 34a, 36a passend kämmen, um über einen Ring 54 und die Nabe 22 drehfeste, formschlüssige Verbindungen der Welle 12 mit den Zahnrädern 14, 16 zu schaffen, wie die nachstehend näher erläutert wird.
Die Reibringe weisen konische Reibflächen 30a, 40a und 32a, 42a auf, die in Eingriff gelangen, um die Zahnräder vor dem Eingreifen der Klauenkupplungshälften mit der Welle reibschlüssig zu synchronisieren. Ein weiter Bereich von Konuswinkeln kann verwendet werden. Konuswinkel von siebeneinhalb Grad kommen für die Verwendung in Betracht. Die Reibflächen 40a, 42a und/oder 30a, 32a können mit Hilfe eines beliebigen der verschiedenen bekannten Reibmaterialien durch Verbindung mit den Reibelementen gebildet werden. Es können Reibmaterialien aus pyrolytischem Kohlenstoff, wie in den US Patenten 4 700 823, 4 844 218 und 4 778 548 geoffenbart, verwendet werden.
Jeder Zapfen 44 umfasst Abschnitte 44a mit größerem Durchmesser, wobei der Durchmesser etwas geringer ist als der Durchmesser der Flanschöffnungen 46a, einen Abschnitt 44b mit verringertem Durchmesser oder einer Rille, wobei dieser Abschnitt zwischen den Reibelementen 40, 42 von diesen beabstandet (hier mittig) angeordnet ist, und konische Sperrschultern oder Sperrflächen 44c, die sich unter Winkeln relativ zu einer zu der Zapfenachse senkrechten Ebene radial von der Zapfenachse nach außen und axial voneinander weg erstrecken. Wenn die mit einer Rille versehenen Abschnitte in deren zugehörigen Flanschöffnungen angeordnet sind, ermöglichen sie eine begrenzte Drehbewegung der steifen Reibelemente 40, 42 und Zapfen 44 relativ zu dem Flansch, um einen Eingriff der Sperrschultern der Zapfen mit abgeschrägten Sperrschultern 46b zu bewirken, die um die Öffnungen 46a des Flansches ausgebildet sind. Die Zapfen können auf eine beliebige der verschiedenen bekannten Weisen mit den Reibelementen 40, 42 fest verbunden sein.
Die Servokraft erzeugenden Anordnungen 48 können nach jeder der diversen bekannten Bauarten gestaltet sein; vorliegendenfalls sind sie von der Bauart mit zweigeteilten Zapfen, wie sie in dem oben erwähnten US Patent 5 339 936 näher veranschaulicht und beschrieben sind. Die Servokraft erzeugenden Anordnungen erstrecken sich jeweils in axialer Richtung zwischen den Reibelementen 40, 42 und ragen durch Öffnungen 46c hindurch, die zwischen den Öffnungen 46a mit diesen abwechselnd angeordnet sind. Jede Servokraft erzeugende Anordnung enthält zwei identische Schalen 56 mit entgegengesetzten Stirnseiten 56a, die in in Umfangsrichtung beabstandeten und sich in axialer Richtung öffnenden Ausnehmungen 40b, 42b in den Elementen 40, 42 angeordnet sind, sowie wenigstens zwei identische Blattfedern 58, die zwischen den Schalen eingefügt sind und diese voneinander weg vorspannen. Die Ausnehmungen 40b, 42b sind in Umfangsrichtung der Reibringe verlängert (nicht gezeigt) und weisen in radialer Richtung der Reibringe einen ausreichenden Durchmesser auf, um eine gleitende Bewegung der entgegengesetzten Stirnseiten 56a der Schalen 56 zu gestatten. Jedes Paar von Schalen 56 weist in zusammengedrücktem Zustand einen äußeren Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser der ihm zugeordneten Öffnung 46c. Auf bekannte Weise sprechen die Enden 56a auf die Reibringe 40, 42 an und Abschrägungen 56c wirken gegen Abschrägungen um die Öffnungen 46c in dem Flansch 46 in Abhängigkeit von der anfänglichen Einrückbewegung des Flansches 46, wodurch ein initiales Eingreifen einer der beiden Reibungskupplungen und ein initiales synchronisierendes Drehmoment hervorgerufen wird, um die Zapfen 44 in Bezug auf den Flansch 46 zu drehen und die Sperrschultern für das Eingreifen in Stellung zu bringen.
Der Ring 54 weist sich radial nach innen öffnende Ausnehmungen 54a auf, die die Leisten 24c, 26c der Nabenringe 24, 26 aufnehmen. Jede Ausnehmung weist sich radial erstreckende, in Umfangsrichtung einander gegenüberliegende Flanken auf, die die Servokraft erzeugenden Rampen 54b, 54c, 54d, 54e festlegen. Während der Synchronisierung des Zahnrads 16 sprechen entweder die Rampen 54b auf die Rampen 26d oder die Rampen 54c auf die Rampen 26e an, um eine additive axiale Kraft (Fa) in Richtung des Zahnrads 16 zu erzeugen. Während der Synchronisierung des Zahnrads 14 wirken entweder die Rampen 54d gegen die Rampen 24d, oder die Rampen 54e sprechen auf die Rampen 24e an. Das Rampenpaar 54e, 24e erzeugt eine additive axiale Kraft (Fa) in Richtung des Zahnrads 14. Die Flächen des Rampenpaars 54b, 24d bringen keine zusätzliche oder verstärkende Kraft auf, weil sie parallel zu der Wellenachse 12a verlaufen. Wie im Folgenden näher erläutert, addieren sich die zusätzlichen Axialkräfte (Fa) zu den durch den Fahrer auf den Schaltflansch 46 ausgeübten Schaltkräften (F&sub0;), um eine Gesamtkraft (Ft) bereitzustellen. Die Rampenflächen erlauben eine beschränkte Drehbewegung des einheitlichen Schaltelements 38 in Bezug auf die Welle 12. Wenn sich die Rampen des Rings 54 und die Leisten 24c, 26c in Eingriff befinden, sprechen sie auf ein von den Konuskupplungen auf die Welle 12 übertragenes, synchronisierendes Drehmoment an, um die zusätzlichen Axialkräfte zur Erhöhung der Eingriffskraft der Konuskupplungen aufzubringen, die anfänglich durch eine auf den Flansch 46 ausgeübte Schaltkraft eingerückt wurden, so dass das durch die Konuskupplungen eingeleitete synchronisierende Drehmoment erhöht wird. Hier stellt beispielsweise das Zahnrad 14 einen ersten oder niedrigen Gang dar und das Zahnrad 16 einen zweiten Gang. In diesem Beispiel sorgen beide der dem Zahnrad 16 zugeordneten Rampenpaare für eine Erhöhung der Synchronisationsdrehmomente für Gangwechsel nach oben wie auch nach unten, während lediglich ein Rampenpaar, das dem Zahnrad 14 zugeordnet ist, eine Erhöhung der synchronisierenden Kräfte für das Herunterschalten bewirkt. Weiterhin kann der Winkel der Rampenflächen variiert werden, um unterschiedliche Beträge der zusätzlichen Axialkraft für Hochschalten und Herunterschalten sowie für hohe und niedrige Übersetzungsverhältnisse zu schaffen. Wie nachstehend näher erläutert, ist die Stärke oder der Betrag der zusätzlichen axialen Kräfte auch eine Funktion des durchschnittlichen Verhältnisses der Radien der Reibungskupplungen und der Servokraft erzeugenden Rampen. Dementsprechend lässt sich bei einer vorgegebenen Schaltkraft, die durch eine Schaltgabel auf den Schaltflansch 46 ausgeübt wird, das Maß der zusätzlichen Kräfte durch Veränderung der Rampenwinkel und/oder des durchschnittlichen Verhältnisses der Radien variieren.
Während sich der Flansch 46 in der in Fig. 1 gezeigten, neutralen Position befindet, fluchten die den geringeren Durchmesser aufweisenden Abschnitte 44b der Zapfen 44 mit deren zugehörigen Flanschöffnungen 46a, sind die Reibflächen der Konuskupplungen geringfügig voneinander beanstandet und werden in dieser beabstandeten Position durch abgeschrägte oder unter einem Winkel verlaufende Servokraft erzeugende Flächen 56c der Servokrafterzeuger 48 gehalten, die durch die Federkraft der Federn 58 auf die um die Flanschöffnungen 46c herum vorgesehenen, abgeschrägten Flächen der Servokrafterzeuger einwirken. Die durch die Flächen der Servokrafterzeuger hervorgerufene Axialkraft ist vorzugsweise ausreichend bemessen, um ein aufgrund der viskosen Scherkraft des Öls zwischen den Konuskupplungsflächen verursachtes, unbeabsichtigtes Eingreifen der Servokraft erzeugenden Rampen zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann ein unbeabsichtigtes Einrücken, wie in dem US-Patent 5 092 439 gezeigt, durch Abflachungen an den Schnittpunkten der Rampen der Leisten 24c, 26c und/oder der Rampen des Rings 54 verhindert werden. Wenn eines der Zahnräder an die Welle gekuppelt werden soll, ist ein geeigneter, nicht gezeigter Schaltmechanismus, wie der in US Patent 4 920 815 geoffenbarte, weiter außen an dem Flansch 46 in bekannter Weise angebracht, um den Flansch koaxial zur Achse der Welle 12 zu bewegen, und zwar entweder nach links, um das Zahnrad 14 anzukuppeln, oder nach rechts, um das Zahnrad 16 anzukuppeln. Die Bewegung der Schalteinrichtung kann über ein Gestängesystem von Hand durch einen Fahrzeugführer, gezielt über einen Aktuator oder durch Mittel erfolgen, die automatisch eine Bewegung der Schalteinrichtung auslösen und auch die Stärke der von der Schalteinrichtung ausgeübten Kraft steuern. Wenn die Schalteinrichtung von Hand bewegt wird, ist die Kraft proportional zu der vom Fahrzeugführer auf einen Schalthebel ausgeübten Kraft. Sowohl bei manueller als auch bei automatischer Betätigung wird die Kraft auf den Flansch 46 in axialer Richtung ausgeübt, und sie ist in Fig. 5 durch die Länge des Pfeiles F&sub0; dargestellt.
Eine anfängliche, durch die Schaltkraft F&sub0; des Fahrzeugführers hervorgerufene, axiale Bewegung des Flansches 46 wird über die Servokraft erzeugenden Flächen 56c auf das Reibelement 42 übertragen, um durch Reibung ein intitiales Eingreifen der Konusfläche 42a mit Konusfläche 32a zu bewirken. Die initiale Eingriffskraft auf die Konusfläche ist selbstverständlich eine Funktion der Kraft der Federn 58 und der Winkel der Servokraft erzeugenden Flächen. Der initiale Eingriff durch Reibung erzeugt (unter der Annahme einer asynchronen Bedingung und bei vorübergehender Vernachlässigung des Effektes der Servokraft erzeugenden Rampen) eine initiale Einrückkraft für die Konuskupplung und ein initiales synchronisierendes Moment, das für eine begrenzte relative Drehung zwischen dem Flansch 46 und dem im Eingriff befindlichen Reibelement und damit für eine Bewegung der Zapfenabschnitte 44b mit verringertem Durchmesser zu den entsprechenden Seiten der Flanschöffnungen 46a hin sorgt, um einen Eingriff der Sperrschultern 44c des Zapfens mit den Sperrschultern 46b, die um die Öffnungen 46a angeordnet sind, herbeizuführen. Wenn die Sperrschultern sich in Eingriff befinden, wird die gesamte vom Fahrzeugführer auf den Flansch 46 ausgeübte Schaltkraft F&sub0; über die Sperrschultern auf das Reibelement 42 übertragen, wodurch die Konuskupplung durch den gesamten Kraftanteil der von dem Fahrzeugführer aufgebrachten Schaltkraft F&sub0; eingerückt wird, um ein von dem Fahrzeugführer herrührendes resultierendes Synchronisationsdrehmoment T&sub0; hervorzurufen. Dieses vom Fahrzeugführer herrührende synchronisierende Moment T&sub0; ist durch den Pfeil T&sub0; in Fig. 5 dargestellt. Da die Sperrschultern bezüglich der axialen Richtung der Schaltkraft F&sub0; des Fahrzeugführers unter Winkeln angeordnet sind, rufen sie eine Gegenkraft oder ein entsperrendes Drehmoment hervor, die oder das dem von der Konuskupplung herrührenden Synchronisationsdrehmoment entgegenwirkt, aber während asynchroner Bedingungen in der Größe schwächer ausfällt. Sobald im Wesentlichen eine Synchronität erreicht wird, fällt der Wert des Synchronisationsdrehmoments unter denjenigen des entsperrenden Drehmomentes, wodurch die Sperrschultern die Zapfen in eine zu den Öffnungen 46a konzentrische Lage bringen, um ein axiales Weiterrücken des Flansches und den Eingriff der inneren Verzahnungszähne des Klauenelementes 52 mit den äußeren Verzahnungszähnen des mit dem Zahnrad 16 befestigten Klauenelementes 36 zu ermöglichen. Die Verzahnungszähne können wie in den US Patenten 3 265 173 und 4 246 993 gezeigt gestaltet sein.
Bei weiterer Vernachlässigung der Einflüsse der Servokraft erzeugenden Rampen ergibt sich das Konuskupplungsdrehmoment, das durch die Kraft F&sub0; erzeugt wird, aus der Gleichung (1):
T&sub0; = F&sub0;Rcuc/sinα,
mit
Rc = mittlerer Radius der konischen Reibfläche,
uc = Reibungskoeffizient der konischen Reibfläche und
α = der Winkel der konischen Reibflächen.
Während nun näher auf die Wirkungen der Servokraft erzeugenden Rampen und speziell auf die Fig. 3 und 4 eingegangen wird, zeigt sich, dass das synchronisierende Drehmoment T&sub0;, das von der von dem Fahrzeugführer ausgeübten axialen Schaltkraft F&sub0; herrührt, selbstverständlich durch die Zapfen 44 auf den Flansch 46 übertragen wird und über die Servokraft erzeugenden Rampenflächen auf die Welle 12 wirkt. Im Eingriffszustand rufen die Servokraft erzeugenden Rampenflächen eine additive axiale Kraft Fa hervor, die in derselben Richtung wie die Schaltkraft F&sub0; auf den Flansch einwirkt. Die Kräfte addieren sich zu einer Gesamtkraft Ft, wodurch die Eingriffskraft der Konuskupplung weiter erhöht wird, um so ein zusätzliches synchronisierendes Drehmoment Ta zur Verfügung zu stellen, das sich zu dem Drehmoment T&sub0; hinzu addiert und damit ein Gesamtdrehmoment Tr ergibt. Fig. 3 zeigt die Stellung der Servokraft erzeugenden Rampenflächen, während der Schaltflansch 46 sich in neutraler Position entsprechend der Stellung in Fig. 1 befindet. Fig. 4 veranschaulicht eine Stellung der Rampen, in der das Zahnrad 16 gerade durch die im Eingriff befindlichen Konusflächen 32a, 42a synchronisiert wird. Die eingerückten Konusflächen bauen ein Synchronisationsdrehmoment in derjenigen Richtung auf, die das Einrücken der Rampenflächen 54d des Flansches mit den Rampenflächen 24d der fest mit der Welle 12 verbundenen Nabe bewirkt hat. Somit ist die Summe der axialen Kräfte für das Einrücken der Konuskupplung F&sub0; plus Fa, und die Summe der durch die Konuskupplung hervorgerufenen synchronisierenden Momente ergibt sich aus T&sub0; plus Ta, wie dies in Fig. 5 graphisch dargestellt ist. Für eine gegebene Schaltkraft F&sub0; des Fahrzeugführers und ein vom Fahrzeugführer herrührendes Synchronisationsdrehmoment T&sub0; bestimmt sich die additive axiale Kraft vorzugsweise in Abhängigkeit von den Winkeln der eingerückten Servokraft erzeugenden Rampenflächen. Diese Winkel sind bevorzugterweise hinreichend groß gewählt, um eine additive Kraft Fa von ausreichender Stärke zu erzeugen, um das Synchronisationsdrehmoment bedeutend zu vergrößern und die Dauer der Synchronisierung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen, mäßigen Schaltkraftanstrengung seitens des Fahrzeugführers zu reduzieren. Jedoch sind diese Winkel vorzugsweise auch hinreichend klein, um eine gesteuerte additive axiale Kraft Fa hervorzurufen, d. h. die Kraft Fa sollte in Abhängigkeit von dem Anwachsen oder der Verringerung der Kraft F&sub0; ansteigen oder sich verringern. Falls die Rampenwinkel zu groß sind, hat dies eher ein Selbstblockieren als eine Erzeugung von Servokraft durch die Rampen zur Folge; damit würde mit einem initialen Einrücken der Konuskupplung die Kraft Fa unabhängig von der Kraft F&sub0; schlagartig und unkontrolliert ansteigen und zwangsläufig die Konuskupplung unbeabsichtigt blockieren lassen. Im Gegensatz zur Servokrafterzeugung ist ein Selbstblockieren für Schaltkomfort und Schaltgefühl unzuträglich, es kann die Bauteile der Synchronisiereinrichtung überlasten, eine Überhitzung und raschen Verschleiß der Konuskupplungsflächen hervorrufen und sogar die Führung des Schalthebels durch den Fahrzeugführer beeinträchtigen. Wenn die Synchronisierung hergestellt ist, bewegen sich die Sperrschultern aus dem Eingriff, und die Verzahnungszähne der Klauenkupplungshälfte 52 bewegen sich nach rechts in den Eingriff mit den Verzahnungszähnen der Klauenkupplungshälfte 36, bis der Ring 54 Anschläge 26f berührt, die aus den Leisten 26c ragen. Die Synchronisation des Zahnrads 14 geschieht in analoger Weise, und eine Bewegung der Klauenkupplungshälfte 50 nach links ist durch Anschläge 24f begrenzt, die aus den Leisten 24c ragen.
Die hauptsächlichen Variablen und Gleichungen für die Berechnung der Winkel der Servokraft erzeugenden Rampen lassen sich aus dem vorstehend erwähnten US Patent 5 092 439 entnehmen.
Fig. 6-9 veranschaulichen eine in ausschnittsweiser Darstellung gezeigte Zahnradanordnung 110 in Kombination mit einer modifizierten doppelt wirkenden Synchronisiereinrichtung 120, die sich von der Anordnung 20 in den Fig. 1-4 hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass Federn zur Steuerung/Begrenzung der Größe der Zusatzkraft Fa verwendet werden. Der Kürze wegen sind einige der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Komponenten in den Fig. 6 und 7 ausgeschnitten oder nicht gezeigt; diese Komponenten gleichen im Wesentlichen denjenigen in den Fig. 1 und 2. Die Anordnung 110 enthält eine Welle 112 mit einer Achse 112a und zum Teil gezeigte Antriebsräder 114, 116. Die Welle 112 weist zylindrische Flächen 112b, 112c auf, auf denen die Zahnräder über Lager 118 drehbar gelagert sind.
Die doppelt wirkende Synchronisiereinrichtung 120 umfasst eine ringförmige Nabe 122 mit einem äußeren Umfang, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Flächen. Die Nabe umfasst vier Ringe 123, 124, 126, 127 und weist eine axiale Ausdehnung auf, durch die die Zahnräder in einer zu Fig. 1 analogen Weise voneinander getrennt gehalten werden. Eine axiale Bewegung der Zahnräder voneinander weg ist wie in Fig. 1 begrenzt. Verzahnungszähne 112d der Welle kämmen mit den Innenverzahnungszähnen der Ringe passend, um eine relative Drehung dazwischen zu verhindern. Die Ringe 124, 126 weisen drei in radialer Richtung nach außen ragende Leisten 124c, 126c auf, die Servokraft erzeugende Rampen 124d, 124e, 126d, 126e definieren, auf die nachstehend näher eingegangen wird. Die Synchronisiereinrichtung 120 enthält ferner Klauenkupplungshälften 134, 136 mit Außenverzahnungszähnen 134a, 136a, die mit Zahnrädern 114, 116 einstückig geformt sind, sowie ein in einem Stück ausgebildetes oder einheitliches Schaltelement 138. Das einheitliche Schaltelement 138 weist einen teilweise gezeigten Flansch 146, der sich von Klauenkupplungselementen 150, 152 aus radial nach außen erstreckt, und einen Ring 154 auf, der im Gegensatz zu Fig. 1 nicht einstückig mit den Klauenkupplungselementen ausgebildet ist. Die Klauenkupplungselemente 150, 152 weisen Innenverzahnungen 150a, 152a auf, die mit den Außenverzahnungen 134a, 136a passend kämmen, um über den Ring 154 und die Nabe 122 drehfeste, formschlüssige Verbindungen der Welle 112 mit den Zahnrädern 114, 116 zu schaffen, wie nachstehend näher erläutert. Die Verzahnungszähne 150a, 152a treffen aufeinander, um Profilverzahnungen zu bilden, die gleitend mit einer auf dem Ring 154 ausgebildeten Außenverzahnung 154f kämmen. Der Ring 154 wird in axial entgegengesetzte Richtungen durch Federn 155 vorgespannt. Die Federn wirken gegen Halteringe 157, die in ringförmigen Ausnehmungen in den Profilverzahnungen 150a, 152a angeordnet sind.
Der Ring 154 enthält sich radial nach innen öffnende Ausnehmungen 154a, die die Leisten 124c, 126c der Nabenringe 124, 126 aufnehmen. Jede Ausnehmung weist sich radial erstreckende, in Umfangsrichtung zueinander weisende Flanken auf, die die Servokraft erzeugenden Rampen 154b, 154c, 154d, 154e bilden. Während der Synchronisation des Zahnrads 114 oder 116 sprechen die Rampen des Rings 154 wie in den Fig. 1-5 auf die Rampen der Leisten 124c oder 126c an, um die additive axiale Kraft (F3) in Richtung des gerade zu synchronisierenden Zahnrads zu erzeugen. Allerdings wird nun die zusätzliche Axialkraft (F3) auf den Flansch 146 mittels der Federn 155 übertragen und ist auf die maximale Kraft der zusammengedrückten Federn beschränkt, die auftritt, wenn die in Axialrichtung weisenden Stirnseiten des Rings 154 die in Axialrichtung weisenden Flanken 123a, 127a der Ringe 123, 127 berühren.

Claims

1. Synchronisiereinrichtung (20) nach der Zapfen-Bauart zum wahlweisen reibschlüssigen Synchronisieren und formschlüssigen Verbinden eines ersten oder zweiten Antriebs (14, 16) mit einer Welle (12), die eine Achse (12a) aufweist, wobei zu der Synchronisiereinrichtung gehören:

erste und zweite Klauenkupplungshälften (34, 36), die fest mit dem ersten bzw. dem zweiten Antrieb (14, 16) verbunden und entsprechend einer axialen bidirektionalen Schaltkraft (F&sub0;), die einen sich radial erstreckenden Flansch (46) bewegt, mit axial beweglichen dritten und vierten Klauenkupplungshälften (50, 52) in Eingriff überführbar sind;

erste und zweite Reibelemente (30, 32), die jeweils drehfest mit dem ersten oder zweiten Antrieb (14, 16) verbunden sind, sowie dritte und vierte Reibelemente (40, 42), die zu der Welle (12) konzentrisch angeordnet und zwischen den Antrieben axial bewegbar sind, um mit dem ersten bzw. dem zweiten Reibelement reibschlüssig in Eingriff zu kommen, um ein synchronisierendes Drehmoment zur Synchronisierung der Antriebe mit der Welle zu schaffen;

Sperrmittel, die, wenn sie aktiviert sind, dazu dienen, das Einrücken der Klauenkupplungshälften vor der Synchronisierung zu verhindern, wobei zu den Sperrmitteln mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Zapfen oder Stifte (44) gehören, die sich steif in axialer Richtung zwischen dem dritten und dem vierte Reibelement (40, 42) und in eine Gruppe von Öffnungen (46a) in dem Flansch (46) erstrecken, wobei jeder der Stifte eine Sperrschulter (44a) aufweist, die mit einer Sperrschulter (46b) in Eingriff überführbar ist, die an der zugeordneten Öffnung (46a) definiert ist;

mehrere erste und zweite Servorampenmittel, die zur Erzeugung einer zusätzlichen Kraft (Fa) auf den Flansch (46) in der Richtung der Schaltkraft (F&sub0;) zur Erhöhung der Gesamteinrückkraft auf die Reibelemente (30, 40 sowie 32, 42) in Abhängigkeit von dem Synchronisationsmoment in Eingriff überführbar sind, wobei die ersten Servorampenmittel (54b, 54c, 54d, 54e) in Bezug auf den Flansch (46) drehfest und die zweiten Servorampenmittel (24d, 24e sowie 26d, 26e) drehfest und axialfest an der Welle (12) gehalten sind, wobei:

das erste und das zweite Servorampenmittel in Bezug auf die dritte und die vierte Klauenkupplungshälfte radial innen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

dass Anschlagmittel (24f, 26f oder 123a, 127a) vorgesehen sind, die in Eingriff kommen, um die Axialbewegung des dritten und vierten Klauenkupplungsmittels nach dem Einrücken entsprechend mit der ersten bzw. der zweiten Klauenkupplungshälfte (34, 36) zu begrenzen, während das erste und das zweite Servorampenmittel in Eingriff bleiben, so dass die Drehmomentübertragung zwischen der Welle und den eingerückten Klauenkupplungshälften über die in Berührung stehenden Servorampenmittel erfolgt, die eine Eingriffshaltekraft schaffen, um den eingerückten Zustand der eingerückten Klauenkupplungshälften beizubehalten.

2. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, bei der:

die dritte und die vierte Klauenkupplungshälfte (150, 152) durch ein einziges Element (138) definiert sind, das eine Innenverzahnung (150a, 152a) aufweist, die eine Außenverzahnung (154f) eines Verstärkerrings (154) verschiebbar aufnimmt, der die Servorampenmittel (154b, 154c, 154d, 154e) definiert, wobei der Ring in Bezug auf die dritte und vierte Klauenkupplungshälfte (150, 152) durch Federn (155) in axial einander entgegengesetzten Richtungen vorgespannt ist, wobei die Federn dazu dienen, die Größe der Zusatzkraft auf den Flansch auf die Größe der Kraft zu begrenzen, die auf wenigstens eine der Federn wirkt, wenn das Anschlagmittel (123a, 127a) in Eingriff ist.

3. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1, bei der:

das dritte und das vierte Klauenkupplungselement (50, 52) durch ein einziges Element (38) gebildet sind, das mit einem Verstärkerring (54) einstückig ausgebildet ist, der sich von ihnen radial nach innen erstreckt und die ersten Servorampenmittel (54b, 54c, 54d, 54e) umfasst.

4. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, bei der:

der sich radial erstreckende Flansch (46) einstückig mit dem einzelnen Element ausgebildet ist und sich von diesem radial nach außen weg erstreckt.

5. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, bei der:

von einer ringförmigen Nabe (22), die axial zwischen den Antrieben (14, 16) angeordnet und mit der Welle (12) verbunden ist, sich zweite Rampenmittel (24d, 24e, 26d, 26e) radial nach außen weg erstrecken.

6. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, bei der:

der Ring (54) mehrere sich radial nach innen öffnende Ausnehmungen (54a) aufweist, die jeweils die zweiten Servorampenmittel (24d, 24e, 26d, 26e) aufnehmen, wobei jede Ausnehmung eine in Umfangsrichtung weisende Seite aufweist, die wenigstens eine Rampe des ersten Servorampenmittels (54b, 54c, 54d, 54e) festlegt.

7. Synchronisiereinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, bei der:

die ringförmige Nabe (22) durch erste und zweite Nabenringe (24, 26) definiert ist, die jeweils wenigstens eine Rampe an dem zweiten Rampenmittel (24d, 24e, 26d, 26e) festlegen.