DE69913641T2

DE69913641T2 - Schaltgabel mit eingebauten Nockenbetätigung

Info

Publication number: DE69913641T2
Application number: DE69913641T
Authority: DE
Inventors: Christopher J. Decker
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: KR100648387B1; JP2000170910A; DE69913641D1; EP0997672B1; EP0997672A1; KR20000029251A; US6173624B1

Description

Die Erfindung betrifft generell Mechanismen zum Steuern von Schaltvorgängen in Verteilergetrieben u. ä., genauer gesagt eine integrierte Nocken- und Gabeleinheit, die auf einer drehbaren Schaltschiene angeordnet ist.
Bei alten und vielen modernen Getrieben und Verteilergetrieben werden Schaltvorgänge zwischen diversen Drehzahlbereichen und Betriebsbedingungen oft über ein manuell betätigbares Gestänge durchgeführt, das vom Fahrzeuglenker gesteuert wird. Häufig umfassen derartige Gestänge eine Schaltschiene oder eine Vielzahl von parallelen Schaltschienen, die aus einer mittleren neutralen Position translatorisch in eine vordere oder hintere Position bewegt werden können, um einen vorgegebenen Gang oder Betriebsmodus auszuwählen.
Bei den gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Fahrzeugen, wie Sportwagen und leichten und mittleren Lastwagen, werden Getriebebereiche und Betriebsmodi in Verteilergetrieben heute häufiger mit Hilfe einer elektromechanischen, pneuma tischen oder hydraulischen Betätigungseinheit ausgewählt. Eine Vielzahl von Antriebseinheiten und Zwischengestängen ist entwickelt worden, um eine Bereichsauswahl und einen Betriebsmodus eines Verteilergetriebes, d. h. das Sperren einer Viskositätskupplung, eines Differentials oder einer modulierenden Kupplung zum direkten Verbinden des primären und sekundären Antriebszuges, zu erhalten.
Diese Vorrichtungen besitzen in gleicher Weise variierende Niveaus an Komplexität, Kompliziertheit, Zuverlässigkeit und Kosten. Oft besitzt ein kompliziertes System, das für eine rasche und genaue Wahl der Gänge oder Betriebsmodi sorgt, eine geringe Zuverlässigkeit. Im Gegensatz dazu können mit einfachen Systemen oft keine genauen oder wiederholbaren Schaltvorgänge durchgeführt werden, obwohl diese Systeme zuverlässig sind.
Die US-A-3370477 beschreibt eine integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, bei der eine Schaltgabeleinheit drehbar an einer Schaltschiene montiert ist und die Schaltschiene einen daran befestigten Nockenfolger aufweist, der mit einer zugehörigen schraubenförmigen Nockenfläche in Eingriff steht, die auf der Schaltgabeleinheit ausgebildet ist, um auf diese Weise eine Drehbewegung der Schiene in eine Axialbewegung der Schaltgabel zu überführen.
Die US-A-5499951 beschreibt einer andere Schaltgabeleinheit mit einer Schaltbetätigungseinheit mit einem Schneckenrad, das in einer Durchgangsöffnung derselben ausgebildet ist, und einer Schaltschiene mit einer Fläche mit Außengewinde, die mit dem Schneckenrad der Schaltbetätigungseinheit in Eingriff steht, so daß bei Betätigung eines bidirektionalen Motors zum Drehen der Schaltschiene die Schaltbetätigungseinheit entlang der Schiene translatorisch bewegt wird.
Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit zur Verwendung in Verteilergetrieben u. ä. zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung einer integrierten Nocken- und Schaltgabeleinheit, die sowohl einfach als auch besonders zuverlässig ausgebildet ist.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung einer integrierten Nocken- und Schaltgabeleinheit, die von einem Paar von schraubenförmigen Nocken und damit zusammenwirkenden Nockenfolgern auf sichere Weise bidirektional bewegt wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung bezieht sich auf die Schaffung einer integrierten Nocken- und Schaltgabeleinheit, die von einem schraubenförmigen Nocken und Nockenfolger, welche zusammenwirken, auf sichere Weise in einer Richtung und von einer Rückzugsfeder (Druckfeder) in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit vorzusehen, die einzeln oder mehrfach an einer üblichen rotierenden Schaltschiene verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit für ein Verteilergetriebe u. ä. geschaffen, die in Kombination umfaßt: eine Schaltschiene, die drehbar um ihre Achse angeordnet ist, einen ersten Nockenfolger, der an der Schaltschiene befestigt ist, und eine Schaltgabeleinheit, die drehbar die Schaltschiene aufnimmt und eine Schaltgabel besitzt, welche mit einem Kupplungselement in Eingriff treten und dieses bidirektional bewegen kann, und einen ersten Nocken, der mit dem ersten Nockenfolger in Eingriff steht, gekennzeichnet durch einen bidirektionalen Motor und einen zweiten Nockenfolger, der an der Schaltschiene befestigt und vom ersten Nockenfolger beabstandet ist, sowie einen zweiten Nocken, der mit dem zweiten Nokkenfolger in Eingriff steht und vom ersten Nocken beabstandet ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nunmehr eine beispielhafte Ausführungsform derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Hiervon zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf den Vierradantriebszug eines Fahrzeuges, der die vorliegende Erfindung aufweist;
2 eine Draufsicht eines Verteilergetriebes eines Motorfahrzeuges, teilweise im Schnitt, das integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheiten gemäß der Erfindung aufweist; und
3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer integrierten Nocken- und Schaltgabeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein Vierradantriebszug eines Fahrzeuges schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Der Vierradantriebszug 10 umfaßt eine primäre Bewegungseinheit 12, die mit einem Getriebe 14 gekoppelt ist und dieses direkt antreibt. Das Getriebe 14 kann ein automatisches Getriebe oder ein manuell schaltbares Getriebe sein. Der Ausgang des Getriebes 14 treibt direkt eine Verteilergetriebeeinheit 16 an, die Bewegungsenergie für einen primären oder hinteren Antriebszug 20 liefert, der eine primäre oder hintere Antriebswelle 22, ein primäres oder hinteres Differential 24, ein Paar von primären oder hinteren Achsen 26 und ein Paar von primären oder hinteren Rad/Reifeneinheiten 28 aufweist.
Die Verteilergetriebeeinheit 16 liefert ferner wahlweise Bewegungsenergie an einen sekundären oder vorderen Antriebszug 30, der eine sekundäre oder vordere Antriebswelle 32, eine sekundäre oder vordere Differentialeinheit 34, ein Paar von sekundären oder Vorderachsen 36 und ein entsprechendes Paar von sekundären oder vorderen Rad/Reifeneiheiten 38 aufweist. Die vorderen Rad/Reifeneinheiten 38 können direkt mit einer entsprechenden Vorderachse 36 verbunden sein, oder, falls gewünscht, kann ein Paar von manuell betätigbaren oder ferngesteuerten Sperrnaben 42 zwischen dem Paar der Vorderachsen 36 und einer entsprechenden Rad/Reifeneinheit 38 angeordnet sein, um diese wahlweise anzuschließen. Schließlich können sowohl der primäre Antriebszug 20 als auch der sekundäre Antriebszug 30 geeignete und in geeigneter Weise angeordnete Universalgelenke 44 besitzen, die in herkömmlicher Weise funktionieren, um statische und dynamische Versätze und Fehlausrichtungen zwischen den verschiedenen Wellen und Komponenten zu ermöglichen.
Die vorstehende und nachfolgende Beschreibung betrifft ein Fahrzeug, bei dem der hintere Antriebszug 20 als primärer Antriebszug funktioniert, d. h. eingerückt ist und im wesentlichen die gesamte Zeit funktioniert, während der vordere Antriebszug 30 als sekundärer Antriebszug wirkt, d. h. nur zeitweise in einer sekundären oder ergänzenden Weise eingerückt und in Betrieb ist. Ein derartiges Fahrzeug wird normalerweise als Fahrzeug mit Hinterradantrieb bezeichnet.
Die Bezeichnungen „primär" und „sekundär" werden hier anstelle der Bezeichnungen „vorne" und „hinten" verwendet, da die hier offenbarte und beanspruchte Erfindung auch in Getrieben und Verteilergetrieben Verwendung finden kann, bei denen der primäre Antriebszug 20 vorne am Fahrzeug und der sekundäre Antriebszug 30 hinten am Fahrzeug angeordnet sein kann. Die Bezeichnungen „primär" und „sekundär" charakterisieren daher auf allgemeine und richtige Weise die Funktion der einzelnen Antriebszüge und nicht deren spezielle Lage.
Wie in 2 gezeigt, umfaßt die Verteilergetriebeeinheit 16 ein zweiteiliges, vorzugsweise gegossenes Gehäuse 48 mit einer Vielzahl von Öffnungen, Schultern, Kanälen u. ä., die diverse mechanische Komponenten der Verteilergetriebeeinheit 16 positionieren und lagern. Signifikant von diesen Komponenten ist eine Eingangswelle 50, die eine Planetengetriebeeiheit 52 antreibt. Die Planetengetriebeinheit 52 liefert eine Ausgangsenergie mit reduzierter Drehzahl und erhöhtem Drehmoment, die wahlweise einer Zwischenantriebshülse 54 zugeführt werden kann. Eine erste kreisförmige Klauenkupplung 56 besitzt einen Flansch 58, der mit einer ersten Schaltgabeleinheit 60 in Eingriff steht. Die erste Klauenkupplung 56 ist mit der Zwischenantriebshülse 54 verkeilt und gleitend auf dieser angeordnet. Die Klauenkupplung 56 kann biaxial bewegt werden, um entweder einen Direktantrieb von der Eingangswelle 50 oder einen Antrieb mit reduzierter Drehzahl von einem Ausgangselement der Planetengetriebeeinheit 52 herzustellen. Die Zwischenantriebshülse 54 stellt einen derartigen ausgewählten Antrieb mit hoher oder niedriger Drehzahl dem Eingangselement einer Drehmomentverteilungseinheit 62 zur Verfügung. Diese Drehmomentverteilungseinheit 62 kann ein mittleres Differential mit einem ersten Ausgang, der eine primäre Ausgangswelle 64 antreibt, und einem zweiten Ausgang, der ein Antriebsrohr 66 antreibt, aufweisen. Die Drehmomentverteilungseinheit 62 kann ferner eine Viskositätskupplung oder eine hydraulische oder elektrische Kupplung zur Modulierung von Drehmoment nach Bedarf sein, die für eine Proportionalsteuerung und Verteilung des Drehmoments von der Zwischenausgangswelle 54 zur primären Ausgangswelle 64 und zum Antriebsrohr 66 sorgt.
Konzentrisch um die Zwischenantriebshülse 54 angeordnet ist das Antriebsrohr 66, das Kettenantriebszähne 68 aufweist. Mit dem Antriebsrohr 66 verkeilt und axial hierzu gleitbar ist eine zweite kreisförmige Klauenkupplung 70 angeordnet, die von einem halbkreisförmigen Vorsprung 72, der sich von einer zweiten Schaltgabeleinheit 74 erstreckt, die mit einer komplementär ausgebildeten kreisförmigen Nut oder einem entsprechenden Kanal in der zweiten kreisförmigen Klauenkupplung in Eingriff steht, bidirektional bewegt werden kann. Die zweite Klauenkupplung 72 kann bidirektional bewegt werden. Wenn sie in 2 nach rechts bewegt wird, tritt sie mit Keilen oder Zähnen 76 an der Drehmomentverteilungseinheit 62 in Eingriff und kuppelt auf diese Weise direkt die Ausgangshülse 66 mit dem Gehäuse der Drehmomentverteilungseinheit 62, so daß auf wirksame Weise deren Aktivität beendet oder diese gesperrt wird. In dieser Anordnung sind die Primärausgangswelle 64 und das Antriebsrohr 66, das den zweiten Ausgang der Verteilergetriebeeinheit 60 antreibt, miteinander gekoppelt oder verriegelt. Wenn sich die zweite Klauenkupplung 70 in der in 2 gezeigten Position befindet, kann das mittlere Differential frei seine Differentialfunktion ausführen oder kann die modulierende Kupplung oder Viskositätskupplung in der erforderlichen Weise frei ihre Steuerfunktion ausführen. Von den Kettenantriebszähnen 68 der Ausgangshülse 66 und den Zähnen 82 eines angetriebenen Kettenrades 84 wird eine Kette 78 aufgenommen. Das angetriebene Kettenrad 84 kann einstöckig mit einer sekundären Ausgangswelle 86 ausgebildet sein, die innerhalb einer Vielzahl von reibungsarmen Lagern, wie Kugellagereinheiten 88, aufgenommen ist und von diesen gelagert wird. Die sekundäre Ausgangswelle 86 endet vorzugsweise in einem Flansch 90, der einen Abschnitt eines Universalgelenkes 44 bilden und über eine Mutter 92 oder eine entsprechende Befestigungseinheit an der sekundären Ausgangswelle 86 befestigt sein kann. Geeignete Öldichtungen 94, die sich um einen Abschnitt des Flansches 90 oder der sekundären Ausgangswelle 86 erstrecken, bilden eine schmiermitteldichte Dichtung.
Wie die 2 und 3 zeigen, besitzt sowohl die erste Schaltgabeleinheit 60 als auch die zweite Schaltgabeleinheit 74 Hauptteile 100 und 100', die zylindrische innere Durchgangskanäle 102 und 104 aufweisen, welche eine einzige Schaltschiene 106 aufnehmen. Diese Schaltschiene 106 umfaßt einen Abschnitt 108 mit reduziertem Durchmesser an jedem Ende, der in geeignet dimensionierten und ausgerichteten Bohrungen 112 im Gehäuse 48 der Verteilergetriebeeinheit 16 angeordnet ist. Benachbart zum zylindrischen Durchgangskanal 102 ist an jeder Endfläche des Hauptteils 100 der Schaltgabeleinheit 60 ein schraubenförmiger Nocken 114 angeordnet. Eine axiale Diskontinuität 116 erstreckt sich zwischen den axial getrennten Enden der schraubenförmigen Nocken 114 und bildet eine Schulter oder einen Anschlag. Die schraubenförmigen Nocken 114 stehen mit einem komplementär ausgebildeten und beabstandeten Paar von Nockenfolgern 118 in Eingriff. Um die Reibung im Betrieb zu reduzieren, werden die Nockenfolger 118 vorzugsweise von Rollen gebildet, die frei drehbar und axial unbeweglich auf einem entsprechenden Paar von Montagestiften 120 montiert sind, welche sich radial von der Schaltschiene 106 aus erstrekken. Feste Stifte (Folger) ohne Rollen können ebenfalls verwendet werden. Die Schaltgabeleinheit 160 umfaßt ferner einen generell radial verlaufenden Steg 122 und eine halbkreisförmige Gabel 124 mit einem halbkreisförmigen Kanal 126, der mit dem kreisförmigen Flansch 58 der ersten Klauenkupplung 56 in Eingriff steht. Bei Drehung der Schalt schiene 106 wird durch die Zusammenwirkung der Nockenfolger 116 und der schraubenförmigen Nocken 114 auf sichere Weise die erste Schaltgabeleinheit 60 axial entlang der Schaltschiene 106 bewegt. Die axialen Diskontinuitäten 116 der Nockenflächen 114 bilden ferner einen Zwangsanschlag oder eine Drehbewegungsgrenze in einer Drehrichtung der Schaltschiene 106 und somit der Axialbewegung der ersten Schaltgabeleinheit 60.
Die zweite Schaltgabeleinheit 74 entspricht der ersten Schaltgabeleinheit 60. Sie besitzt jedoch keine zwei schraubenförmigen Nockenflächen 114, sondern ihr Hauptteil 100' weist eine einzige schraubenförmige Nockenfläche 134 und eine axiale Diskontinuität 136 auf, die mit einem einzigen Nockenfolger 118 oder einer entsprechenden Nockenrolle in Eingriff stehen, welche drehbar auf einem Montagestift 120 gelagert ist. Mit dieser Ausführungsform wird nur eine in einer Richtung angetriebene Bewegung der zweiten Schaltgabeleinheit 74 durch die Schaltschiene 106 erreicht. Eine Axialbewegung der Schaltgabel 174 in der entgegengesetzten Richtung wird durch eine Druckfeder 138 erzielt, die konzentrisch um die Schaltschiene 106 zwischen der zweiten Schaltgabeleinheit 74 und einem Abschnitt des Gehäuses 48 angeordnet ist.
Die Drehung der Schaltschiene 106 wird von einer Antriebseinheit 150 bewirkt, die einen bidirektionalen Elektromotor 152 mit einem Schneckenradausgang 154 aufweist, welcher ein komplementär ausgebildetes Zahnrad 156 antreibt, das direkt die Schaltschiene 106 antreibt und bidirektional dreht. Es versteht sich, daß durch geeignete Auswahl der Lage der Nockenfolger 118 an der Schaltschiene 106, des Winkels der schraubenförmigen Nocken 114 und 134 sowie die Einarbeitung von Verweilungsbereichen in den Nocken 114 und 134 die Schaffung von diversen Betriebssequenzen der Klauenkupplungen 56 und 72, um eine gewünschte Steuerstrategie oder ein gewünschtes Operationsschema zu erreichen, ermöglicht und erleichtert wird.
Es versteht sich ferner, daß eine integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform als erste Schaltgabeleinheit 60 mit einem Paar von beabstandeten Nockenfolgern 118, die mit komplementär ausgebildeten und beabstandeten schraubenförmigen Nocken 114 zusammenwirken, oder der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform als zweite Schaltgabeleinheit 74 mit einem einzigen schraubenförmigen Nocken 134, einem Nockenfolger 118 und einer Druckfeder 138, die benachbart zum Hauptteil 100' der Schaltgabeleinheit 74 angeordnet ist, auch zur Verwendung in anderen mechanischen Vorrichtungen als Verteilergetriebe geeignet ist. Die erste Schaltgabeleinheit 60 und die zweite Schaltgabeleinheit 74 können daher auch in Getrieben von Motorfahrzeugen und anderen Kraftverteilungsvorrichtungen Verwendung finden. Ferner können die erste Schaltgabeleinheit 60 und die Schaltgabeleinheit 74 zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Elektromotor 152 mit pneumatischen oder hydraulischen Antriebssystemen eingesetzt werden.

Claims

Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit für ein Verteilergetriebe u. ä., die in Kombination umfaßt: eine Schaltschiene (106), die drehbar um ihre Achse angeordnet ist, einen ersten Nockenfolger (118) der an der Schaltschiene befestigt ist, und eine Schaltgabeleinheit (60), die drehbar die Schaltschiene (106) aufnimmt und eine Schaltgabel (124), die mit einem Kupplungselement (56) in Eingriff treten und dieses bidirektional bewegen kann, und einen ersten Nocken (114) aufweist, der mit dem ersten Nockenfolger (118) in Eingriff steht, gekennzeichnet durch einen bidirektionalen Motor (152), einen zweiten Nockenfolger (118), der an der Schaltschiene (106) befestigt und im Abstand vom ersten Nokkenfolger (118) angeordnet ist, und einen zweiten Nocken (114), der mit dem zweiten Nockenfolger (118) in Eingriff steht und im Abstand vom ersten Nocken (114) angeordnet ist.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach Anspruch 1, bei der zwei der Schaltgabeleinheiten (60,74) auf einer einzigen rotierenden Schaltschiene (106) angeordnet sind.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Nocken eine Schulter (116) umfaßt, die axial verschobene Abschnitten des Nockens verbindet.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schaltgabel ein Kanal (126) ist.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach einem der Ansprüche 1–3, bei der die Schaltgabel ein Vorsprung (72) ist.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, die desweiteren ein Verteilergetriebe (16) mit Planetengetriebeantriebseinheit (52) umfaßt, wobei das Kupplungselement so ausgebildet ist, daß es einen Direktantrieb und einen Antrieb mit reduzierter Drehzahl wählt, und die Schaltgabeleinheit mit einer Klauenkupplung (56) in Eingriff steht.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Nockenfolger jeweils eine Rolle (118) umfassen, die an einem Stift (120) gelagert ist.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der bidirektionale Motor (152) über einen Drehzahlreduziermechanismus (154, 156) mit der Schaltschiene (106) verbunden ist.
Integrierte Nocken- und Schaltgabeleinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, die desweiteren eine Kraftaufbringungseinrichtung (156) umfaßt, welche an einem gegenüberliegenden Ende der Schaltgabeleinheit vom ersten Nockenfolger angeordnet ist und die Schaltgabeleinheit in Richtung auf den ersten Nockenfolger (118) antreiben kann.