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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine synchronisierte Kupplung für das Getriebe
eines Fahrzeuges.
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Bekanntlich
wird in Getrieben für
Fahrzeuge eine synchronisierte Kupplung dazu verwendet, um ein Zwischenzahnrad
abgewinkelt mit einer zugehörigen
Welle zu verbinden. Typischerweise ist zwischen zwei Zahnrädern eine
Kupplung angeordnet und ist in der Lage, die Zahnräder ihrerseits
wahlweise mit der Welle zu verbinden.
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Es
sind synchronisierte Kupplungen bekannt, welche umfassen: eine auf
der Welle verkeilte Nabe, ein Paar von Antriebselementen, die in
Bezug auf die Nabe in axialer Richtung an den gegenüberliegenden
Seiten angeordnet sind, welche abgewinkelt am jeweiligen Zahnrad
befestigt und mit der jeweiligen Außenverzahnung ausgestattet
sind, und eine die Bewegung übertragende
Vorrichtung, welche zwischen der Nabe und den Antriebselementen dergestalt
angeordnet ist, dass sie auf die Antriebselemente ihrerseits wahlweise
einwirkt.
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Normalerweise
umfasst die die Bewegung übertragende
Vorrichtung ein Paar von Synchronisierringen, von denen jeder in
axialer Richtung zwischen der Nabe und dem jeweiligen Antriebselement angeordnet
ist. Diese Synchronisierringe weisen jeweils konisch verlaufende
Reibungsflächen
auf, welche so ausgelegt sind, dass sie im Betriebszustand mit den
entsprechenden zugehörigen
Reibungsflächen
der jeweiligen Antriebselemente zusammenzuwirken, und sie sind mit
zugehörigen
Außenverzahnungen
ausgestattet.
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Schließlich umfasst
die Übertragungsvorrichtung
eine Selektionsmuffe, die an der Nabe mittels ihrer Innenverzahnung
abgewinkelt befestigt ist und die sich auf den gegenüberliegenden
Seiten der genannten Nabe in axialer Richtung so verschieben kann,
dass der jeweilige Kupplungshub zurückgelegt wird. Während eines
jeden Kupplungshubes greift die genannte Innenverzahnung der Muffe
zuerst in die Außenverzahnung
des Synchronisierringes und danach in die Außenverzahnung des Antriebselementes
ein, wenn die relative Geschwindigkeit des Letzteren in Bezug auf
den Synchronisierring als Ergebnis des Reibungskontaktes zwischen
den jeweils zugehörigen
Reibungsflächen
auf Null herabgesetzt wird.
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Obwohl
sie breite Verwendung gefunden haben, weisen dennoch die bekannten
synchronisierten Kupplungen des oben erwähnten Typs den Nachteil auf,
dass sie eine relativ lange Kupplungszeit und axiale Kräfte erfordern,
welche veränderlich
und in manchen Fällen
relativ groß sind,
insbesondere während
der Endphasen des Kupplungsweges.
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Dies
kann insbesondere auf das mögliche Anhaften
der Muffe in Bezug auf das diesbezügliche Antriebselement während der
Phase der abgewinkelten Ausrichtung der jeweiligen Verzahnungen
zurückgeführt werden.
In der Tat weisen die Zähne
dieser Verzahnungen normalerweise sich verjüngende axiale Enden mit schrägen Flanken
auf, so dass das Ineinandergreifen und folglich die Ausrichtung
erleichtert werden. Die starken Kräfte, welche in tangentialer
Richtung auf das Antriebselement in Richtung entgegen seiner Rotationsgeschwindigkeit
wirken und die von der Flanke der Zähne abhängen, an welcher der Kontakt
während
des Ineinandergreifens auftritt, können sich diesbezüglich vorteilhaft
oder nachteilig auswirken, wodurch gelegentlich veränderliche
Betriebskräfte
erzeugt werden. Im ungünstigen Fall
führen
diese starken Kräfte
zu einem Ansteigen der axialen Betriebskraft. Darüber hinaus
tritt bei den bekannten synchronisierten Kupplungen die als „doppeltes
Ausrücken" bezeichnete Erscheinung
auf, oder es findet während
eines jeden Kupplungshubes eine Verminderung der Axiallast am Ende
der Ausrichtung zwischen der Verzahnung der Muffe und der Verzahnung
des Synchronisierringes statt und danach ein Ansteigen der Last
selbst als Ergebnis der aufeinanderfolgenden Ausrichtung zwischen
der Verzahnung der Muffe selbst und der Verzahnung des Antriebselementes.
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Das
Dokument
US 2.916.939 beschreibt eine
synchronisierte Kupplung, welche eine Muffen und ein Zahnrad aufweist,
wobei die Erstgenannte innere Zähne
von vier unterschiedlichen Längen
und das Zweitgenannte äußere Zähne von
zwei unterschiedlichen Längen
aufweist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine synchronisierte
Kupplung für
das Getriebe eines Fahrzeuges zu entwickeln, welche es ermöglicht,
die oben erwähnten
Probleme auf eine einfache und wirtschaftliche Art und Weise zu
lösen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine synchronisierte Kupplung für das Getriebe eines Fahrzeuges
vorgestellt, welche eine Welle und mindestens ein Zahnrad umfasst,
welches in Bezug auf die Welle selbst koaxial angeordnet ist und
in Bezug auf diese frei beweglich ist; wobei diese Kupplung umfasst:
eine auf der genannten Welle fest verkeilte Nabe, zwischen dem genannten
Zahnrad und der genannten Welle befindliche Antriebsmittel, wobei
diese Antriebsmittel am genannten Zahnrad befestigt sind und eine
konische Reibungsfläche
und eine äußere Geradverzahnung
umfassen, mindestens einen Synchronisierring, welcher sich zwischen
der genannten Nabe und dem genannten Antriebsmittel befindet und
eine zur konischen Reibungsfläche
der genannten Antriebsmittel passende konische Reibungsfläche und
eine äußere Geradverzahnung
umfasst, und eine Selektionsmuffe, welche abgewinkelt befestigt ist
und in axialer Richtung in Bezug auf die genannte Nabe frei beweglich
ist und eine innere Geradverzahnung aufweist, welche so ausgelegt
ist, dass sie in die Verzahnungen des genannten Synchronisierringes
und der genannten Antriebsmittel eingreift, wobei jede der Verzahnungen
der genannten Selektionsmuffe und der genannten Antriebsmittel jeweils
eine erste und eine zweite Anzahl von Zähnen aufweisen, wobei die Zähne der
genannten ersten Anzahl von Zähnen
in Bezug auf die genannte Anzahl der zweiten Zähne in axialer Richtung vorsteht,
wobei sich dies dadurch auszeichnet, dass jeder genannte erste Zahn
mindestens einen Endbereich aufweist, welcher durch ein Flankenpaar
und durch eine stirnseitige Abtrennfläche begrenzt ist, wobei die
genannten Flanken von der genannten stirnseitigen Abtrennfläche aus
konvergent aufeinander zu verlaufen.
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Die
Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen,
welche ein den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht eingeschränktes Beispiel
einer Ausführungsform
der Erfindung veranschaulichen, beschrieben werden. Darin sind:
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen synchronisierten
Kupplung für
das Getriebe eines Fahrzeuges, bei welcher eine Welle mit einem Zahnradpaar
eines Getriebes verbunden ist.
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2 ist
in radialer Richtung und in vergrößerter Darstellung eine Ansicht
eines Sektors der synchronisierten Kupplung während einer Zwischenphase des
Kupplungsvorganges, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit
Teile weggelassen worden sind.
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3 ist
analog zu 2 und veranschaulicht die synchronisierte
Kupplung am Ende des Kupplungsvorganges.
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In 1 bezeichnet
die Bezugszahl 1 eine synchronisierte Kupplung, welche
einen Teil eines (teilweise dargestellten) Getriebes 2 eines
(nicht dargestellten) Fahrzeuges bildet. Das Getriebe 2 umfasst
eine Welle 3, deren Achse mit der Bezugszahl 4 bezeichnet
ist und welche einen keilverzahnten Zwischenbereich 5 aufweist,
sowie ein Zahnradpaar 6, welches frei abgewinkelt und in
axialer Richtung fest auf die Welle 3 auf gegenüber liegenden
Seiten des Zwischenbereiches 5 montiert ist.
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Die
synchronisierte Kupplung 1 umfasst eine Nabe 7 vom
bekannten Typ, welche auf den keilverzahnten Zwischenbereich 5 der
Welle 3 mittels eines entsprechenden ringförmigen keilverzahnten
inneren Bereiches 8 verkeilt ist. Die Kupplung 1 umfasst
weiterhin zwei Synchronisierringe 9, welche auch vom bekannten
Typ sind und auf in axialer Richtung gegenüber liegenden Seiten der Nabe 7 angeordnet sind
und jeder auf einen sich verjüngenden
ringförmigen
Zwischenbereich 10 auf der Nabe 7 selbst gerichtet
ist.
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Jeder
der Ringe 9 weist eine innere konische Reibungsfläche 18 auf.
Die Kupplung 1 umfasst weiterhin zwei Antriebsflansche 14,
welche koaxial zur Welle 3 auf gegenüber liegenden Seiten der Nabe 7 angeordnet
sind und jeder zwischen dem jeweiligen Synchronisierring 9 und
dem zugehörigen
Zahnrad 6 angeordnet ist. Jeder Flansch 14 ist auf
bekannte Art und Weise mittels einer keilverzahnten Kupplung 15 auf
dem zugehörigen
Zahnrad 6 verkeilt und weist auch einen ringförmigen Bereich 16 auf,
welcher sich in axialer Richtung zur Nabe 7 innerhalb des
jeweiligen Synchronisierringes 9 erstreckt und seinerseits eine äußere konische
Reibungsfläche 17 aufweist, welche
im Betriebszustand mit der entsprechenden inneren konischen Reibungsfläche 18 des
jeweiligen Synchronisierringes 9 zusammenwirkt.
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Schließlich weisen
die Ringe 9 und die Flansche 14 die jeweiligen
Geradverzahnungen 12, 21 auf.
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Die
Nabe 7 weist einen äußeren ringförmigen Zahnkranz 23 auf,
welcher eine gewisse Anzahl von Betätigungsvorrichtungen 24 umfasst,
die sich im gleichen Winkelabstand voneinander befinden (in 1 ist
nur eine von ihnen dargestellt). Jede Vorrichtung 24 umfasst
eine jeweilige radiale Ausfräsung 25,
welche längs
des ringförmigen
Zahnkranzes 23 der Nabe 7 und über den gesamten sich verjüngenden
Bereich 10 verläuft.
Jede Vorrichtung 24 umfasst weiterhin eine Kugel 27,
welche so ausgelegt ist, dass sie in der Ausfräsung 25 gleitet und
auf ein Paar von Schultern 26 gerichtet ist, welche in
axialer Richtung auf den gegenüber
liegenden Seiten der Kugel 27 selbst angeordnet sind und
von denen jede einen Teil des jeweiligen Ringes 9 bildet,
sowie eine Schraubenfeder 28, welche in der Ausfräsung 25 angeordnet
ist und auf die Kugel 27 in einer radial nach außen zeigenden
Richtung wirkt.
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Schließlich umfasst
der äußere ringförmige Zahnkranz 23 der
Nabe 7 eine äußere Geradverzahnung 30,
auf welcher zum Gleiten eine Selektionsmuffe 32 befestigt
ist, die eine entsprechende innere Geradverzahnung 34 aufweist.
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Die
Selektionsmuffe 32 ist abgewinkelt an der Nabe 7 befestigt
und kann in axialer Richtung gleiten zwischen einer dazwischen liegenden
Ruhestellung oder "neutralen" Stellung, in welcher
das Zahnrad 34 sowohl in das Zahnrad 30 der Nabe 7 als auch
in das Zahnrad 12 von beiden Synchronisierringen 9 eingreift,
und zwei möglichen,
in axialer Richtung wirkenden Stellungen auf gegenüber liegenden Seiten
der Ruhestellung, in welcher das Zahnrad 34 sowohl in das
Zahnrad 30 der Nabe 7 als auch in die Zahnräder 12 und 21 eines
Synchronisierringes 9 und des zugehörigen Antriebsflansches 14 eingreift. Eine
ringförmige
Anschlagrille 36 ist im inneren Zahnrad 34 der
Muffe 32 vorhanden, wobei die genannte Rille 36 so
ausgelegt ist, dass in sie die Kugeln 27 teilweise eingreifen,
wenn sich die Muffe 32 in der neutralen Stellung befindet.
Schließlich
umfasst die Muffe 32 eine äußere ringförmige Spur 37, welche
so ausgelegt ist, dass in sie ein (nicht dargestelltes) mechanisches
Steuerteil beispielsweise vom Gabeltyp eingreifen kann, um die Muffe 32 in
die jeweiligen Betriebsstellungen zu verschieben.
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Es
soll nunmehr auf die 2 und 3 Bezug
genommen werden. Das Zahnrad 34 der Muffe 32 umfasst
eine erste Anzahl von Zähnen 40 und eine
zweite Anzahl von Zähnen 44.
Die Zähne 40 stehen
in axialer Richtung in Bezug auf die Zähne 44 vor, wobei
sie sich im gleichen Winkelabstand voneinander befinden und durch
ein Paar von Zähnen 44 getrennt
sind.
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Jeder
Zahn 40 weist auch ein Paar von Endbereichen 42 auf,
welche seitlich begrenzt ist durch zwei zugehörige Flanken 49 und
durch eine zugehörige
Fläche 50,
die am Ende rechtwinklig zur Achse 4 abgeschnitten ist
und eine Breite aufweist, die gleich der Dicke des Zahnes 40 ist;
die Flanken 49 sind abgeschrägt und verlaufen konvergent
von der Fläche 50 in
Richtung der Innenseite des Zahnes 40.
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Jeder
der Zähne 40 weist
ein Paar von zugehörigen
Endbereichen 57 auf, welche begrenzt werden durch die zugehörigen Flanken 58 und
durch zwei zugehörige
spitz zulaufende Flächen 59,
welche zu einer scharfen Kante in Ausrichtung mit der in Längsrichtung
verlaufenden Mittellinie des Zahnes 44 auslaufen. Die Flanken 58 sind
schräg
und laufen von den zugehörigen
gegenüber
liegenden Kanten der Flächen 59 aufeinander
zu, die voneinander einen jeweiligen Abstand aufweisen, der gleich
der Breite des Zahnes 44 ist.
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Auf
analoge Weise umfasst das Zahnrad 21 eines jeden Flansches 14 eine
erste Anzahl von Zähnen 41 und
eine zweite Anzahl von Zähnen 45.
Die Zähne 41 sind
von einer größeren axialen
Länge als die
Zähne 45 und
stehen in Bezug zu diesen in Richtung des jeweiligen Synchronisierringes 9 vor.
Die Zähne 41 befinden
sich voneinander im gleichen Winkelabstand und sind durch ein Paar
von Zähnen 45 getrennt.
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Die
Zähne 41 und
die Zähne 45 werden durch
die jeweiligen Paare von Flanken 53,54 und durch
die zugehörigen
Abtrennflächen 55, 56 begrenzt.
Die Flächen 55, 56 haben
untereinander die gleiche Breite, die gleich der Breite der Zähne 40, 44 der
Muffe 32 ist. Die Flanken 53 oder 54 eines
jeden Zahnes 41 oder 45 laufen von der zugehörigen Abtrennfläche 55 oder 56 konvergent
aufeinander zu.
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Das
Zahnrad 12 eines jeden Ringes 9 weist eine geringere
Anzahl von Zähnen 51 als
die der Zähne
der Zahnräder 21, 30, 34 auf.
Die Zähne 51 weisen
zugehörige
axiale Bereiche 42 auf, welche zur Nabe 7 gerichtet
sind und zu einer Spitze hin verjüngen.
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Im
Betriebszustand erhält
jede Kugel 27 während
der axialen Verschiebung der Muffe 32 aus der in 1 dargestellten
neutralen Stellung von der ringförmigen
Rille 36 einen axialen Schub, welchen sie auf eine der
zwei Schultern 26 überträgt, wodurch der
jeweilige Synchronisierring 9 in Gang gesetzt wird, und
sie gleitet in Richtung auf das Innere der zugehörigen Ausfräsung 25 gegen die
Wirkung der zugehörigen
Feder 28. Das Zahnrad 34 der Muffe 32 ist vom
Zahnrad 12 des nicht aktiven Ringes 9 völlig getrennt,
und die Reibungsfläche 18 des
aktiven Ringes 9 beginnt reibungswirkend mit der Reibungsfläche 17 des
zugehörigen
Flansches 14 zusammenzuwirken, wodurch die Geschwindigkeit
zwischen dem Flansch 14 und dem Ring 9 auf Null
herabgesetzt wird. Im Ergebnis der jeweiligen Antriebswirkung zwischen
dem Ring 9 selbst und dem Flansch 14 befindet
sich das Zahnrad 12 des aktiven Ringes 9 außerhalb
der Ausrichtung in Bezug auf das Zahnrad 34 der Muffe 32, wodurch
seine auf den Flansch 14 gerichtete Vorwärtsbewegung
so lange verhindert wird, bis der synchronisierte Zustand erreicht
ist.
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Auf
diese Betätigungs-
und Synchronisationsphase folgt eine Phase der Wiederausrichtung zwischen
dem Zahnrad 34 der Muffe 32 und dem Zahnrad 12 des
aktiven Synchronisierringes 9, d.h. eine Veränderung
der jeweiligen Winkelstellung dergestalt, dass die Zähne 51 des
Ringes 9 mit den Abständen
zwischen den Zähnen 40,44 der
Muffe 32 in Ausrichtung gebracht werden und folglich das
nachfolgende Gleiten der Muffe 32 in axialer Richtung möglich wird.
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Die
Wiederausrichtung bewirkt den teilweisen Verlust an Synchronisation
mit dem jeweiligen Flansch 14; unter besonderer Bezugnahme
auf 2 weisen die in axialer Richtung vorstehenden Zähne 40 der
Muffe 32 eine hohe Wahrscheinlichkeit auf, dass sie in
die Räume
zwischen den entsprechenden, in axialer Richtung vorstehenden Zähne 41 des
Flansches 14 eingefügt
werden, da zwischen den Zahnrädern 21 und 34 eine
restliche Geschwindigkeit vorhanden ist und die Flanken 49 des
Zahnes 40 mit den entsprechenden Flanken 53 der
Zähne 41 in
tangentialen Kontakt kommen. Unter weiterer Bezugnahme auf die 2 und 3 bestimmt
das abgeschrägte
Profil der Flanken 49,53 und der Flanken 58,54 eine
axiale Lastkomponente, welche dann das Kuppeln der Zahnräder 34 und 21 bis
zum völligen
Ineinandergreifen unterstützt
(3).
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In
dem Fall, in welchem die in axialer Richtung vorstehenden Zähne 40 der
Muffe 32 in axialer Richtung mit den entsprechenden, in
axialer Richtung vorstehenden Zähnen 41 des
Flansches 14 ausgerichtet sind, ermöglicht die jeweilige verbleibende Winkelgeschwindigkeit
eine unmittelbare Rückkehr zum
oben beschriebenen Fall. Weiterhin verjüngen sich die Reibungsflächen 17 und 18 gegenüber dem Reibungswinkel
in einem stärkeren
Ausmaß,
wobei der Unterschied zwischen den zwei Größen größer oder gleich einem vorgegebenen
Schwellwert ist, der von den verschiedenen und spezifischen Betriebsbedingungen
dergestalt abhängt,
dass der teilweise Verlust an Synchronisation während der Wiederausrichtung
zwischen dem Zahnrad 34 und dem Zahnrad 12 ermöglicht wird.
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Aus
dem Vorangegangenem ist klar ersichtlich, dass die beschriebene
synchronisierte Kupplung 1 sehr bequem, gleichmäßig und
schnell ineinander greifen kann, weil die Phase der Ausrichtung
des Zahnrades 34 der Muffe 32 mit dem Zahnrad 21 des jeweiligen
Flansches 14 automatisch als Ergebnis des tangentialen
Eingreifens der in axialer Richtung vorstehenden Zähne 40,41 der
Muffe 32 und des Flansches 14 erfolgt, wobei dadurch
die Betätigungskräfte vermindert
werden und die Veränderungen
bei den Axiallasten beseitigt werden. Darüber hinaus ist das spezielle
Profil der Flanken 49, 53 und der Flanken 58, 54 dergestalt,
dass nachfolgend das Kuppeln der Übertragung dahingehend erleichtert
wird, dass es möglich
wird, die auf den Flansch 14 wirkenden starken Kräfte in der
Form auszunutzen, dass die Zahnräder 34 und 21 ineinander
greifen, ohne dass nachfolgende Spannungskräfte ausgeübt werden müssen. Schließlich wird
aus dem Vorangegangenen klar ersichtlich, dass die beschriebene
synchronisierte Kupplung 1 Modifikationen und Veränderungen unterzogen
werden kann, welche nicht vom Rahmen des Schutzes der vorliegenden
Erfindung abweichen. Insbesondere könnten die Anzahl der Zähne 40 und 41 geringer
sein als die Anzahl der Zähne 44 beziehungsweise 45 sein,
und ganz allgemein könnten
die Zahnräder 34 und 21 ein
Profil aufweisen, welches sich von dem unterscheidet, welches exemplarisch
beschrieben worden ist, allerdings so angepasst worden ist, dass
es das Eingreifen der genannten Zahnräder 34 und 21 erleichtert.
Schließlich könnten das
Zahnrad 21 und die Reibungsfläche 17 auf den Zahnrädern 6 direkt
und ohne die Zwischenschaltung der Flansche 14 ausgebildet
werden.