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Schaltkupplung für Zahnräderwechselgetriebe mit Sperrsynchronisierung
Die Erfindung bezieht sich auf eine für Zahnräderwechselgetriebe vorgesehene Schaltkupplung
mit Sperrsynchronisierung. Derartige Schaltkupplungen sind, bekannt und arbeiten
z. B. in der Weise, daß in radialen Bohrungen eines axial verschiebbaren, mit Synchronisierungsring
und Kupplungshülse versehenen Muffenkörpers Sperrkugeln vorgesehen sind, die durch
ein beim Synchronisierungsvorgang auftretendes Drehmoment mittels Schrägflächen
in eine Sperrstellunggehracht werden, in der sie das Verschieben der Kupplungshülse
bis zum Eintritt des Gleichlaufes der beiden Kupplungshälften verhindern. Bei diesen
bekannten Schaltkupplungen sind zusätzlich zu den das vorzeitige Verschieben der
Kupplungshülse verhindernden Sperrkugeln noch Spreizringe oder weitere unter Federspannung
stehende Sperrkugeln vorgesehen, welche dazu dienen, bei einem Schaltvorgang den
Muffenkörper aus der Ruhelage an das zu kuppelnde Rad heranzuführen, um zunächst
einmal die Synchronisierungsringe zur Berührung zu bringen. Durch die Verwendung
der Spreizringe wird jedoch die Baulänge der Schaltkupplung verhältnismäßig groß,
während durch die Unterbringung zusätzlicher Kugeln im Muffenkörper der Aufbau der
ganzen Schaltmuffe kompliziert wird.
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Durch die Erfindung sollen derartige Schaltkupplungen mit Sperrsynchronisierung
vereinfacht, verbessert und auf eine möglichst geringe Baulänge der Synchronisierungseinrichtung
gebracht werden.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß Kupplungshülse
und Muffenkörper der Schaltkupplüng
derart ausgebildet und die
Sperrkugeln so angeordnet sind, daß .die das Kuppeln :bei nichtsynchronem Lauf verhindernden
Sperrkugeln auch die Verschiebung der Kupplungshülse in axialer Richtung gegenüber
d em Muffenkörper bis, zur Berührung der Synchronisierungsringe sperren.
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Zu diesem Zweck sind Synchronisierungsringe tragende Sperringe gegebenenfalls
mit zwei oder mehr axial gerichteten, in nierenförmige Ausschnitte des Muffenkörpers
eingreifenden Ansätzen vorgesehen. An den Sperringen greifen Federn an, durch die
die Sperringe mit ihren Ansätzen bzw. Einschnitten gegen Anschläge des Muffenkörpers
gedrückt werden. Die Sperringansätze bzw. die Sperrringe selbst, wenn sie als volle
Ringe, also ohne besondere Ansätze; ausgebildet sind, tragen Ausnehmungen, durch
deren Schrägflächen die Sperrkugeln- in die radialen Bohrungen des Muffenkörpers
gedrückt werden.
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Vorteilhaft sind die an den Sperringen angreifenden Federn als Drahtfedern
ausgebildet, die mindestens halbkreisförmig um den Muffenkörper herumgelegt sind,
und zwar derart, .daß das bei der Berührung von nicht :gleichlaufenden Synchronisierungsringen
durchReibungentkehende Drehmoment die von den Federn auf den Sperring ausgeübte
Umfangskraft verstärkt. Die Spannung der Federn ist so bemessen, daß die Sperrkugeln
.dem -auf die Kupplungshülse ausgeübten Druck des Schalthebels nachgeben können,
wenn bei Gleichlauf der Synchronisierungsringe kein zusätzliches Drehmoment auf
den Muffenkörper ausgeübt wird.
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Bei Anordnung eines einzigen Sperringes in einer Kupplungsmuffe ist
jede der auf diesen Sperring einwirkenden Federn mit ihrem einen Ende an einem Ansatz
des Sperringes bzw. an dem Sperrring selbst und mit ihrem anderen Ende am Muffenkörper
abgestützt, während bei Anordnung von zwei Sperringen in einer Kupplungsmuffe vorteilhaft
die Enden der diese Sperringe verdrehenden Federn wechselseitig an den Ansätzen
beider Sperrringe bzw. an diesen selbst abgestützt sind.
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Auf der Innenseite der auf dem Muffenkörper verschiebbaren Kupplungshülse
ist eine ringförmige Nut angebracht, in die die Sperrkugeln =unter Einwirkung der
unter Federspannung stehenden Schrägflächen bereits in der Ruhelage der Schaltkupplung
gedrückt werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, bei Anordnung eines einzigen
Sperrringes in einer Kupplungsmuffe, z. B. fier den ersten und zweiten Gang, außer
der Ringnut in der Mitte der Kupplungshülse noch eine weitere- Ringnut am Rand der
Kupplungshülse vorzusehen, die beim Heraufschalten vom ersten zum zweiten Gang wirksam
wird. ` In den Zeichnungen ist die Erfindung Beispielsweise und schematisch dargestellt.
Es zeigt Fig. z ein Vierganggetriebe im Längsschnitt mit den erfindungsgemäßen Synchronisierungs-
und Sperreinrichtungen im Ruhezustand, Fig. 2 eine Seitenansicht der Kupplungsmuffe
für den dritten und vierten Gang, zum Teil im ,.Schnitt, vom dritten Gangrad aus
gesehen, Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Getriebe gemäß Fig. T während des Einschaltens
des dritten Ganges, Fig. 4 einen Ausschnitt ähnlich Fig. 3, aber nach dem Einschalten
des dritten Ganges, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie A-B in Fig. 4, Fig.6 eine Seitenansicht
der Kupplungsmuffe für -den ersten und zweiten Gang, zum Teil im Schnitt, vom zweiten
Gangrad aus gesehen, Fig. 7 einen Sperring für den zweiten Gang, mit Ansätzen, Fig.
8 einen Sperring für den zweiten Gang; in anderer Ausführung, Fig.9 Sperringe für
den dritten und vierten Gang, mit Ansätzen, !, Fig. to eine Seitenansicht der Kupplungshülse
für den dritten und vierten Gang, zum Teil im Schnitt: Das in Fig. z dargestellte
Vierganggetriebe besteht aus .den auf einer Antriebswelle r fest angebrachten Zahnrädern
2, 3, 4, 5 und den auf einem Triebling 6 angeordneten Zahnrädern. 7, 8, 9, 10-Von
diesen Rädern ist das Zahnrad 7 auf dem Triebling G nicht drehbar, aber axial verschiebbar;
während die Zahnräder 8; 9 und ro, die mit Kupplungskörpern 1r, z2 bzw.
13 fest verbunden sind, auf Hülsen lose laufen, die ihrerseits mit der Abtriebswelle
6 verbunden sind. Durch Kupplungsmuffen, die durch nicht dargestellte, in die Ringnuten
14, 15 eingreifende Schaltgabeln gesteuert werden, kann der jeweils gewünschte Gang
eingeschaltet werden.
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Die Kupplungsmuffe für den ersten und zweiten Gang besteht aus einem
Muffenkörper 16, der auf einer auf dem Triebling 6 fest angebrachten, mit Nuten
versehenen Führungshülse 17 axial verschiebbar ist. Auf dem gezahnten Umfang
des Muffenkörpers 16 ist eine mit -dem Zahnrad 7 eine Einheit bildende Kupplungshülse
18 angeordnet, die axial verschiebbar ist, sofern sie nicht durch Sperrkugeln z9
daran gehindert wird. Es sind, wie aus Fig. 6 Hervorgeht, zwei Sperrkugeln r9 vorgesehen,
die sich in radial verlaufenden Bohrungen 34 des Muffenkörpers 16 bewegen
können. Diese Bewegung der Kugeln z9 wird einerseits durch die in der Innenfläche
der Kupplungshülse 18 vorgesehene ringförmige Nut 21 begrenzt, andererseits durch
Keilflächen 28 bzw. 33 der Ansätze 22, die auf einem in dem Muffenkörper 16 drehbar
gelagerten Sperring 23 angebracht sind (Fig. 6 und 7). Die Ansätze 22 ragen in nierenförmige
Ausschnitte 24 des Steges des Muffenkörpers 16 und gestatten dem Sperring 23 nur
eine begrenzte Drehbewegung gegenüber dem Muffenkörper 16, und zwar so weit, bis
die Ansätze 2.2 an die Begrenzungsflächen 27 bzw. 32 der Ausschnitte 24 stoßen (Fig.
6).
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Durch Federn 26, die einerseits an dem Muffenkörper 16, andererseits
an den Ansätzen 22 angreifen, ist bereits im Ruhezustand der Kupplungsmuffe der
Sperring 2.3 .derart verdreht, daß die Ansätze 22 an den Stellen 27 anliegen und
die Kugeln Z9 durch die keilförmigen Flächen 28 in die Sperrstellung gedrängt sind.
In dieser Stellung hindern die in der Nut 21 liegenden Sperrkugeln r9
ein
Verschieben der Kupplungshülse 18 gegenüber dem Muffenkörper 16. 'Die Kupplungshülse
trägt an ihrem zum Kupplungskörper gelegenen Rand eine weitere ringförmige Nut 2o,
die durch die Innenzähne 29 begrenzt ist. Mit dem Sperring 23, dessen axiale Bewegung
gegenüber dem Muffenkörper 16 durch einen Sprengring 25 verhindert wird, ist ein
mit einem Innenreibkegel versehener Synchronisierungsring 30 fest verbunden,
der beim Kupplungsvorgang mit einem Außenreibkegel-3,i des Kupplungskörpers i i
in Berührung gebracht wird.
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Die Kupplungsmuffe für den ersten und zweiten Gang kann aber auch,
wie in Fig. 8 gezeigt ist, aus einem vollen Ring 6o@ bestehen., der wenigstens einen
axial gerichteten Einschnitt 61 trägt, dessen Begrenzungsflächen 62, 63 als Anschläge
für einen nicht dargestellten, am Muffenkörper angebrachten Anschlagstift dienen.
Die keilförmigen Flächen 64, 65 zur Führung der Sperrkugeln sind in den Sperrring
selbst eingeschnitten. Die Löcher 66 dienen zur Aufnahme der Enden der den Sperring
verdrehenden Federn 26.
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Die Kupplungsmuffen für den dritten und vierten Gang sind zu einer
gemeinsamen Muffe zusammengefaßt und haben auch einen für beide Gänge gemeinsamen
Muffenkörper 35. Wird die Kupplungshülse 37 in Richtung des Pfeiles III verschoben,
so wird der dritte Gang eingeschaltet, bei Verschiebung der Hülse 37 in Richtung
des Pfeiles IV der vierte Gang. Der Muffenkörper 35 ist auf einer mit Nuten versehenen,
auf dem Triebling 6 befestigten Hülse 36 axial verschiebbar, während die Kupplungshülse
37 ihrerseits auf der Außenverzahnung des Muffenkörpers 35 axial verschoben werden
kann, sofern sie nicht in ihrer Bewegung durch Sperrkugeln 38, 39 gehindert ist.
Der Muffenkörper 35 ist in seinem Stegteil mit zwei nierenförmigen Ausnehmungen
40 versehen, in denen sich die an Sperringen 43 bzw. 44 angebrachten, von
beiden Seiten gegeneinander versetzt in die Ausnehmungen 4o hineinragenden Ansätze
44 42 bewegen können (Fig. 9). An den Ansätzen 41, 42 greifen Federn 45 an, und
zwar derart, daß durch eine einzige Feder 45 je ein Ansatz 41 und 42 der beiden
Sperrringe 43, 44 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise sind die Ansätze
41, 42 bereits im Ruhezustand der Kupplungsmuffe an die Begrenzungsflächen 46, 47
der Ausnehmungen 40 gedrückt und die Kugeln 38, 39 durch die Keilflächen 48, 49
in die Sperrstellung gedrängt. In dieser Sperrstellung liegen sie in einer in der
Mitte der Kupplungshülse 37 vorgesehenen, beiden Kugelgruppen gemeinsamen ringförmigen
Nut 50 und verhindern auf diese Weise ein Verschieben der Kupplungshülse
37 gegenüber dem Muffenkörper 35.
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An den Sperringen 43 und 44, die .durch Sprengringe 54 bzw. 55 gegen
axiale Verschiebung gesichert werden, sind Synchronisierungsringe 56 bzw. 57 befestigt,
deren Innenreibkegel mit Außenreibkegeln 59 bzw. 58 der Kupplungskörper 13 bzw.
12 in Berührung kommen können.
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Die Schwierigkeiten beim Schalten von Kraftfahrzeuggetrieben ergeben
sich insbesondere beim Herunterschalten von einem höheren auf einen niedrigeren
Gang, und zwar dadurch, daß man den richtigen Zeitpunkt zum Einrücken des Ganges
und der Kupplung verfehlt. Diese Schwierigkeiten treten bei der erfindungsgemäßenGetriebeanordnung
nicht auf, da beim Schalten eines Ganges das Einrücken der Kupplungshülse so lange
gesperrt wird, bis die beiden zu kuppelnden Teile tatsächlich in Gleichlauf gekommen
sind.
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Soll z. B. das in Fig. i dargestellte Getriebe vom vierten auf .den
dritten Gang geschaltet werden, dann ist die Kupplungshülse 37 in Richtung des Pfeiles
III zu verschieben. Der von der nicht dargestellten Schaltgabel auf die Kupplungshülse
37 ausgeübte seitliche Druck bewirkt zunächst ein Verschieben der ganzen Kupplungsmuffe
in Richtung des Pfeiles III, da sich die Kupplungshülse 37 gegenüber dem Muffenkörper
35 infolge der in Sperrstellung befindlichen Kugeln 38 nicht verschieben kann. Wenn
nach einem kurzen Weg der Kupplungsmuffe in Richtung des Pfeiles III die Synchronisierungsringe
57, 58 in Berührung kommen, kann der Muffenkörper 35 nicht weiter verschoben werden.
Der von der Schaltgabel auf die Kupplungshülse 37 ausgeübte Druck wirkt auf die
Kugeln 38; es besteht aber keine Gefahr, daß diese dadurch vorzeitig aus ihrer Sperrstellung
herausgedrückt werden; denn durch den nichtsynchronen Lauf des Muffenkörpers 35
(hohe Drehzahl) und des Kupplungskörpers 12 (geringe Drehzahl) entsteht infolge
Reibung der Synchronisierungsringe 57, 58 ein Drehmoment, das .bei einer angenommenen
Drehrichtung der Antriebswelle i im Sinne des Pfeiles 51 und bei der dadurch bedingten
Drehrichtung des Trieblings 6 im Sinne des Pfeiles 52 den Sperring 43 mit den Ansätzen.
41 in Richtung des Pfeiles IV/III (Fi:g. 2) gegenüber dem Muffenkörper 35 derart
zu verdrehen sucht, daß die Wirkung der Federn 45, die die Ansätze 41 des Sperringes
43 bereits an die Anschläge 46 gedrückt haben, nur noch unterstützt wird; d. h.
die Kugeln 38 werden mit sehr großer Kraft in ihrer Sperrstellung gehalten. Erst
wenn Gleichlauf eingetreten ist, hört das auf den Sperring 43 wirkende Drehmoment
auf, so daß nur noch die Kraft der Federn 45 die Kugeln 38 in der Sperrstellung
hält. Diese Federn 45 sind aber so bemessen, daß sie die Kugeln 38, 39 sicher in
der Sperrstellung halten, wenn bei Beginn der Schaltbewegung die ganze Schaltmuffe
verschoben wird, bis die Synchronisierungsringe zur Berührung kommen, worauf dann
sofort die durch das Drehmoment hervorgerufene zusätzliche Drehkraft einsetzt; die
Federn 45 geben aber dem auf die Kugeln i9 ausgeübten Druck nach, wenn diese zusätzliche
Kraft aufhört. Durch die im Querschnitt keilförmig gebildete Nut 50 (Fig. io) werden
die Kugeln 38 in die radial verlaufenden Bohrungen des Muffenkörpers 35 zurückgedrückt
und. zum Herabgleiten auf den Keilflächen 48 der Ansätze 41 gezwungen, wobei die
Federn 45 gespannt werden. Da gleichzeitig auch die in der gleichen Nut laufenden
Sperrkugeln 39 des Sperrringes 44 in die Ausneh-mungen dieses Ringes gedrängt
werden,
wird die Spannung der Federn 45, die mit ihrem -anderen Ende an den Ansätzen 42
des Sperringes 44 anliegen, noch erhöht.
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Fig. 3 zeigt diesen nur vorübergehend bestehenden Schaltzustand, in
dem der Sperring 43 und der Kupplungskörper 12 des Zahnrades 9 gerade in Gleichlauf
gekommen sind und die in Richtung des Pfeiles III schon etwas verschobene Kupplungshülse
37 die Kugeln 38 aus der Sperrstellung zurückgedrückt hat.
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Die Lage der Kupplungsteile im Zustand der endgültigen Einschaltung
des dritten Ganges ist aus Fig. 4 und 5 ersichtlich. Die Kupplungshülse 37 ist in
vollem Eingriff mit dem Kupplungskörper 12 des Zahnrades 9; die Kugeln 38, 39 sind
durch die Zähne 53 vollständig in die keilförmigen Ausnehmungen der Ansätze 41,42
gedrückt; die Federn 45 sind stark gespannt.
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Beim Herunterschalten vom dritten auf den zweiten Gang wird die Kupplungshülse
37 in die Ruhestellung zurückgebracht und damit die Kupplung des Trieblings 6 mit
dem Zahnrad 9 gelöst; darauf wird die Kupplungshülse i8 in Richtung des Pfeiles
II bewegt. Der weitere Vorgang entspricht dem beim Zurückschalten vom vierten auf
den dritten Gang und verläuft folgendermaßen: Die Kugeln i9 verhindern, daß sich
die Kupplungshülse 18 gegenüber -dem Muffenkörper 16 in Richtung des Pfeiles II
verschiebt, so daß die ganze Kupplungsmuffe axial verschoben wird, bis die Synchronisierungsringe
3o und 31 zur Berührung kommen. Durch das dabei auftretende Drehmoment in Richtung
des Pfeiles III/II (Fig. 6), hervorgerufen .durch die höhere Drehzahl des Muffenkörpers
16 gegenüber der niedrigeren Drehzahl des Kupplungskörpers z i, werden die Ansätze
22 des Sperringes 30 fest an die Anlagestellen 27 der Ausnehmungen 24 gepreßt, so
daß ,die bereits durch die Federn. 26 in Sperrstellung gebrachten Kugeln 19 sicher
in dieser gehalten werden. Die Kupplungshülse 18 kann -erst dann zum Eingriff mit
dem Kupplungskörper i i gebracht werden, wenn zwischen diesem und dem Müffenkörper
16 Gleichlauf erzielt ist; dann hört das auf den Sperring 23 ausgeübte Drehmoment
auf, so daß die Kugeln i9 nur durch die Federn 26 in ihrer Sperrstellung gehalten
werden. Die Kraft dieser Federn 2:6 ist in ,gleicher Weise bemessen wie die der
Federn 45 beim dritten und vierten Gang; sie kann daher, wenn sie nur allein wirkt,
durch den auf die Kupplungshülse 18 ausgeübten seitlichen Druck überwunden werden,
so daß die Einschaltung des zweiten Ganges erfolgen kann.
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Beim Herunterschalten auf den ersten Gang ist keine Synchronisierung
und keine Sperrung vorgesehen.
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Die Vorgänge beim Heraufschalten von einem niedrigen auf einen höheren
Gang sind ähnlich den Vorgängen beim Herunterschalten. Soll z. B. vom dritten Gang
aus der vierte Gang eingeschaltet werden; so ist die Kupplungshülse 37 in Richtung
des Pfeiles IV zu verschieben. Dabei wird durch das beim Eingriff der Synchronisierungsringe
56
und 59 hervorgerufene Drehmoment der Sperring 44 in Richtung des Pfeiles
lII/IV verdreht (Fig.2), so daß die an den Stellen 47 bereits anliegenden Ansätze
42 des Sperringes 44 sicher in dieser Stellung gehalten werden. Die Kugeln 39 bleiben
in ihr=er Sperrstellung, bis der Gleichlauf des Muffenkörpers 35 mit dem Kupplungskörper
13 des Zahnrades io erzielt ist; .dann kann ,das Verschieben der Kupplungshülse
37 in Richtung des Pfeiles IV bis zur endgültigen Einschaltung des vierten Ganges
erfolgen.
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Entsprechende Vorgänge spielen sich beim Heraufschalten vom ersten
in den zweiten Gang bzw. vom zweiten in den dritten Gang ab. In diesen Fällen wirkt
das auf die Sperringe 23 bzw. 43 ausgeübte Drehmoment (entsprechend .den Pfeilen
I/II in Fig. 6 bzw. II/III in Fig. 2) entgegen den von den Federn 26 bzw. 45 ausgeübten
Drehkräften auf die Ansätze 22 bzw. 41. Der Möglichkeit, daß die Sperrkugeln infolge
Abgleitens auf den Schrägflächen der Ausnehmungen bei der durch dieses Drehmoment
hervorgerufenen Umkehrbewegung der Sperringe vorübergehend unwirksam werden, ist
durch die nachstehend erläuterten Maßnahmen begegnet.
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Ist der erste Gang eingeschaltet, so liegen die Sperrkugeln i9 in
der am Rand der Kupplungshülse 18 vorgesehenen Nut 2o. Soll der zweite Gang eingeschaltet
werden, so wird zunächst die Kupplungshülse 18 mit dem Muffenkörper 16 in Richtung
des Pfeiles I1 (Fig. i) so weit verschöben, bis die Synchronisierungsringe 30, 31
zur Berührung kommen. Durch das dabei auftretende Drehmoment erfolgt eine Verdrehung
des Sperringes 23 mit den Ansätzen 22 im Sinn des Pfeiles I/II (Fig. 6), also entgegen
der Wirkung der Feder 26, so daß die Sperrkugeln i9 unter dem Druck er Keilflächen
an den Zähnen 29 auf den Schrägflächen 28 in die Ausnehmungen 22 rollen und dabei
ihre Sperrstellung für die Kupplungshülse 18 aufgeben: Die Kupplungshülse 18 kann
daher in Richtung des Pfeiles II (Fig. i) verschoben werden, wird aber in dem Augenblick,
in dem die Nut 2 i in den Bereich der ,dann schön wieder von den Schrägflächen 33
geführten Sperrkugeln ig kommt, durch das von den Synchronisierungsringen ausgeübte
Drehmoment erneut und so lange gesperrt, bis der Gleichlauf des Muffenkörpers 16
mit dem Kupplungskörper i i des Rades 8 erzielt ist.
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Beim Heraufschalten vom zweiten in den dritten Gang wird ein vorzeitiges
Verschieben der Kupplungshülse in ähnlicher Weise verhindert. Wenn beim Bewegen
der Kupplungshülse 37 und des Muffenkörpers 35 in Richtung :des Pfeiles III (Fig.
i) die Synchronisierungsringe 57, 58 zum Eingriff kommen, dann wird durch das dabei
auftretende Drehmoment der Sperring 43 mit den Ansätzen 41 im Sinn des Pfeiles II/III
-(Fig. 2) verdreht; dabei gelangen die Sperrkugeln 38 vorübergehend aus ihrer Sperrstellung
in die Ausnehmungen der Ansätze 41. Die durch das auftretende Drehmoment in Richtung
.des Pfeiles II/III (Fig: 2) gedrehten Ansätze 41 des Sperringes 43 bewirken
jedoch
eine Verstärkung der Spannung der mit ihrem anderen Ende an den Ansätzen 42 des
Sperrringes 44 abgestützten Federn 45, so daß die Sperrkugeln 39 (für den
vierten Gang) mit :großer Kraft in die Sperrstellung gedrückt werden. Die in derselben
Nut 5o wie die Sperrkugeln 38 laufenden Sperrkugeln 39 verhindern somit,
ohne selbst an einem Synchronisierun.gsvorgang beteiligt zu sein, eine Verschiebung
der Kupplungshülse 37, bis bei Gleichlauf zwischen dem Muffenkörper 35 und dem Kupplungskörper
12 des Rades 9 das zusätzliche Drehmoment aufhört und nur die Kraft der Federn 45
allein wirksam ist.