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Umschaltkupplung Die Erfindung betrifft eine Umschaltkupplung in Form
einer Doppelfreilaufkupplung, bei der eine einen Zahnkranz tragende Schraulbmuffe
auf einem Steilgewinde einer Welle aus einer mittleren Freilaufstellung unter Mithilfe
von Einrückklinken in je eine Endstellung verschraubbar ist, in der sie je in einen
Innenzahnkranz anderer Getriebeteile eingreift, wobei die Zahnkränze Abweisflanken
tragen.
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Solche Umschaltkupplungen finden beispielsweise Anwendung in Geschwindigkeitswechselgetrieben,
wobei die den Außenzahnkranz tragende Schraubmuffe auf einem Steilgewinde der getriebenen
Welle verschraubbar ist und in ihren Endstellungen in entsprechende Innenzahnkränze
eingreift, die jeweils dem einen und dem anderen Geschwindigkeits-Übersetzungsverhältnis
zugeordnet sind. Die bekannten Abweisflanken dienen dazu, das Einrücken in der einen
Drehrichtung unmittelbar nach Durchgang durch die Synchrondrehzahl zu erleichtern
und in der arideren Drehrichtung zu verhindern.
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Die Erfindung sieht nun vor, daß bei einer solchen Umschaltkupplung
die Stirnflächen nur eines der jeweils ineinandergreifenden Zahnkränze abgeschrägt
sind.
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Das hat gegenüber der bekannten beiderseitigen Abschrägung erstens
den Vorteil, daß die Fertigungskosten etwas gesenkt werden, weil nur die Hälfte
der Zahnstiraflächen der miteinander in Eingriff kommenden Verzahnungen abgeschrägt
zu werden braucht. Hierbei ist es am einfachsten, die Abweisflanken entweder an
den beiden Innenzahnkränzen
oder an beiden Seiten des Außenzahnkranzes
anzubringen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in folgendem:
Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen Kupplungen die Schraubmuffe unter bestimmten
Betriebsbedingungen einen Zustand durchläuft, der nachstehend mit »Flatterbewegung«
bezeichnet werden soll. Die Gründe für das Auftreten einer derartigen Flatterbewegung
werden noch im einzelnen erläutert. Diese Flatterbewegung äußert sich in der Weise,
daß der Zahnkranz der Schraubmuffe einseitig an einem der mit unterschiedlichen
Drehzahlen umlaufenden Gegenzahnkränze anzulaufen beginnt, beim Anlauf durch die
Abweisflanken abgestoßen wird, am Gegenzahnkranz anläuft, wieder abgestoßen wird
usw. Diese Bewegung kann zu einer raschen Zerstörung der Anlaufflächen, insbesondere
der Kanten führen. Bei dem Vorschlag nach der Erfindung besteht jedoch sowohl die
Möglichkeit, daß die abgeschrägten Stirnflächen der Zähne der einen Verzahnung an
die Kanten der nicht abgeschrägten Zähne der anderen Verzahnung anlaufen, was eine
gegenseitige Abweisung der Verzahnungen in axialer Richtung zur Folge hat, als auch
die Möglichkeit, daß die Kanten der Zähne der mit abgeschrägten Stirnflächen versehenen
Verzahnung an die nicht abgeschrägten Stirnflächen der anderen Verzahnung anlaufen,
wobei keine Abweiswirkung eintritt, wenn man von der durch die Elastizität der Bauglieder
gegebenen Prellwirkung absieht. Die Wahrscheinlichkeit des Aufschaukelns der »Flatterbewegung«
ist also beim Erfindungsgegenstand nur halb so groß wie bei einer Anordnung, bei
welcher beide einander zugekehrten Stirnflächen der miteinander in Eingriff kommenden
Verzahnungen abgeschrägt sind. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer dieses besonders
empfindlichen Kupplungsteils beträchtlich.
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Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung wird beschrieben. Es stellt dar:
Fig. i den Längsschnitt durch ein zweistufiges Planetenradgetriebe einer an sich
bekannten Bauart, bei welchem die Erfindung angewandt ist, wobei der Längsschnitt
längs der Linie I-I in Fig. 2 verläuft, Fig. 2 einen Querschnitt durch das in. Fig.
i dargestellte Getriebe längs der Linie II-II in Fig. i, Fig. 3 ein Abwicklungsschema
der Kupplungsverzahnungen, wie sie bei bekannten Umschaltkupplungen in Getrieben,
beispielsweise der in Fig. i und 2 dargestellten Bauart bisher Anwendung fanden,
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Abwicklungssehema ähnlich Fig. 3, jedoch in größerem
Maßstab, der die Ausbildung der Verzahnungen gemäß der Erfindung zeigt, Fig. 5 ein
Abwicklungsschema ähnlich Fig. 4, welches eine andere Ausführungsform der Erfindung
zeigt, Fig. 6 eine Stirnansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Zahnes,
Fig. 7 eine Aufsicht auf den in Fig. 6 dargestellten, gemäß der Erfindung ausgebildeten
Zahm und , Fig. 8 eine Seitenansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Zahnes
gemäß Fig. 6 und 7.
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Die treibende Welle Io, welche durch eine Hohlwelle i i hindurchrast,
auf welcher außen ein Sonnenritzel I2 und ein Steilgewinde I9 angeordnet sind, hält
an ihrem Ende einen Planetenradträger 13 mit Planetenrädern 14. Auf der getriebenen
Welle 16 ist eine mit einer Innenverzahnung versehene Trommel 15 befestigt. Auf
der treibenden Welle Io ist weiterhin eine Trommel 17 befestigt, welche an ihrer
Innenseite eine Verzahnung 18 aufweist, die von Zähnen I8A gebildet wird, die jeweils
mit Zähnen i8 B halber Zahnhöhe abwechseln. Eine auf dem Steilgewinde I9 verschraubbare
Muffe 2o ist mit einer Außenverzahnung 22 versehen, die wahlweise mit der Innenverzahnung
18 und mit einer an einem mit dem Getriebegehäuse fest verbundenen Ring 24 gebildeten
Innenverzahnung 23 in Eingriff gebracht werden kann, die widderum von Zähnen 23
A voller Zahnhöhe und Zähnen 23B halber Zahnhöhe gebildet wird. Die Schraubmuffe
2o ist mit Einrückklinken 25 ausgestattet, deren Nasen z7 in Drehrichtung der treibenden
Welle Io weisen und die mittels Federn 28 radial nach außen gedrückt werden. Wenn
die Schraubmuffe 2o sich in der in Fig. i dargestellten mittleren Stellung befindet,
wirken die Klinken 25 mit den Zähnen der Innenverzahnung 18 zusammen.
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Die Schraubmuffe 2o ist außerdem mit Einrückklinken 32 ausgestattet,
deren Nasen 33 entgegen der Drehrichtung der treibenden Welle Io weisen und die
mit der Innenverzahnung 23 des Ringes 24 zusammenwirken, wenn sich die Schraubmuffe
20 in ihrer Mittellage befindet.
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Auf der Schraubmuffe 2o ist axial verschiebbar eine mittels einer
Schaltstange 35 einer Schaltgabel 36 verschiebbare Schaltmuffe 34 angeordnet. Diese
ist mit einer inneren Geradverzahnung 37 ausgestattet, die in eine äußere Geradverzahnung
38 der Schraubmuffe 2o eingreift und außerdem in eine äußere Geradverzahnung 39
der Hohlwelle II dann eingreift, wenn die Schraubmuffe 2o sich in ihrer rechten
Endstellung befindet. Die Schaftmuffe 34 weist ferner eine Innenverzahnung 40 auf,
die dann in die Außenverzahnung 39 der Hohlwelle i i eingreift, wenn die Schraubmuffe
2o sich in ihrer linken Ezldstellung befindet.
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Wie aus Fig. i ersichtlich, befindet sich das Getriebe, wenn die Schraubmuffe
2o sich in ihrer linken Endstellung befindet, in welcher die Außenverzahnung 22
in die Innenverzahnung 18 eingreift, im direkten, d. h. langsamen Gang, und wenn
die Schraubmuffe 20 sich in ihrer rechten Endstellung befindet und die Außenverzahnung
22 in die Innenverzahnung 23 eingreift, im Schnellgang.
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Das Getriebe und die darin verwendete Umschaltkupplung sind, soweit
bisher beschrieben, an sich bekannt.
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Obwohl, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, die Einrückklinken 25 und
32 jeweils unmittelbar nach Durchgang durch die Synchrondrehzahl ein leichtes Hineingleiten
der Außenverzahnung 22 in die jeweilige Innenverzahnung 18 bzw. 23 sicherstellen,
kann
trotzdem eine »Flatterbewegung« eintreten. Dieses »Flattern« besteht in einem mehr
oder min, der fortgesetzten axialen Hin- und Herbewegen der Schraubmuffe 2o zwischen
zwei Lagen, in welchen jeweils die Stirnseiten oder die Zahnkanten der Außenverzahnung
22 sich an die ihnen zugekehrten Stirnseiten bzw. Zahnkanten der Innenverzahnung
18 bzw. 23 anlegen. Das »Flattern« tritt insbesondere beim Gangwechsel auf und dürfte
seine Ursache unter anderem auch darin haben., daß mit Rücksicht auf die bei der
Herstellung einzuhaltenden Toleranzen ein gewisses Flankenspiel zwischen den Kupplungszähnen
vorgesehen sein muß. Zur Erläuterung des »Flattervorganges« sei angenommen, daß
ein Getriebe der in Fig. i und 2 dargestellten Bauart mit seiner treibenden Welle
Io über eine Strömungskupplung an die Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeuges angeschlossen
sei. Weiterhin wird angenommen, daß der Schnellgang eingerückt sei und daß die Antriebsmaschine
bei einer weit unter ihrer Höchstdrehzahl liegenden Drehzahl Drehmoment entwickelt.
Um in den kleinen Gang zurückzuschalten, wird durch Verschieben der Schaltstange
35 nach links ein federnder Druck in derselben Richtung auf die Schaltmuffe 34 ausgeübt.
Wird nun (beispielsweise durch kurzzeitige Unterbrechung des Zündstromkreises) das
Maschinendrehmoment kurz unterbrochen, so kann. die Schaltmuffe sieh nach links
bewegen, bis die linken Stirnseiten ihrer Innenverzahnung 4o an die rechten Stirnseiten
der Außenverzahnung 39 der Hohlwelle i i anschlagen. Dadurch kann, da sich die Außenverzahnung
39 der Hohlwolle II in der inneren Umfangsnut der Schaltmuffe 34. befindet, die
Schaltmuffe sich relativ zur Hohlwelle i i verdrehen und die Schraubmuffe 2o sich
auf dem Steilgewinde i9 nach links verschrauben, sobald dieses in Drehrichtung der
Schraubmuffe 2o voreilt. Wird das Drehmoment der Antriebsmaschine wieder eingeleitet,
so wird diese, da sie nunmehr ohne Last läuft, sehr schnell beschleunigen, und der
Planetenradträger 13, der mit der treibenden Welle Io fest verbunden ist, wird nunmehr
rascher umlaufen als die auf der getriebenen Welle I6 befestigte Trommel 15, so
daß unter Rückwärtsdrehung der Planetenräder 14 die Hohlwelle i i in Richtung des
bei: i9 angegebenen Pfeiles gegenüber der treibenden Welle Io beschleunigt wird.
Damit beginnt aber die Schraubmuffe 2o sich nach links zu verschrauben, bis ihre
Außenverzahnung 22 außer Eingriff mit der feststehenden Innenverzahnung 23 gekommen
ist. Diese Stellung ist in Fig. 3 dargestellt, in welcher im Gegensatz zu den Fig.
i und 2 die Zähne der Außenverzahnung 22 nicht in der Ausführung gemäß der Erfindung,
sondern in normaler Ausführung dargestellt sind. Der Pfeil 41 in Fig. 3 gibt die
Richtung der Relativgeschwindigkeit der Zähne i 8 A und i 8 B gegenüber derjenigen
der feststehenden Zähne 23 A und 23 B an. Der Pfeil 42 in. Fig. 3 gibt die Relativgeschwindigkeit
der Zähne der Außenverzahnung 22 gegenüber derjenigen der feststehenden Zähne 23
A und 23 B an. Da die Schraubmuffe sich nunmehr in ihrem Freilaufzustand befindet,
in welchem ihre Außenverzahnung 22 langsamer umläuft als die Innenverzahnung 18,
schleifen die beiderseits des äußeren Muffenzahnkranzes 22 angeordneten Einrückklinken
25 und 32 an den beiden links und rechts befindlichen Innenverzahnungen 18 bzw.
23. Je nachdem, ob die Hohlwelle i i mit der Schraubmuffe 2o schneller oder langsamer
umläuft, überwiegt entweder der Gleitwiderstand des rechten oder des linken Einrückklinkenkranzes,
so daß die Schraubmuffe 2o dazu neigt, entweder rechts oder links an den einen oder
anderen Innenzahnkranz 18 bzw. 23 anzulaufen. Auch durch Beschleunigung oder Verzögerung
der Hohlwelle i i kann die Schraubmuffe 2o infolge ihrer Massenträgheit aus ihrem
Steilgewinde i9 etwas verschraubt werden und dadurch an einer Seite anlaufen.. Da
aber, wie dargelegt, die beiden Innenzahnkränze 18 bzw. 23 eine von der Schraubmuffendrehzahl
verschiedene Drehzahl haben, besteht die Gefahr, daß die Schraubmuffe 2o an den
einen Innenzahnkranz anstößt und auf die andere Seite hinüberwechselt, wo sie dann
wieder anstößt, so daß sich dieses Spiel ständig wiederholt. Wegen des erwähnten
Flankenspiels der Kupplungszähne kann es nun unter den geschilderten. Verhältnissen
vorkommen, daß die auf dem Steilgewinde i9 sich nach links (Fig. i) verschraubende
Muffe 2o, anstatt mit den Stirnflächen ihrer Außenverzahnung 22 an diejenigen der
Zähne z 8 A bzw. 18B anzulaufen, mit der Hinterkante ihrer Zähne 22 an die Vorderkante
der Zähne 18 A und 18 B' anläuft, wenn die mit Bezug auf die absolute Bewegungsrichtung
hinteren Kanten der Zähne i8 A und i 8 B in Umfangsrichtung gerade vor die diesbezüglich
vorderen Kanten der Muffenzähne 22 gelaufen sind, wodurch infolge der Kantenberührung
eine starke Abnutzung oder sogar eine Beschädigung dieser Kanten hervorgerufen wird.
Derselbe Vorgang kann eintreten, wenn die Schraubmuffe 2o, durch den soeben erwähnten
Kantenstoß nunmehr in umgekehrter Richtung beschleunigt, nach rechts läuft und mit
der Vorderkante ihrer Zähne 22 auf die Hinterkanten der feststehenden Zähne 23 A
und 23 B auftrifft. Die bei einer derartigen »Flatterbewegung« auftretende kehlige
Kantenabnutzung bzw. Beschädigung der betreffenden Zähne ist selbstverständlich.
unerwünscht.
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Zweck der Erfindung ist die Vermeidung dieser unerwünschten Erscheinung,
die dann besonders ausgeprägt auftritt, wenn in den Übertragungsweg eine Reibungskupplung
entweder parallel oder in Serie mit dem Geschwindigkeitswechselgetriebe eingeschaltet
ist, da dann die Schraubmuffe 2o relativ zum Steilgewinde i9 stark beschleunigt
wird.
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Gemäß der Erfindung sind bei Anordnungen der beschriebenen Art die
einander zugekehrten Stirnseiten der Zähne eines, jedoch nicht beider jeweils miteinander
in Eingriff kommenden Kupplungszahnsätze derart abgeschrägt, daß die einer solchen
Beschädigung ausgesetzten Kanten in axialer Richtung gegenüber den solcher Beschädigung
nicht ausgesetzten zurückgesetzt sind. Die Alaschrägung kann sich ganz oder teilweise
über die Breite der
betreffenden Zahnstirnfläche erstrecken, wobei
Länge und Neigung der Abschrägung so gewählt sind, daß unter den zuvor erwähnten
Umständen anstatt des oben beschriebenen Kantenstoßes eine nur in geringem Maße
abweisende, gleitende Berührung zwischen den erwähnten Zahnsätzen stattfindet.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher beide
Stirnseiten der Zähne der Außenverzahnung 22 der Schraubmuffe 2o abgeschrägt sind,
während die ihnen zugekehrten Stirnflächen der Zähne 18 A und 18 B bzw. 23 A und
23 B gerade ausgeführt sind. Der Pfeil 43 in Fig. 4 gibt die Geschwindigkeit der
Zähne 22 relativ zu derjenigen der Zähne I8 A und 18 B an.
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Fig.5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
die der Außenverzahnung 22 der Schraubmuffe 2o zugekehrten Stirnflächen der Zähne
18'A und I8' B bzw. 23'A und 23'B abgeschrägt sind.