WO2011057310A1

WO2011057310A1 - Getriebe-synchronisationsvorrichtung

Info

Publication number: WO2011057310A1
Application number: PCT/AT2010/000430
Authority: WO
Inventors: Alexander Müller; Helmut Pamminger
Original assignee: Miba Sinter Austria Gmbh
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung der Sperrsicherheit eines Sperrelementes einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung gegen ein Schalten vor Herstellung des Gleichlaufes eines Losrades mit einer Antriebswelle, wobei in der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung zumindest ein Kraftverstärkungselement (2) vorgesehen wird, das eine, zu einer durch einen Schaltvorgang erzeugten Axialkraft, zusätzliche Axialkraft erzeugt, wodurch in einem Reibelement ein Reibmoment erzeugt wird, dass einem Entsperrmoment entgegenwirkt. Über die zusätzliche Axialkraft wird ein variables Reibmoment erzeugt und eine Sperrsicherheit eingestellt, die zwischen einer statischen und einer dynamischen Sperrsicherheit wechselt.

Description

Getriebe-Synchronisationsvorrichtung

Die Erfindung betriff ein Verfahren zur Auslegung der Sperrsicherheit eines Sperrelementes einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung gegen ein Schalten vor Herstellung des Gleichlaufes eines Losrades mit einer Antriebswelle, wobei in der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung zumindest ein Kraftverstärkungselement vorgesehen wird, das eine, zu einer durch einen Schaltvorgang erzeugten Axialkraft, zusätzliche Axialkraft erzeugt, wodurch in einem Reibelement ein Reibmoment erzeugt wird, dass einem Entsperrmoment entgegenwirkt.

In aktuellen, europäischen Großseriengetrieben werden vor allem Synchronisierungen vom Borg Warner Typ eingesetzt. Derartige Getriebe umfassen üblicherweise pro zu schaltendem Gang ein Losrad, einen Kupplungskörper mit Schaltverzahnung und Reib-konus und einen Synchronring mit Gegenkonus und Sperrverzahnung und weiters eine Synchronnabe mit Steckverzahnung und Muffenverzahnung. In dieser Synchronnabe sind federbelastete Druckstücke angeordnet. Mit Hilfe einer Schiebemuffe mit Schaltver-zahnung und

Innenverzahnung wird zur Vorsynchronisation diese durch die Schaltkraft mitsamt der federbelasteten Druckstücke in die Richtung des zu schaltenden Gangrades verschoben, sodass die Konusflächen von Synchronring und Synchronkonus durch die Druckstücke aufeinander gepresst werden. Der Synchronring wird in der Synchronnabe durch das

Reibmoment im Rahmen des tangentialen Spiels verdreht, sodass die Ver-zahnung von Ring- und Schiebemuffe um eine halbe Verzahnungsbreite gegeneinander verschoben sind. Ist nun die Schaltkraft größer als die Vorsynchronisationskraft, die abhängig von der Vorspannung der Druckfedern der Druckstücke ist, bewegt sich die Schiebemuffe weiter bis die

Sperrverzahnung am Synchronring und die Verzahnung der Schiebemuffe aufeinander treffen. Solange das Sperrmoment, resultierend aus der Reibung zwischen den Konusflächen und der Reibung an der Sperrverzahnung, größer ist als das sich aufgrund der

Dachschrägenwinkel an der Verzahnung einstellende Rück-stellmoment, findet keine weitere axiale Verschiebung der Schiebemuffe statt. Die motor-seitigen Getriebeelemente werden durch das Reibmoment beschleunigt bzw. verzögert und es findet damit die

Hauptsynchronisation statt. Bei Gleichlauf von Synchronring und Synchronkonus wird das Sperrmoment annähernd Null, sodass die Sperrverzahnung am Synchronring eine Verdrehung des Synchronringes bewirkt, bis sich jeweils Zahn und Zahnlücke gegenüberstehen. Die Verzahnung der Schiebemuffe rutscht durch die Sperr-verzahnung des Synchronringes. In der Folge gleitet die Verzahnung der Schiebemuffe mit den Dachschrägen auf der

Kupplungsverzahnung am Synchronkonus ab und verdreht den Kupplungskörper mitsamt Losrad bis Zahn und Zahnlücke gegenüberstehen und die formschlüssige Verbindung zwischen Antriebswelle und Losrad hergestellt werden kann.

Zur Verringerung der aufzuwendenden Schaltkraft wurden im Stand der Technik bereits einige Abwandlungen dieses Borg Warner Systems beschrieben.

So ist es aus der DE 696 17 821 T2 bekannt, zwischen der Synchronnabe und einem

Synchronisierring einen Verstärkungsmechanismus anzuordnen, der derart positioniert ist, dass er eine Druckkraft aufnimmt, die durch die Bewegung der Schiebemuffe zu dem entsprechenden Geschwindigkeitswechsel-Zahnrad hervorgerufen wird, und dadurch die Druckkraft auf den Synchronring verstärkt und überträgt. Der Verstärkungsmechanismus besteht aus einem paar von Hebeln, die auf zumindest zwei Abschnitte in einer Umfangs- richtung aufgeteilt sind und eine Vielzahl von Hebelköpfen umfassen. Die Hebelköpfe weisen eine abgeschrägte Kante auf, die eine Angriffsposition für die Aufnahme der axialen

Druckkraft, welche durch Aufnahme eines direkten Kontakts in Verbindung mit der

Bewegung der Schiebemuffe hervorgerufen wird, und für die Zerlegung der betreffenden

Druckkraft in eine radiale Komponentenkraft, die zur einer Mitte hin gerichtet ist, und in eine axiale Komponentenkraft bildet. Die axiale Komponentenkraft wird hervorgerufen, wenn eine an der inneren Umfangs-Keilverzahnung der Schiebemuffe vorgesehene, abgeschrägte Kante gegen die abgeschrägte Kante des Hebelkopfes gedrückt wird.

Die Möglichkeit zur Kraftverstärkung über schräge Flächen ist prinzipiell im Stand der Technik dokumentiert. So beschreibt z.B. die DE 22 43 522 A eine Möglichkeit zur

Kraftverstärkung, indem am Synchronring eine noppenartige Einrichtung mit zwei schrägen Flächen vorgesehen ist, die mit einer Gegennoppeneinrichtung der Nabe zusammenwirkt. Bei dieser Ausführung wirkt allerdings die gerade Stirnfläche gegen ein rechteckiges Druckstück.

Die EP 1 750 025 A2 beschreibt zur Kraftverstärkung eine weitere Abwandlung der

Druckstücke. Diese sind dabei - in Draufsicht gesehen - H-förmig ausgebildet. Die Endbereiche dieses H-förmigen Druckstückes sind mit einer Querschnittserweiterung versehen, wobei die Übergänge zwischen dem Hauptteil des Druckstückes auf die

Endbereiche mit schrägen Rächen versehen sind, die in Richtung auf den Mittelpunkt geneigt ausgebildet sind. Die Synchronnabe weist dazu in den für die Aufnahme der Druckstücke vorgesehenen Ausnehmungen zu diesen schrägen Flächen des Druckstückes komplementäre Abschrägungen auf.

Im Stand der Technik wurde das Augenmerk im Wesentlichen auf die Kraftverstärkung über derartige Servoelmente gelegt, um den Schaltkomfort zu verbessern. Die Sperr-sicherheit an sich ist bislang nur insofern berücksichtigt worden, als jedenfalls während der Synchroniation eine entsprechend hohe Sperrsicherheit vorhanden sein muss, um das vorzeitige Schalten des Ganges zu vermeiden, da daraus eine Beschädigung bzw. vorzeitige Abnutzung des Getriebes resultiert. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung des Schaltkomforts einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit dem voranstehend genannten Verfahren zur Auslegung der Sperrsicherheit eines Sperrelementes einer Getriebe-Synchronisationsvor-richtung gelöst, nach dem über die zusätzliche Axialkraft ein variables Reibmoment erzeugt und eine Sperrsicherheit eingestellt wird, die zwischen einer statischen und einer dynamischen Sperrsicherheit wechselt.

Durch diese bis zur Herstellung des Gleichlaufs des Losrades mit der Antriebswelle vorherr- sehende, variable Sperrsicherheit während des Schaltvorganges, das heißt die Möglichkeit, dass während des Schaltvorganges zwischen der statischen und der dynamischen Sperrsicherheit gewechselt wird, wird eine deutliche Reduktion der erforderlichen Entsperrkraft für das Rückdrehen des Synchronringes und die anschließende Ankopplung des Losrades erreicht, wodurch insbesondere auch die Synchronisation, das heißt das Einlegen eines Ganges, bei tiefen Temperaturen mit deutlich weniger Kraftaufwand ermöglicht wird. Zudem kann damit auch eine Verbesserung bei so genannten Stillstandsschaltungen erreicht werden. Generell sei erwähnt, dass unter Sperrsicherheit jener Anteil des Entsperrmomentes verstanden wird, um den dieses kleiner ist als das Reibmoment, welches an den Reibflächen, z.B. im Reibpacket, einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung während der Synchronisation entsteht.

Unter dem Begriff„statischer Sperrsicherheit" wird der Zustand bei Drehzahlgleichheit nach erfolgter Synchronisation oder bei Stillstand verstanden. Das entspricht einem Servowinkel von 0 °. Unter dem Begriff„dynamischer Sperrsicherheit" wird der Zustand bei Drehzahldifferenz verstanden.

Es wird damit auch der Vorteil erreicht, dass auf die Teile der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung während des Schaltvorganges zumindest teilweise geringere Kräfte bzw. Momen- te einwirken, sodass diese Getriebe-Synchronisationsvorrichtung insgesamt eine höhere Standzeit aufweist.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sperrsicherheit bis zur Herstellung des Gleichlaufs größer 1 und nach Herstellung des Gleichlaufs kleiner/gleich 1 wird. Es kann damit der oben genannte Effekt der geringeren Entsperrkraft, und damit des komfortableren Schaltens eine Ganges in einem Kraftfahrzeug, weiter verbessert werden.

Bei einem mehrteiligen Sperrelement kann zwischen dem bzw. den Kraftverstärkungselementen während der Herstellung des Gleichlaufs ausschließlich eine kraftschlüssige Verbindung bestehen. Durch die Vermeidung von formschlüssigen Verbindungen mit dem Sperrelement wird der Vorteil erreicht, dass einerseits das Sperrelement selbst hinsichtlich seiner Geometrie einfacher herstellbar ist, andererseits wird damit erreicht, dass der Kraftschluss einfacher gelöst werden kann, wodurch wiederum die EntSperrung für das Einspuren der Zähne der Schiebemuffe in die Sperrzähne des Sperrelementes vereinfacht werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Auslegung der Sperrsicherheit wird es möglich, dass, wenn ein mehrteiliges Reibelement mit n-Reibteilen verwendet wird, eine Sperrsicherheit eingestellt wird, die einer Auslegung der Sperrsicherheit eines Reibelementes nach dem Stand der Tech- nik mit n+1 Reibteilen entspricht. Es kann damit also eine Auslegung der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung erfolgen, bei der die Dachschrägen der Sperrverzahnung am Synchronring einen kleineren, d.h. spitzeren, Winkel aufweisen, als dies einer Getriebe- Synchronisationsvorrichtung gleicher Bauart nach dem Stand der Technik entsprechen würde. Bekanntlich kann durch Mehrfachkonussysteme der Winkel der Sperrverzahnung kleiner ausgeführt werden, als bei Einfachkonussystemen, womit unter anderem die Umfangskraft erhöht und damit die erforderliche Entsperrkraft reduziert werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Auslegung der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung ist es also z.B. möglich eine Zweifachkonusausführung mit einem Dachschrägenwinkel der Sperrverzahnung am Synchronring aus- zuführen, der einer Dreifachkonusausführung nach dem Stand der Technik entsprechen würde. Gleiches gilt für Einfachkonusausführungen, die mit einem Dachschrägenwinkel der Sperrverzahnung ausgeführt werden können, der einer Zweifachkonusausführung nach dem Stand der Technik entsprechen würde. Damit wird insbesondere auch der Aufbau der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung vereinfacht und kann dieser kostengünstiger gestaltet werden, obwohl diese einen höheren Schaltkomfort aufweist.

Es ist weiters möglich, dass ein mehrteiliges, ungekoppeltes Reibpaket bzw. Entsperrelement verwendet wird, dessen Dachschrägen einen Dachschrägenwinkel von kleiner 100°, insbesondere kleiner/gleich 85°, aufweisen. Auch mit dieser Ausführungsvariante ist eine Redukti- on der Entsperrkraft erreichbar. Es wird also mit der Erfindung erreicht, dass relativ spitze

Dachschrägenwinkel an der Sperrverzahnung verwendet werden können, woraus eine verringerte erforderliche Schaltkraft bzw. Entsperrkraft resultiert, ohne dabei jedoch den damit verbundenen Nachteil zu haben, dass das Sperrelement frühzeitig durchrutscht und es somit zu Schaltfehlern kommt, welche sich insbesondere durch das bekannte Schaltgeräusch, zum Bei- spiel beim Hochschalten, äußert und zu einer vorzeitigen Abnützung der Teile, insbesondere der Verzahnungen der Getriebe-Synchronisation, führt.

Bevorzugt wird als Sperrelement ein Synchronring verwendet, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Auslegung nach Herstellung des Gleichlaufs ausschließlich der Synchronring zurückgedreht werden muss. Mit anderen Worten muss also mit der Erfindung nicht der gesamte Antriebsstrang zurückgedreht werden, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, wodurch einerseits kürzere Schaltzeiten erreichbar sind, andererseits natürlich auch der Kraftaufwand für das Schalten deutlich reduziert werden kann. Es ist schließlich weiters möglich, dass bei einer Mehrfachkonusausführung der Synchronring ausschließlich mit kraftschlüssiger Verbindung zum Reibpaket ausgelegt wird, wodurch besser verhindert werden kann, dass sich das Reibpaket nicht bzw. zu spät aus dem Reibeingriff löst, sodass in der Folge mit dieser Ausführungsvariante ebenfalls eine Reduktion der Schaltkraft erreicht werden kann.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung in Draufsicht;

Fig. 2 die grafische Darstellung des Verhaltens der erfindungsgemäß ausgelegten Getriebe-Synchronisationsvorrichtung;

Fig. 3 die grafische Darstellung des Entsperrverhaltens der erfindungsgemäß ausgelegten Getriebe-Synchronisationsvorrichtung im Vergleich zum Entsperrverhalten einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der erforderlichen Schaltkraft der erfindungsgemäßen

Getriebe-Synchronisationsvorrichtung im Vergleich zu einer Getriebe- Synchronisationsvorrichtung nach dem Stand der Technik.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unter- schiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung, bei der vorzugsweise zumindest einzelne der Komponenten nach einem Sinterverfahren hergestellt sind. Da diese Getriebe-Synchronisationsvorrichtung ähnlich dem Borg-Warner-Typ ist, und dieser ausreichend in der einschlägigen Literatur beschrieben und dem Fachmann bekannt ist, erübrigt sich an dieser Stelle eine weitere Erörterung von dessen prinzipieller Funktionsweise. Diese Getriebe- Synchronisationsvorrichtung ist dazu ausgelegt, zwei von dieser umfassten, benachbarte Losräder, also Gangzahnräder, wahlweise mit einer Antriebswelle drehfest zu koppeln oder hiervon zu lösen. Es besteht im Rahmen der Erfindung aber auch die Möglichkeit der Ausbildung einer einseitigen Synchronisationsvorrichtung, sodass also nur ein Losrad bzw. die zugehörigen Baugruppenteile, wie Reibpaket, Synchronring, Kupplungskörper, etc., ebenfalls nur einfach vorhanden sein können.

Die Getriebe-Synchronisationsvorrichtung umfasst eine Synchronnabe mit einer inneren Steckverzahnung, die sich über die innere, der Antriebswelle zugewandten Oberfläche der Synchronnabe erstreckt und die längliche, sich in axialer Richtung erstreckende Zähne auf- weist, wie dies bei derartigen Synchronnaben üblich ist, zur drehfesten Verbindung der Synchronnabe mit der Welle, sowie eine äußere Muffenverzahnung, deren Zähne sich in axialer Richtung erstrecken. Die Synchronnabe ist mit herkömmlichen Mitteln axial unverschiebbar an der Welle angeordnet. Oberhalb der Synchronnabe ist eine Schiebemuffe mit einer an die Muffenverzahnung der Synchronnabe angepassten Innenverzahnung drehfest, jedoch axial verschiebbar angeordnet. Diese Innenverzahnung weist an den einander gegenüberliegenden distalen Endbereichen in axialer Richtung so genannte Dachschrägen auf. Die Schiebemuffe ist z.B. mit einer Schaltgabel betätigbar.

Weiters umfasst die Getriebe-Synchronisationsvorrichtung je Schaltrichtung einen Synchron- ring, der auf der Welle in axialer Richtung der Synchronnabe gegenüberliegend und in Um- fangsrichtung drehbeweglich angeordnet ist, sowie gegebenenfalls je Schaltrichtung ein Reibpaket, das in Wirkverbindung mit dem Synchronring und einem Synchronkörper bringbar ist, wobei der Synchronkörper mit dem Losrad, welches zu schalten ist, verbunden ist. Das Reib- paket kann aus einem oder mehreren Konusringen aufgebaut sein, z.B. aus einem äußeren Konusring und einem inneren Konusring. Auf zumindest einer der entsprechenden Reibflächen des Konus bzw. der Konusse kann bzw. können an den entsprechenden zusammenwirkenden Oberflächen übliche Reibbeläge vorgesehen sein. Bei Mehrfachkonusausführungen kann der äußere Konusring zumindest eine Mitnehmernocke aufweisen, die in Drehrichtung formschlüssig mit einem Kopplungskörper verbunden ist. Der Kopplungskörper ist drehfest mit dem jeweiligen Losrad, also dem Gangrad, verbunden. Beispielsweise kann der Kopplungskörper auf einem Konus des Losrades verdrehfest aufsitzen, wobei am Kopplungskörper entsprechende Freistellungen und am Konus des Losrades dazu komplementäre Nocken vor- handen sein können. Andererseits ist es möglich, dass das Gangrad bspw. einen Konus aufweist, mit einer Stirnverzahnung, und der Kopplungskörper eine dazu passende Stirnverzahnung aufweist, wodurch die drehfeste Anordnung des Kopplungskörpers am Gangrad ermöglicht wird. Der Kopplungskörper weist eine Stirnverzahnung mit sich in axialer Richtung erstreckender Zähnen auf, mit entsprechenden Dachschrägen, die in Richtung auf die Syn- chronnabe ausgebildet sind.

Bei Mehrfachkonussystemen ist der Synchronring radial außen und oberhalb des Reibpaketes angeordnet. Da derartige Getriebe-Synchronisationsvorrichtungen bekannt sind, wird auf eine weitere

Erläuterung dazu an dieser Stelle verzichtet und sei der Fachmann an die einschlägige Literatur verwiesen.

In Fig. 1 ist nun ein Detail einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung gemäß dem erfin- dungsgemäßen Verfahren zur Auslegung der Sperrsicherheit der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung dargestellt. Dargestellt sind ein Ausschnitt aus einem Synchronring 1, ein Kraftverstärkungselement 2, sowie ein Ausschnitt aus einer Synchronnabe 3.

Das Kraftverstärkungselement 2 ist zwischen der Synchronnabe 3 und der Schiebemuffe ei- nerseits und in axialer Richtung benachbart zum Synchronring 1 bzw. zwischen den Synchronringen 1 andererseits ist derart angeordnet, dass dieses über ein Federelement gegen die Schiebemuffe vorgespannt ist. Das Federelement ist auf einer Seite an der Synchronnabe 3 abgestützt, beispielsweise in einer Ausnehmung angeordnet ist, insbesondere einer Sackloch- bohrung. Zudem ist das Federelement in einer Ausnehmung im Kraftverstärkungselement 2 angeordnet. An der zweiten, der Schiebemuffe zugewandten Seite ist an dem Federelement ein Druckelement, insbesondere eine Kugel, angeordnet, das seinerseits einerseits in der Aus- nehmung im Kraftverstärkungselement 2 und andererseits in einer Ausnehmung an der Unter- seite der Schiebemuffe, welche der Synchronnabe zugewandt ist, angeordnet ist. Die Ausnehmung im Kraftverstärkungselement 2 ist bevorzugt in Richtung auf die Schiebmuffe konisch ausgeführt, wobei die Kugel einen größeren Durchmesser aufweist als der kleinste Durchmesser dieser Ausnehmung. Durch das Federelement wird ein Zurückschieben der Kugel bzw. des Druckelementes in diese Ausnehmung im Kraftverstärkungselement 2 ermög- licht, sodass die Schiebemuffe axial verschiebbar bleibt. Bevorzugt ist diese Ausnehmung im Kraftverstärkungselement 2 durch das Kraftverstärkungselement 2 durchgängig ausgebildet, kann aber auch als Sackloch ausgebildet sein.

Anstelle der Kugel kann auch bei entsprechender Adaptierung der Aufnahme derselben eine Rolle, bzw. generell ein Wälzkörper verwendet werden. Ebenso ist es möglich auf die Federvorspannung zu verzichten und die Positionierung des Kraftverstärkungselementes über die während des Betriebes der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung auftretenden Fliehkräfte zu bewerkstelligen. Das Federelement kann als Spiralfeder ausgeführt sein, ebenso ist bei geringfügiger Adaptierung die Ausbildung mit einem Plattfederelement, einer Ringfeder oder einer Gasfeder möglich.

Das an den Reibflächen im Konusbereich des Synchronringes oder des Reibpaketes anliegen- de Reibmoment während der Vorsynchronisierung wird unter anderem durch die Federrate des Federelementes beeinflusst.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass über den Umfang der Synchronnabe 3 verteilt mehrere dieser Federelemente, Druckelemente und Kraftverstärkungs- elemente in der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung angeordnet sind, insbesondere zwei oder drei pro Schaltrichtung bzw. Synchronisationsrichtung. Durch das Kraftverstärkungselement 2 wird eine an dem Kraftverstärkungselement 2 anliegende Umfangskraft, welche durch das Reibmoment am Synchronring bzw. im Reibpaket beim Synchronisationsvorgang hervorgerufen wird, in eine zusätzliche Axialkraft umgewandelt und damit eine Kraftverstärkung erreicht.

Um die Kraftverstärkung zu erreichen, weist das Kraftverstärkungselement 2 zwei einander in Umfangsrichtung gegenüberliegend angeordnete Rampen 4, 5 auf, die während der Synchronisation mit entsprechenden Rampen 6, 7, die an der Synchronnabe 2 ausgebildet sind, zusammenwirken. Auch diese Kraftverstärkung, das heißt die Verstärkung der Axialkraft, wel- che durch die Betätigung der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung hervorgerufen wird, beispielsweise durch den Fahrer eines Kraftfahrzeuges über den Schalthebel, ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt.

Diese Rampen 4, 5 des Kraftverstärkungselementes 2 sind bevorzugt in einem Winkel zwi- sehen 10 ° und 70 ° gegenüber der Axialrichtung durch die Getriebe- Synchronisationsvorrichtung geneigt ausgebildet. Dementsprechend komplementär dazu sind die Rampen 6, 7 an der Synchronnabe 3 geneigt. Bevorzugt wird ein Winkel zwischen 10 ° und 40 °, da damit eine höhere Kraft generiert werden kann. Bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung weist der Synchronring 1 Sperrzähne 8 auf, die als Stirnverzahnung des Synchronringes 1 ausgebildet sind, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Sperrzähne 8 weisen Dachschrägen 9 auf, sodass diese Sperrzähne 9 in Richtung auf das Kraftverstärkungselement 2 spitz zusammenlaufen. In einer Abwandlung dazu besteht die Möglichkeit, dass die Dachschrägen nicht zu einer Spitze verlaufend ausge- bildet sind, sondern im vorderen Endbereich der Sperrzähne, welche auf das Kraftverstärkungselement 2 weisen, abgeflacht sind.

Über diese Dachschrägen 9 wird eine Sperrung der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung während der Synchronisation erreicht, das heißt, dass das Durchschalten, also das Verschie- ben der Schiebemuffe auf den Kopplungskörper des Losrades, solange verhindert wird, bis der Gleichlauf hergestellt ist, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. In einer Ausführungsvariante dazu können, wie dies strichliert in Fig. 1 dargestellt ist, diese Sperrzähne 8 mit den Dachschrägen 9 alternativ oder zusätzlich dazu auf dem Kraftverstärkungselement 2 derart angeordnet sein, dass diese Sperrzähne über das Kraftverstärkungselement 2 in Richtung auf die Schiebemuffe vorragen. Auch für diese Sperrzähne 8 am Kraftver- Stärkungselement 2 gelten die voranstehenden Ausführungen zu den Sperrzähnen 8.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Sperrsicherheit der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung, also die Sperrsicherheit die über die Sperrzähne 8 am Synchronring 1 und/oder am Kraftverstärkungselement 2 erreicht wird - der Synchronring 1 und/oder das Kraftverstärkungselement 2 bilden also ein Sperrelement der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung - wie voranstehend beschrieben ausgelegt wird. Es ist dabei vorgesehen, dass über die zusätzliche Axialkraft, die mit dem Kraftverstärkungselement 2 zusätzlich zur an dem Synchronring anliegenden Axialkraft, die über die Auslösung des Schaltvorganges erzeugt wird, während der Synchronisation hervorgerufen wird, ein variables Reibmoment erzeugt wird, sodass eine Sperrsicherheit eingestellt wird, die zwischen einer statischen und einer dynamischen Sperrsicherheit wechselt.

Bekanntlich liegt am Synchronring 1 die Axialkraft in Axialrichtung der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung an. Mit anderen Worten ausgedrückt, ergibt sich die Summe der Axialkraft aus der Axialkraft der Schiebemuffe sowie der Verstärkungskraft durch das Kraftverstärkungselement 2. Die Entsperrkraft, welche auf die Dachschrägen der Sperrzähne 8 am Synchronring 1 wirkt (das heißt die Tangentialkraft) ergibt sich aus der der Tangentialkraft an der Schiebemuffe. Die anliegende Axialkraft an der Schiebemuffe errechnet sich aus dem Produkt der Normalkraft, die auf die Dachschrägen der Verzahnung der Schiebemuffe wirkt, und dem Sinus des halben Öffnungswinkels 11 (Dachschrägenwinkel), den die beiden Dachschrägen 9 eines Sperrzahns 8 einschließen. Für die Sperrbedingung durch die Sperrzähne 8 gilt, dass das Verhältnis des Reibmomentes, welches im Reibpaket bzw. an den Reibelementen, also beispielsweise auch am Reibkonus des Synchronringes 1 erzeugt wird, zum Sperrmoment, welches diesen Reibmoment entgegenwirkt, größer/gleich 1 ist. Dieses Verhältnis von Reibmoment zu Sperrmoment wird auch als Sperrwert der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung bezeichnet. Das Reibmoment selbst wird einerseits durch den Reibwert am bzw. an den Konusflächen bzw. an den Reibelementen der Getriebe- Synchronisationsvorrichtung sowie, sollten Konusflächen am Synchronring 1 ausgebildet sein und/oder zusätzliche Konusringe bei einer Mehrfachkonusausführung einer Getriebe- Synchronisationsvorrichtung angeordnet sein, aus dem Konuswinkel selbst.

Der Öffnungswinkel 11 der Dachschrägen wird auch als Sperrwinkel bezeichnet.

In Fig. 2 ist nun grafisch das Verhältnis der Sperrsicherheit als dimensionsloser Faktor (Y- Achse) in Abhängigkeit vom Servowinkel (X-Achse) in Grad dargestellt. Der Servowinkel ist dabei jene Neigung der Rampen 4 bis 7 am Kraftverstärkungselement 2 bzw. an der Synchronnabe 3 mit dem diese gegen die Axialrichtung geneigt sind.

Ein Verlauf 12 gibt dabei das so genannte Servo- Verhältnis an, welches definiert ist als das Verhältnis der Summe der Axialkraft der Schiebemuffe und der Axialkraft am Synchronring 1 zur Axialkraft der Schiebemuffe. Ein Verlauf 13 stellt den Verlauf der Sperrsicherheit dar, und ein Verlauf 14 die Selbsthemmungssicherheit der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung in Abhängigkeit vom Servowinkel.

Ein Winkel von 0 ° entspricht der Drehzahlgleichheit und damit der statischen Sperrsicherheit, hingegen ist eine dynamische Sperrsicherheit bei einer Drehzahldifferenz vorliegend. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Sperrsicherheit während der Synchronisation zwischen der statischen Sicherheit und der dynamischen Sperrsicherheit wechselt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Kraftverstärkungselement 2 während des Synchronisationsvorganges, also nach Erreichen des Gleichlaufes des Losrades mit der Antriebswelle inaktiv wird. Es wird damit ermöglicht, dass die Entsperrung an sich, die erforderlich ist um das Eingleiten der Innenverzahnung der Schiebemuffe in die Sperrverzahnung des Synchronringes 1 und/oder des Kraftverstärkungselementes 2 und in weiterer Folge das Einspuren in die Stirnverzahnung des Kopplungskörpers mit geringerer Kraft ermöglicht wird.

In Fig. 3 ist das Entsperrverhalten der erfindungsgemäß ausgelegten Getriebe- Synchronisationsvorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Auf der Y-

Achse ist dabei das Kraft/Zeit Integral aufgetragen, auf der X-Achse die Temperatur, in bzw. an der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung. Die mit + dargestellten Werte wurden an einer aus dem Stand der Technik in einem Serienfahrzeug eingebauten Getriebe- Synchronisationsvorrichtung gemessen. Die mit X dargestellten Werte sind hingegen die jeweiligen Werte mit der erfindungsgemäß ausgelegten Getriebe-Synchronisationsvorrichtung.

Sehr deutlich ist zu sehen, dass sich das Verhalten der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung, das heißt der Schaltkraftaufwand, über den dargestellten Temperaturbereich praktisch nicht bzw. nur geringfügig ändert, wohingegen bei tiefen Temperaturen bei der dem Stand der Technik entsprechenden Synchronisationsvorrichtung ein deutlicher Anstieg der Werte zu beobachten ist. Bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung eine Sperrsicherheit eingestellt, die bis zur Herstellung des Gleichlaufes des Losrades mit der Welle größer 1 ist, und nach Herstellung des Gleichlaufes kleiner/gleich 1 wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsvariante der Erfindung kann ein mehrteiliges Sper- relement verwendet werden. Es wird darunter ein Sperrelement verstanden, welches aus einem Synchronring 1 mit einem Innenkonus und/oder einem Außenkonus besteht, sowie zusätzlich zumindest einem weiteren Konusring, welcher radial innerhalb des Synchronringes angeordnet ist. Es handelt sich hierbei also um übliche Mehrfachkonusausführungen, welche im Stand der Technik bereits beschrieben wurden. Bei diesem mehrteiligen Sperrelement wird zwischen diesem und den bzw. dem Kraftverstärkungselement(en) während der Herstellung des Gleichlaufs ausschließlich eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt. Es erfolgt also bei Mehrfachkonusausführungen der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung kein Formschluss des Sperrelementes, also des Synchronringes 1, zu dem oder den Kraftverstärkungselement(en). (Bei Einfachkonusausführungen ist hingegen eine Kopplung des Synchronringes 1 mit dem Kraftverstärkungselement(en) vorhanden.) Es wird damit zusätzlich zur Verringerung der Entsperrkraft möglich, dass nach Herstellung des Gleichlaufes nicht der gesamte Antriebsstrang zugedreht werden muss, sondern ist es damit möglich, dass lediglich der Synchronring 1 in seine Ausgangsstellung zurückgedreht wird, wodurch wiederum ein entsprechend niedriger Kraftaufwand erforderlich ist. Darüber hinaus wird durch diese Ausführungsvariante nicht nur die Herstellung der einzelnen Elemente vereinfacht, indem entsprechende Mitnehmernocken zumindest teilweise wegfallen, sondern wird auch der Übergang von der dynamischen Sperrsicherheit zur statischen Sperrsicherheit vereinfacht. In Fig. 4 wird ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Getriebe- Synchronisationsvorrichtung grafisch dargestellt. Dabei ist im oberen Diagramm die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute an der Y-Achse aufgetragen, im unteren Diagramm die Schaltkraft in Newton. Die X-Achse stellt in beiden Fällen die Zeitachse in Sekunden dar. Die Messwerte wurden bei einer Temperatur von -6°C (Öltemperatur) aufgenommen.

Ein Verlauf 15 ist der jeweilige Verlauf während der Synchronisation mit einer erfindungsgemäßen Getriebe-Synchronisationsvorrichtung, ein Verlauf 16 wurde anhand einer Seriengetriebe-Synchronisationsvorrichtung ermittelt. Die Serien-Getriebesynchronisationsvorrichtung ist als Dreifachkonussystem ausgelegt, sodass also das Reibmoment über drei Konusflächen am Synchronring und weiteren Konusringen erzeugt wird. Im Vergleich dazu ist die erfindungsgemäße Getriebe-Synchronisationsvorrichtung als so genanntes Doppelkonussystem ausgeführt mit einer Konusfläche am Synchronring und einem Konusring. Aus dem Verlauf der Schaltkraft über die Zeit ist deutlich ersichtlich, dass mit der erfindungsgemäßen Doppelkonusausführung im Vergleich zur Dreifachkonusausführung nach dem Stand der Technik einerseits eine geringere Schaltkraft erforderlich ist und andererseits die Synchronisation, das heißt die Herstellung des Gleichlaufs des Losrades mit der Antriebswelle, früher beendet ist.

Auch aus der oberen Grafik der Fig. 4 ist ersichtlich, dass bei diesen Temperaturen mit dem Doppelkonussystem nach der Erfindung ein deutlicher Vorteil gegenüber dem Dreifachkonussystem nach dem Stand der Technik erreicht wird, indem nämlich der Drehzahlangleich früher erfolgt.

Generell ist im Sinne der Erfindung eine Ausführungsvariante möglich, bei der das Reibelement, also beispielsweise der Synchronring, aus n Reibteilen besteht, und dass erfindungsgemäß eine Sperrsicherheit eingestellt wird, die einer Auslegen der Sperrsicherheit eines Reibelementes nach dem Stand der Technik mit n+1 Reib teilen entspricht. Bekanntlich weist bei gleicher Schaltkraft ein Mehrfachkonus-Getriebe-Synchronisationssystem eine höhere Synchronisationsleistung auf. Es kann damit der Winkel an der Sperrverzahnung, also der Öffnungswinkel 11 bzw. der Sperrwinkel, kleiner ausgeführt werden, wodurch sich die Um- fangskraft vergrößert und das Entsperren erleichtert wird. Mit der erfindungsgemäßen Ausle- gung der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung wird es also beispielsweise möglich, ein Zweifachkonussystem zu verwenden, welches eine Sperrsicherheit eines Dreifachkonussystems aufweist, das heißt also, dass der Sperrwinkel bzw. Öffnungswinkel 11 der Dachschrägen 9 eine Größe von 65 ° bis 70 ⁰ aufweist, welches einer Auslegung der Sperrsicherheit eines Dreifachkonussystems entspricht.

Bei einem mehrteiligen, ungekoppelten Reibpaket bzw. Entsperrelement kann der Winkel der Dachschrägen einen Dachschrägenwinkel von kleiner 100°, insbesondere kleiner/gleich 85°, aufweisen.

Die verbesserte Lösung des Reibverbundes kann gemäß einer weiteren Ausführung auch damit erreicht werden, wenn der Synchronring 1 ausschließlich mit kraftschlüssiger Verbindung zum Reibpaket ausgelegt wird. Der Servowinkel, den die Rampen 4,5 zur Längserstreckung des Kraftverstärkungselementes (2) einnehmen, kann dem Betrag nach, bevorzugt sind die beiden Rampen 4,5 gegengleich geneigt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 30 ° und einer oberen Grenze von 85 °, bzw. aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 40 ° und einer oberen Grenze von 75 °, bzw. aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 45 ° und einer oberen Grenze von 65 °.

Obwohl die flächige Anlage der Rampen 4,5 an die entsprechenden Rampen 6,7 der Synchronnabe 3 die bevorzugt Ausführung ist, besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit einer Punktauflage bzw. Linienauflage der Rampen 4,5 an den Rampen 6,7, insbe- sondere wenn durch eine Kippbewegung des Kraftverstärkungselementes 2 eine zusätzliche Kraftverstärkung hervorgerufen werden soll. Dazu können entweder die Rampen 6,7 in der Synchronnabe 3 oder die Rampen 4,5 gekrümmt bzw. ballig ausgeführt sein.

Das Kraftverstärkungselement 2 wird in der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung nach der Erfindung in axialer Richtung und in Umfangsrichtung bewegt, eine radiale Bewegung bzw. ein Verschwenken um eine durch die Kugel gehende Drehachse erfolgt nicht. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen des Gleichlaufes eines Losrades mit einer Antriebswelle und anschließendes Koppeln des Losrades mit der Welle über ein, eine Außenverzahnung aufweisendes, auf der Welle drehfest angeordnetes erstes Kopplungselement und ein zweites, axial verschiebbares, eine Innenverzahnung mit Dachschrägen auf- weisendes zweites Kopplungselement, wobei die Außenverzahnung des ersten Kopplungselements mit der Innenverzahnung des zweiten Kopplungselements in Eingriff steht, umfassend die Schritte:

Aufbringen einer Axialkraft auf das zweite Kopplungselement, wodurch zumindest ein, zu- mindest eine Rampe 4,5 aufweisendes Kraftverstärkungselement 2 in Richtung eines, zumindest eine, bevorzugt konusförmige, Reibfläche aufweisendes Reibelement verschoben wird und damit ein Reibmoment erzeugt wird, wodurch das Kraftverstärkungselement 2, und das Reibelement relativ zum ersten Kopplungselement verstellt werden. Die zumindest eine Rampe 4, 5 des Kraftverstärkungselementes 2 wird durch diese Relativbewegung mit einer ent- sprechenden Rampe 6,7 des ersten Kopplungselementes in Eingriff gebracht, wodurch die Axialkraft verstärkt wird;

Entsperren nach erfolgtem Drehzahlangleich durch Verschieben bzw. Rückdrehen eines, mit einer Sperrverzahnung mit Sperrverzahnungsdachschrägen versehenen Synchronisierelemen- tes (Synchronring 1) und/oder eines mit einer Sperrverzahnung mit Sperrverzahnungsdachschrägen versehenen Kraftverstärkungselementes 2, wobei das Synchronisierelement bzw. das Kraftverstärkungselement 2 durch das Abgleiten der Sperrverzahnungsdachschrägen an den Dachschrägen der Innenverzahnung des zweiten Kopplungskörpers verdreht wird, sodass der zweite Kopplungskörper in axialer Richtung weiter verschoben werden kann und das Einspu- ren der Innenverzahnung des zweiten Kopplungselementes in die Sperrverzahnung des Synchronisierelementes bzw. des Kraftverstärkungselementes möglich ist; und Koppeln des ersten Kopplungskörpers mit dem Losrad über den zweiten Kopplungskörper nach Erreichen des Gleichlaufs;

Dabei wird während der Herstellung des Gleichlaufs eine variable Sperrsicherheit, die zwischen einer statischen und einer dynamischen Sperrsicherheit wechselt, eingestellt wird. Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Auslegen einer Getriebe- Synchronisationsvorrichtung zum Herstellen des Gleichlaufes eines Losrades mit einer Antriebswelle mit geringer Entsperrkraft, mit einem ersten Koppelelement, das eine Außenverzahnung aufweist, und das auf der Welle drehfest angeordnet ist, mit einem zweiten, axial verschiebbarem, eine Innenverzahnung mit Dachschrägen aufweisenden zweiten Kopplungselement, wobei die Außenverzahnung des ersten Kopplungselements mit der Innenverzahnung des zweiten Kopplungselements in Eingriff steht, mit zumindest einem Kraftverstärkungselement 2, das zumindest eine Rampe 4,5 aufweist, die mit einer Rampe 6,7 des ersten Kopplungselementes in Wirkverbindung gebracht werden kann, mit zumindest einem, zumin- dest eine, bevorzugt konusförmige, Reibfläche aufweisendem Reibelement, sowie mit einem Synchronisierelement, das eine Außensperrverzahnung aufweist, wobei während der Herstellung des Gleichlaufs eine variable Sperrsicherheit, die zwischen einer statischen und einer dynamischen Sperrsicherheit wechselt, eingestellt wird. Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Getriebe-Synchronisationsvorrichtung deren dargestellte Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

Bezugszeichenaufstellung

1 Synchronring

2 Kraftverstärkungselement

3 Synchronnabe

4 Rampe

5 Rampe

6 Rampe

7 Rampe

8 Sperrzahn

9 Dachschräge

10

11 Öffnungswinkel

12 Verlauf

13 Verlauf

14 Verlauf

15 Verlauf

16 Verlauf

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Auslegung der Sperrsicherheit eines Sperrelementes einer Getriebe-Synchronisationsvorrichtung gegen ein Schalten vor Herstellung des Gleichlaufes eines Losrades mit einer Antriebswelle, wobei in der Getriebe-Synchronisations-vorrichtung zumindest ein Kraftverstärkungselement (2) vorgesehen wird, das eine, zu einer durch einen Schaltvorgang erzeugten Axialkraft, zusätzliche Axialkraft erzeugt, wodurch in einem Reibelement ein Reibmoment erzeugt wird, dass einem Entsperrmoment entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass über die zusätzliche Axialkraft ein variables Reibmoment erzeugt und eine Sperrsicherheit eingestellt wird, die zwischen einer statischen und einer dynamischen Sperrsicherheit wechselt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrsicherheit bis zur Herstellung des Gleichlaufs größer 1 und nach Herstellung des Gleichlaufs kleiner 1 wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrteiligen Sperrelement zwischen diesem und dem bzw. den Kraftverstärkungselement(en) (2) während der Herstellung des Gleichlaufs ausschließlich eine kraftschlüssige Verbindung besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrteiliges Reibelement mit n Reibteilen verwendet wird, und dass eine Sperrsicherheit eingestellt wird, die einer Auslegung der Sperrsicherheit eines Reibelementes nach den Stand der Technik mit n+1 Reibteilen entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrteiliges ungekoppeltes Reibpaket bzw. ein Sperrelement verwendet wird, dessen Dachschrägen (9) einen Dachschrägenwinkel von kleiner 100 ° aufweisen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Sperrelement ein Synchronring (1) verwendet wird und dass nach Herstellen des Gleichlaufs ausschließlich der Synchronring (1) zurückgedreht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronring (1) bei einer Mehrfachkonusausführung ausschließlich mit kraftschlüssiger Verbindung zum Reibpaket ausgelegt wird.