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Die Erfindung betrifft eine Formschlussschalteinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2010 004 956 A1 ist bereits eine Formschlussschalteinheit für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einer ersten Kopplungshälfte und einer zweiten Kopplungshälfte, die zur Herstellung einer drehfesten Verbindung entlang einer Betätigungsrichtung relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, wobei die erste Kopplungshälfte ein erstes Eingriffselement und ein zu dem ersten Eingriffselement bewegliches zweites Eingriffselement aufweist, bekannt.
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Weiterhin ist aus dem Buch „Freilaufkupplungen – Berechnung und Konstruktion", Karl Stölzle, Sigwart Hart, Springer-Verlag, 1961, Abbildung 157, eine Formschlussschalteinheit bekannt, bei der zwei Eingriffselemente einer Kopplungshälfte in einer Umfangsrichtung beweglich zueinander angeordnet sind Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Schaltkomfort der Formschlussschalteinheit kostengünstig zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Formschlussschalteinheit entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Formschlussschalteinheit für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einer ersten Kopplungshälfte und einer zweiten Kopplungshälfte, die zur Herstellung einer drehfesten Verbindung entlang einer Betätigungsrichtung relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, wobei wenigstens die erste Kopplungshälfte zumindest ein erstes Eingriffselement und ein zu dem ersten Eingriffselement bewegliches zweites Eingriffselement aufweist.
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Dabei sind die Eingriffselemente in Umfangsrichtung beweglich zueinander angeordnet. Dadurch kann in einem Einspurvorgang der Formschlussschalteinheit, in dem die drehfeste Verbindung zwischen den Kopplungshälften unter Differenzdrehzahl hergestellt wird, eines der Eingriffselemente der ersten Kopplungshälfte bei einem Kontakt mit einem Eingriffselement der zweiten Kopplungshälfte entlang eines Umfangs nachgeben, wodurch bei einem Kante-auf-Kante-Kontakt oder einem Flankenkontakt mit geringer Überdeckung zwischen Zähnen des nachgebenden Eingriffselements der ersten Kopplungshälfte und Zähnen des Eingriffselements der zweiten Kopplungshälfte eine gegen die Zähne des Eingriffselements der zweiten Kopplungshälfte wirkende Gegenkraft gering gehalten werden kann. Unter einer Kante wird ein Randbereich eines Zahns verstanden, insbesondere ein abgeschrägter Randbereich eines Zahns. Unter einer Flanke wird eine Fläche eines Zahns verstanden, die im Wesentlichen parallel zu der Betätigungsrichtung angeordnet ist und über die in nach einem abgeschlossenen Einspurvorgang ein Drehmoment übertragen werden kann.
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Da sich bei einem Kante-auf-Kante-Kontakt anstelle von Zahnflanken nur die Zahnkanten kontaktieren und dadurch sich die kontaktierenden Zähne nur geringfügig überdecken, kann durch das Nachgeben eines der Eingriffselemente und damit durch die geringe Gegenkraft verhindert werden, dass der Kontakt wieder gelöst wird, wodurch die Kopplungshälften weiter ineinander Einspuren können, bis eine zur Drehmomentübertragung ausreichend hohe Überdeckung der sich kontaktierenden Zähne eingestellt ist. Dadurch, dass vermieden wird, das der Kante-auf-Kante-Kontakt wieder gelöst wird, kann ein Ratschen verhindert werden, wodurch Erschütterungen und Schläge in der einspurenden Formschlussschalteinheit und damit eine Beschädigung der Zähne vermieden werden können. Es kann eine Art mechanischer Zahnlückensensor integriert werden, der ähnlich wie ein elektronischer Zahnlückensensoren in Motorsportgetrieben, ein Einspuren nur in einem Bereich erlaubt, in dem ein Ratschen ausgeschlossen ist. Dadurch kann ohne Einsatz von zusätzlicher Elektronik ein Schwingung- und/oder ein Geräuschkomfort einer Schaltung der Formschlussschalteinheit erhöht werden, wodurch ein Schaltkomfort der Formschlussschalteinheit kostengünstig erhöht werden kann. Ferner kann eine komfortable Formschlussschalteinheit bereitgestellt werden, die im Vergleich zu einer Krafschlussschalteinheit, insbesondere einer Lamellenschalteinheit, geringe Schleppverluste im offen laufenden Zustand aufweist, wodurch beispielsweise ein verlustarmes Kraftfahrzeuggetriebe, welches einen hohen Schaltkomfort aufweist, bereitgestellt werden kann. Unter einem „Eingriffselement” soll insbesondere ein Element verstanden werden, das mindestens einen Zahn aufweist, der dazu vorgesehen ist, in eine Verzahnung des Eingriffselements der anderen Kopplungshälfte formschlüssig einzugreifen. Unter einer „Umfangsrichtung” soll insbesondere eine Richtung verstanden werden, die um die Betätigungsrichtung verläuft. Vorzugsweise definiert die Betätigungsrichtung eine Richtung einer eine Lagerachse, um die die Eingriffselemente relativ zueinander verdrehbar angeordnet sind. Die Eingriffselemente sind dabei im Wesentlichen auf einer Kreislinie um die Lagerachse angeordnet. Die Formschlussschalteinheit ist vorzugsweise als eine schaltbare Klauenkupplung oder als eine schaltbare Klauenbremse ausgebildet. Vorzugsweise wird die Formschlussschalteinheit in einem automatischen Planetenradgetriebe verwendet, wodurch insbesondere Rückschaltungen, bei denen die Formschlussschalteinheit geschlossen wird, besonders vorteilhaft ausgeführt werden können. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt, ausgestattet und/oder angeordnet verstanden werden.
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Dabei weist die erste Kopplungshälfte einen zur Drehmomentübertragung vorgesehenen Grundkörper auf, mit dem das erste Eingriffselement starr verbunden ist und zu dem das zweite Eingriffselement verdrehbar angeordnet ist. Dadurch kann das zweite Eingriffselement um einen bestimmten Winkel relativ zu dem ersten Eingriffselement verdreht werden, wodurch die Drehmomentübertragung vorteilhaft verzögert werden kann oder allmählich aufgebaut werden kann, bis ein sicherer Formschluss zwischen den Kopplungshälften hergestellt ist. Vorzugsweise ist das zweite Eingriffselement um die Lagerachse und damit um die Betätigungsrichtung relativ zu dem ersten Eingriffselement verdrehbar angeordnet. Vorzugsweise sind der Grundkörper und das erste Eingriffselement einstückig miteinander ausgebildet. Unter „einstückig” soll insbesondere in einem Stück geformt verstanden werden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das erste Eingriffselement eine Vielzahl von Sperrzähnen und das zweite Eingriffselement eine Vielzahl von Fangzähnen aufweist. Dadurch kann realisiert werden, dass die zweite Kopplungshälfte in dem Einspurvorgang vor einem Zusammenwirken mit dem ersten Eingriffselement zuerst mit dem zweiten Eingriffselement zusammenwirkt, wodurch das Herstellen der drehfesten Verbindung unter Differenzdrehzahl sanfter ausgeführt werden kann. Die Fangzähne haben den Vorteil, dass durch ein großes Einspurspiel eine Wahrscheinlichkeit eines direkten Einspurens in die Zahnlücke erhöht wird. Mit dem Einspurspiel ist ein Abstand der Fangzähne zu einander gemeint. Dabei verdrehen sich die Fangzähne durch einen Kontakt mit den Zähnen des Eingriffselements der zweiten Kopplungshälfte bis sie an den Sperrzähnen oder einem Anschlag anliegen, wodurch realisiert werden kann, dass genügend Zeit zur Verfügung gestellt werden kann, um einen sicheren Formschluss zwischen den Kopplungshälften herzustellen. Es kann weiter realisiert werden, dass die Drehmomentübertragung zwischen den Kopplungshälften erst stattfindet, wenn der Formschluss sicher hergestellt ist. Unter einem „Sperrzahn” soll ein Zahn des ersten, starren Eingriffselements verstanden werden, der an seiner Position einen Einspurvorgang in einem gewissen Maße sperrt. Insbesondere soll unter einem „Sperrzahn” ein Zahn des ersten Eingriffselements verstanden werden, der zur Drehmomentübertragung einen formschlüssigen Anschlag für einen Fangzahn ausbildet und damit vorzugsweise einen Winkel, um den sich der Fangzahn relativ zum Sperrzahn verdrehen kann und/oder eine in Umfangsrichtung gerichtete Bewegungsfreiheit des Fangzahns begrenzt. Der Winkel, um den sich der Fangzahn relativ zum Sperrzahn verdrehen kann, ist vorzugsweise so groß gewählt, dass den einspurenden Klauenhälften genügend Zeit gegeben wird, eine ausreichende Überdeckung herzustellen, bevor die Fangzähne an den Sperrzähnen anliegen und eine Drehmomentübertragung stattfindet. Unter einem „Fangzahn” soll insbesondere ein Zahn des zweiten, verdrehbaren Eingriffselements verstanden werden, der dazu vorgesehen ist, in dem Einspurvorgang die Zähne des Eingriffselement der zweiten Kopplungshälfte zu kontaktieren, bevor die Zähne des Eingriffselement der zweiten Kopplungshälfte die Sperrzähne kontaktieren. Ein Fangzahn ist vorteilhafter Weise in Betätigungsrichtung länger ausgeführt als ein Sperrzahn. Idealerweise ist ein Fangzahn um einen Betrag länger, der der Mindestüberdeckung zwischen einem Fangzahn und einem Zahn der zweiten Kopplungshälfte entspricht. Die Zähne an der zweiten Kopplungshälfte sind genauso lang ausgeführt wie ein Fangzahn der ersten Kopplungshälfte.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn jeweils ein Fangzahn in Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei Sperrzähnen beweglich angeordnet ist. Dadurch kann im Fall eines Lastwechsels ein Verdrehen der drehfest verbundenen Kopplungshälften verhindert werden, wodurch ein sogenanntes Umschlagsspiel und damit ein Schlaggeräusch beim Lastwechsel unterbunden werden kann.
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Zur Bereitstellung eines vorteilhaften Umfangsabstands zwischen zwei Fangzähnen ist es weiter vorteilhaft, wenn die Sperrzähne eine Umfangserstreckung aufweisen, die größer ist als eine Umfangserstreckung der Fangzähne. Dadurch kann im Fall einer Zahn-auf-Zahn-Stellung ein sicheres Einspuren der Zähne des Eingriffselements der zweiten Kopplungshälfte in eine nächste Zahnlücke nach Auflösen der Zahn-auf-Zahn-Stellung ermöglicht werden, wodurch eine Einspurwahrscheinlichkeit erhöht werden kann. Unter einer „Umfangserstreckung” soll insbesondere eine Ausdehnung in Umfangsrichtung verstanden werden.
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Prinzipiell können sowohl die Sperrzähne als auch die Fanzähne in axialer oder in radialer Richtung relativ zur Lagerachse angeordnet sein. Ebenso kann das Eingriffselement der zweiten Kopplungshälfte in axialer oder in radialer Richtung angeordnet sein.
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Zur Kosteneinsparung ist es ferner vorteilhaft, wenn die Sperrzähne an einem Innenumfang des ersten Eingriffselements und die Fangzähne an einer Stirnseite des zweiten Eingriffselements angeordnet sind, wodurch die verdrehbare Anordnung der Fangzähne und die starre Anordnung der Sperrzähne konstruktiv einfach hergestellt werden können.
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Um die Eingriffselemente elastisch beweglich zueinander anzuordnen, weist die erste Kopplungshälfte in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung eine Dämpfungseinheit auf, die das zweite Eingriffselement relativ zu dem ersten Eingriffselement in zumindest eine Umfangsrichtung elastisch beweglich lagert. Dadurch kann nach einem Lösen der drehfesten Verbindung zwischen den Kopplungshälften eine vordefinierte Ursprungsposition des zweiten Eingriffselements relativ zu dem ersten Eingriffselement selbstständig eingestellt und gehalten werden. Weiter kann dadurch ein Auftreffimpuls bei der Herstellung der drehfesten Verbindung unter Differenzdrehzahl gedämpft werden, wodurch die Schaltung der Formschlussschalteinheit besonders geräuscharm ausgebildet werden kann. Ferner kann die Gegenkraft, die von dem zweiten Eingriffselement der ersten Kopplungshälfte auf das Eingriffselement der zweiten Kopplungshälfte ausgeübt wird, begrenzt werden, wodurch das Einrücken der Kopplungshälften ineinander erleichtert werden kann, da eine einer Einrückbewegung entgegenwirkende Reibung zwischen den Zahnflanken durch die elastische Lagerung begrenzt wird. Vorzugweise lagert die Dämpfungseinheit das zweite Eingriffselement in beide Umfangsrichtungen relativ zum ersten Eingriffselement elastisch, wodurch bei einem Einspuren unter Differenzdrehzahl in Kombination mit einer Drehrichtungsumkehr das Ratschen zuverlässig verhindert werden kann. Vorzugsweise weist die Dämpfungseinheit zumindest ein elastisches Element auf, das wiederholt verformbar ist, ohne dass dadurch das Element mechanisch beschädigt oder zerstört wird, und das insbesondere nach einer Verformung selbstständig wieder der Ursprungsposition zustrebt.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Dämpfungseinheit zumindest eine Feder aufweist, wodurch das zweite Eingriffselement besonders vorteilhaft elastisch beweglich abgestützt werden kann. Die Feder ist vorzugsweise als eine Schraubenfeder ausgebildet. Grundsätzlich kann die Dämpfungseinheit alternativ als elastisches Element ein Gummielement oder dergleichen aufweisen. Besonders vorteilhafter Weise weist das elastische Element oder die Feder eine nichtlineare progressive Feder-Kennlinie auf.
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Um ein sicheres und schnelles Einlegen der Formschlussschalteinheit zu gewährleisten, ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Eingriffselemente zusätzlich relativ zueinander entlang der Betätigungsrichtung elastisch verschiebbar angeordnet sind. Dadurch kann im Fall der Zahn-auf-Zahn-Stellung eines der Eingriffselemente axial elastisch nachgeben und eine Einrückkraft zwischenspeichern, die dann bei einer Auflösung der Zahn-auf-Zahn-Stellung zum vollständigen Einspuren und damit zum Beenden des Einspurvorgangs genutzt werden kann.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die zweite Kopplungshälfte einen zur Drehmomentübertragung vorgesehenen Grundkörper und zumindest ein entlang der Betätigungsrichtung zum Grundkörper elastisch verschiebbar angeordnetes Eingriffselement, das drehfest mit dem Grundkörper verbunden ist, aufweist, wodurch das Einlegen der Formschlussschalteinheit bei der Zahn-auf-Zahn-Stellung weiter verbessert werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze einer schaltbaren Formschlussschalteinheit eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, mit einer ersten Kopplungshälfte und einer zweiten Kopplungshälfte, und einer zur Betätigung der Formschlussschalteinheit vorgesehenen Betätigungseinheit,
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2 schematisiert die Formschlussschalteinheit in einem offenen Zustand,
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3 schematisiert die Formschlussschalteinheit in einem geschlossenen Zustand,
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4 eine Explosionsdarstellung der ersten Kopplungshälfte,
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5 ein zweites Eingriffselement und eine Dämpfungseinheit der ersten Kopplungshälfte,
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6 einen Ausschnitt der ersten Kopplungshälfte in einem montierten Zustand perspektivisch dargestellt,
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7 ein Eingriffselement der zweiten Kopplungshälfte, das in einem Einspurvorgang das zweite Eingriffselement der ersten Kopplungshälfte kontaktiert,
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8 einen eingespurten Zustand der Klauenhälften,
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9 schematisiert eine alternativ ausgebildete Formschlussschalteinheit in einem offenen Zustand,
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10 schematisiert die alternativ ausgebildete Formschlussschalteinheit in einem geschlossenen Zustand,
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11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Formschlussschalteinheit in einem offenen Zustand schematisiert dargestellt,
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12 schematisiert dargestellt die Formschlussschalteinheit aus 11 in einem geschlossenen Zustand und
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13 schematisiert eine weitere alternativ ausgebildete Formschlussschalteinheit in einem offenen (13a) und einem geschlossenen (13b) Zustand.
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Die 1 bis 8 zeigen eine Formschlussschalteinheit eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs, die in einem nicht näher dargestellten Kraftfahrzeuggetriebe verwendet wird. Das Kraftfahrzeuggetriebe ist dabei als ein Stufenautomatikgetriebe in Planetengetriebebauweise ausgebildet.
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Die Formschlussschalteinheit weist eine erste Kopplungshälfte 10a und eine zweite Kopplungshälfte 11a auf, die zur Herstellung einer drehfesten Verbindung entlang einer Betätigungsrichtung 12a relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind. Zur Schaltung und damit zur Herstellung der drehfesten Verbindung ist die erste Kopplungshälfte 10a in die Betätigungsrichtung 12a aktiv bewegbar. Dazu weist das Kraftfahrzeuggetriebe eine Betätigungseinheit 28a auf, die einen Betätigungskolben 29a aufweist, der zur Schaltung der Formschlussschalteinheit an die erste Kopplungshälfte 10a angebunden ist. Die Betätigungseinheit 28a ist dabei hydraulisch ausgebildet, kann aber grundsätzlich auch pneumatisch ausgebildet sein. Auch eine elektromechanische Betätigung ist möglich, z. B. über eine Schaltwalze und einen Stellmotor.
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Zur drehfesten Verbindung weist die erste Kopplungshälfte 10a zwei Eingriffselemente 13a, 14a und die zweite Kopplungshälfte 11a ein Eingriffselement 30a auf, wobei die zwei Eingriffselemente 13a, 14a der ersten Kopplungshälfte 10a zur Herstellung der drehfesten Verbindung formschlüssig mit dem Eingriffselement 30a der zweiten Kopplungshälfte 11a verbindbar sind.
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Zur Integrierung einer mechanischen Zahnlückensensorfunktion sind Eingriffselemente 13a, 14a der ersten Kopplungshälfte 10a in Umfangsrichtung 15a zueinander beweglich angeordnet. Die Eingriffselemente 13a, 14a sind gegeneinander um die Betätigungsrichtung 12a herum verdrehbar. Sie sind in Umfangsrichtung 15a beweglich zueinander gelagert. Die Betätigungsrichtung 12a definiert dabei eine Lagerachse, um die die Eingriffselemente 13a, 14a gegeneinander verdrehbar sind.
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Zur Drehmomentübertragung weist die erste Kopplungshälfte 10a einen Grundkörper 16a auf, der in diesem Ausführungsbeispiel drehfest mit einem Getriebegehäuse 46a verbunden ist. Der Grundkörper 16a weist eine Außenverzahnung 31a für den Betätigungskolben 29a auf. Der Betätigungskolben 29a ist mittels der Außenverzahnung 31a drehfest mit dem Grundkörper 16a verbunden. Der Betätigungskolben 29a ist zur Schaltung der Formschlussschalteinheit an den Grundkörper 16a angebunden. Grundsätzlich kann der Grundkörper 16a auch drehfest mit einer Getriebewelle verbunden sein.
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Das erste Eingriffselement 13a ist einstückig und damit starr mit dem Grundkörper 16a verbunden. Der Grundkörper 16a bildet das erste Eingriffselement 13a aus. Der Betätigungskolben 29a ist somit drehfest mit dem ersten Eingriffselement 13a verbunden. Das zweite Eingriffselement 14a ist um einen bestimmten Winkel zu dem Grundkörper 16a verdrehbar angeordnet. Es ist relativ zu dem ersten Eingriffselement 13a drehbar gelagert. Damit ist das zweite Eingriffselement 14a um den Winkel verdrehbar zum Getriebegehäuse 46a gelagert. Dabei ist das zweite Eingriffselement 14a axial verschiebefest mit dem Grundkörper 16a und damit dem ersten Eingriffselement 13a verbunden. Das starr mit dem Grundkörper 16a verbundene erste Eingriffselement 13a wird im Folgenden als starres Eingriffselement 13a und das verdrehbar zu dem Grundkörper 16a angeordnete zweite Eingriffselement 14a wird im Folgenden als verdrehbares Eingriffselement 14a bezeichnet.
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Das starre Eingriffselement 13a weist eine Vielzahl von Sperrzähnen 17a, 18a, 19a auf, die entlang der Umfangsrichtung 15a beabstandet zueinander angeordnet sind. Das starre Eingriffselement 13a ist als ein starrer Klauenring ausgebildet, auf dem die Sperrzähne 17a, 18a, 19a um seinen Umfang gleichmäßig verteilt fest angeordnet sind. Das starre Eingriffselement 13a ist einteilig ausgebildet. Die Sperrzähne 17a, 18a, 19a weisen zwischen einander jeweils einen Umfangsabstand auf. Dabei sind die Sperrzähne 17a, 18a, 19a an einem Innenumfang des starren Eingriffselements 13a angeordnet. Sie erstrecken sich radial zu einem Mittelpunkt des starren Eingriffselements 13a.
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Das verdrehbare Eingriffselement 14a weist eine Vielzahl von Fangzähnen 20a, 21a auf, die entlang der Umfangsrichtung 15a beabstandet zueinander angeordnet sind. Das verdrehbare Eingriffselement 14a ist als ein verdrehbarer Klauenring ausgebildet, auf dem die Fangzähne 20a, 21a um seinen Umfang gleichmäßig verteilt fest angeordnet sind. Das verdrehbare Eingriffselement 14a ist einteilig ausgebildet. Die Fangzähne 20a, 21a weisen zwischen einander jeweils einen Umfangsabstand auf. Dabei sind die Fangzähne 20a, 21a an einer Stirnseite des verdrehbaren Eingriffselements 14a angeordnet. Sie erstrecken sich axial entlang der Betätigungsrichtung 12a in Richtung zweite Kopplungshälfte 11a. Grundsätzlich kann das verdrehbare Eingriffselement 14a auch mehrteilig ausgebildet sein. Dabei kann das Eingriffselement 14a beispielsweise in mehrere Teilringe aufgeteilt sein. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass die Fangzähne 20a, 21a separat ausgebildet sind, wobei diese auf einem Träger fest angeordnet, beispielsweise auf den Träger aufgesteckt und/oder mit dem Träger verlötet, sind, wobei der Träger mit den Fangzähnen 20a, 21a das verdrehbare Eingriffselement ausbilden.
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Jeweils ein Fangzahn 20a, 21a greift zwischen zwei Sperrzähne 17a, 18a, 19a und ist damit in Umfangsrichtung 15a zwischen jeweils zwei Sperrzähnen 17a, 18a, 19a beweglich angeordnet. Damit bilden die Sperrzähne 17a, 18a, 19a einen formschlüssigen Anschlag für die Fangzähne 20a, 21a aus. Die Sperrzähne 17a, 18a, 19a begrenzen die in die Umfangsrichtung 15a gerichtete Beweglichkeit der Fangzähne 20a, 21a. Der Umfangsabstand zwischen den Sperrzähnen 17a, 18a, 19a definiert den Winkel, um den das verdrehbare Eingriffselement 14a relativ zu dem starren Eingriffselement 13a verdrehbar ist. Die Sperrzähne 17a, 18a, 19a und die Fangzähne 20a, 21a weisen jeweils eine Umfangserstreckung 22a, 23a auf, wobei die Umfangserstreckung 22a der Sperrzähne 17a, 18a, 19a größer ist als die Umfangserstreckung 23a der Fangzähne 20a, 21a. Dabei überragen die Fangzähne 20a, 21a die Sperrzähne 17a, 18a, 19a axial und damit in die Betätigungsrichtung 12a in Richtung zweite Kopplungshälfte 11a, wodurch eine Einspurwahrscheinlichkeit erhöht wird. Es ist aber auch eine nichtdargestellte Ausführungsform möglich, bei der die Umfangserstreckung der Fangzähne und der Sperrzähne gleich ist.
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Das Eingriffselement 30a der zweiten Kopplungshälfte 11a weist eine Vielzahl von Zähnen 32a, 33a auf, die entlang der Umfangsrichtung 15a beabstandet zueinander angeordnet sind. Eine Anzahl der Zähne 32a, 33a des Eingriffselements 30a der zweiten Kopplungshälfte 11a entspricht dabei einer Anzahl der Fangzähne 20a, 21a des zweiten Eingriffselements 14a der ersten Kopplungshälfte 10a. Die Zähne 32a, 33a sind um den Umfang des Eingriffselements 30a gleichmäßig verteilt angeordnet. Sie sind an einer Stirnseite des Eingriffselements 30a angeordnet. Die Zähne 32a, 33a erstrecken sich axial entlang der Betätigungsrichtung 12a in Richtung erste Kopplungshälfte 10a.
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Die Zähne 32a, 33a des Eingriffselements 30a der zweiten Kopplungshälfte 11a weisen jeweils eine Umfangserstreckung 34a auf, durch die die Zähne 32a, 33a jeweils zwischen die Sperrzähne 17a, 18a, 19a passen, wenn die Fangzähne 20a, 21a an einem Sperrzahn 17a, 18a, 19a formschlüssig anliegen (vgl. 3). Eine Summe aus der Umfangserstreckung 23a eines Fangzahns 20a, 21a des zweiten Eingriffselements 30a der ersten Kopplungshälfte 10a und der Umfangserstreckung 34a eines Zahns 32a, 33a des Eingriffselements 30a der zweiten Kopplungshälfte 11a entspricht dabei fast dem Umfangsabstand zwischen den Sperrzähnen 17a, 18a, 19a. Dadurch füllt ein Fangzahn 20a, 21a der ersten Kopplungshälfte 10a und ein Zahn 32a, 33a der zweiten Kopplungshälfte 11a zusammen beinahe ganz den Umfangsabstand zwischen den Sperrzähnen 17a, 18a, 19a der ersten Kopplungshälfte 10a aus, wodurch ein Schlag bei einem Drehrichtungswechsel verhindert wird.
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Eine Geometrie der Sperrzähne 17a, 18a, 19a, der Fangzähne 20a, 21a und der Zähne 32a, 33a kann mit oder ohne Abweisschrägen ausgeführt sein. Ein Zahnkopf der Sperrzähne 17a, 18a, 19a, der Fangzähne 20a, 21a und der Zähne 32a, 33a kann dabei grundsätzlich auf verschiedene Weise geformt sein, zum Beispiel angespitzt, einseitig angeschrägt, abgerundet oder flach geformt.
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Die erste Kopplungshälfte 10a weist weiter eine Dämpfungseinheit 24a auf, die das verdrehbare Eingriffselement 14a relativ zu dem starren Eingriffselement 13a in beide Umfangsrichtungen 15a elastisch beweglich lagert. Die Dämpfungseinheit 24a stützt das verdrehbare Eingriffselement 14a in Umfangsrichtung 15a elastisch gegenüber dem Getriebegehäuse 46a ab. Die Dämpfungseinheit 24a weist dazu eine Vielzahl an Federn 25a auf, die entlang eines Umfangs der ersten Kopplungshälfte 10a gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dabei dämpfen die Federn 25a die Verdrehung des verdrehbaren Eingriffselements 14a in beide Umfangsrichtungen 15a. Die Dämpfungseinheit 24a lagert das verdrehbare Eingriffselement 14a federnd in beide Umfangsrichtungen 15a. Sie stellt in einem geöffneten Zustand der Formschlussschalteinheit selbstständig eine definierte Ursprungsposition des verdrehbaren Eingriffselements 14a relativ zum starren Eingriffselement 13a ein und hält diese in dem geöffneten Zustand aufrecht. Die Federn 25a sind jeweils als eine Schraubfeder ausgebildet. Die Ursprungsposition des verdrehbaren Eingriffselements 14a relativ zum starren Eingriffselement 13a und damit eine Ursprungsposition eines Fangzahns 20a, 21a relativ zu seinen benachbarten Sperrzähnen 17a, 18a, 19a ist in der 6 dargestellt.
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Die Dämpfungseinheit 24a weist ein erstes ringförmiges Stützelement 35a und ein zweites ringförmiges Stützelement 36a auf. Das erste Stützelement 35a weist um ihren Umfang verteilte Stützwände 37a und das zweite Stützelement 36a um ihren Umfang verteilte Stützwände 38a auf. Jeweils eine Feder 25a der Dämpfungseinheit 24a stützt sich in Umfangsrichtung 15a an einer Stützwand 37a des ersten Stützelements 35a und an einer Stützwand 38a des zweiten Stützelements 36a ab. Somit ist jeweils eine Feder 25a mit einem Ende an einer Stützwand 37a des ersten Stützelements 35a und mit einem anderen Ende an einer Stützwand 38a des zweiten Stützelements 36a angebunden. Die Federn 25a sind dabei vorgespannt. Die Stützelemente 35a, 36a sind somit gegeneinander elastisch oder federnd verdrehbar.
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Um das verdrehbare Eingriffselement 14a mit den Stützelementen 35a, 36a zu verbinden, weist die Dämpfungseinheit 24a eine Vielzahl an Bolzen 39a auf, die jeweils zwischen einer Stützwand 37a des ersten Stützelements 35a und an einer Stützwand 38a des zweiten Stützelements 36a angeordnet sind. Das verdrehbare Eingriffselement 14a weist dabei eine Vielzahl an Nuten 40a und das erste Stützelement 35a eine Vielzahl an Langlöcher 41a auf. Jeweils ein Bolzen 39a greift in jeweils eine Nut 40a des verdrehbaren Eingriffselements 14a formschlüssig ein und greift dabei jeweils durch ein Langloch 41a des ersten Stützelements 35a hindurch.
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In einem Einspurvorgang, in dem die Formschlussschalteinheit ausgehend von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand mittels der Betätigungseinheit 28a betätigt wird, bewegt sich die erste Kopplungshälfte 10a entlang der Betätigungsrichtung 12a in Richtung zweite Kopplungshälfte 11a. Dabei kontaktieren sich die Fangzähne 20a, 21a des verdrehbaren Eingriffselements 14a der ersten Kopplungshälfte 10a und die Zähne 32a, 33a des Eingriffselements 30a der zweiten Kopplungshälfte 11a (vgl. 7), wodurch die Fangzähne 20a, 21a aufgrund einer Differenzdrehzahl zwischen den Kopplungshälften 10a, 11a in Umfangsrichtung 15a nachgeben. Dadurch verdrehen sich die Fangzähne 20a, 21a gegenüber den Sperrzähnen 17a, 18a, 19a, wodurch die Federn 25a zusammengedrückt werden. Die Fangzähne 20a, 21a weichen somit entlang dem Umfang aus. Die Fangzähne 20a, 21a verdrehen sich dabei bis sie an einem Sperrzahn 17a, 18a, 19a formschlüssig anliegen (vgl. 8). Durch eine weitere Bewegung der ersten Kopplungshälfte 10a entlang der Betätigungsrichtung 12a in Richtung der zweiten Kopplungshälfte 11a greifen die Zähne 32a, 33a des Eingriffselements 30a der zweiten Kopplungshälfte 11a formschlüssig in den Umfangsabstand zwischen den Sperrzähnen 17a, 18a, 19a ein, wodurch ein Drehmoment zwischen den Kopplungshälften 10a, 11a über die Fangzähne 20a, 21a übertragbar ist.
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In einem Ausspurvorgang, in dem die Formschlussschalteinheit ausgehend von dem geschossenen Zustand in den geöffneten Zustand mittels der Betätigungseinheit 28a betätigt wird, bewegt sich die erste Kopplungshälfte 10a entlang der Betätigungsrichtung 12a weg von der zweiten Kopplungshälfte 11a, wodurch der Formschluss aufgelöst wird. Dabei entspannen sich die Federn 25a und bewegen dadurch die Fangzähne 20a, 21a selbstständig in die Ursprungsposition.
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In den 9 bis 12 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleichbezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Figuren und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 8, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 1 bis 8 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 9 und 10 und durch den Buchstaben c in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 11 und 12 ersetzt.
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In den 9 und 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Formschlussschalteinheit für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einer ersten Kopplungshälfte 10b und einer zweiten Kopplungshälfte 11b, die zur Herstellung einer drehfesten Verbindung entlang einer Betätigungsrichtung 12b relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, dargestellt. Die erste Kopplungshälfte 10b weist dabei ein erstes Eingriffselement 13b und ein zu dem ersten Eingriffselement 13b bewegliches zweites Eingriffselement 14b auf, wobei die Eingriffselemente 13b, 14b in Umfangsrichtung 15b zueinander beweglich angeordnet sind. Zur federnden Anordnung des zweiten Eingriffselements 14b weist die erste Kopplungshälfte 10b eine Dämpfungseinheit 24b auf, die eine Vielzahl an Federn 25b umfasst. Das erste Eingriffselement 13b ist mit einem Grundkörper 16b starr verbunden und weist Sperrzähne 17b, 18b, 19b auf. Das zweite Eingriffselement 14b ist verdrehbar zu dem Grundkörper 16b angeordnet und weist Fangzähne 20b, 21b auf. Dabei weisen die Sperrzähne 17b, 18b, 19b eine Umfangserstreckung 22b auf, die größer ist als eine Umfangserstreckung 23b der Fangzähne 20b, 21b.
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Im Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel sind die Eingriffselemente 13b, 14b zusätzlich relativ zueinander entlang der Betätigungsrichtung 12b elastisch verschiebbar angeordnet. Das zweite, verdrehbare Eingriffselement 14b ist gegenüber dem ersten, starren Eingriffselement 13b zusätzlich entlang der Betätigungsrichtung 12b und damit axial verschiebbar angeordnet. Die erste Kopplungshälfte 10b weist eine zweite Dämpfungseinheit 42b auf, die das zweite Eingriffselement 14b relativ zu dem ersten Eingriffselement 13b in die Betätigungsrichtung 12b elastisch beweglich lagert. Die Dämpfungseinheit 42b stützt das zweite, verdrehbare Eingriffselement 14b in die Betätigungsrichtung 12b elastisch gegenüber einem Getriebegehäuse 46b ab. Die Dämpfungseinheit 42b weist dazu eine Vielzahl an Federn 43b auf, die entlang eines Umfangs der ersten Kopplungshälfte 10b gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dabei dämpfen die Federn 43b die axiale Verschiebung des zweiten, verdrehbaren Eingriffselements 14b. Die Federn 43b sind jeweils wirkungsmäßig zwischen einem Fangzahn 20b, 21b und dem Getriebegehäuse 46b angeordnet. Jeweils eine Feder 43b ist mit einem Ende an einem Fangzahn 20b, 21b und mit einem anderen Ende an dem Getriebegehäuse 46b angebunden. Das zweite, verdrehbare Eingriffselement 14b ist somit gegenüber dem ersten, starren Eingriffselement 13b axial federnd angeordnet. Die Dämpfungseinheit 42b stellt selbstständig eine definierte axiale Ursprungsposition des zweiten, verdrehbaren Eingriffselements 14b relativ zum ersten, starren Eingriffselement 13b ein und hält diese aufrecht. Die Federn 43b sind jeweils als eine Schraubfeder ausgebildet.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Eingriffselement 14b als Ganzes und damit mit den Fangzähnen 20b, 21b relativ zu dem ersten Eingriffselement 13b entlang der Betätigungsrichtung 12b verschiebbar. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass lediglich die Fangzähne 20b, 21b des zweiten Eingriffselements 14b relativ zu dem ersten Eingriffselement 13b entlang der Betätigungsrichtung 12b verschiebbar angeordnet sind. Dabei besteht das zweite Eingriffselement 14b aus einem Träger und den Fangzähnen 20b, 21b, wobei der Träger relativ zu dem ersten Eingriffselement 13b in die Betätigungsrichtung 12b fest und die Fangzähne 20b, 21b relativ zu dem Träger in die Betätigungsrichtung 12b verschiebbar angeordnet sind. Die Fangzähne 20b, 21b sind dabei in Umfangsrichtung 15b fest mit dem Träger verbunden.
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In einem Einspurvorgang, in dem eine Zahn-auf-Zahn-Stellung vorliegt, gibt das zweite Eingriffselement 14b in die Betätigungsrichtung 12b und damit axial nach, wodurch die Federn 43b der Dämpfungseinheit 42b eine Betätigungskraft speichern. Eine Federkraft der Federn 43b wirkt dabei axial gegen ein Eingriffselement 30b der zweiten Kopplungshälfte 11b. Sobald die Zahn-auf-Zahn-Stellung aufgelöst ist, bewegt sich das zweite Eingriffselement 14b selbstständig in Richtung zweite Kopplungshälfte 11b, wodurch die Fangzähne 20b, 21b zwischen Zähne 32b, 33b des Eingriffselements 30b der zweiten Kopplungshälfte 11b schnappen und den Einspurvorgang beenden.
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In den 11 und 12 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Formschlussschalteinheit für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, mit einer ersten Kopplungshälfte 10c und einer zweiten Kopplungshälfte 11c, die zur Herstellung einer drehfesten Verbindung entlang einer Betätigungsrichtung 12c relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, dargestellt. Die erste Kopplungshälfte 10c weist dabei ein erstes Eingriffselement 13c und ein zu dem ersten Eingriffselement 13c bewegliches zweites Eingriffselement 14c auf, wobei die Eingriffselemente 13c, 14c in Umfangsrichtung 15c zueinander beweglich angeordnet sind. Zur federnden Anordnung des zweiten Eingriffselements 14c weist die erste Kopplungshälfte 10c eine Dämpfungseinheit 24c auf, die eine Vielzahl an Federn 25c umfasst. Das erste Eingriffselement 13c ist mit einem Grundkörper 16c starr verbunden und weist Sperrzähne 17c, 18c, 19c auf. Das zweite Eingriffselement 14c ist verdrehbar zu dem Grundkörper 16c angeordnet und weist Fangzähne 20c, 21c auf. Dabei weisen die Sperrzähne 17c, 18c, 19c eine Umfangserstreckung 22c auf, die größer ist als eine Umfangserstreckung 23c der Fangzähne 20c, 21c.
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Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen weist die zweite Kopplungshälfte 11c einen zur Drehmomentübertragung vorgesehenen Grundkörper 26c und eine Vielzahl entlang der Betätigungsrichtung 12c zum Grundkörper 26c elastisch verschiebbar angeordnete, als Zähne ausgebildete Eingriffselemente 27c, die jeweils drehfest mit dem Grundkörper 26c verbunden sind, auf. Die Eingriffselemente 27c sind somit gegenüber dem Grundkörper 26c der zweiten Kopplungshälfte 11c axial verschiebbar. Die zweite Kopplungshälfte 11c weist eine Dämpfungseinheit 44c auf, die die Eingriffselemente 27c relativ zu dem Grundkörper 26c in die Betätigungsrichtung 12c elastisch beweglich lagert. Die Dämpfungseinheit 44c stützt die Eingriffselemente 27c in die Betätigungsrichtung 12c elastisch gegenüber einem Grundelement 46c ab. Das Grundelement 46c kann zum Beispiel ein Klauenkolben sein. Die Dämpfungseinheit 44c weist dazu eine Vielzahl an Federn 45c auf, die entlang eines Umfangs der zweiten Kopplungshälfte 11c gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dabei dämpfen die Federn 45c die axiale Verschiebung der Eingriffselemente 27c. Die Federn 45c sind jeweils wirkungsmäßig zwischen einem Eingriffselement 27c und dem Grundelement 46c angeordnet. Jeweils eine Feder 45c ist mit einem Ende an einem Eingriffselement 27c und mit einem anderen Ende an dem Grundelement 46c angebunden. Die Eingriffselemente 27c sind somit gegenüber dem Grundkörper 26c axial federnd angeordnet. Die Dämpfungseinheit 44c stellt selbstständig eine definierte axiale Ursprungsposition der Eingriffselemente 27c relativ zum Grundkörper 26c ein und hält diese aufrecht. Die Federn 45c sind jeweils als eine Schraubfeder ausgebildet. In 12 ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dargestellt, bei der jedes zweite Eingriffselement miteinander verbunden ist und benachbarte Eingriffselemente unabhängig von einander federn können.
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13 zeigt schematisiert eine weitere alternativ ausgebildete Formschlussschalteinheit in einem offenen (13a) und einem geschlossenen (13b) Zustand.
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Hierbei lagert die Dämpfungseinheit 24d das verdrehbare Eingriffselement 14d relativ zu dem starren Eingriffselement 13d lediglich in eine der zwei Umfangsrichtungen 15d, wodurch die Federn 25d die Verdrehung des verdrehbaren Eingriffselements 14d lediglich in eine der zwei Umfangsrichtungen 15d dämpfen. Die zweite Umfangsrichtung ist dabei durch einen mechanischen Anschlag gesperrt. Eine solche Ausführungsform zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus. Speziell bei dieser Ausführungsform einer einseitigen Dämpfung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sowohl die Eingriffselemente 27d als auch die Fangzähne 20d, 21d als auch die Sperrzähne 18d, 19d jeweils angeschrägte Stirnflächen aufweisen. In Bezug auf eine Kompressionsrichtung 49d der Dämpfungseinheit 24d, das heißt bei einer Richtung, in welcher im Ausführungsbeispiel die Feder 25d komprimiert wird, sind dabei die Eingriffselemente 27d ansteigend angeschrägt, die Fangzähne 20d, 21d fallend angeschrägt und die Sperrzähne 18d, 19d ebenfalls fallend angeschrägt. Die Anzahl der Eingriffselemente 27d ist hierbei doppelt so hoch wie die Anzahl der Fangzähne 20d, 21d, wodurch im eingespurten Zustand das Umschlagspiel auf ein Minimum reduziert werden kann. Neben der besonderen Einfachheit zeichnet sich diese Ausführungsform dadurch aus, dass Einspurblockierungen durch eine Zahn-auf-Zahn-Stellung wirkungsvoll vermieden werden. Im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen ist bei dem Ausführungsbeispiel der 13 ein weiteres vorteilhaftes Detail enthalten, das auch in Kombination mit den anderen Ausführungsbeispielen genutzt werden kann: die Fangzähne stützten sich über einen Anschlag und nicht über einen Sperrzahn ab. Ein Zahn der zweiten Kopplungshälfte greift jeweils in die Zahnlücke zwischen einem Sperr- und einem Fangzahn an der ersten Kopplungshälfte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010004956 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Freilaufkupplungen – Berechnung und Konstruktion”, Karl Stölzle, Sigwart Hart, Springer-Verlag, 1961, Abbildung 157 [0003]
