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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Synchronisierelement und eine Synchronisiervorrichtung, welche
ein derartiges Element aufweist, und genauer eine Kupplungsvorrichtung
für ein
Kraftfahrzeug.
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Bei Synchronisiervorrichtungen von
Kraftfahrzeugen werden die sie bildenden Elemente, wie der Synchronisierring,
das entsprechende konische Teil und der Zwischenring im Fall einer
Vorrichtung mit Doppelkonus ununterbrochen in Öl eingetaucht. Diese Elemente
müssen
trotzdem einen erhöhten Reibungskoeffizienten
sicherstellen, um schnell eine Bewegung zwischen dem Synchronisierelement
und einem gegenwirkenden Teil zu übertragen, z.B. durch einen
Antrieb in Drehung über
Reibung zwischen einer kegelstumpfartigen Oberfläche des Ringes und einer kegelstumpfartigen
Oberfläche
des gegenwirkenden Teils.
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Um dies zu bewerkstelligen, ist es
angebracht, das Schmiermittel während
dem Kontakt der zwei gegenwirkenden Teile abzuführen, um einen Reibungsmodus
unter einem Annähern
einer Reibung im Trockenen durchzuführen. Es ist somit notwendig,
dass die Synchronisierelemente eine oberflächliche Morphologie aufweisen,
die einerseits eine beträchtliche
flächenbezogene
Tragfähigkeit
und andererseits eine wirksame Entfernung von Schmiermittel sicherstellt.
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Eine erste bekannte Lösung besteht
darin, die Oberfläche
der gegenüberliegenden
Elemente mit Stegen bzw. Gewindegängen zu versehen. Somit wird
die Tragfähigkeit
durch die Spitzen des Gewindes und die Entfernung des Schmiermittels
durch die Böden
des Gewindes sichergestellt. Unterschiedliche geometrische Formen
von Stegen sind in einer solchen Anwendung bekannt: Das Patent
US 5,900,559 beschreibt
insbesondere radial folgende Rillen an dem Gewinde. Die Anmeldung
EP 0 821 175 beschreibt
regelmäßig verteilte,
axiale Kerben. Die Anmeldung
DE
43 34 497 beschreibt Abarbeitungsrillen mit einem harten Überzug aus
Molybdän. Das
Patent
US 5,076,882 beschreibt
longitudinale und umfängliche,
geschmiedete Rillen. Das Patent
US
5,038,628 beschreibt spiralförmige und radiale Rillen. Jedoch
erfordert diese Lösung
eine Bildung oder Bearbeitung von Entleerungsrillen des Fluids, was
aus diesem Grund die Tragfähigkeit
bzw. den Auftrieb der Kontaktoberflächen reduziert. Ohne harten Überzug weist
die Widerstandsfähigkeit
von dieser Art von Synchronisierer eine schwache Widerstandsfähigkeit
gegen Abnutzung auf.
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Eine zweite Lösung besteht darin, die Oberfläche des
Synchronisierelements mit einem harten und porösen Überzug zu überziehen, wie z.B. Molybdän, oder
mit einem porösen,
gesinterten Material in einer Weise, um das Schmiermittel durch
die Porositäten
zu entfernen. So beschreibt die Anmeldung
EP 0 790 432 einen Überzug auf
der Basis von Phenolharz, Graphitpartikeln und anorganischen Fasern. Die
Anmeldung
JP 11061103 beschreibt
einen Überzug
auf Basis von Karbon, thermohärtbarem
Harz, metallischen Teilchen und anorganischen Fasern. Die Anmeldungen
JP 9025527 und
JP 8209206 beschreiben einen Überzug auf
Basis von Kupfer, Zink und Metallteilchen. Die Anmeldung
JP 7126778 beschreibt ein
Material der Messingart, welches harte Metalle enthält. Jedoch
weist diese Lösung
erhöhte Herstellungskosten
auf wegen der Verwendung von edleren Materialien oder kostspieligen Überzugsverfahren.
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Eine dritte Lösung besteht darin, die Oberfläche der
Kontaktelemente zu vergrößern, und
auf Synchronisiervorrichtungen mit doppeltem Konus, ja sogar dreifachem
Konus, zurückzugreifen.
So beschreibt die Anmeldung
EP
0 774 594 einen Zwischenring aus keramischem Holz vom Typ
Cedron. Die Anmeldung WO 0011367 beschreibt einen doppelkonusförmigen Ring
mit einem konischen Zwischenring. Die Anmeldung
DE 198 53 896 beschreibt einen Doppelkonusring
mit einem Zwischenring mit doppeltem konischem und radialem Kontakt.
Jedoch ist diese Lösung
kostspielig wegen des Einsatzes von zusätzlichen Zwischenteilen.
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Es scheint somit nötig, Synchronisierelemente
und Synchronisiervorrichtungen zu entwickeln, welche diese Nachteile
vermeiden.
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Insbesondere schlägt die vorliegende Erfindung
ein Synchronisierelement vor mit wenig kostspieliger Herstellung,
das es ermöglicht,
kostengünstige
Materialien, wie geschmiedete Stähle,
zu verwenden, welche herkömmlichen
Oberflächenbearbeitungstechniken
ausgesetzt werden können.
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Die Erfindung hat ebenso als Aufgabe
ein Synchronisierelement, welches erlaubt, das Schmiermittel, in
welchem es eingetaucht ist, wirksam zu entfernen, und welches eine
schnelle Übertragung
der Bewegung erlaubt.
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Die Erfindung hat ebenso als Aufgabe
eine Synchronisiervorrichtung, welche mindestens ein Synchronisierelement
verwendet.
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Das Synchronisierelement gemäß der Erfindung
weist eine Oberfläche
auf, die fähig
ist, in Kontakt mit einer entsprechenden Oberfläche eines Teils gebracht zu
werden, für
den Antrieb in Drehung durch Reibung zwischen den zwei Oberflächen während dem
Anlegen einer axialen Kraft. Die Oberfläche des Synchronisierelements
ist glatt feingeschliffen und weist eine Mehrzahl von Bohrungen
auf, die fähig
sind, ein Schmiermittel zu entfernen, das zwischen den zwei Oberflächen während dem
Anlegen der axialen Kraft vorhanden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist das Synchronisierelement in Form eines Ringes,
welcher einen ringförmigen
Körper
mit einem inneren Umfang einer kegelstumpfförmigen Oberfläche und
einem Scheibenkörper
mit einer gezahnten Krone aufweist. Die eine oder die mehreren Bohrungen
können
auf der kegelstumpfförmigen
Oberfläche des
ringförmigen
Körpers
und/oder auf der inneren Oberfläche
des Scheibenkörpers
vorhanden sein.
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Der Synchronisierring kann mehrere
ringförmige
Körper
umfassen, welche durch einen oder mehrere Zwischenringe voneinander
getrennt sind. In diesem Fall können
die Zwischenringe ebenfalls eine Mehrzahl von Bohrungen aufweisen.
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Vorzugsweise ist die kegelstumpfförmige Oberfläche aus
einem Material mit einer Vickers-Härte größer als 80 realisiert und vorzugsweise
größer als
240. Die kegelstumpfförmige
Oberfläche
kann aus einem Stahl vom Typ 20CrMo4 realisiert sein, d.h. welcher
in Gew.-% 0,2% Karbon, 1% Chrom und 0,25% Molybdän aufweist, oder aus einem
Stahl vom Typ 45 Cr3, d.h., welcher in Gew.-% 0,45% Karbon und 0,75%
Chrom aufweist.
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Vorzugsweise ist die gesamte Rauigkeit
der kegelstumpfförmigen
Oberfläche
des Synchronisierelements geringer als 1 um und noch weiter vorzugsweise
geringer als 0,2 um.
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Der Durchmesser der Bohrungen ist
vorzugsweise zwischen 5 und 30 um, weiter vorzugsweise zwischen
15 und 30 um oder noch weiter bevorzugt zwischen 10 und 25 um, ihre
Tiefe ist vorzugsweise zwischen 2 und 20 um und noch weiter vorzugsweise
zwischen 10 und 20 um und ihre Beabstandung ist vorzugsweise zwischen
20 und 100 um.
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Die Erfindung hat ebenso als Aufgabe
eine Synchronisiervorrichtung, welche ein Element aufweist, wie
es oben beschrieben ist.
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Die Synchronisiervorrichtung kann
insbesondere eine Kupplungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sein. Diese
Kupplungsvorrichtung kann eine Welle eines Getriebes mit mindestens
zwei parallelen Wellen aufweisen, das eine Nabe umfasst, welche
an der Welle mittels Rillen befestigt ist, eine Schiebewelle, welche
in Drehung mit der Nabe verbunden ist und auch außen auf
dieser gleitet, mindestens ein bewegliches Ritzel und mindestens
ein Synchronisierelement, das axial zwischen der festen Nabe und
dem beweglichen Ritzel zwischengesetzt ist. Das oder die Synchronisierelemente
können
aus denjenigen, die weiter oben beschrieben sind, ausgewählt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung weist die Vorrichtung zwei Elemente in Form eines
Ringes auf. Diese Elemente können
durch einen Zwischenring getrennt werden.
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Andere Vorteile und Merkmale der
Erfindung werden beim Studium der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung
einer Ausführungsform,
die keineswegs beschränkend
ist, eines Synchronisierrings gemäß der Erfindung offensichtlich
und welche durch die 1 bis 3 dargestellt ist, in welchen:
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1 einen
Synchronisierring gemäß der Erfindung
darstellt,
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2 eine
Detailansicht der kegelstumpfförmigen
Oberfläche
des Synchronisierrings wiedergibt,
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3 eine
Schnittansicht gemäß III-III
des Synchronisierrings darstellt.
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1 zeigt
einen Synchronisierring 1 gemäß der Erfindung. Der Ring 1 umfasst
einen ringförmigen Körper 2 mit
einer inneren Kontur einer kegelstumpfförmigen Oberfläche 3,
die glatt feingeschliffen ist, und einen Scheibenkörper 4.
Auf dem äußeren Umfang
des Scheibenkörpers 4 ist
eine Zahnung 6 gebildet, welche eine gezahnte Krone bildet.
Die innere Oberfläche
der kegelstumpfförmigen
Oberfläche 3 des
ringförmigen
Körpers 2 ist
mit Löchern
bzw. Bohrungen 5 versehen.
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2 und 3 zeigen eine Detailansicht
der kegelstumpfförmigen
Oberfläche 3.
Die Löcher 5 sind vom
kreisförmigen
Querschnitt und in einem Abstand d. Die Lö cher 5 können auch
von jedem anderen Querschnitt, insbesondere quadratisch, rechteckig oder
dreieckig sein, obwohl der kreisförmige Querschnitt aus Herstellungsgründen bevorzugt
wird.
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Der Durchmesser der Löcher 5 ist
vorzugsweise zwischen 5 und 30 um, weiter vorzugsweise zwischen
15 und 30 um und noch weiter vorzugsweise zwischen 10 und 25 um,
ihre Tiefe ist vorzugsweise zwischen 2 und 20 um, und noch weiter
vorzugsweise zwischen 10 und 20 um, ihre Beabstandung d ist vorzugsweise
zwischen 20 und 100 um.
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Die kegelstumpfförmige Oberfläche 3 kann mehrere
Reihen von Löchern 5 aufweisen,
welche z.B. in einer Fünfpunkt-Anordnung
(bzw. versetzt) oder schnurgerade angeordnet sind. Die Löcher 5 sind
vorzugsweise rechtwinklig zu der kegelstumpfförmigen Oberfläche 3.
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Der Durchschnittsfachmann kann die
Dichte und die Größe der Löcher 5 so
bestimmen, um die Entfernung von Schmiermittel während dem Kontakt der zwei
kegelstumpfförmigen
Oberflächen
zu optimieren.
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Die Löcher 5 können mit
Hilfe von gepulstem Laser erhalten werden. Man kann vorzugsweise
einen Laser verwenden, dessen Wellenlänge enthalten ist zwischen
250 und 1064 nm mit Kupferdampf oder einen Laser, der ausgehend
von einem Kristall erhalten ist vom Typ YAG (Yttrium Aluminium Garnet),
um eine gute Wechselwirkung von Energie/Material zu erhalten. Die
Pulsenergie ist vorzugsweise enthalten zwischen 1 und 10 mJ und
die Dauer des Pulses zwischen 10–12 und
10–9 s
(die Energiedichte des Pulses ist vorzugsweise größer als
10 W/cm2), um das Metall zu sublimieren,
ohne in den flüssigen
Zustand überzugehen.
Gemäß der gewünschten
Abmessung der Löcher 5 kann
man mehrere aufeinander folgende Pulsungen anwenden.
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Die Löcher 5 können auf
der kegelstumpfförmigen
Oberfläche 3 des
ringförmigen
Körpers 2 und/oder
auf der inneren Oberfläche
des Scheibenkörpers 4 vorhanden
sein.
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Die kegelstumpfförmige Oberfläche des
ringförmigen
Körpers 2 ist
fähig,
in Kontakt mit einer entsprechenden kegelstumpfförmigen Oberfläche eines Teils
gebracht zu werden, für
den Antrieb in Drehung dieses Teils durch Reibung zwischen den zwei
kegelstumpfförmigen
Oberflächen
während
dem Anlegen einer axialen Kraft. So ist in einer Kupplungsvorrichtung
für ein
Kraftfahrzeug der Synchronisierring 1 axial zwischen einer
festen Nabe einer Welle des Getriebes zwischengeschaltet und einem
beweglichen Ritzel, welches eine kegelstumpfförmige Oberfläche aufweist
(Teile, die nicht dargestellt sind).
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Wenn man es wünscht, das bewegliche Ritzel
in Drehung anzutreiben, werden die kegelstumpfförmigen Oberflächen des
beweglichen Ritzels und des Synchronisierrings 1 einander
angenähert
durch Anlegen einer axialen Kraft und gelangen in Reibung, wobei
so das bewegliche Ritzel in Drehung angetrieben wird. Der Synchronisierring 1,
welcher in ein Schmiermittel eingetaucht ist, muss jedoch einen
erhöhten
Reibungskoeffizienten aufweisen, um schnell das bewegliche Ritzel
in Drehung anzutreiben. Aufgrund des Vorhandenseins von Löchern 5 wird
das Schmiermittel von der kegelstumpfförmigen Oberfläche 3 evakuiert
bzw. entfernt und man nähert
sich so schnell einem Funktionsmodus in trockener Reibung an.
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Der Synchronisierring 1 kann
mehrere ringförmige
Körper 2 aufweisen,
welche durch einen oder mehrere Zwischenringe getrennt sind. In
diesem Fall können
die Zwischenringe ein oder mehrere Löcher 5 aufweisen.
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Vorzugsweise ist die kegelstumpfförmige Oberfläche 3 aus
einem Material einer Vickers-Härte von
größer als
80 realisiert und weiter vorzugsweise größer als 240. Die kegelstumpfförmige Oberfläche 3 kann
aus einem Stahl vom Typ 20CrMo4 realisiert sein, d.h. welcher in
Gew.-% 0,2% Karbon, 1% Chrom und 0,25% Mo lybdän aufweist, oder aus einem
Stahl vom Typ 45 Cr3, d.h., welcher in Gew.-% 0,45% Karbon und 0,75%
Chrom aufweist. Man verwendet vorzugsweise Materialien, welche es
erlauben, nicht-toxische Schmiermittel zu verwenden, wie Polyalkylenglykole
und Polyol-Ester.
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Es ist möglich, die kegelstumpfförmigen Oberflächen 3 durch
Läppen
plan zu machen (bzw. zu glätten),
insbesondere um die Wülste
der Löcher 5,
die aufgrund des Durchgehens des Laserstrahls entstehen, abzuschleifen.
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Aufgrund der planen Oberfläche der
kegelstumpfförmigen
Oberfläche 3 des
Synchronisierrings 1 weist dieser eine erhöhte Widerstandsfähigkeit
gegen Abnutzung bzw. Abrieb auf. Um diese Widerstandsfähigkeit
gegen Abnutzung weiter zu erhöhen, wird
die Gesamtrauigkeit des Synchronisierrings vorzugsweise geringer
als 1 um und weiter vorzugsweise geringer als 0,2 um sein.