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Zahnkupplung in Zahnradwechselgetriebe für Kegel-Synchronisierung
mit direkt verstärkter Wirkung Synchronisiereinrichtungen mit Reib-Kegeln sind bekannt.
Die Wirkung und die Geschmeidigkeit der Synchronisierung kann aus physikalischen
Gründen nicht beliebig verstärkt werden.
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Die maßgebenden Kennwerte oder Eigenschaften sind: å) Dos Verhältnis
von Reibkraft zu Schaltkraft, welches die Wirksamkeit bestimmt. Dieses Verhältnis
ist ein Wirkungsgrad.
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b) Das Verhältnis von Reibkraft zu der entgegengesetzten Verdrehkraft
infolge der geneigten Sperrflächen, welches die Sicherheit bestimmt.
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(Bei verschiedenen wirksamen Radien unter Berücksichtigung derselben.)
c) Die Größe des Steigungswinkels γ dieser Sperrflächen, der die Geschmeidigkeit
bestimmt.
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d) Die Größe der Reibflächen.
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e) Die Größe der Gleitfläche zwischen Schaltmuffe und Schaltgabel
oder Gleitstein.
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f) Das Volumen der Synchronteile, deren Wärmespeicherung bei sehr
häufigen Schaltungen die Wirkung begrenzt.
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g) Der Reibwert. Er sei nachfolgend t 0,1, abwohl er entsprechend
dem Werkstoff verschieden ist.
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h) Ist die unter Punkt ar genannte Wirksamkeit groß , so bedeutet
es auch, daß am Beginn des Synchronisiervorganges das öl an den Reibflächen.
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schnell weggedrückt wird. Die Federn dafUr können deshalb schwach
sein.
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,i) Die Große des Neigungswinkels ß am Reib-Kegel. Kleine Winkel sind
fUr Punkt a) günstig, große Winkel ermöglichen eine leichtere Trennung der Reibkegel.
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Erwunscht sind geringe Schaltkraft und Schaltzeit, hohe Geschmeidigkeit
und Sicherheit.
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Kegel-Synchronisierungen haben einen Neigungswinkel ß von ungefähr
6°30' am Reib-Kegel. Ein kleinerer Winkel hat den Nachteil, daß am Ende des Schaltvorganges
die Trennung der Reibkegel schwierig ist.
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Das Verhältnis der Wirksamkeit (gemäß a) ist µ : sin ß = 0,1 : sin
6°30' = 0,1 : 0,113 = 0,88 Bei BW-Synchronisierung ist der Steigungswinkel γ-
= 350 an den Sperrflächen. Der Hebelarm letzterer ist bei BW 1,2-mal Reibkegel-Radius,
so daß der darauf reduzierte Faktor der Verdrehkraft der Sperrflächen ist tg γ
. 1,2 = tg 35° . 1,2 = 0,7 1,2 = 0,84. Damit ist die Sicherheit (gemäß b) 0,88 :
Q84,= = 1,05.
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(Die Zahlen sind nur zum Vergleich. Nebensächliche EinflUsse sind
nicht berücksichtigt).
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Bei Kegel-Synchronisierungen sind bereits zwei andere Ausführungen
bekannt; die deren Wirkung durch als Hebel angeordnete Verbindungsglieder verstärken.
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Bei meiner bekannten Zahnkupplung mit der Bezeichnung '|Zahnkupplung
in
Zahnradwechselgetriebe für Synchronisierung mit verstärkter Wirkung" (deutsche Patentschrift
2 256 363) sind Hebel innerhalb der Teile angeordnet, die während des Schaltvorganges-nach
Erreichen des Gleichlaufes zusammen Uber die geneigten Sperrflächen von der Schaltmuffe
etwas verdreht werden müssen, um das weitere Einrücken zu ermöglichen.
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Weil bei dieser Zahnkupplung das Zahnrad keine kegelförmige, fest
verbundene Reibfläche hat, fällt sie nicht unter diese Gattung.
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Bei einer anderen. bekannten Gangschalt- und Synchronisierkupplung
-(deutsche Auslegeschrift 1 284 309), ähnlich der im Oberbegriff des Hauptanspruches
ausgeführten Gattung, erfolgt gemäß Anspruch 2 derselben die AbstUtzung dieser Hebel
an der Nabe der Schaltmuffe, also außerhalb der Teile, die wie erwähnt nach dem
Gleichlauf zusammen verdreht werden. Wahlweise erfolgt die Abstützung Uber ein Nadellager.
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Ohne 'das Nadellager wUrde eine nachteilige Reibung entstehen, welche
die dem Gleichlauf folgende Verdrehung behindert. Nachteilig damit ist Aufwand und
Platzbedcrf. (Weil-ein H'ebel erst durch drei Anlagestellen räumlich bestimmt ist,
ergibt Anspruch 1 erst gemeinsam mit Anspruch 2 eine vollständige Kennzeichnung
jener Gangschalt- und Synchronisierkupplung.) Aufgabe dieser Erfindung ist es, diese
Nachteile zu beseitigen und eine Kegel-Synchronisierung zu schaffen, bei der Wirksamkeit
(a), Sicherheitsgrad (b), Geschmeidigkeit (c') und Unemp'findlichkeit'gegen Außermittigkeiten
besser als üblich ist bei normalem Raumbedarf Diese Aufgabe wird zum großen Teil
bei einer Zahnkupplung der eingangs aufgefuhrten Gattung durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1' beschriebenen Merkmale gelöst.
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Durch die Erfindung wird während des Synchronisiervorganges (zu Punkt
a) die über Schaltmuffe, Sperrflächen und Synchronisierring gehende Schaltkraft
im Verhältnis der Hebelarme der Verbindungsglieder
in ihrem Druck
auf den Reibkegel verstärkt, so daß die Reibkraft an diesen höher ist und deshalb
Schaltkraft bzw. Schaltzeit in Vorteil hafter Weise wesentlich geringer wird. Weil
also (zu Punkt a) eine bestimmte Schaltkraft eine wesentlich größere Reibkraft ergibt,
dUrfen die Sperrflächen (zu Punkt c) einen größeren Neigungswinkel haben, so daß
die Längsbewegung der Schaltmuffe am Ende des Synchronisiervorganges wesentlich
geschmeidiger ist. Weil ferner die Reibung an der Gleitfläche der Schaltmuffe relativ
viel kleiner ist, kann die Synchronisierung auf der Antriebswelle sein, z.B. bei
Verteilergetrieben, wo an, Abtrieb das Differential ist.
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Die erfindungsgemaße Ausgestaltung ist in den UnteransprUchen aufgefUhrt.
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Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, daß diese Scheiben
außerhalb des Scholtvorganges rollen können, also ohne Verschleiß infolge Fliehkraft.
Ferner können sie hierbei den Synchron sierring zentrieren mit etwas Luft für Anspruch
5.
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Die Ausgestaltung gemaß Anspruch 3 hat den Vorteil, daß beim Schaltvorgang
die belasteten Plan flachen der Scheiben sich nicht relativ bewegen, also daß kein
Verschleiß infolge axialer Kräfte einl tritt. Falls Reibwert bzw. Reibmoment zwischen
Reibring und Druckring niedriger ist als zu den Scheiben, kann auf einen Eingriff
des Druckringes in das Zahnrad verzichtet werden. Ebenfalls, weil an der viel kleineren
Fläche zwischen Scheiben und Druckring das Öl eher weggedrückt wird und sich so
ein höherer Reibwert einstellt.
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Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 hat folgenden Vorteil: am Beginn
des Synchronisiervorganges (zu Punkt h) wird die von der Scholtmuffe Uber den mittels
der Feder in die Rille gepressten Körper ouf den Synchronisierring Ubertrogene Schaltkraft
gleichfalls im Verhältnis der Hebelarme der Verbindungsglieder in ihrem Druck auf
den Reibkegel verstärkt. Dadurch wird das Öl am Reibkegel schneller weggedrückt,
was
die Voraussetzung für die sofortige Reib-Wirkung und den störungsfreien Verlauf
ist. Bzw. es kann die Kraft der Feder, welche die Größe der hierbei benötigten Schaltkraft
begrenzt, wesentlich geringer als üblich sein. Hierdurch wird die Schaltkraft insbesondere
im Stand geringer.
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Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, daß einer Verschiebung
der Enden der Federn parallel zueinander entfällt, weil diese beim Schalten gebogen
werden.
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Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, daß der Synchronisierring
als sogenannte Kreuzscheiben-Kupplung wirken kann, so daß eventuelle Außermittigkeiten
ausgeglichen werden und die Reibkegel gleichmäßig anliegen. Diese Ausgleich-Wirkung
ist am Beginn des Schaltvorganges vollkommen, wenn sich die Schaltzähne noch nicht
berühren, also wenn die Federn über Pilze und Nasen axial die Schaltkraft übertragen.
Hierdurch wird das Öl am Reibkegel überall weggedrückt. Wenn sich die Schaltzähne
berühren, wird der Ausgleich eingeschränkt, aber infolge der Ubertragung des größten
Teiles des Reibmoments über die Nasen zur Nabe nicht aufgehoben. (Gemäß der folgend
errechneten Sicherheit 2,4 gilt, daß bei einem Moment 1 an den Schaltzähnen an diesen
Nasen ein Moment 1,4 ist.) Die bei Stahl mögliche Beschränkung auf wenige Schaltzähne
in Richtung dieser beiden Nasen vermindert einen Einfluß derselben entgegen dem
Ausgleich.
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Zvsommengefasst kann gesagt werden: Die Wirkung der direkten Verstärkung
(zu Punkt a) ist folgende: Von der Schaltmuffe über den Synchronisierring und Gleitring
lastet die Schaltkraft H axial auf dem äußeren Ende der Scheiben. Diese stützen
sich am anderen Ende axial an der Stirnfläche des Zahnrades mit der inneren Kraft
J ab. An ihrer anderen Fläche drücken die Scheiben mit dem kleinen Hebelarm auf
den Druckring und dieser auf den Reibring. Ist der kleine Hebelarm 1/3 der
Spannweite
der Scheibe, so lastet auf dem Reibring die 3-mal so große Kraft G = H . 3. Mit
einem Neigungswinkel ß = 6°30' wird deren Reibkraft R = G .µ : sin ß = H . 3 . 0,1
: sin 6°30' = H . 3 0,1 : 0,113= H.2,65. Die Wirksamkeit (zu Punkt a) ist 2,65 und
somit größtmöglich! Der Steigungswinkel ist γ = 42° (statt 35° wie üblich).
Die Sperrflächen haben wie bei BW-Synchronisierung einen Radius, der 1,2-mal der,
mittlere Radius des Reibkegels ist. Die auf letzteren reduzierte Verdrehkraft ist
deshalb V' = H . tg γ γ . 1,2 = H . tg 42°. 1,2 = H . 0,9 1,2 = H .
1,08. Damit ist die Sicherheit gegen Versagen der Synchronisierung (zu Punkt b)
2,65 : 1,08 = 2,4 (statt 1,05 wie üblich).
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Trotz der wesentlich geschmeidigeren Ausführung wird auch die Sicherheit
größer! Dies bedeutet, daß die Synchronisierung noch bis µ = 0,1 : 2,4 = 0,04 ordnungsgemäß
wirkt! Wie ersichtlich, können am Reibkegel auch größere Neigungswinkel ß#8° ausgeführt
werden, um die Reibkegel am Ende des Schaltvorganges ohne den üblichen Widerstand
zu trennen.
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Das Volumen der Synchronteile (zu Punkt F) ist sehr groß, weil der
eine Reibkegel im Zahnrad und der andere auf dem Reibring,der größtmögliche ist
im normalen Raum des üblichen Radsatzes. Der Durchmesser des Reibkegels im Zahnrad
des 1. oder 2. Ganges ist derselbe wie bei BW-Synchronisierung.
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In der Zeichnung ist ein in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutertes Ausführungsbeispiel maßstäblich dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Zahnkupplung im Längsschnitt nach den Linien C-D-E der Fig. 2, Fig. 2 einen Querschnitt
nach Linie A-A der Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt nach Linie B-B der Fig. 1 Fig.
4 entspricht Fig. 1, aber während des Synchronisiervorganges' Fig. 5 einen Schnitt
nach Linie K-K der Fig. 4.
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Von einem Zahnradwechselgetriebe fur Pkw, oder fUr Lkw und Traktoren
ist der 1. und 2. Gang gezeigt.
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Auf einer (Abtriebs-)Welle 1 ist mittels Verzahnung und Sprengring
2 die Nabe 3 und ferner der Ring 4 befestigt. Auf der Welle 1 sind das Zahnrad 5
des 1. Ganges und'das Zahnrad 6 des 2. Ganges drehbar angeordnet, die angespitzte
Schaltzähne 7 und je eine innere Kegelfläche 8, ringförmige Stirnfläche 9 und kurze
Verzahnung 10 haben, Die Nabe 3 hat zwei gegenüberliegende große Längsnuten 11 mit
kleinen radialen Bohrungen 12 am Boden. Eine ringförmige Rille 13 ist in der Schaltmuffe
14, die angespitzte Schaltzähne 15 hat, welche längsbeweglich in die Nabe 3 eingreifen.
In letzterer sind die beiden Pilze 16 mit kugelförmigen inneren Enden 17 und die
zwei Federn 18. Der Reibring 19 hat eine äußere Kegelfläche 20 mit dem Neigungswinkel
ß und zwei Längsnuten 21.
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Der Synchronisierring 22 hat zwei Nasen 23, die in letztere eingreifen,
und auf seiner anderen Seite zwei um 900 versetzte Nasen 24, die mit Verdrehspiel
in die beiden Langsnuten 11 der Nabe 3 eingreifen und neben diesen zwei Nasen 24
je sechs angespitzte Schaltzähne 25 aus Stahl Die Nasen 23 und 24 haben etwas radiales
Spiel. Neben dem Reibring 19 ist ein beweglicher Druckring 26, der zu den Scheiben
27 hin eine schmale ringförmige Stirnfläche 28 hat. Neben dem Synchronisierring
22 ist ein Gleitring 29, der in die Verzahnung 10 des Zahnrades 5 oder 6 ldngsbeweglich
eingreift und der zu den Scheiben 27 hin eine schmale ringförmige Stirnflache 30
hat. An den Scheiben 27 ist die äußere Fläche 31 kugelig.
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Wie Fig. 5 zeigt, liegen beim Synchronisiervorgang die Sperrflächen
32 und 33 aneinander. Sie haben den Steigungswinkel γ .
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Wirkungsweise Fig. 1 zeigt den ausgeschalteten Gang. Die Schaltmuffe
14 ist in der Mittelstellung. Die Scheiben 27 rollen zwischen den Zahnrädern 5 bzw.
6 und dem Synchronisierring 22, den sie mit etwas Luft zentrieren.
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Fig. 4 zeigt den Synchronisiervorgang. Durch die von Hand kommende
Schaltkraft H wurde die Schaltmuffe 14, der Synchronisierring 22 und der Kopf der
Pilze 16 aus der Mittelstellung heraus bewegt, bis alle Teile 29, 27, 26, 19 und
5 aneinander liegen. Durch die weitere Bewegung der Schaltmuffe 14 werden die Pilze
16 ein wenig nach innen gedrückt, bis auch die Sperrflächen 32 und 33 aneinander
liegen. Die Scheiben 27 übersetzen die Kraft H, so daß auf dem Reibring 19 die ca.
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3-mal größere Kraft G lastet. (Ferner entsteht noch die innere Kraft
J.) Hierdurch entsteht die tangentiale Reibkraft R, welche den Gleichlauf erzeugt.
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Die Schaltkraft H erreicht bei der Einleitung der Schaltbewegung
ihre volle Größe, wenn der Widerstand ansteigt. Dementsprechend wird sie wie folgt
übertragen: anfangs ganz, später zum kleinen Teil als H1, begrenzt durch die Kraft
F der Federn 18, und zum großen Teil als H2 über die Sperrflächen 32 und 33, wie
Fig. 5 zeigt. Letztere erzeugen die Verdrehkraft V, welche zunächst ohne Wirkung
ist, weil sie viel kleiner als die entgegengesetzt am System wirkende Reibkraft
R ist.
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Später, wenn Gleichlauf erreicht ist, bewirkt V eine Verdrehung zwischen
dem Synchronisierring 22- und der Schaltmuffe 14. Die letztere kann dann weiter
bewegt werden.
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Während des Synchronisiervorganges gemäß Fig. 4 sind die Scheiben
27 an der einen Seite an das Zahnrad 5 und den damit (längsbeweglich) verbundenen
Gleitring 29 gepresst. An der anderen Seite drücken sie auf den Druckring 26, der
sich frei bewegen kann. Letzterer liegt mit einer viel größeren Flach an dem Reibring
19 aus Buntmetall. Diese große Fläche gleitet, weil die Werkstoffe und der Ölfilm
einen niedrigeren
Reibwert ergeben als an den kleinen Stirnflächen
9, 30 sowie 28, wo Stahl auf Stahl ist und der Ölfilm weggedrUckt wurde.
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Wie in Fig. 3 ersichtlich, kann sich der Synchronisierring 22 zu
dem Reibring 19 in Richtung X-X frei und zu der Nobe 3 in Richtung Y-Y mit etwas
Einschränkung durch diejenigen Schaltzähne 25 einstellen, welche von der Linie Y-Y
abweichen. Deshalb kann sich der Reibring 19 im Zahnrad 5 bzw. 6 beim Synchronisiervorgang
fast frei einstellen.
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Bei der foigenden, wahlweisen Ausgestaltung erfolgt der Ausgleich
der Außermittigkeiten für den Reibring 19 ohne Einschränkung': An den Schaltzähnen
25 des Synchronisierringes 22 und an den gegenüberliegenden der Schaltzähne 15 von
Schaltmuffe 14 in den beiden betreffenden Sektoren sind die Sperrflächen 32 und
33 bzw. deren Firste nicht zum Zentrum hin gerichtet, sondern parallel zueinander
in Richtung Y-Y. Die Herstellung ist'bei den angeschmiedeten Schaltzahnen 25 des
Synchronisierringes 22 ohne Mehrkosten möglich. FUr die Herstellung an der Schaltmuffe
14 ist ein Außen-Räumen pro Seite notwendig, also 2-mal pro Schaltmuffe über die
normal angespitzten Schaltzähne 15. Dadurch liegen die so parallel angespitzten
Schaltzähne gegenüber den anderen, zentrisch angespitzten Schaltzähnen etwas zurück,
so daß ihre Form beim Einschalten der Schaltmuffe 14 in die Schaltzähne 7 des Zahnrades
5 oder 6 nicht stört. Fig. 3 zeigt unten parallel angespitzte Schaltzähne 25.
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Diese zusätzliche Ausbildung der Schaltmuffe 14 kann entfallen, wenn
ihre Schaltzähne 15 alle ballig angespitzt sind und der Synchronisierring 22 nur
2 x 4 Schaltzähne 25 hat r die parallel angespitzt sind.
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In wahlweiser Ausführung kann der Druckring 26 längsbeweglich in
das Zahnrad 5 oder 6 eingreifen wie der Gleitring 29. Die Pilze 16 können auch andere
Körper, z.B. Gleitsteine sein.
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rer Umfang der Erfindung gemaß Anspruch 1 erstreckt sich auch auf
anders geformte Verbindungsglieder 27, die auch Bestandteil eines anderen Teils
sein können.
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In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift 2 256
363 (eigenes Patent) Deutsche Auslegeschrift 1 284 309