DE69801600T2

DE69801600T2 - Bolzen-type Synchronisiereinrichtung

Info

Publication number: DE69801600T2
Application number: DE69801600T
Authority: DE
Inventors: Joseph Reynolds
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1998-01-12
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: EP0855531B1; CN1213747A; CN1125928C; JPH10205549A; KR100375491B1; EP0855531A2; US5819900A; TR199800043A2; ZA98141B; EP0855531A3; TR199800043A3; ES2162390T3; KR19980070481A; DE69801600D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Synchronisieranordnung in der Bauart mit Zapfen für ein Getriebe.

Hintergrund zu der Erfindung

Auf dem Gebiet der mehrgängigen Geschwindigkeitswechselgetriebe ist es bekannt, dass Synchronisieranordnungen verwendet werden können, um bei einigen oder bei sämtlichen Getriebegängen die Zeit des Schaltvorgangs zu reduzieren. Ebenso ist bekannt, dass sich mit Synchronisieranordnungen, die mit Servokraft erzeugenden Mitteln arbeiten, der zum Schalten nötige Kraftaufwand des Fahrzeugführers, d. h. die auf einen Schalthebel ausgeübte Kraft, verringern lässt. Da im Allgemeinen der Kraftaufwand des Fahrzeugführers für das Schalten mit der Größe des Fahrzeugs zunimmt, sind Synchronisieranordnungen, die mit Servokraft arbeiten, von besonderer Bedeutung für Schwerlastfahrzeuge. Jedoch sind derartige Synchronisieranordnungen nicht auf den Einsatz in Nutzfahrzeugen begrenzt. Beispiele für Synchronisieranordnungen, die für die erfindungsgemäße Synchronisieranordnung von Bedeutung sind, lassen sich den US Patenten 5 092 439, 5 339 936 und 5 425 437 entnehmen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Synchronisieranordnung der mit Zapfen ausgeführten Bauart zu schaffen, die über eine verbesserte Anordnung von Klauengliedern verfügt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Synchronisieranordnung der mit Zapfen ausgeführten Bauart zu schaffen, die über eine verbesserte Servokraft erzeugende Anordnung verfügt.
Eine Synchronisiereinrichtung in der Bauart mit Zapfen, wie sie in dem US Patent 5 092 439 beschrieben ist und den Stand der Technik wiedergibt, auf den sich der Oberbegriff nach Anspruch 1 bezieht, umfasst erfindungsgemäß eine Synchronisiereinrichtung in der Bauart mit Zapfen, die sich wahlweise betätigen lässt, um jeweils entweder einen ersten oder einen zweiten Antrieb, die bezüglich einer Achse einer Welle auf ersten und zweiten zylindrischen Flächen drehbar gelagert sind, zu synchronisieren und formschlüssig anzukuppeln. Die Synchronisiereinrichtung enthält erste und zweite Klauenglieder, die jeweils an dem ersten und dem zweiten Antrieb befestigt sind und jeweils mit axial beweglichen dritten und vierten Klauengliedern in Eingriff zu bringen sind, die zwischen den Antrieben angeordnet sind. Die dritten und vierten Klauenglieder tragen Innenverzahnungszähne, die verschieblich und drehfest mit Außenverzahnungszähnen zusammenpassen, die an der Welle befestigt sind. Erste und zweite Reibelemente sind jeweils drehfest an dem ersten und dem zweiten Antrieb gesichert. Dritte und vierte Reibelemente sind zu der Welle koaxial und axial zwischen den Antrieben hin und her bewegbar, um jeweils mit dem ersten oder dem zweiten Reibelement reibschlüssig in Eingriff zu kommen, um ein Synchronisationsdrehmoment zum Synchronisieren der. Antriebe mit der Welle zu erzeugen. Eine radial sich erstreckende Scheibe weist axial einander gegenüberstehende Stirnflächen auf, die zwischen dem dritten und dem vierten Klauenglied und zwischen dem dritten und dem vierten Reibelement angeordnet sind, um die Klauenglieder und Reibelemente in Abhängigkeit von einer bidirektionalen, axialen Schaltkraft F&sub0;, die auf die Scheibe einwirkt, miteinander in Eingriff zu bringen. Sperrmittel dienen dazu, im Eingriffszustand ein Einrücken der Klauenglieder vor dem Synchronisieren zu verhindern. Die Sperrmittel umfassen dabei eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beanstandeten Zapfen, die sich starr in axialer Richtung zwischen dem dritten und dem vierten Reibelement und durch einen ersten Satz von Öffnungen der Scheibe erstrecken. Jeder Zapfen trägt eine Sperrschulter, die mit einer Sperrschulter in Eingriff bringbar ist, die um die zugehörige Öffnung herum ausgebildet ist. Sicherungsmittel sichern die Scheibe gegen eine axiale Bewegung gegenüber den dritten und vierten Klauengliedern. Mehrere erste und zweite Servokraft erzeugende Rampen sind jeweils gegen eine axiale bzw. radiale Bewegung bezüglich der Scheibe und der Welle gesichert. Die ersten und zweiten Rampen sind in Abhängigkeit von dem Synchronisierdrehmoment in Eingriff zu bringen, um eine zusätzliche Kraft (Fa) auf die Scheibe in Richtung der Schaltkraft (F&sub0;) zu erzeugen, um die Gesamtkraft, mit der die Reibelemente in Eingriff stehen, zu vergrößern.
Die Verbesserung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmige Nabe in axialer Richtung zwischen den Antrieben eingefügt ist, die einen äußeren Umfang aufweist, dessen Durchmesser größer ist als derjenige der zylindrischen Flächen. Die ringförmige Nabe ist gegen ein axiales und radiales Bewegen bezüglich der Welle und die fest mit der Welle verbundenen äußeren Verzahnungszähne gesichert, die an dem äußeren Umfang der ringförmigen äußeren Nabe ausgebildet sind. Die ersten und zweiten Klauenglieder werden durch Außenverzahnungszähne gebildet, die an diesen befestigt sind. Die Innenverzahnungszähne der dritten und vierten Klauenglieder kämmen ständig mit den äußeren Verzahnungszähnen des ringförmigen Elementes. Die Innenverzahnungszähne der dritten und vierten Klauenglieder sind jeweils mit äußeren Verzahnungszähnen der ersten und zweiten Klauenglieder in Eingriff bringbar, um das formschlüssige Ankuppeln des Antriebes mit der Welle zu bewirken. Die ersten und zweiten Servokraft erzeugenden Rampen weisen in Eingriff bringbare Rampenabschnitte auf, die in radialer Richtung von den äußeren Verzahnungszähnen der Nabe und von den Innenverzahnungszähnen der dritten und vierten Klauenglieder beabstandet sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Servokraft erzeugende Synchronisieranordnung gemäß der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht:
Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer teilweise schematisch dargestellten doppelt wirkenden Synchronisieranordnung in einer Leerlaufstellung, geschnitten längs der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2;
Fig. 2 zeigt eine teilweise abgebrochene Ansicht der Synchronisieranordnung, geschnitten längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine verkleinerte Teilansicht der Synchronisieranordnung, geschnitten längs der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine verkleinerte Teilansicht der Synchronisieranordnung, geschnitten längs der Linie 4-4 in Fig. 2;
Fig. 5 veranschaulicht die Servokraft erzeugenden Rampen in Fig. 4 in einer Eingriffsstellung;
Fig. 6 stellt eine Komponente der Synchronisieranordnung perspektivisch dar; und
Fig. 7 zeigt ein Diagramm der axialen Kräfte und Drehmomente, die auf eine Schaltscheibe der Synchronisieranordnung wirken.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Die hierin verwendete Bezeichnung "Synchronisationskupplungsanordnung" bezeichnet eine Kupplungsanordnung, die dazu dient, um ein gewähltes Getriebezahnrad mittels einer formschlüssigen Kupplung drehfest an eine Welle zu kuppeln, wobei ein beabsichtigtes Einrücken der formschlüssigen Kupplung solange verhindert wird, bis die Elemente der formschlüssigen Kupplung durch eine der formschlüssigen Kupplung zugeordnete, synchronisierende Reibkupplung in eine im Wesentlichen synchrone Drehung versetzt sind. Die, Bezeichnung "Servokraft erzeugend" bezieht sich auf eine Synchronisationskupplungsanordnung, die Rampen, Kulissen o. Ä. aufweist, um die Einrückkraft der Synchronisationskupplung im Verhältnis zum Synchronisationsdrehmoment der Reibkupplung zu verstärken.
Es wird im Folgenden auf die Zeichnungen eingegangen, in denen eine nach zwei Seiten wirkende Zahnrad- und Synchronisieranordnung 10 dargestellt ist. Zu der Zahnradanordnung gehören eine in einem Getriebe um eine Achse 12a drehbar gelagerte Welle 12 und axial voneinander beanstandete Antriebe oder Zahnräder 14, 16. Die Welle 12 weist zylindrische Flächen 12b, 12c auf, auf denen die Zahnräder mittels Lagern 13 drehbar gelagert sind.
Die doppelt wirkende Synchronisiereinrichtung 18 umfasst eine ringförmige Nabe 20 mit einem äußeren Umfang, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Flächen. Zu der Nabe gehören drei Ringe 22, 24, 26 und sie weist eine axiale Ausdehnung auf, durch die die Zahnräder voneinander getrennt gehalten werden, indem axial gegenüberliegende Schultern 22a, 26a eine axiale Bewegung der Zahnräder aufeinander zu begrenzen. Eine axiale Begrenzung der Bewegung der Zahnräder voneinander weg wird durch im Ausschnitt dargestellte Anschläge 28 erreicht. Verzahnungszähne der Welle 12d kämmen mit den Innenverzahnungszähnen 22b, 24a, 26b der Ringe, um eine relative Drehung zwischen diesen zu verhindern. Der äußere Umfang der Ringe 22, 26 ist mit äußeren Verzahnungszähnen 22c, 26c versehen, die gleitend und drehfest mit Innenverzahnungszähnen 30a, 32a der Klauenglieder 30, 32 kämmen. Der mittlere Ring 24 weist drei in radialer Richtung nach außen ragende Pfeiler 24b auf, die Servokraft erzeugende Rampen 24c, 24d, 24e, 24f definieren, auf die nachstehend näher eingegangen wird. Die Synchronisieranordnung 18 enthält ferner Reibringe 34, 36 und auf den Klauengliedern vorhandene Außenverzahnungszähne 38, 40, die einstückig mit Zahnrädern 14, 16 ausgebildet sind, die Klauenglieder 30, 32, eine sich in radialer Richtung erstreckende Schaltscheibe 42 mit in axialer Richtung einander zugewandt gegenüberliegenden Flanken 42a, 42b, die zwischen in axialer Richtung einander zugewandten Flanken 30b, 32b der Klauenglieder 30, 32 angeordnet sind, drei sich in axialer Richtung erstreckende Sicherungselemente 44, um die Scheibe und die Klauenglieder gegen relative Bewegung in axialer Richtung zu sichern, ringförmige Reibringe 46, 48, die durch drei in Umfangsrichtung beabstandete Zapfen 50, die sich in axialer Richtung von jedem der Reibelemente aus durch Öffnungen 42c in der Scheibe erstrecken, starr miteinander befestigt sind, und drei Servokraft erzeugende Anordnungen 52.
Die Reibringe weisen konische Reibflächen 34a, 46a und 36a, 48a auf, die in Eingriff gelangen, um die Zahnrädern vor dem Eingreifen der Klauenglieder mit der Welle reibschlüssig zu synchronisieren. Ein weiter Bereich von Konuswinkeln kann verwendet werden. Konuswinkel von 7,5º kommen für die Verwendung in Betracht. Die Reibflächen 46a, 48a und/oder 34a, 36a können mit Hilfe eines beliebigen der unterschiedlichen bekannten Reibmaterialien durch Verbindung mit den Ringen gebildet werden. Reibmaterial aus pyrolytischem Kohlenstoff, wie in den US Patenten 4 700 823; 4 844 218; und 4 778 548 geoffenbart, kann verwendet werden.
Jeder Zapfen 50 umfasst Abschnitte 50a mit größeren Durchmessern, deren Durchmesser etwas geringer ist, als der Durchmesser der Scheibenöffnungen 42c, einen Abschnitt mit verringertem Durchmesser oder eine Rille 50b, die zwischen Reibringen 46, 48 (hier mittig) beabstandet ist, und konische Sperrschultern oder Sperrflächen 50c, die sich von der Zapfenachse unter Winkeln relativ zu einer zu der Zapfenachse senkrechten Gerade radial von der Zapfenachse nach außen und axial voneinander weg erstrecken. Die verjüngten Abschnitte ermöglichen während der Positionierung zwischen den jeweiligen Öffnungen der Scheibe eine begrenzte Drehbewegung der starren Reibring/Zapfen-Anordnung gegenüber der Scheibe, um den Eingriff der Sperrschultern der Zapfen mit den abgeschrägten Sperrschultern 42d zu bewirken, die um die Öffnungen 42c der Scheibe ausgebildet sind. Die Zapfen können auf eine beliebige der verschiedenen bekannten Weisen an den Reibringen 46, 48 befestigt werden.
Die Servokraft erzeugenden Anordnungen 52 können nach einer beliebigen der verschiedenen bekannten Bauarten gestaltet sein, im vorliegenden Beispiel basiert die Konstruktion auf zweigeteilten Zapfen, wie sie in dem oben erwähnten US Patent 5 339 936 näher beschrieben und geoffenbart ist. Jede der Servokraft erzeugenden Anordnungen erstreckt sich in axialer Richtung zwischen den Reibringen 46, 48 und ragt in Öffnungen 42e, die zwischen den Öffnungen 42c mit diesen abwechselnd angeordnet sind. Jede der Servokraft erzeugenden Anordnungen umfasst zwei identische Schalen 54 mit gegenüberliegenden Stirnenden 54a, die in in Umfangsrichtung beabstandeten und sich in axialer Richtung öffnenden Ausnehmungen 46b, 48b der Ringen 46, 48 stecken, und wenigstens zwei identische Blattfedern 56, die zwischen den Schalen eingefügt sind und diese voneinander weg vorspannen. Die Ausnehmungen 46b, 48b sind in Umfangsrichtung der Reibringe erweitert (nicht gezeigt) und weisen in radialer Richtung der Reibringe einen ausreichenden Durchmesser auf, um eine gleitende Bewegung der gegenüberliegenden Stirnenden 54a der Schalen 54 zu gestatten. Jedes Schalenpaar 54 weist im zusammengedrückten Zustand einen größeren Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser der zugehörigen Öffnung 42e, und umfasst halbringförmige Nuten 54b mit abgeschrägten Schulterflächen 54c sowie die Stirnenden 54a. In Abhängigkeit von der anfänglichen Einrückbewegung der Scheibe 42 wirken die Stirnenden 54a auf bekannte Weise gegen die Reibringe 46, 48 und die Abschrägungen 54c gegen die Abschrägungen an den Öffnungen 42e in der Scheibe 42 und rufen dadurch ein initiales Eingreifen beider Reibkupplungen und ein initiales Synchronisationsdrehmoment hervor, um die Zapfen 50 in Bezug auf die Scheibe 42 zu drehen und die Sperrschultern im Sinne eines Eingreifens in Stellung zu bringen.
Wie zuvor erwähnt, weisen die Klauenglieder 30, 32 Innenverzahnungszähne 30a, 32a auf, die verschieblich mit Außenverzahnungszähnen 22c, 26c in Eingriff stehen, die einstückig mit der Welle ausgebildet oder an dieser in anderer Weise befestigt sind. Die Außenverzahnungszähne 22c, 26c weisen Flankenflächen auf, die sich parallel zu der Achse der Welle erstrecken und durch ihre Anlage an den Flankenflächen der Verzahnungszähne der Klauenglieder eine relative Drehung zwischen diesen verhindern.
Die Scheibe 42 weist ferner sich in radialer Richtung nach innen hin öffnende Ausnehmungen 42f auf, die die Pfeiler 24b des Zwischenrings 24 aufnehmen. Jede der Ausnehmungen weist sich radial erstreckende, in Umfangsrichtung gegenüberliegende Flanken auf, die die Servokraft erzeugenden Rampen 42g, 42h bzw. 42k, 42 m bilden. Während der Synchronisation des Zahnrads 14 wirken entweder die Rampen 42g gegen die Rampen 24f an oder die Rampen 42h wirken gegen die Rampen 24d an, um eine additive axiale Kraft (Fa) in Richtung des Zahnrads 14 zu erzeugen. Während der Synchronisation des Zahnrads 16 wirken entweder die Rampen 42k gegen die Rampen 24c an oder die Rampen 42 m wirken gegen die Rampen 24e an, um eine additive axiale Kraft (Fa) in Richtung des Zahnrads 16 zu erzeugen. Wie weiter unten näher erklärt, addieren sich die zusätzlichen axialen Kräfte (Fa) zu einer jeweiligen durch den Fahrzeugführer auf die Schaltscheibe 42 aufgebrachten Schaltkraft (F&sub0;). Die Rampenflächen erlauben eine begrenzte Drehung der Scheibe in Bezug auf die Klauenglieder 30, 32. Wenn die Rampen der Scheibe 42 und der Zwischenring 24 in Eingriff gelangen, übertragen sie ein Synchronisationsdrehmoment von den Konuskupplungen auf die Welle 12, um die additiven axialen Kräfte zu erzeugen, die dazu dienen, die Einrückkraft der Konuskupplungen zu erhöhen, die anfänglich durch eine auf die Scheibe 42 ausgeübte Schaltkraft eingerückt werden, wodurch das durch die Konuskupplungen hervorgerufene Synchronisationsdrehmoment verstärkt wird. Die Rampenflächen können vorgesehen werden, um die synchronisierende Kraft für ein oder beide Zahnräder zu erhöhen, und/oder um abhängig von dem Drehmoment die synchronisierende Kraft für beide Richtungen zu erhöhen, wie es für ein Hoch- und Zurückschalten erforderlich ist.
Jeder der Sicherungselemente 44 umfasst einen sich in axialer Richtung erstreckenden Abschnitt 44a, der sich gut passend in die sich in axialer Richtung erstreckenden Schlitze 30c, 32c in den Klauengliedern 30, 32 einfügt, und in axialer Richtung beabstandete und sich radial nach außen erstreckende Abschnitte 44b, die die in axialer Richtung einander zugewandt gegenüberliegenden Seiten 30d, 32d der Klauenglieder 30, 32 einfassen. Die Sicherungselemente ragen lose durch die Öffnung 42n in der Scheibe 42, um eine begrenzte relative Drehung dazwischen zuzulassen.
Die Rampenflächen 24d, 24f wirken jeweils mit den Rampenflächen 42h, 42g zusammen, um für das Zahnrad 14 abhängig von dem Synchronisationsdrehmoment in der jeweiligen Richtung die additiven axialen Kräfte zu erzeugen. Die über den Ring 24 mit der Welle 12 fest verbundenen Rampenflächen 24c, 24e wirken jeweils gegen die Rampenflächen 42k, 42m an den Flanken der Ausnehmungen 42f der Scheibe, um additive Axialkräfte aufzubringen, um so die Beschleunigung der Synchronisation und/oder die Qualität des Schaltvorganges des Zahnrades 16 in Abhängigkeit des Drehmomentes für beide Richtungen zu erhöhen oder zu verbessern. Die Neigungswinkel der Rampenflächen können variiert werden, um für die zusätzliche Kraft verschiedene Werte zum Hoch- und Zurückschalten und für hohe und niedrige Gänge zu ermöglichen. Außerdem können die Rampenflächen parallel zu der Achse der Welle verlaufen, d. h. effektiv ohne Schrägflächen ausgeführt sien, falls für eines oder mehrere Zahnräder in einer Richtung keine zusätzliche Kraft vorgezogen wird. Wie nachstehend näher erläutert, ist die Stärke oder der Betrag der zusätzlichen, axialen Kräfte auch eine Funktion des mittleren Verhältnisses der Radien der Reibkupplungen und der Servokraft erzeugenden Rampen. Dementsprechend lässt sich bei einer vorgegebenen Schaltkraft, die durch eine Schaltgabel auf die Schaltscheibe 42 ausgeübt wird, das Maß der zusätzliche Kräfte durch Variieren der Rampenwinkel und/oder des mittleren Verhältnisses der Radien variieren.
Während sich die Scheibe 42 in der in Fig. 1 gezeigten, neutralen Position befindet, fluchten die mit geringeren Durchmessern ausgestatteten Abschnitte 50b der Zapfen 50 mit deren zugehörigen Scheibenöffnungen 42c, sind die Reibflächen der Konuskupplungen geringfügig voneinander beanstandet und werden in dieser beabstandeten Position durch abgeschrägte oder abgewinkelte, Servokraft erzeugende Flächen 54c der Vorkrafterzeuger 52 gehalten, die über die Federkraft der Federn 56 gegen die um die Scheibenöffnungen 42e herum vorgesehenen, abgeschrägten Servokraft erzeugenden Flächen wirken. Die durch die Servokraft erzeugende Fläche hervorgerufene Axialkraft ist vorzugsweise ausreichend bemessen, um ein aufgrund der Viskosescherkraft des Öls zwischen den Konuskupplungsflächen verursachtes, unbeabsichtigtes Eingreifen der Servokraft erzeugenden Rampen zu verhindern. Wenn eines der Zahnräder an die Welle gekuppelt werden soll, ist ein geeigneter, nicht gezeigter Schaltmechanismus, wie der in dem US Patent 4 920 815 geoffenbarte, weiter außen an der Scheibe 42 in bekannter Weise angebracht, um die Scheibe koaxial zur Achse der Welle 12 zu bewegen, und zwar entweder nach links, um das Zahnrad 14 anzukuppeln, oder nach rechts, um das Zahnrad 16 anzukuppeln. Die Bewegung der Schalteinrichtung kann über ein Gestänge von Hand durch einen Fahrzeugführer, gezielt über einen Aktuator oder durch Mittel erfolgen, die automatisch eine Bewegung der Schalteinrichtung auslösen und auch die Stärke der von der Schalteinrichtung ausgeübten Kraft steuern. Wenn die Schalteinrichtung von Hand bewegt wird, ist die Kraft proportional zu der vom Fahrzeugführer auf einen Schalthebel ausgeübten Kraft. Sowohl bei manueller als auch bei automatischer Betätigung wird die Kraft auf die Scheibe 42 in axialer Richtung ausgeübt, wie durch den Pfeil F&sub0; in Fig. 7 angedeutet.
Eine anfängliche, durch die Schaltkraft F&sub0; des Fahrzeugführers hervorgerufene, axiale Bewegung der Scheibe 42 wird über die Servokraft erzeugenden Flächen 54c auf das Reibelement 48 übertragen, um durch Reibung ein intitiales Eingreifen der Konusfläche 48a mit Konusfläche 36a zu bewirken. Die initiale Eingriffskraft der Konusfläche ist selbstverständlich eine Funktion der Kraft der Federn 56 und der Winkel der Servokraft erzeugenden Flächen. Der initiale Eingriff durch Reibung erzeugt (unter der Annahme einer asynchronen Bedingung und bei vorübergehender Vernachlässigung des Effektes der Servokraft erzeugenden Rampen) eine initiale Einrückkraft für die Konuskupplung und ein initiales synchronisierendes Drehmoment, das für eine begrenzte relative Drehung zwischen der Scheibe 42 und dem im Eingriff befindlichen Reibring, und damit für eine Bewegung der Zapfenabschnitte 50b mit verringertem Durchmesser zu den entsprechenden Seiten der Scheibenöffnungen 42c hin sorgt, um einen Eingriff der Sperrschultern 50c des Zapfens mit den Sperrschultern 42d, die um die Öffnungen 42c angeordnet sind, herbeizuführen. Wenn die Sperrschultern eingerückt sind, wird die gesamte, vom Fahrzeugführer auf die Scheibe 42 ausgeübte Schaltkraft F&sub0; über die Sperrschultern auf den Reibring 48 übertragen, wodurch die Konuskupplung durch den gesamten Kraftanteil der von dem Fahrzeugführer aufgebrachten Schaltkraft F&sub0; eingerückt wird, um ein davon abhängiges von dem Fahrzeugführer herrührendes Synchronisationsdrehmoment T&sub0; hervorzurufen. Dieses vom Fahrzeugführer aufgebrachte synchronisierende Moment T&sub0; ist durch den Pfeil T&sub0; in Fig. 7 bezeichnet. Da die Sperrschultern bezüglich der axialen Richtung der Schaltkraft F&sub0; des Fahrzeugführers unter Winkeln angeordnet sind, rufen sie eine Gegenkraft oder ein entsperrendes Drehmoment hervor, das dem von der Konuskupplung herrührenden Synchronisationsdrehmoment entgegenwirkt, aber während asynchroner Bedingungen in der Größe schwächer ausfällt. Sobald sich die Synchronisation im Wesentlichen einstellt, fällt der Wert des Synchronisationsdrehmoments unter denjenigen des entsperrenden Drehmomentes, wodurch die Sperrschultern die Zapfen in eine konzentrische Lage zu den Öffnungen 42c bringen, um ein axiales Weiterrücken der Scheibe 42 und axiales Einrücken der Pfeiler 24b in die sich axial erstreckenden Ausnehmungen 32e in das Klauenglied zu ermöglichen und den Eingriff der inneren Verzahnungs/Klauenzähne 32a des Klauenelementes 32 mit den äußeren Verzahnungs/Klauenzähnen des mit dem Zahnrad 16 befestigten Klauenelementes 40 zu ermöglichen. Die Pfeiler 24b bewegen sich in die axial sich erstreckenden Ausnehmungen 30e hinein, wenn die Scheibe 42 nach links bewegt wird, um das Zahnrad 14 in Eingriff zu bringen. Die Ausnehmungen 30e, 32e sind in Fig. 1 sichtbar und die Ausnehmungen 30e werden in Fig. 2 durch die Pfeiler 24b verdeckt. Die Verzahnungs/Klauenzähne können, wie in den US Patenten 3,265, 173 und 4,246, 993 gezeigt, gestaltet sein.
Das durch die von dem Fahrzeugführer aufgebrachte Kraft F&sub0; erzeugte Drehmoment der Konuskupplung Tc ergibt sich aus der Gleichung (1), wobei die Einflüsse der Servokraft erzeugenden Rampen weiter vernachlässigt sind.
Tc = F&sub0; Rc uc/sinα
mit:
Rc = mittlerer Radius der konischen Reibfläche,
uc = Reibungskoeffizient der konischen Reibfläche, und
α = der Winkel der konischen Reibflächen.
Während nun näher auf die Wirkungen der Servokraft erzeugenden Rampen und speziell auf die Fig. 4 und 5 eingegangen wird, zeigt sich, dass das synchronisierende Drehmoment T&sub0;, das von der von dem Fahrzeuglenker ausgeübten axialen Schaltkraft F&sub0; herrührt, selbstverständlich durch die Zapfen 50 auf die Scheibe 42 übertragen wird und über die Servokraft erzeugenden Rampenflächen auf die Welle 12 wirkt. Im Eingriff beschränken die Servokraft erzeugenden Rampenflächen die Drehbewegung der Scheibe in Bezug auf die Welle 12 und die Klauenelemente 30, 32 und rufen eine axiale Kraftkomponente oder axiale additive Kraft Fa hervor, die in derselben Richtung wie die Schaltkraft F&sub0; auf die Scheibe wirkt, wobei sich die Kräfte zu einer Gesamtkraft Ft addieren, wodurch die Eingriffskraft der Konuskupplung weiter erhöht wird, um so ein zusätzliches synchronisierendes Drehmoment Ta zu schaffen, das sich zu dem Drehmoment T&sub0; hinzuaddiert und damit ein Gesamtdrehmoment Tt bereitstellt. Fig. 4 zeigt die Stellung der Servokraft erzeugenden Rampenflächen, während die Schaltscheibe 42 sich in neutraler Position entsprechend der Stellung in Fig. 1 befindet. Fig. 5 stellt eine Position der Rampen dar, in der das Zahnrad 14 gerade durch die im Eingriff befindlichen Konusflächen 34a, 46a synchronisiert wird. Die eingerückten Konusflächen bauen ein Synchronisationsdrehmoment in derjenigen Richtung auf, die das Einrücken der Rampenflächen 42h der Scheibe mit den Rampenflächen 24d der fest mit der Welle 12 verbundenen Nabe bewirkt hat. Somit ist die Summe der axialen Kräfte für das Einrücken der Konuskupplung F&sub0; plus Fa, und die Summe der durch die Konuskupplung hervorgerufenen synchronisierenden Momente ergibt sich aus T&sub0; plus Ta, wie dies in Fig. 7 graphisch dargestellt ist. Für eine gegebene Fahrzeugführerschaltkraft F&sub0; und ein vom Fahrzeugführer herrührendes Synchronisationsdrehmoment T&sub0; bestimmt sich die additive Kraft vorzugsweise in Abhängigkeit von den Winkeln der eingerückten, Servokraft erzeugenden Rampenflächen. Diese Winkel werden bevorzugt hinreichend groß gewählt, um eine additive Kraft Fa von ausreichender Größe hervorzurufen, um das Synchronisationsdrehmoment bedeutend zu vergrößern und die Dauer für die Synchronisation in Abhängigkeit von einer vorgegebenen, mäßigen Schaltkraftanstrengung seitens des Fahrzeugführers zu reduzieren. Jedoch sind diese Winkel vorzugsweise auch ausreichend klein, um eine gesteuerte axiale additive Kraft Fa hervorzurufen, d. h. die Kraft Fa sollte in Abhängigkeit von dem Anwachsen oder der Verringerung der Kraft F&sub0; ansteigen oder sich verringern. Falls die Rampenwinkel zu groß sind, hat dies eher ein Selbstblockieren als eine Erzeugung von Servokraft durch die Rampen zur Folge; damit würde mit einem initialen Einrücken der Konuskupplung die Kraft Fa unabhängig von der Kraft F&sub0; schlagartig und unkontrolliert ansteigen und die Konuskupplung zwangsläufig, unbeabsichtigt blockieren lassen. Im Gegensatz zur Servokrafterzeugung ist ein Selbstblockieren für Schaltkomfort und Schaltgefühl unzuträglich, es kann die Bauteile der Synchronisationseinrichtung überlasten, eine Überhitzung und raschen Verschleiß der Konuskupplungsflächen hervorrufen, und sogar die Führung des Schalthebels durch den Fahrzeugführer beeinträchtigen.
Die hauptsächlichen Variablen und Gleichungen für die Berechnung der Winkel der Servokraft erzeugenden Rampen lassen sich aus dem vorstehend erwähnten US Patent 5 092 439 entnehmen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Synchronisieranordnung in der Bauart mit Zapfen wurde hiermit offenbart. Die folgenden Ansprüche sollen den erfinderischen Anteil der offenbarten Synchronisieranordnung abdecken.

Claims

1. Synchronisiereinrichtung (18) in der Bauart mit Zapfen, um wahlweise entweder einen ersten oder einen zweiten Antrieb (14, 16), die auf einer ersten und einer zweiten Fläche (12b, 12c) bezüglich einer Achse (12a) einer Welle (12) drehbar gelagert sind, zu synchronisieren und formschlüssig anzukuppeln, wobei zu der Synchronisiereinrichtung gehören:

erste und zweite Klauenglieder (38, 40), die jeweils an dem ersten und dem zweiten Antrieb (14, 16) befestigt sind und jeweils mit axial beweglichen dritten und vierten Klauengliedern (30, 32) in Eingriff zu bringen sind, die zwischen den Antrieben angeordnet sind, wobei die dritten und vierten Klauenglieder Innenverzahnungszähne (30a, 32a) tragen die verschieblich und drehfest mit Außenverzahnungszähnen (22c, 26c) zusammenpassen, die an der Welle (12) befestigt sind;

erste und zweite Reibelemente (34, 36), die jeweils drehfest an dem ersten und dem zweiten Antrieb (14, 16) gesichert sind sowie dritte und vierte Reibelemente (46, 48), die zu der Welle (12) koaxial und axial zwischen den Antrieben (14, 16) hin und her bewegbar sind, um jeweils mit dem ersten oder dem zweiten Reibelement (34, 36) reibschlüssig in Eingriff zu kommen, um ein Synchronisationsdrehmoment zum synchronisieren der Antriebe (14, 16) mit der Welle (12) zu erzeugen;

eine radial sich erstreckende Scheibe (42) mit axial einander gegenüberstehenden Stirnflächen (42a, 42b), die zwischen dem dritten und dem vierten Klauenglied (30, 32) und zwischen dem dritten und dem vierten Reibelement (46, 48) angeordnet sind, um die Klauenglieder (38, 40,30, 32) und Reibelemente (34, 36, 46, 48) in Abhängigkeit von einer bidirektionalen axialen Schaltkraft F&sub0;, die auf die Scheibe (42) einwirkt, miteinander in Eingriff zu bringen;

Sperrmittel (42d, 50c), die dazu dienen, im Eingriffszustand ein Einrücken der Klauenglieder (38, 40,30, 32) vor dem Synchronisieren zu verhindern, wobei die Sperrmittel eine Reihe von in Umfangsrichtung voneinander beanstandeten Zapfen (50) aufweisen, die sich starr in axialer Richtung zwischen dem dritten und dem vierten Reibring (46, 48) und durch einen ersten Satz von Öffnungen (46c) der Scheibe (42) erstrecken, wobei jeder Zapfen eine Sperrschulter (50c) trägt, die mit einer Sperrschulter (42d) in Eingriff bringbar ist, die um die zugehörige Öffnung (42c) herum ausgebildet ist,

erste Sicherungsmittel (44) zum Sichern der Scheibe (42) gegen eine axiale Bewegung gegenüber den dritten und vierten Klauengliedern (30, 32);

mehrere erste und zweite Servokraft erzeugende Rampen (42g, 42h, 42k, 42m), die jeweils gegenüber einer axialen und radialen Bewegung gegenüber der Scheibe (42) und der Welle (12) gesichert sind, wobei die ersten und zweiten Rampen in Abhängigkeit von dem Synchronisierdrehmoment in Eingriff zu bringen sind, um eine zusätzliche Kraft (Fa) auf die Scheibe in Richtung der Schaltkraft (F&sub0;) zu erzeugen, um die Gesamtkraft, mit der die Reibelemente in Eingriff stehen, zu vergrößern; dadurch gekennzeichnet,

dass eine ringförmige Nabe (20) in axialer Richtung zwischen den Antrieben (14, 16) eingefügt ist und einen äußeren Umfang aufweist, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Flächen (12b, 12c), wobei das ringförmige Element gegen axiale Verschiebung bezüglich der Welle (12) und die äußeren Verzahnungszähne (22c, 26c)gesichert ist, die an dem äußeren Umfang der ringförmige Nabe ausgebildet sind;

dass die ersten und zweiten Klauenglieder (38, 40) durch Außenverzahnungszähne definiert sind, die an diesen befestigt sind, die Innenverzahnungszähne (30a, 32a) des dritten und vierten Klauenglieds mit den äußeren Verzahnungszähnen (22c, 26c) der ringförmigen Nabe (20) ständig kämmen, und die Innenverzahnungszähne (30a, 32a) des dritten und vierten Klauenglieds jeweils mit äußeren Verzahnungszähnen des ersten und zweiten Klauenglieds (38, 40) in Eingriff zu bringen sind;

dass die ersten und zweiten Servokraft erzeugenden Rampen in Eingriff bringbare Rampenabschnitte aufweisen, die in radialer Richtung von den äußeren Verzahnungszähnen (22c, 26c) der Nabe und von den Innenverzahnungszähnen (30a, 32a) des dritten und vierten Klauenglieds (30, 32) beabstandet sind.

2. Synchronisieranordnung nach Anspruch 1, bei der zu der ringförmigen Nabe (20) erste und zweite Ringe (22, 26) und ein zwischen diesen angeordneter Zwischenring (24) gehören, wobei der erste und zweite Ring die an der Welle (12) befestigten, äußeren Verzahnungszähne (22c, 26c) definieren, und der mittlere Ring in radialer Richtung nach außen ragende Mittel (24b) aufweist, die die Vielzahl von zweiten Rampen (24c, 24d, 24e, 24f) bilden.

3. Synchronisieranordnung nach Anspruch 2, bei der die Schaltscheibe (42) eine Vielzahl von sich in radialer Richtung nach innen öffnenden Ausnehmungen (42f) umfasst, von denen eine jede eines der auskragenden Mittel (24b) aufnimmt, wobei jede Ausnehmung sich im Wesentlichen radial erstreckende Flanken aufweist, die sich in Umfangsrichtung gegenüberstehen, und eine jede wenigstens eine Rampe der ersten Rampen (42g, 42h, 42k, 42m) aufweist, und jedes der auskragenden Mittel in axialer Richtung einander zugewandt gegenüberliegende Flanken aufweist, von denen jede wenigstens eine Rampe der zweiten Rampen (24c, 24d, 24e, 24f) aufweist.

4. Synchronisieranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der:

die in Eingriff bringbaren Rampenabschnitte in radialer Richtung von den äußeren Verzahnungszähnen (22c, 26c) der Nabe und von den Innenverzahnungszähnen (30a, 32a) der dritten und vierten Klauenglieder (30, 32) nach außen beabstandet sind; und

die dritten und vierten Klauenglieder sich in axialer Richtung erstreckende Ausnehmungen (30e, 32e) umfassen, die die zweiten Servokraft erzeugenden Rampen (24c, 24d, 24e, 24f) aufnehmen, um eine axiale Bewegung der ersten und zweiten Klauenglieder (30, 32) in den Eingriff mit den dritten und vierten Klauengliedern zu ermöglichen.