DE69406413T2

DE69406413T2 - Selbstverstärkende Synchronisierungskupplung

Info

Publication number: DE69406413T2
Application number: DE69406413T
Authority: DE
Inventors: Eugene Ralph Braun
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-19
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: DE69406413D1; CA2138431A1; CN1109954A; ATE159568T1; KR950019309A; CN1057369C; JP3577611B2; JPH07269598A; US5664654A; US5544727A; CA2138431C; ES2109620T3; CN1256373A; CN1095951C; MX9500390A; BR9405085A; EP0663541A1; EP0663541B1

Description

Gebiet der Erfindung

Bei der Erfindung geht es um synchronisierte Schaltkupplungen mit Synchronring und Servowirkung.

Hintergrund zu der Erfindung

Synchronisierte Schaltkupplungen mit Synchronring zur Verwendung in mehrgangigen Getrieben sind hinlänglich bekannt. Zu derartigen Kupplungen gehören Paare von Reib- und Klauengliedern, um ein Zahnrad mit einer Welle zu synchronisieren bzw. formschlüssig zu kuppeln, Vorkraft erzeugende Anordnungen zum Einrücken der Reibglieder in Abhängigkeit von einer zu Beginn erfolgenden Einrückbewegung einer Schaltmuffe, eine drehfest mit der Welle verbundene Nabe (Synchronkörper), die Ausverzahnungszähne trägt, die verschieblich in Lücken zwischen Innenverzahnungszähne der Schaltmuffe aufgenommen sind, die häufig einen Teil des Paares der Klauenglieder bildet, und ein Synchronring mit Sperrzähnen, um die Einrückbewegung der Schaltmuffe zu sperren bis die Synchronität erreicht ist und um die Schaltkraft auf die Muffe zu übertragen, damit die Eingriffskraft zwischen den Reibgliedern erhöht wird.
Es ist ferner bei der Technik von mehrgänigen Getrieben bekannt, dass Sychronisierte Kupplungen dazu verwendet werden, die Schaltzeit aller oder einiger der Getriebegangstufen zu vermindern. Es ist ferner bekannt, dass die von den Fahrzeugführer auf zubringende Schaltkraft, d.h. die an dem Schalthebel auf zubringende Kraft vermindert werden kann, indem Synchronisiereinrichtungen mit Servowirkung verwendet werden. Da die durch den Fahrer aufzubringende Schaltanstrengung im Wesentlichen mit der Fahrzeuggröße und dem Gewicht ansteigt, sind Synchronisiereinrichtungen mit Servowirkung insbesondere für LKWs, ganz besonders für schwere LKWs von Bedeutung. Eine synchronisierte Schaltkupplung mit Synchronring und Servowirkung ist aus dem US-Patent 3.548.983 bekannt. Eine Synchronisiereinrichtung der Zapfenbauart mit Servowirkung ist auch aus dem Patent 5.092.439 bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Synchronisiereinrichtung mit Synchronring und verbesserter Servowirkung zu schaffen.
Die Erfindung betrifft eine Synchronisiereinrichtung mit Synchronring, wie sie in der US-A-3.548.983 geoffenbart und durch den Oberbegriff des Anspruch 1 wiedergegeben ist, um erste und zweite Getriebeteile, die zur Drehung gegeneinander um eine gemeinsame Achse vorgesehen sind, reibschlüssig zu synchronisieren und formschlüssig miteinander zu kuppeln. Zu der Synchronisiereinrichtung gehören erste Klauenmittel, die aus einer Neutralstellung in eine Eingriffsstellung mit zweiten Klauenmitteln zu bringen sind, um die Getriebeteile in Abhängigkeit von der Einrückbewegung der ersten Klauenmitte mittels einer axial gerichteten ersten Schaltkraft Fo formschlüssig zu kuppeln. Die ersten Klauenmittel werden durch eine eine zentrale Öffnung enthaltende Schaltmuffe gebildet, die gegenüber dem ersten Getriebeteil gegen Drehung und axiale Bewegung gesichert ist. Die mittige Öffnung, die verschieblich die Außenumfangsfläche eines Synchronkörpers aufnimmt, ist mit axial sich erstreckenden Innenverzahnungszähnen versehen. Ein erster Synchronring tragt eine erste Reibfläche, die in den Eingriffszustand mit einer zweiten Reibfläche axial bewegbar ist, und zwar in Abhängigkeit von der Einrückbewegung der ersten Klauenmittel, um einen Sychronisationsdrehmoment zu erzeugen. Der Synchronring ist von der Nabe weg in Richtung auf die zweite Reibfläche axial bewegbar. Erste und zweite schräg verlaufende Sperrflächen sind in Abhängigkeit von der Eingriffsbewegung der Schaitmuffe miteinander in Eingriff zu bringen, um ein asynchrones Einrücken der Klauenmitte zu verhindern, um die Schaltkraft (Fo) auf die ersten Reibmittel zu übertragen, damit eine Einrückkraft für die Reibflächen zustandekommt, und um ein Gegendrehmoment zu dem Synchronisationsdrehmoment zu erzeugen, damit die ersten und zweiten Sperrmittel außer Eingriff gebracht werden, sobald Synchronität erreicht ist. Der erste Synchronring trägt mehrere der zweiten Sperrflächen. Erste und zweite Servokraft erzeugende Mittel sind im Eingriffszustand wirksam und dienen dazu, auf das Synchronisationsdrehmoment anzusprechen, um eine zusätzliche Axialkraft (Fa) in Richtung der Schaltkraft (Fo) zu erzeugen, um die Einrückkraft der Reibflächen zu erhöhen. Die ersten und die zweiten Servokraft erzeugenden Mittel umfassen Mittel, um die zusätzliche Axialkraft (Fa) auf die erste Reibfläche über die Sperrflächen zu übertragen. Die ersten Servokraft erzeugenden Mittel weisen mehrere der ersten Servokraft erzeugenden Schrägflächen auf, die an der Außenumfangsfläche des Synchronköpers ausgebildet sind.
Die Synchronisierte Schaltkupplung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Außenumfangsfläche des Synchronkörpers Außenverzahnungszähne trägt. Die Innenverzahnungszähne der Schaltmuffe sind mit axial sich erstreckenden Flankenflächen versehen, die durchgehend verschieblich mit axial sich erstreckenden Flankenflächen der Außenverzahnungszähne der Nabe zusammenpassen, um eine Relativdrehung zwischen den Außenverzahnungszähnen und den Innenverzahnungszähnen zu verhindern. Die Außenverzahnungszähne sind bezüglich einer Drehung und einer Axialbewegung relativ zu dem ersten Getriebeteil festgelegt.
Mehrere starre Glieder sind an der Schaltmuffe gegenüber dieser begrenzt drehbar gelagert und gegen ein axiale Relativbewegung gegeüber dieser gesichert. Jedes starre Glied weist eine Seite auf, die eine zweite, schräg verlaufende Servo-Rampenfläche der zweiten Servomittel bildet, und eine andere Seite, die eine Sperrfläche der ersten Sperrmittel bildet. Jedes starre Glied ist zwischen einer der zweiten Sperrf lächen und einer der ersten Servo- Rampenflächen angeordnet ist, so dass sowohl die axial gerichtete Schaltkraft (Fo) als auch die zusätzliche Axialkraft (Fa) über das starre Glied übertragen werden.
Ein Querbezug zu der verwandten Anmeldung 94309516.6 vom gleichen Datum wird hergestellt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Der erfindungsgemäße Synchronisier ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen:
Fig. 1 eine in zwei Richtung wirkende, in der Neutralstellung befindliche Synchronisiereinrichtung mit Synchronring zeigt, die dazu eingerichtet ist, um die Achse einer Welle zu rotieren;
Fig. 2 und 3 Komponenten aus Fig. 1 in einer Teildarstellung und einer Ansicht parallel zu der Welle zeigt;
Fig. 4 Komponenten des Synchronisierers aus Fig. 1 ohne die Schaltmuffe nach den Fig. 1 und 6 zeigt, wobei die Komponenten gegenüber Fig. 1 um 90 Grad und gegenüber den Fig. 5-7 um 60 Grad gedreht sind;
Fig 5 den Synchronring nach den Fig. 1, 4 und 7 in einer Seitenansicht zeigt;
Fig. 6 eine Schaltmuffe des Synchronisierers nach Fig. 1 in einer Seitenansicht zeigt;
Fig. 7 die zusammengefügten Komponenten nach Fig. 4 und um 60 Grad gegenüber Fig. 4 gedreht zeigt zusammen mit dem starren Glied nach Fig. 8;
Fig. 8 das starre Glied nach den Fig. 1 und 8 in einer perspektivischen Darstellung zeigt;
Fig. 9A-9H ein alternatives Ausführungsbeispiel der Sperr- und Servokraft erzeugenden Komponenten nach den Fig. 1-8 in unterschiedlichen Betriebsstellungen zeigen, wie sie auch für die Fig. 1-8 gelten;
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Axialkräfte und Drehmomente zeigt, die über die Sperrflächen der Synchronisiereinrichtung wirken; und
Fig. 11, 12, 13A und 13B drei modifizierte Ausführungsbeispiele von Teilen des Synchronisierers nach den Fig. 9A-9H zeigen.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Der Ausdruck "synchronisierte Kupplungeinrichtung" soll eine Kupplungeinrichtung bezeichnen, die dazu verwendet wird ein ausgewähltes Gangzahnrad mit einer Welle mittels einer formschlüssigen Schaltkupplung drehfest zu kuppeln, wobei der Versuch des Einrückens der formschlüssigen Kupplung verhindert wird, so lange bis die Teile der formschlüssigen Kupplung im Wesentlichen in Synchronität mittels einer synchronisierenden Reibkupplung gebracht sind, die der formschlüssigen Kupplung zugeordnet ist. Der Ausdruck "Servokraft erzeugen" soll eine synchronisierte Kupplunganordnung bezeichnen, die Rampen, Nocken oder ähnliches aufweist, um die Einrückkraft der Synchronisierkupplung proportional zu dem Synchronisationsdrehmoment der Reibkupplung zu verstärken.
In den Figuren 1 - 8 ist eine Zahnrad- und Synchronisiereinrichtung 10 gezeigt, die Teil eines mehrgängigen Geschwindigkeitswechselgetriebes ist. Zu der Anordnung 10 gehören: eine Welle 12, die drehbar bezüglich einer zentralen Achse 12a gelagert ist, axial voneinander beabstandete Zahnräder 14, 16, die auf der Welle gegenüber dieser drehbar gehaltert und bezüglich einer axialen Relativbewegung gegenüber dieser Welle in bekannter Weise gesichert sind, sowie eine zweiseitig wirkende synchronisierte Kupplungseinrichtung 18.
Zu der synchronisierten Kupplungseinrichtung 18 gehören: ringförmige Glieder 20, 22, die in bekannter Weise an den Zahnrädern 14, 16 axial und drehfest gesichert sind; Zahnradreibflächen 24, 26, die in diesem Falle mit den Gliedern 20, 22 einstückig sind; Zahnradkupplungszähne 28, 30, die hier mit den Ringen 20, 22 einstückig sind; eine Naben oder Synchronkörper 32, das bzw. der über seine zentrale Öffnung 32a mit der Welle 12 drehfest und axial unverschieblich verbunden ist; ein Schaltmuffe 34, Innenverzahnungszähne 36, die an einer zentralen Öffnung der Schaltmuffe 34 ausgebildet sind und ständig mit Außenverzahnungszähnen 38 in Eingriff stehen, die an der Außenumfangsfläche des Synchronkörpers 32 ausgebildet sind; Sychronringe 40, 42; Sperrzähne 44, 46; Reibflächen 48, 50, die in diesem Falle mit den Synchronringen 40, 42 einstückig sind, und Vorkraft erzeugende/Sperreinrichtungen 54. Im gezeigten Beispiel weist die Synchronisiereinrichtung 3 in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Vorkraft erzeugende/Sperreinrichtungen 54 auf, die mit einer entsprechenden Anzahl von Sperrzähnen an jedem Synchronring zusammenwirken, sowie drei in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Vorkraft erzeugende Einrichtungen. Jeder Sperrzahn 44, 46 trägt entsprechend eine schrägverlaufende Sperrfläche 44a, 44b, 46a, 46b.
Wie leicht zu sehen ist, sind die Reibflächen 24, 48 und 26, 50 zu Paaren angeordnet, um Reibkupplungen zum synchronisieren der Zahnräder mit der der Welle vor dem Einrücken der Klauenkupplungsglieder zu bilden. Konuskupplungen werden bevorzugt; jedoch können andere Arten von Reibkupplungen ebenfalls verwendet werden. Ein weiter Bereich von Konuswinkeln kann verwendet werden. Hier werden Konuswinkel von 7,50 eingesetzt. Die Reibflächen können durch eine Vielzahl bekannter Reibmaterialien gebildet sein, die an dem Trägerteil befestigt sind, bspw. pyrolytisches Karbonreibmaterial wie es aus den US-Patenten 4.700.823; 4.844.218 und 4.778.548 bekannt ist.
Die Verzahnungszähne 36, 38 weisen axial sich erstreckende Flankenflächen 36a, 38a auf, die spielarm durchgehend verschieblich zusammenpassen, so dass zwischen der Schaltmuffe 34 und der Welle 12 praktisch kein Spiel auftritt. Die gegenüberliegenden Enden der Verzahnungszähne 36 tragen schräg verlaufende Sperrflächen 36b, 36c, die mit den Zahnradklauen 28, 30 entsprechend zusammenpassen, um die Zahnräder an die Welle formschlüssig anzukuppeln. Gemäß Fig. 9 können die Flankenf lächen der Klauenzähne 36b, 36c und die Zahnradklauenzähne 28, 30 mit einer Anti-Ausdrückmaßnahme oder einem Verriegelungswinkel versehen sein, um ein versehentliches herausspringen der Schaltkupplungsklauen zu verhindern. Einzelheiten für diese Maßnahmen können dem US-Patent 4.727.968 entnommen werden. Wie aus Figur 9H ersichtlich ist, bleibt, wenn die Klauenzähne 36c und 30 vollständig miteinander in Eingriff stehen, ein beträchtlicher Längenabschnitt der Flankenflächen 36a, 38a miteinander in Eingriff, um die von dem übertragenen Drehmoment resultierenden Kräfte zu verteilen und dadurch die Abnutzung zu minimieren.
Jede Vorkraft erzeugende Einrichtung 52, wie sie aus dem Stand bekannt ist, weist eine schraubenförmige Druckfeder 58 sowie einen Stößel 60 auf, die beide in einer radial sich erstreckenden Sackbohrung in dem Synchronkörper 32 angeordnet sind und eine Rolle oder Kugel 62 (in diesem Fall eine Rolle) in eine ringförmige Rastnut 63d in der Schaltmuffenverzahnung 36 vorspannen. Die Vorkraft erzeugende Einrichtung 52 positioniert die Schaltmuffe 34 nachgiebig in der Neutralstellung, wie dies in den Figuren 1 und 9A gezeigt ist. Die Rollen 62 sind in axialer Richtung zwischen Anschlagfläche 64a, 66a von mehreren Fortsätzen 64, 66 (beim Ausführungsbeispiel drei) angeordnet, die mit den Synchronringen 40, 42 einstückig sind. Die Fortsätze ragen in Ausnehmungen 32b des Synchronkörpers 32, um die Drehung des Synchronrings gegenüber dem Synchronkörper und der Nabe zu begrenzen.
Wenn es beabsichtigt ist, eines der Zahnräder an die Welle anzukuppeln, bewegt ein geeigneter und nicht weiter veranschaulichter Schaltmechanismus, wie er bspw. in dem US-Patent 4.920.815 gezeigt ist, die Schaltmuffe 34 mittels einer zum Teil gezeigten Schaltgabel 68 längs der Achse der Welle 12 in axialer Richtung entweder nach links, um das Zahnrad 14 anzukuppeln, oder nach rechts, um das Zahnrad 16 anzukuppeln. Der Schaltmechanismus kann durch einen Fahrer über ein Gestängesystem von Hand betätigt werden, er kann wahlweise durch einen Akutator betätigt werden oder er kann durch Mittel bewegt werden, die automatisch die Bewegung des Schaltmechanismus initialisieren und außerdem die Stärke der Kraft kontrollieren, die durch den Schaltmechanismus aufgebracht wird. Wenn der Schaltmechanismus von Hand betätigt wird, erzeugen die Vorkraft erzeugenden Einrichtungen eine Vorkraft, die proportional jener Kraft ist, die durch den Fahrer an der Schaltmuffe ausgeübt wird. Gleichgültig ob von Hand oder automatisch aufgebracht wird die Kraft in axialer Richtung auf die Schaltmuffe zur Einwirkung gebracht und sie ist proportional der Kraft Fo nach Figur 10. Die Vorkraft bewegt abhängig von der Richtung der Bewegung der Schaltmuffe durch die Schaltkraft Fo entweder die Reibfläche 48 oder 50 in einen initialen Eingriff mit der zugehörigen Reibfläche, um den zugehörigen Synchronring in eine Stellung relativ zu dem Synchronkörper 32 zu verdrehen, damit die Servokraft erzeugende/Sperreinrichtung 54 in einer weiter unten erläuterten Weise positioniert wird.
Zu den Servokraft erzeugenden/Sperreinrichtungen 54 gehören jeweils Servokraft erzeugende Mittel 70, die Servokraft erzeugende Schrägflächen oder Boostflächen 70a, 70b, 72a, 72b tragen, die schräg gegenüber der Drehebene des Sychronkörpers 32 verlaufen und die auf der Außenumfangsfläche des Synchronkörpers ausgebildet sind, Nicht- Boost-Flächen 70e, 70f, die sich rechtwinklig zu der Drehebene erstrecken, sowie die Sperrzähne 44, 46 und ein starres Glied 72 als Gegenfläche für die Sperr- und Servokräfte. Das Glied 72 weist in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Endabschnitte 74, 76 auf, die starr durch einen in Umfangsrichtung sich erstreckenden Abschnitt 78 miteinander verbunden sind, der in einem in Umfangsrichtung sich erstreckenden Schlitz 34a der Schaltmuffe 34 aufgenommen ist. Der Schlitz 34a ermöglicht eine begrenzte Bewegung in Umfangsrichtung des Gliedes 72 relativ zu der Schaltmuffe und verhindert andererseits eine Axialbewegung des Glieds 72 relativ zu der Schaltmuffe. Ein Endabschnitt 74 trägt die Servokraft erzeugenden Rampenflächen 74a, 74b, die jeweils gegen Flächen 70b, 70a wirken, wenn die Schaltmuffe 34 nach links oder rechts axial bewegt wird, eine Nicht-Boost-Fläche 74c wirkt gegen die Fläche 70e, wenn sich die synchronisierte Kupplungseinrichtung 18 in der Neutralstellung gemäß den Fig. 1 und 7 befindet und die Sperrflächen 74d, 74e wirken jeweils gegen Flächen 44a, 46a der Sperrzähne 44, 46. In ähnlicher Weise trägt der Endabschnitt 76 Servokraft erzeugende Rampenflächen 76a, 76b, die entsprechend gegen die Flächen 70d, 70c wirken, eine Nicht-Boost-Fläche 76c, die gegen die Fläche 70f wirkt, sowie Sperrflächen 76d, 76e, die entsprechend gegen Flächen 44b, 46b wirken. Die Eingriffsstellung der Nicht-Boost-Flächen 70e, 70f, 74c, 76c verhindert eine unerwünschte Aktivierung der Servokraft erzeugenden Rampen für den Fall, dass ein gewisses Maß an Drehmoment durch eine der Konuskupplungen erzeugt wird, beispielsweise kann die viskose Scherung des Öls zwischen den Reibflächen der Konuskupplung ein Drehmoment hervorrufen, das sonst die Rampen aktivieren könnte.
Es wird nunmehr die Servokraft erzeugende Sperreinrichtung 80 in den Fig. 9A bis 9H betrachtet, wobei das dort schematisch veranschaulichte Ausführungsbeispiel von dem vorherigen Ausführungsbeispiel sich insofern unterscheidet, als die Sperrzähne 44, 46 axiale Verlängerungen 44c, 46c tragen, die zwischen den Enden 74, 76 des Sperrglieds aufgenommen sind, die voneinander in Umfangsrichtung beabstandet sind, ebenso wie die Servokraft erzeugenden Rampenflächen, die an dem Synchronkörper 32 ausgebildet sind. Die Verlängerungen 44c, 46c dienen dazu, ein Positionieren der Zähne 44, 46 zwischen den Enden 74, 76 sicherzustellen.
Die Wirkungsweise sowohl der Servokraft erzeugenden Anordnung als auch der Sperranordnung ist anhand der Fig. 9A bis 9H beschrieben. Bei der Beschreibung wird angenommen, dass ein asynchroner Zustand zwischen der Welle 12 und dem Zahnrad 16 in einer Richtung vorliegt, die die veranschaulichten Flächen betrifft. Asynchrone Zustände in der anderen Richtung oder an dem Zahnrad 14 erzeugen Flächenberührungen, wie sie sich in naheliegender Weise aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben sollten. Die Fig. 9A veranschaulicht eine "Neutralstellung" aller Komponenten der Synchronisiereinrichtung. Zu Beginn eines Schaltvorgangs kann sich jedoch die Verlängerung 44c, 46c an einer beliebigen Stelle, bezogen auf die Umfangsrichtung, zwischen den Enden 74, 76 befinden. Eine initiale, nach rechts gerichtete Axialbewegung der Schaitmuffe 34 infolge der Schaltkraft Fo des Fahrers wird durch die Vorkraft erzeugenden Rollen 72 über die Fortsatzanschlagflächen 66a auf den Synchronring 42 übertragen, um einen initialen Reibeingriff der bewegbaren Konusfläche 50 mit der Konusfläche 26 des Zahnrads hervorzurufen. Die initiale Eingriffskraft für die Konusfläche ist selbstverständlich eine Funktion der Kraft der Feder 58 sowie der Winkel der Wände der Rastnuten 36d. Die Fig. 9B veranschaulicht die initiale Bewegung der starren Glieder 72 in Abhängigkeit von der axialen Bewegung der Schaltmuffe 34 in Richtung auf die an dem Zahnrad 16 sitzenden Klauenzähne 30 aus der Neutralstellung heraus. Die Komponenten in Fig. 9B können als in einer "Vor-Vorkraftstellung" stehend angesehen werden, in der die Vorkraft erzeugenden Anordnungen den Synchronring 42 noch nicht weit genug bewegt haben, damit die Reibflächen 26, 50 der Konuskupplung miteinander in Berührung kommen können. Die Komponenten befinden sich in Fig. 9C in einer "Vorkraft erzeugenden Stellung", in der die Reibflächen stark genug miteinander in Eingriff stehen, um die Übertragung eines Drehmomentes zu beginnen und die Drehung des Synchronrings 72 relativ zu dem Synchronkörper und der Schaltmuffe zu starten, damit die Sperrflächen 74e, 46a in Eingriff kommen, jedoch noch nicht so stark in Eingriff stehen, um das starre Glied 72 aus der Mittelstellung in der Nut 34a der Schaltmuffe, bezogen auf die Umfangsrichtung, herauszubewegen, siehe Fig. 6. In der "Sperr-/Servokraft erzeugenden Stellung" gemäß Fig. 9D hat das Drehmoment den Synchronring 42 und die starren Glieder 72 weit genug gedreht, damit auch die Servokraft erzeugenden Flächen 70b, 74a in Eingriff kommen können. Somit sind gemäß Fig. 9D die Flächen 74e, 74a zwischen den Sperrflächen 76a des Synchronrings und den Servokraft erzeugenden Rampenf lächen 70b des Synchronkörpers gefangen. Wenn die Flächen in dieser Weise gefangen sind und die Wirkung der Servokraft erzeugenden Rampenf lächen vernachlässigt wird, wird die gesamte Schaltkraft Fo, die durch den Fahrer an dem starren Teil 72 über die Schaltmuffe 34 aufgebracht wird, über die Sperrflächen 74e, 46a übertragen, wodurch die Reibflächen 26, 50 mit einer Kraft Fo aneinander zur Anlage gebracht werden, um ein Synchronisationsdrehmoment T&sub0; zu erzeugen. Wenn die Servokraft erzeugenden Rampenflächen 70b, 74a rechtwinklig zu der Rotationsebene des Synchronkörpers 32 verlaufen würden, würden keine Servokräfte erzeugt werden und nur das Drehmoment T&sub0; würde gegenüber der Welle 12 wirken. Da auch die Sperrflächen 74e, 46a schräg gegenüber der Drehebene verlaufen, erzeugen sie, zusätzlich zur Verhinderung eines asynchronen Einrückens der Klauenzähne 36a, 30 und der Übertragung der Schaltkraft Fo auf die Reibflächen 26, 50, auch noch ein Gegendrehmoment oder Entsperrdrehmoment entgegengesetzt zu dem Synchronisationsdrehmoment, das jedoch während der Asynchronzustände eine kleinere Größe aufweist. Sobald die Synchronität im Wesentlichen erreicht ist, fällt das Synchronisationsdrehmoment unter das Entsperrdrehmoment, womit sich die Sperrzähne aus der Eingriffsstellung herausbewegen und das Fortsetzen der Axialbewegung der Schaltmuffe sowie das Einrücken der beweglichen Klauenzähne 36c in die Klauenzähne 30 des Zahnrads freigeben.
Wenn noch die Wirkungen der Servokraft erzeugenden Rampen vernachlässigt werden, kann das Drehmoment der Konuskupplung, das durch die Kraft Fo hervorgerufen wird, durch die nachfolgende Gleichung beschrieben werden.
T&sub0; = FoRcµc/sin α
mit:
= mittlerer Radius der Konusreibfläche
= Reibkoeffizient der Konusreibfläche
= Winkel der Konusreibflächen.
Es werden nun die Wirkungen der Servokraft erzeugenden Rampenflächen betrachtet, wobei das Synchronisationsdrehmoment T&sub0;, das zufolge der von dem Fahrer ausgeübten axialen Schaltkraft F&sub0; auftritt, selbstverständlich über die Rampenflächen übertragen wird, die eine axiale Kraftkomponente oder eine zusätzliche Axialkraft Fa hervorrufen, die in dieselbe Richtung wirkt wie die Schaltkraft Fo, die durch den Fahrer aufgebracht wird und die ebenfalls über die Sperrflächen übertragen wird, wodurch die Einrückkraft für die Reibflächen vergrößert wird, um so ein zusätzliches Synchronisationsdrehmoment zu erzeugen, das zu dem Drehmoment T&sub0; hinzukommt. Fig. 10 veranschaulicht grafisch die Summe der Axialkräfte F&sub0; plus Fa, die an den Reibflächen der Kupplung auftritt, sowie die Summe der Synchronisationsdrehmomente T&sub0; plus Ta, die durch die Reibflächen der Kupplung hervorgerufen werden. Für eine gegebene, durch den Fahrer verursachte Schaltkraft Fo und ein durch den Fahrer verursachtes Synchronisationsdrehmoment T&sub0; ist die Größe der zusätzlichen Axialkraft vorzugsweise eine Funktion des Winkels der miteinander in Eingriff stehenden Servokraft erzeugenden Rampenflächen. Dieser Winkel ist vorzugsweise groß genug, um eine zusätzliche Kraft Fa hervorzurufen, dessen Größe ausreicht, das Synchronisationsdrehmoment zu vergrößern und die Synchronisationszeit in Abhängigkeit von einer gegebenen moderaten Anstrengung des Fahrers beim Schalten zu vermindern. Jedoch ist dieser Winkel zweckmäßigerweise klein genug, um eine kontrollierte zusätzliche Axialkraft Fa hervorzurufen, d.h. die Kraft Fa sollte in Abhängigkeit von dem Zu- oder Abnehmen der Kraft Fo ebenfalls zu- oder abnehmen. Wenn der Rampenwinkel zu groß ist, sind die Rampen blockierend anstatt Servokraft erzeugend; wenn somit einmal der initiale Eingriff der Konuskupplung bewirkt ist, steigt die Kraft Fa schnell und unkontrollierbar an, und zwar unabhängig von der Kraft Fo, wodurch die Konuskupplung in die Blockierung getrieben wird. Ein Selbstblockieren anstelle einer Servokrafterzeugung vermindert die Schaltqualität oder das Schaltgefühl, kann die Komponenten des Synchronisierers überbeanspruchen, kann eine Überhitzung und schnelle Abnutzung der Flächen der Konuskupplung verursachen und kann sogar die Bewegung des Schalthebels seitens des Fahrers übersteuern.
Wenn für ein Herauf- oder Herunterschalten eines Gangs keine zusätzliche Axialkraft gewünscht ist, können die Rampenflächen für das Herauf- oder Herunterschalten parallel zu der Verzahnung ausgeführt sein. Wenn beispielsweise die Rampenflächen 70b, 74a parallel zu den Verzahnungen 38 ausgerichtet sind, wird keine zusätzliche Kraft Fa erzeugt (fur einen Schaltvorgang in dieser Richtung).
Die Hauptvariablen zur Berechnung des Rampenwinkels 8 zur Servokrafterzeugung und zum Erzeugen der zusätzlichen Axialkräfte Fa, die proportional zu den von dem Fahrer hervorgerufenen Kräften Fo ansteigen oder abnehmen, sind der Konuskupplungswinkel α, der Reibkoeffizient µc der Konuskupplung, die mittleren Radien Rc der Konuskupplung und Rr der Vorkraft erzeugenden Rampen, der Reibkoeffizient µr der Rampen und der Winkel der Servorkraft erzeugenden Rampen. Weitere Einzelheiten zur Berechnung und zur Steuerung der Servo- oder Boost-Kräfte sind dem US-Patent 5 092 439 zu entnehmen.
Die Fig. 9E veranschaulicht eine "Servorkraft erzeugende/entsperrte Stellung", die auftritt, unmittelbar nachdem das Entsperrdrehmoment die Sperrflächen voneinander getrennt hat. Eine Servokraft, die in dieser Stellung noch vorhanden ist, wird durch die Trägheit des Synchronrings 42 erzeugt und/oder weil die Konuskupplung noch nicht vollständig getrennt hat. Dieses Servokraft erzeugende Phänomen dauert in der Stellung "Servokraft in die Einrückstellung" nach Fig. 9F an und erzeugt eine axiale Unterstützungskraft, die auf die Schaltmuffe 34 in Richtung der Schaltkraft Fo wirkt. Die Hilfskraft unterstützt den erneuten Start der axialen Einrückbewegung für die Klauenzähne 36c in Richtung auf die Klauenzähne 30, sobald das Entsperren auftritt, und unterstützt die Bewegung der Klauenzähne beim Einrücken, wenn die V-förmigen Enden der Zähne 36a und 30 einander berühren. Diese Unterstützungs- oder Hilfskraft vermindert das pHänomen, das als Schalthaken (notchiness) bekannt ist, indem sie den Kraftaufwand für den Fahrer vermindert, um den Schalthebel mit einer zusätzlichen Anstrengung zu bewegen und den Schaltvorgang zu beenden, sobald das Entsperren auftritt, d.h. die Hilfskraft erleichtert ein weiches und relativ anstrengungsfreies Beenden der Schaltvorgänge Die Fig. 9G veranschaulicht "das Ende der Servorkrafterzeugungstellung" und Fig. 9H veranschaulicht eine voll "eingerückte Stellung" der Klauenzähne 36c, 30.
Die Fortsätze 44c, 46c sind in Axialrichtung lang genug, um zwischen den Enden 74, 76 der starren Glieder gefesselt zu bleiben, wenn die Komponenten des Synchronisierers sich in der Neutralstellung gemäß Fig.9A befinden und wenn die Sperrflächen der Sperrzähne 44, 46 mit den Sperrflächen an den Enden 74, 76 der starren Glieder in Eingriff stehen, wie dies in den Fig. 98 bis 9E gezeigt ist. Wenn jedoch, wie dies aus den Fig. 9F bis 9H zu sehen ist, bei dem veranschaulichten Schaltvorgang das Entsperren auftritt, kommt der Fortsatz 46c frei bzw. er wird nicht mehr physisch in Ausrichtung mit dem in Umfangsrichtung sich erstreckenden Spalt zwischen den Enden des jeweiligen starren Glieds gehalten, wodurch eine zufällige Bewegung des Fortsatzes 46c in eine Stellung zwischen dem Ende 76 und den Servokraft erzeugenden Mitteln 70 möglich ist bzw. nicht verhindert wird. Sollte dies auftreten, können die Komponenten des Synchronisierers nicht mehr in die Neutralstellung zurückgebracht werden und ein Ankuppeln des Zahnrads 14 kann nicht mehr erfolgen.
Die Fig. 11, 12, 13A und 13B veranschaulichen schematisch drei modifizierte Ausführungsbeispiele, von denen jedes die Positionierung der Fortsätze zwischen den Enden 74, 76 des starren Gliedes 72 in Umfangsrichtung aufrecht erhält und damit die Ausrichtung mit dem in Umfangsrichtung liegenden Zwischenraum zwischen den Enden der starren Glieder, wodurch das Einrücken der Sperrflächen sichergestellt wird, wenn ein Gangwechsel initialisiert wird. In Fig. 11 sind die modifizierten Fortsätze mit 144c, 146c bezeichnet, wobei wenigstens ein Paar von Fortsätzen 144c, 146c axial sich erstreckende Bohrungen 144d, 146d enthält, die verschieblich einen Zapfen 90 aufnehmen, um eine relative Bewegung in Umfangsrichtung der Fortsätze zu verhindern und um andererseits eine relative Axialbewegung der Fortsätze zu ermöglichen. In Fig. 12 sind die modifizierten Fortsätze mit 244c, 246c bezeichnet, wobei wenigstens ein Fortsatz 244 sich verschieblich in in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Abschnitte des Fortsatzes 246c erstreckt. In den Fig. 13A und 13B sind die 446c bezeichnet. Gemäß Fig. 13A überlappt sich wenigstens ein Paar der Fortsätze 344c, 346c in Axialrichtung, um eine relative Bewegung bezüglich eines Drehsinns in Umfangsrichtung zu verhindern. Gemäß Fig. 138 ist wenigstens Relativbewegung in Umfangsrichtung mit dem umgekehrten Drehsinn zu verhindern.
Mehrere Ausführungsbeispiel einer Synchronisiereinrichtung mit Servokrafterzeugung wurde beschrieben. Die nachfolgenden Ansprüche sollen die erfindungsgemäßen Teile der beschriebenen Einrichtung abdecken.

Claims

1. Synchronisisierte Kupplung (18), in der Bauart mit Zwischenring, zum reibschlüssigen Synchronisieren und formschlüssigen Kuppeln eines ersten mit einem zweiten Getriebeteil (12,16), die bezüglich einer gemeinsamen Achse (12a) relativ zueinander drehbar angeordnet sind; wobei die Kupplung aufweist:

erste Klauenmittel (36c), die zur formschlüssigen Kupplung der Getriebeteile in Abhängigkeit von der Eingriffsbewegung der ersten Klauenmittel (36c) mittels einer axial gerichteten ersten Schaltkraft (Fo) aus einer Neutralstellung in eine Eingriffsstellung mit zweiten Klauenmitteln (30) bewegbar sind, wobei die ersten Klauenmittel (36c) an einer Schaltmuffe (34) ausgebildet sind, die eine zentrale Öffnung aufweist, in der verschiebbar eine Außenumfangsfläche einer Nabe (32) sitzt, die gegen Drehung und axiale Bewegung gegenüber dem ersten Getriebeteil (12) gesichert ist, und die zentrale Öffnung mit einer axial sich erstreckenden Innenverzahnung (36) versehen ist;

einen ersten, eine erste Reibfläche (50) tragenden Zwischenring (42), der in Abhängigkeit von der Einrückbewegung der ersten Klauenmittel (36c) zum Erzeugen eines Synchronisationsdrehmomentes (To) in Eingriff mit einer zweiten Reibfläche (26) bewegbar ist, wobei der Zwischenring von der Nabe (32) axial weg in Richtung auf die zweite Reibfläche (26) zu bewegen ist;

erste und zweite schräg verlaufende Sperrflächen (74e,46a), die in Abhängigkeit von der Eingriffsbewegung der Schaltmuffe (34) miteinander in Eingriff zu bringen sind, um ein asynchrones Einrücken der Klauenmittel (36c, 30) zu verhindern, um die Schaltkraft (Fo) auf die erste Reibfläche (50) zu übertragen, darart, dass Eingriffskraft zwischen den Reibflächen (50, 26) entsteht, und um ein Gegendrehmoment zu dem Synchronisationsdrehmoment zu erzeugen, derart, dass die ersten und die zweiten Sperrmittel (74, 46) außer Eingriff gebracht werden, wenn die Synchronität erreicht ist, wobei der Zwischenring (42) eine Anzahl der zweiten Sperrflächen (46a) trägt;

erste und zweite Servomittel (70,74), die, wenn sie miteinander in Eingriff stehen, dazu dienen, auf das Synchronisationsdrehmoment zu reagieren, um eine zusätzliche Axialkraft (Fa) in Richtung der Schaltkraft (Fo) zu erzeugen, damit die Einrückkraft für die Reibflächen (50, 26) erhöht wird, wobei die ersten und zweiten Servomittel (70,74) Mittel (74) umfassen, um die zusätzliche Axialkraft (Fa) auf die erste Reibfläche (50) über die Sperrflächen (74e,46a) zu übertragen und die ersten Servomittel (70) eine Anzahl von ersten Servo-Rampenflächen (70b) tragen, die an der Außenumfangsfläche der Nabe (32) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet,

dass die Außenumfangsfläche der Nabe (32) eine axial sich erstreckende Außenverzahnung (38) trägt,

dass die Innenverzahnung (36) der Schaltmuffe (34) axial sich erstreckende Flankenflächen (36a) aufweist, die durchgehend mit axial sich erstreckenden Flankenflächen (38a) der Außenverzahnung (38) der Nabe (32) verschiebbar zusammenpassen, um eine Relativdrehung zwischen der Innenund der Außenverzahnung zu verhindern, wobei die Außenverzahnung (38) gegenüber einer Drehung und einer Axialbewegung relativ zu dem ersten Getriebeteil (12) gesichert ist;

dass eine Anzahl von starren Gliedern (72) auf der Schaltmuffe (34) in Umfangrichtung begrenzt verschiebbar gegenüber dieser gelagert und axial unbewegbar gesichert ist, wobei jedes starre Glied (72) eine Seite (74a) aufweist, die eine zweite, schräg verlaufende Servo-Rampenfläche (74a) der zweiten Servomittel (74) bildet und eine andere Seite (74e) die erste Sperrfläche (74e) bildet, und jedes starre Glied (72) zwischen einer der zweiten Sperrflächen (46a) und einer der ersten Servo-Rampenflächen (70b) angeordnet ist, so dass sowohl die axial gerichtete Schaltkraft (Fo) als auch die zusätzliche Axialkraft (Fa) über das starre Glied (72) übertragen werden.

2. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 1, bei der die Nabe (32) und wenigstens eines der starren Glieder (72) jeweils eine nicht verstärkende Fläche (70e,74c) aufweist, die sich rechtwinklig zu einer Drehebene der Nabe erstreckt und sich in Eingriff befindet, wenn die Schaltmuffe (34) in einer Neutralstellung steht.

3. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 1, die ferner ein drittes Getriebeteil (14) aufweist, das relativ zu dem ersten und dem zweiten Getriebeteil (12,16) um die gemeinsame Achse (12a) drehbar angeordnet und von dem zweiten Getriebeteil (16) axial beabstandet ist;

bei der die Innenverzahnung (36) der Schaitmuffe (34) dritte Klauenmittel (36b) bildet, die aus einer Neutralstellung in eine eingerückte Stellung mit vierten Klauenmitteln (28) verschiebbar sind, um in Abhängigkeit von der Bewegung der Schaltmuffe (34) durch eine zweite Schaltkraft (Fo), die in die der ersten Schaltkraft (Fo) axial entgegengerichtet ist, das erste Getriebeteil mit dem dritten Getriebeteil (12, 14) formschlüssig zu kuppeln;

die ferner einen zweiten Zwischenring (40) mit einer dritten Reibf läche (48) und einer Anzahl von vierten Sperrf lächen (44a) aufweist, wobei der Zwischenring in Richtung auf eine vierte Reibfläche (24) von der Nabe (32) weg axial bewegbar ist;

bei der die ersten Servomittel (70) eine Anzahl von dritten Servo-Rampenflächen (70a) umfassen, die an der Außenumfangsfläche der Nabe (32) ausgebildet sind;

bei der die starren Glieder (72) jeweils eine Seite (74b) tragen, die eine vierte, schräg verlaufende Servo- Rampenfläche (74b) von zweiten Servomitteln (74) bilden und eine weitere Seite (74d) eine dritte Sperrfläche (74) bildet, jedes starre Glied (72) zwischen einer der vierten Sperrflächen (44a) und einer der dritten Servoflächen (70a) derart angeordnet ist, dass sowohl die axial gerichtete Schaltkraft (Fo) als auch die zusätzliche Axialkraft (Fa) über das starre Glied (72) auf den zweiten Zwischenring (40) übertragen werden.

4. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 3, bei der jedes starre Glied ein erstes Ende (74) aufweist, das die zweiten und vierten Servo-Rampenflächen (84a, 74b) und die ersten und dritten Sperrflächen (74e, 74d) bildet, wobei die Flächen an dem ersten Ende (74) des starren Glieds mit den ersten und zweiten Servo-Rampenflächen (70b, 70a) und den zweiten und vierten Sperrflächen (44a, 46a) zusammenwirken, um die Synchronisation des zweiten und des dritten Getriebeteils mit dem ersten Getriebeteil zu bewirken, wenn das erste Getriebeteil zu Beginn schneller rotiert als das zweite und das dritte Getriebeteil.

5. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 4, bei der jedes starre Glied ein zweites Ende (76) aufweist, das von dem ersten Ende (74) in Umfangsrichtung beabstandet ist, wobei die beiden Enden von einem in Umfangsrichtung sich erstreckenden Abschnitt (78) starr miteinander verbunden sind, der in einem Schlitz (34a) in der Schaltmuffe (34) verschieblich aufgenommen ist, um eine begrenzte Relativverschiebung in Umfangsrichtung und keine Axialbewegung gegenüber der Schaltmuffe (34) zu gestatten, wobei das zweite Ende Servorampenflächen (76a, 76b) und Sperrflächen (76e, 76d) trägt, die jeweils gegen zusätzliche Servorampenflächen (70d, 70c), die an der Nabe ausgebildet sind, und die Sperrflächen (46b, 44b) wirken, die an dem ersten und zweiten Zwischenring (42, 40) ausgebildet sind, wobei die an dem zweiten Ende ausgebildeten Flächen und die zusätzlichen Flächen (70d, 70c) dazu dienen, die Synchronisation des zweiten Getriebeteils und des dritten Getriebeteils mit dem ersten Getriebeteil zu bewirken, wenn der erste Getriebeteil zunächst langsamer rotiert als der zweite und der dritte Getriebeteil.

6. Synchronisierte Kupplung nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei der die Servo-Rampenflächen (70b, 74a) in Eingriff bleiben, nachdem die zugehörigen Sperrflächen (74e, 46a) außer Eingriff gekommen sind, um eine Zusatzkraft zu erzeugen, um die zugehörigen Klauenmittel (36c, 36b) der Schaltmuffe (34) in Eingriff mit den zugehörigen Klauenmitteln (30,28) des zugehorigen Getriebeteils (14,16) zu bringen.

7. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das erste und das zweite Ende (74,76) von wenigstens einem der starren Glieder (72) jeweils eine nicht verstärkende Fläche (74c,76c) trägt, die sich rechtwinklig zu einer Rotationsebene der Nabe (32) erstreckt, und die Nabe nicht verstärkende Flächen (70e,70f) trägt, die sich rechtwinklig zu der Rotationsebene erstrecken und mit den nicht verstärkenden Flächen des starren Gliedes in Eingriff kommen, wenn sich die Schaltmuffe (34) in einer Neutralstellung befindet.

8. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 5, 6 oder 7, die zusätzlich Mittel (90) aufweist, um die Sperrflächen (44a,44b und 46a,46b) des ersten und zweiten Zwischenrings mit den in Umfangsrichtung liegenden Lücken zwischen den Enden (74,76) jedes starren Glieds (72) ausgerichtet zu halten.

9. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 9, bei der jeder Zwischenring (40,42) Sperrzähne (44,46) trägt, die jeweils Paare von Sperrflächen (44a,44b und 46a,46b) bilden und sich zwischen den in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Enden (74,76) jedes starren Glieds (72) in axialer Richtung ertrecken, wenn sich die Muffe (34) in der Neutralstellung befindet.

10. Synchronisierte Kupplung nach Anspruch 9, bei der die Sperrzähne (44,46) jedes Zwischenrings (40,42) sich axial zwischen den in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Enden (74,76) wenigstens eines der starren Glieder (72) erstrecken, die axial überlappende Verlängerungen (244c,246c) tragen, um die Ausrichtung aufrechtzuerhalten.

11. Synchronisierte Kupplung nach den Ansprüchen 1 bis 10, bei der das starre Glied (72) gegenüber der Schaltmuffe (34) und der Nabe (32) radial nicht bewegbar gelagert ist, wenn die Sperrflächen und die Servo-Rampenflächen miteinander in Eingriff stehen.

12. Synchronisierte Kupplung nach den Ansprüchen 1 bis 11, bei der das starre Glied (72) die zusätzliche Axialkraft (Fa) in eine Richtung richtet, die der Schaltkraft (Fo) nicht entgegengesetzt ist.