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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Schalten von mindestens einem Gang eines Schaltgetriebes.
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Durch die
DE 102 03 633 A1 der Anmelderin wurde eine Schaltvorrichtung eines Getriebes bekannt, bei welcher das Schalten der Gänge mittels einer Schaltwalze erfolgt. Die Schaltwalze weist eine als Nutenbahn ausgebildete Schaltkulisse auf, in welche ein mit einer Schaltgabel verbundener Stift eingreift, welcher bei einer Drehung der Schaltwalze um ihre Längsachse eine Axialbewegung ausführt. Durch die Axialbewegung wird die Schaltung bewirkt.
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Durch die
DE 195 09 477 A1 wurde eine Schaltvorrichtung für ein Getriebe mit einer Schaltwalze bekannt, welche mehrere in Axialrichtung hintereinander angeordnete, als Steuerkurven ausgebildete, nutenförmige Schaltkulissen aufweist, in welche Schaltstifte einer Schaltgabel eingreifen, wodurch eine Axialbewegung der Schaltgabeln erzeugt wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltvorrichtung zum Schalten von mindestens einem Gang eines Schaltgetriebes zu verbessern.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß sind zwei axial gegeneinander verschiebbare, in Drehrichtung gekoppelte und motorisch antreibbare Schalträder mit jeweils einer Schaltkulisse vorgesehen. Ferner sind zwei ortsfest, vorzugsweise im Gehäuse des Schaltgetriebes fest angeordnete Stifte vorgesehen, welche mit den Schaltkulissen in Eingriff stehen. Die Schaltvorrichtung weist ferner eine axial verschiebbare, gegen Verdrehen gesicherte, von den Schalträdern mitnehmbare, als Schalthülse ausgebildete Schaltwelle sowie ein axial verschiebbares Schaltelement auf, welches vorzugsweise als Schaltgabel ausgebildet und mit der Schalthülse verbunden ist. Aufgrund der Drehbewegung werden die beiden Schalträder infolge der Schaltkulissen und des Eingriffs der Stifte in axialer Richtung verschoben. Die Axialbewegung der Schalträder wird auf die Schalthülse übertragen, welche über das Schaltelement die Schaltung eines Ganges bewirkt. Vorzugsweise werden mit der Schaltvorrichtung zwei Gänge geschaltet; möglich ist jedoch auch die Schaltung von mehr als zwei, z. B. vier Gängen. Dementsprechend muss die Schaltkulisse ausgelegt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltkulissen als Rampenkonturen, welche jeweils an den äußeren Stirnseiten der beiden Schalträder angeordnet sind, ausgebildet. Die Zahl und die axiale Versetzung der Rampen bestimmen die Zahl der Schaltpositionen und den Schaltweg von einer zur anderen Schaltposition.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stützen sich die Rampenkonturen stirnseitig jeweils an den gehäusefesten Stiften in axialer Richtung ab; bei einer Drehung der Schalträder erfolgt ein Abwälzen oder Gleiten der Rampenkontur am Umfang der Stifte, auf welchen vorzugsweise drehbar gelagerte Hülsen, insbesondere Nadelhülsen angeordnet sind. Damit kann ein weitgehend verschleißfreies und reibungsarmes Abwälzen erfolgen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den beiden Schalträdern mindestens ein in Axialrichtung wirkendes Federelement angeordnet, dessen Federkraft ohne Einwirken einer Gegenkraft ein Auseinanderdrücken der beiden Schalträder bewirkt, sodass eine stetige Anlage der stirnseitigen Rampenkonturen an den Stiften unter veränderlicher Vorspannung erfolgt.
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Der Einsatz eines Federelements als Energiespeicherermöglicht dabei hochdynamische Schaltvorgänge, insbesondere eines Einlegevorgangs des Schaltelements, da während eines Schaltvorgangs in einem hochdynamischen Zeitbereich die Federenergie des vorgespannten Federelements schlagartig freigegeben wird, wodurch ein Schalten innerhalb eines besonders kurzen Zeitintervalls erfolgen kann. Die Verwendung eines Federelements zur Durchführung des Schaltvorgangs, insbesondere des Einlegevorgangs, bietet dahingehend den weiteren Vorteil, dass bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung zwischen der Schiebemuffe und der Mitnahmeverzahnung auf den Gangrädern keine stetig steigende Kraft durch einen Aktuator auf die Schiebemuffe einwirkt, wie es beispielsweise bei einer motorischen Betätigung des Einlegevorgangs der Fall ist, sondern lediglich die verbleibende (Rest-) Federenergie. Somit werden zulässige Belastungsgrenzen nicht überschritten, was sich positiv auf Verschleiß, Robustheit und Lebensdauer der Bauteile auswirkt. Hingegen besteht bei einem motorisch betriebenen Aktuator zur Durchführung des (Einlege-) Schaltvorgangs die Gefahr, dass eine Zahn-auf-Zahn-Stellung nicht erkannt wird, der Schaltvorgang unvermindert fortgeführt wird, wodurch aufgrund des verringerten zurückgelegten Axialwegs der Schiebemuffe durch die Zahn-auf-Zahn-Stellung eine erhöhte Kraft eingeleitet wird.
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Hingegen wird bei einem entgegengesetzten Schaltvorgang, also während einer Schaltvorbereitung des eigentlichen Einlegevorgangs, das Federelement, beispielsweise auf die maximale Energiedichte hin, vorgespannt. Der Vorgang der Schaltvorbereitung kann im Gegensatz zu dem eigentlichen Schaltvorgang beziehungsweise Einlegevorgang, über einen vergleichsweise längeren Zeitraum erfolgen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schalthülse auf ihrem Umfang angeordnete Längsnuten auf, in welche die Stirnenden der gehäusefesten Stifte eingreifen und somit eine Verdrehsicherung der Schalthülse bewirken. Die Schalthülse ist somit nur in Längs- oder Axialrichtung verschiebbar, wobei die Stifte als Anschläge wirken.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schalträder über einen Schneckentrieb, umfassend eine Schnecke und ein Schneckenrad, antreibbar. Damit ist eine besonders hohe Untersetzung der Antriebsdrehzahl gegenüber der Drehzahl der Schalträder möglich.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Schalträder respektive die Schnecke des Schneckentriebes durch einen Elektromotor angetrieben, wobei zusätzlich noch eine Stirnradstufe zur Untersetzung der Drehzahl des Elektromotors vorgesehen werden kann.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Schneckenrad mit mindestens einem Schaltrad verbunden. Das Schneckenrad kann dabei in Umfangs- und Axialrichtung fest mit dem einem Schaltrad verbunden sein, während es mit dem anderen Schaltrad drehfest, jedoch axial beweglich verbunden ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schalträder über eine Mitnahmeverzahnung in Drehrichtung gekoppelt. Sofern ein Schaltrad fest mit dem Schneckenrad verbunden ist, ist eine Mitnahmeverzahnung zwischen dem anderen Schaltrad und dem Schneckenrad vorgesehen. Damit sind beide Schalträder axial gegeneinander verschiebbar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die beiden Schalträder jeweils eine Mitnehmerkontur auf: dabei erstreckt sich die erste Mitnehmerkontur über einen ersten Bereich von 0 bis 180 Grad, während sich die zweite Mitnehmerkontur über einen zweiten Bereich von 180 bis 360 Grad erstreckt. Die erste und die zweite Mitnehmerkontur, die also keine Überdeckung in axialer Richtung aufweisen, ergänzen sich somit zu einem Vollkreis. Damit wird erreicht, dass die Schalthülse von dem ersten Schaltrad nur über einen Drehwinkel von 0 bis 180 Grad in axialer Richtung mitgenommen wird, während sie bei einer anschließenden halben Umdrehung (von 180 bis 360 Grad) des zweiten Schaltrades in entgegengesetzter axialer Richtung mitgenommen wird. Die Drehbewegung der Schalträder, angetrieben durch das Schneckenrad und den Elektromotor, erfolgt also über den gesamten Schaltbereich, d. h. das Hoch- und Runterschalten in derselben Richtung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der Schalthülse mindestens ein Mitnehmerelement, vorzugsweise ein Mitnehmerstein angeordnet, welcher wechselweise mit der ersten oder der zweiten Mitnehmerkontur in Eingriff steht. Durch Mitnehmerkontur und Mitnehmerelement wird eine Koppelung der Axialbewegungen des ersten und des zweiten Schaltrades mit der Schalthülse nacheinander in entgegengesetzte Richtungen erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwischen den Schalträdern und der Schalthülse Gleitlager angeordnet. Damit wird eine reibungs- und verschleißarme Relativbewegung der Schalträder gegenüber der Schalthülse in Umfangs- und in Axialrichtung ermöglicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird durch die Drehbewegung der Schalträder in einer Drehrichtung eine Axialbewegung der Schalthülse in entgegengesetzten Richtungen erzeugt. Damit wird eine Vereinfachung des elektromotorischen Antriebs erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind alternativ zu den stirnseitigen Rampenkonturen umfangsseitige Schaltnuten auf den Schalträdern vorgesehen. In die Schaltnuten greifen gehäusefeste Stifte ein, welche damit die Axialbewegung der Schalträder steuern.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1: eine Antriebsanordnung mit Schaltgetriebe und erfindungsgemäßer Schaltvorrichtung;
- 2: zwei Gangräder des Schaltgetriebes mit der Schaltvorrichtung,
- 3: die Schaltvorrichtung im Schnitt;
- 4: die Schaltvorrichtung mit elektromotorischem Antrieb;
- 5: die Schaltvorrichtung in einem Axialschnitt;
- 6: eine Explosionsdarstellung von zwei Schalträdern und einem Schneckenrad;
- 7: das Schneckenrad mit den Schalträdern im Verbund;
- 8: eine Schalthülse mit Gleitlagern und gehäusefesten Stiften;
- 9 und 10: eine erste Schaltposition (Gang 1 eingelegt) der Schaltvorrichtung;
- 11 und 12: eine zweite Schaltposition (Neutral);
- 13 und 14: eine dritte Schaltposition (Gang 2 eingelegt);
- 15 und 16: eine vierte Schaltposition (Gang 2 eingelegt);
- 17 und 18: eine fünfte Schaltposition (Neutral) ;
- 19 und 20: eine sechste Schaltposition (Gang 1 eingelegt).
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1 zeigt eine Antriebsanordnung, welche einen Elektromotor 1, ein nachgeschaltetes Planetengetriebe 2, ein Stirnradgetriebe 3 sowie eine Schaltvorrichtung 4 umfasst. Das Stirnradgetriebe 3 ist als Zwei-Gang-Schaltgetriebe ausgebildet und weist ein erstes Gangrad 5, ein zweites Gangrad 6 sowie ein Schaltelement 7 auf, über welches entweder der erste Gang über das Gangrad 5 oder der zweite Gang über das Gangrad 6 geschaltet werden können. Die Betätigung des Schaltelements 7 erfolgt über eine durch die Schaltvorrichtung 4 ausgelöste Axialbewegung. Die Antriebsanordnung ist als Elektroantrieb in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb verwendbar.
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2 zeigt das erste Gangrad 5 und das zweite Gangrad 6 in Verbindung mit der Schaltvorrichtung 4 und dem Schaltelement 7. Letzteres umfasst eine zwischen dem ersten Gangrad 5 und dem zweiten Gangrad 6 axial verschiebbar angeordnete Schiebemuffe 7a sowie eine Schaltgabel 7b, welche formschlüssig in eine Umfangsnut der Schiebemuffe 7a eingreift. Die Schaltgabel 7b ist über eine Schaltstange 7c mit der Schaltvorrichtung 4 verbunden.
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3 zeigt die Schaltvorrichtung 4 in einer Schnittdarstellung, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie zuvor verwendet werden. Die Schaltstange 7c der Schaltgabel 7b ist in einer Schalthülse 8 aufgenommen und in axialer Richtung fixiert. Die axial bewegliche Schalthülse 8 weist zwei Längsnuten 8a, 8b auf, in welche orts- bzw. gehäusefest angeordnete Stifte 9, 10 formschlüssig eingreifen, d. h. die Schalthülse 8 ist gegen Verdrehen gesichert, jedoch axial im Bereich der Längsnuten 8a, 8b beweglich.
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4 zeigt die Schaltvorrichtung 4 mit einem Elektroantrieb 11, bestehend aus einem Elektromotor 11a und einer Stirnradstufe 11b, und einem Schneckentrieb 12, bestehend aus einer Schneckenwelle 12a sowie einem Schneckenrad 12b, welches zwei axial gegeneinander bewegliche Schalträder 13, 14 in Drehrichtung antreibt.
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5 zeigt die beiden Schalträder 13, 14 sowie das Schneckenrad 12b in einem Axialschnitt. Das erste, in der Zeichnung rechts dargestellte Schaltrad 13 ist fest mit dem Schneckenrad 12b verbunden, d. h. in Dreh- und in Axialrichtung. Das zweite Schaltrad 14 ist gegenüber dem Schneckenrad 12b in Axialrichtung verschiebbar, jedoch in Umfangsrichtung über eine Mitnahmeverzahnung (vgl. 6 und 7) drehfest verbunden. Somit werden beide Schalträder 13, 14 synchron vom Schneckenrad 12b angetrieben. Zwischen beiden Schalträdern 13, 14 ist ein Federelement 15, hier ausgebildet als Ringfeder 15, angeordnet, welche die beiden Schalträder 13, 14 in axialer Richtung belastet, so dass diese gegen die gehäusefesten Stifte 9, 10 gedrückt werden. Zur Verminderung der Reibung sind auf den Stiften 9, 10 drehbare Hülsen 16, 17, vorzugsweise Nadelhülsen 16, 17 angeordnet.
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6 zeigt eine Explosionsdarstellung des Schneckenrades 12b, welches fest mit dem ersten Schaltrad 13 verbunden ist, sowie das zweite Schaltrad 14. Letzteres weist auf seinem Unfang eine Mitnahmeverzahnung 18a auf, welche in eine korrespondierende Mitnahmeverzahnung 18b am Schneckenrad 12b eingreift. Auf seiner Stirnseite weist das zweite Schaltrad 14 eine Rampenkontur 14a und auf seiner entgegengesetzten Seite eine Mitnehmerkontur 14b auf, welche sich über einen Bereich von 0 bis 180 Grad erstreckt, also nur über den halben Umfang. Das mit dem Schneckenrad 12b verbundene erste Schaltrad 13 weist eine korrespondierende Mitnehmerkontur 13b auf, welche sich über einen Umfangsbereich von 180 bis 360 Grad erstreckt.
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7 zeigt das Schneckenrad 12b mit dem ersten Schaltrad 13 und dem zweiten Schaltrad 14 im Verbund, wobei die Rampenkontur 14a des zweiten Schaltrades 14 in einer anderen Perspektive erscheint, aus welcher ein stufenförmiger Verlauf erkennbar ist. In analoger Weise weist das erste Schaltrad 13 eine Rampenkontur 13a mit einem stufenförmigen Verlauf auf.
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8 zeigt die Schalthülse 8 sowie die Stifte 9, 10 mit Nadelhülsen 16, 17. Auf dem Umfang der Schalthülse 8 sind ein erstes Gleitlager 19 und ein zweites Gleitlager 20 angeordnet, auf welchen die beiden (hier nicht dargestellten) Schalträder 14, 15 (vgl. 5) gleiten. Zwischen den beiden Gleitlagern 19, 20 ist ein Mitnehmerelement 21, auch Mitnehmerstein 21 genannt, mittels einer Schraube 22 befestigt. Das Mitnehmerelement 21 dient in Verbindung mit dem Schraubenkopf der Schraube 22 der axialen Fixierung der Mitnehmerkonturen 13b, 14b (6) der Schalträder 13, 14.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung wird anhand der nachfolgenden 9 bis 20 erläutert, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie zuvor verwendet werden.
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Die 9 und 10 zeigen als Ausgangspunkt für weitere Schaltstellungen eine erste Schaltstellung, in welcher Gang 1 eingelegt ist. Die axial verschiebbare Schalthülse 8 befindet sich in ihrer rechten Extremposition, bezogen auf die ortsfesten Stifte 9, 10. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich, ist in dieser Schaltposition das erste Gangrad 5 eingekoppelt. Die Schaltbewegung wird eingeleitet durch eine Drehung des Schneckenrades 12b, angetrieben durch die Schneckenwelle (vgl. 4). Das zweite, in der Zeichnung links angeordnete Schaltrad 14 stützt sich dabei mit seiner äußersten Stufe der Rampenkontur 14a am Stift 9 ab, wobei die Ringfeder 15 maximal vorgespannt ist. Die Axialbewegung des Schaltrades14 wird über die Mitnehmerkontur 14b und den Mitnehmerstein 21 während einer Drehbewegung von 180 Grad auf die Schalthülse 8 übertragen. In 10 ist die Drehrichtung durch einen Pfeil D dargestellt.
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Die 11 und 12 zeigen eine zweite Schaltstellung, in welcher sich die Schalthülse 8 und damit auch die Schiebemuffe 7a (vgl. 1, 2, 3) in einer mittleren Position befinden. Dies ist in 11 durch die mittlere Position der Stifte 9, 10 in den Längsnuten 8a, 8b erkennbar. Durch die Drehung in Richtung des Pfeils D hat sich das zweite Schaltrad 14 in der Zeichnung nach links bewegt und auch gegenüber dem Schneckenrad 12b in axialer Richtung verschoben, so dass die Mitnahmeverzahnung 18a erkennbar ist. Die Ringfeder 15 hat sich gegenüber der ersten Schaltposition gemäß 9 und 10 etwas entspannt. In dieser Schaltposition ist die Schaltung für Gang 2 vorbereitet.
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13 und 14 zeigen eine dritte Schaltposition, in welcher Gang 2 eingelegt und die Ringfeder 15 entspannt ist. Wie aus der Position der Schalthülse 8 gegenüber den Stiften 9, 10 ersichtlich, hat sich die Schalthülse 8 weiter nach links bewegt, so dass die Stirnseite der Längsnut 8a am Stift 9 zur Anlage gekommen ist. Aus 14 ist ersichtlich, dass der Stift 9 mit der Nadelhülse 16 an der dritten Stufe der Rampenkontur 14a zur Anlage gekommen ist. Das zweite Schaltrad 14 hat sich somit weiter in der Zeichnung nach links verschoben und die Schalthülse 8 mittels der Mitnahmekontur 14b in axialer Richtung mitgenommen.
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15 und 16 zeigen eine vierte Schaltposition, in welcher Gang 2 zwar noch eingelegt ist, die Ringfeder 15 jedoch maximal vorgespannt und die Schaltung für die Position Neutral vorbereitet ist. Durch eine weitere Drehung gemäß Pfeil D (immer in derselben Richtung) gleitet die Rampenkontur 13a des ersten Schaltrades 13 am Stift 10 bzw. der Nadelhülse 17, so dass sich das Schneckenrad 12b über das zweite Schaltrad 14 schiebt und dabei die Feder 15 maximal vorspannt.
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17 und 18 zeigen eine fünfte Schaltposition, nämlich eine Neutral-Position, bei welcher sich die Stifte 9, 10 wieder in der Mitte der Längsnuten 8a, 8b befinden. Durch weitere Drehung in Richtung des Pfeils D hat sich die Rampenkontur 13a des ersten Schaltrades 13 in axialer Richtung nach rechts bewegt. Diese Axialbewegung wird über die Mitnehmerkontur 13b, die sich jetzt im Eingriff mit dem Mitnehmerstein 21 befindet, auf die Schalthülse 8 übertragen. Die Umkehrbewegung der Schalthülse 8 von der vierten Schaltposition gemäß 15 und 16 in die Neutral-Position gemäß 17, 18 erfolgt bei gleichbleibender Drehrichtung gemäß Pfeil D.
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19 und 20 zeigen eine sechste und letzte Schaltposition, bei welcher der Gang 1 eingelegt und die Ringfeder 15 entspannt ist Die Schalthülse 8 befindet sich jetzt wieder in ihrer rechten Extremstellung, d. h. der Stift 10 liegt an der inneren Stirnseite der Längsnut 8b an und bildet somit einen Anschlag.
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Abweichend von den oben beschriebenen Rampenkonturen 13a, 14a der Schalträder 13, 14, liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Rampenkonturen 13a, 14a durch umfangsseitig auf den Schalträdern angeordnete Schaltnuten, in welche die gehäusefesten Stifte 9, 10 eingreifen, ersetzt werden. In diesem Falle würde ein zwischen den Schalträdern angeordnetes Federelement entfallen.
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Bezugszeichen
- 1
- Elektromotor
- 2
- Planetengetriebe
- 3
- Stirnradgetriebe
- 4
- Schaltvorrichtung
- 5
- erstes Gangrad
- 6
- zweites Gangrad
- 7
- Schaltelement
- 7a
- Schiebemuffe
- 7b
- Schaltgabel
- 7c
- Schaltstange
- 8
- Schalthülse
- 8a
- Längsnut
- 8b
- Längsnut
- 9
- Stift
- 10
- Stift
- 11
- Elektroantrieb
- 11a
- Elektromotor
- 11b
- Stirnradstufe
- 12
- Schneckentrieb
- 12a
- Schnecke/Schneckenwelle
- 12b
- Schneckenrad
- 13
- erstes Schaltrad
- 13a
- Rampenkontur
- 13b
- Mitnehmerkontur
- 14
- zweites Schaltrad
- 14a
- Rampenkontur
- 14b
- Mitnehmerkontur
- 15
- Federelement/Ringfeder
- 16
- Nadelhülse
- 17
- Nadelhülse
- 18a
- Mitnahmeverzahnung am Schaltrad 14
- 18b
- Mitnahmeverzahnung am Schneckenrad 12b
- 19
- Gleitlager
- 20
- Gleitlager
- 21
- Mitnehmerelement/Mitnehmerstein
- 22
- Schraube
- D
- Drehrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10203633 A1 [0002]
- DE 19509477 A1 [0003]
