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Dokumentenidentifikation DE4102280A1 06.08.1992
Titel Anordnung an einem Zahnrad zur Übertragung von Zahnkräften
Anmelder Mercedes-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, DE
Erfinder Weiler, Werner, Dipl.-Ing., 7061 Lichtenwald, DE;
Wörner, Günter, Dipl.-Ing. (FH), 7053 Kernen, DE
DE-Anmeldedatum 26.01.1991
DE-Aktenzeichen 4102280
Offenlegungstag 06.08.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.08.1992
IPC-Hauptklasse F16H 3/38
IPC-Nebenklasse B60K 17/08   
Zusammenfassung Bei einem Zahnrad ist ein Zahnkranz mit seiner Nabe sowohl durch eine federnde als auch durch eine im Kraftfluß parallele formschlüssige Kupplungsvorrichtung verbunden. Die formschlüssige Kupplungsvorrichtung weist eine begrenzte Drehbeweglichkeit ihrer Kupplungshälften auf, die im Betrag höchstens der Zahnteilung der Verzahnung des Zahnkranzes entspricht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung an einem Zahnrad zur Übertragung von Zahnkräften nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE-OS 35 00 099) ist die Kupplungsvorrichtung für höhere Zahnkräfte als kraftschlüssige Rutschkupplung ausgebildet und das Zahnrad mit einer Hilfsantriebsachse eines vierrad-getriebenen Fahrzeuges verbunden. Diese Anordnung ist dazu verwendet, daß bei Auftreten eines Überlast-Momentes übermäßige Drehmoment-Belastungen und Stoßbelastungen der Hilfsantriebsachse verhindert sind. Dabei sollen die aus der federnden Rastenverbindung resultierenden Kräfte gewährleisten, daß der Zahnkranz und die Nabe als eine Einheit rotieren und einen Teil des gewünschten Drehmomentes auf die Hilfsantriebsräder übertragen.

Bei Zahnräder-Wechselgetrieben von Kraftfahrzeugen kann der Rückwärtsgang auf folgende Weise geschaltet werden:

Im Stand wird durch Betätigung eines Handschalthebels im Getriebe ein Steuerhebel so verstellt, daß zunächst eine Sperrsynchronisierung eines Vorwärtsganges aktiviert wird und dadurch alle rotierenden Getrieberäder bzw. -wellen abgebremst werden. Anschließend wird durch weiteres Betätigen des Steuerhebels über einen Schalthebel ein axial verschiebbares Zwischenzahnrad in eine Verzahnung eines Hauptwellenzahnrades eingerückt. Bei dieser Ausführung ergibt sich ein Schaltkraftverlauf, für den typisch ist, daß im wesentlichen zwei Kraftspitzen entstehen, nämlich zuerst der sogenannte Synchronisierpunkt und danach der Gang-Einspurpunkt.

Beide Sperrpunkte beeinträchtigen den Schaltkomfort. Durch eine Optimierung der Steuergeometrie an die Schaltkinematik könnte eine entsprechende günstige Kraftwirkung erreicht werden. Jedoch gibt es insbesondere beim Einspurvorgang zwischen dem verschiebbaren Zwischenzahnrad und dem Hauptwellenzahnrad stärkere Hemmnisse, wenn im Getriebe Schleppmomente auftreten. In dieser Schaltphase geschieht folgendes:

Die stehende Abtriebswelle - auf der das Hauptwellenzahnrad des Rückwärtsganges drehfest angeordnet ist - kann beim Einspuren keine Ausgleichsbewegung durchführen, d. h., das fluchtende Ausrichten von Zahn auf Zahnlücke beim Verschieben des Zwischenzahnrades um einen Betrag von maximal einer halben Zahnteilung muß über eine Ausgleichsbewegung der Wellen und Räder bis zur Getriebeantriebswelle erfolgen. Da hierbei verschiedene Verdrehwiderstände auftreten können, kommt es im Kundenbetrieb zu Problemen, weil die Kraftspitzen als Komfortmangel bewertet werden, und nicht vollständig eingelegte Gänge beim Anfahren zum Bruch der Verzahnung führen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht im wesentlichen darin, die vorstehend aufgezeigten Probleme beim Schalten des Rückwärtsganges bei einem Zahnräderwechselgetriebe eines Kraftfahrzeuges zu vermeiden.

Ausgehend von einem Zahnrad der eingangs genannten Art ist die erläuterte Aufgabe in vorteilhafter Weise mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird das Rückwärtsgang-Hauptwellenzahnrad drehelastisch ausgeführt, wodurch die Einspurbewegung bzw. -kraft nur noch abhängig von der Verdreh-Kennlinie der Federn beeinflußt wird. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht so aus, daß über einen Kugel-Feder-Mechanismus beide Radteile umfangsmäßig verschoben werden und dann über eine formschlüssige Zahnverbindung, welche mit Umfangsspiel ausgestaltet ist, wegmäßig begrenzt werden. Dadurch wird das übertragbare Drehmoment über diese "Spiel-Verzahnung" geleitet. Beim Schalten des Rückwärtsganges wird dann zur Limitierung der Schaltkraft der Federmechanismus aktiviert. Bei spielbehafteten Getriebelagerungen können bei Schwingungsanregung Geräusche entstehen. Durch den Federmechanismus ist ein Kraftschluß vorhanden, welcher eine Geräuschbildung ausschließt.

Möglich sind auch andere Federanordnungen bzw. -ausführungen wie z. B. Schenkelfedern und Elastomerpuffer.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 oder 5 kann mittels der Federn eine Selbstzentrierung zwischen Zahnkranz und Nabe erreicht werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden anstelle von federnden Rasten Torsionsfedern verwendet. Diese Ausführungsform ist Gegenstand der Ansprüche 7 bis 12.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von zwei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen. In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Zahnräder-Wechselgetriebe, bei dem eine Zahnradstufe für den Rückwärtsgang angedeutet ist, welche ein Hauptwellen-Zahnrad nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform aufweist, wobei der Schnitt in einer die Achsen einer Abtriebswelle und einer Vorgelegewelle enthaltenden Getriebeebene liegt,

Fig. 2 einen weiteren Teilschnitt durch das Zahnräder- Wechselgetriebe von Fig. 1 im Bereich der Zahnradstufe für den Rückwärtsgang in einer Getriebeebene, welche die Drehachsen der Abtriebswelle und eines Zwischenzahnrades der Zahnradstufe für den Rückwärtsgang enthält,

Fig. 3 einen drehachsnormalen Querschnitt durch das Hauptwellen-Zahnrad nach der Erfindung in der ersten Ausführungsform von Fig. 1 nach Linie III-III,

Fig. 4 einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch ein Zahnräderwelchselgetriebe im Bereich der Zahnradstufe für den Rückwärtsgang mit einem Hauptwellen-Zahnrad nach der Erfindung in der zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 einen drehachsnormalen Schnitt durch das Hauptwellen-Zahnrad nach der Erfindung in der zweiten Ausführungsform nach Linie V-V von Fig. 4, und

Fig. 6 eine der drehfedernden Kupplungsvorrichtungen 14 der zweiten Ausführungsform als Einzelheit VI von Fig. 5 in vergrößertem Maßstab.

Unter Bezugnahme zunächst auf die Fig. 1 und 2 sind in einem Getriebegehäuse 35 eines Zahnräderwechselgetriebes eine Abtriebswelle 36, eine Vorgelegewelle 37 und eine Lagerachse 38 für die drehbare und axial verschiebbare Anordnung eines Zwischenzahnrades 19 mit paralleler Anordnung der zugehörigen Drehachsen 23-23 bzw. 39-39 bzw. 40-40 aufgenommen. Während die Getriebewellen 36 und 37 über Wälzlager 41 und 42 drehbar abgestützt sind, ist die Lagerachse 38 bewegungsfest im Getriebegehäuse 35 gehaltert, wobei das Zwischenzahnrad 19 mittels einer bei 43 angedeuteten Schaltvorrichtung zwischen einer mit ausgezogenen Linien gezeichneten antriebslosen Neutralstellung 44 und einer Rückwärtsgang-Stellung 45 betätigbar ist. In der Rückwärtsgang-Stellung 45 stehen ein erster Zahnkranz 46 des Zwischenzahnrades 19 mit einem Zahnkranz 9 eines auf der Abtriebswelle 36 angeordneten Hauptwellen-Zahnrades 7 und ein zweiter Zahnkranz 47 des Zwischenzahnrades 19 mit einem Zahnkranz 48 eines drehfest bzw. einteilig zur Vorgelegewelle 37 angeordneten bzw. ausgebildeten Vorgelegewellen-Zahnrades 20 im jeweiligen Kämmeingriff. In der Neutralstellung 44 befinden sich die genannten Zahnkranz-Paare außer Eingriff.

Das Zahnrad 7 ist so geteilt, daß sein Zahnkranz 9 gegenüber seiner drehfest mit der Abtriebswelle 36 gekuppelten Nabe 10 eine begrenzte Drehbeweglichkeit in Form eines Differenzdrehwinkels 17 je Umfangsrichtung aufweist. Zahnkranz 9 und Nabe 10 sind durch zwei im Kraftfluß parallele Kupplungsvorrichtungen 13 und 15 miteinander verbunden. Die Kupplungsvorrichtung 13 weist eine in einer radialen Bohrung der Nabe 10 aufgenommene Druckfeder 11 und eine sich an der Druckfeder 11 abstützende Rastenkugel 24 auf, die in eine keilförmige Raste am Innenumfang 50 eines Rastenringes 51 eingreift. Der Rastenring 51 ist mittels einer Kerbstift-Verbindung 52 bewegungsfest an der einen Stirnseite eines ringförmigen Steges 18 festgelegt, welcher konzentrisch innerhalb des Zahnkranzes 9 liegt und mit letzterem einteilig ausgebildet ist.

Die zweite Kupplungsvorrichtung 15 zwischen Zahnkranz 9 und Nabe 10 besteht aus einer Klauenkupplung, bei der radial nach innen vorstehende Kupplungsklauen 53 des Steges 18 mit radial nach außen vorstehenden Kupplungsklauen 54 an der Nabe 10 zusammenarbeiten. Die Klauenkupplung 15 ermöglicht dem Zahnkranz 9 in beiden Drehrichtungen gegenüber der Nabe 10 je ein Bewegungsspiel in Form des jeweiligen Differenzdrehwinkels 17.

Dieser Differenzdrehwinkel 17 ist auf die Zahnteilung des Zahnkranzes 9 so abgestimmt, daß die Gesamtdrehbeweglichkeit zwischen Zahnkranz 9 und Nabe 10 höchstens dem Betrag einer Zahnteilung entspricht.

Die beiden Neigungsflächen 21 und 22 der jeweiligen Raste 49 weisen in Umfangsrichtung eine Erstreckung auf, welche etwa dem Bewegungsspiel des Differenzdrehwinkels 17 entspricht. Auf diese Weise üben die Federn 11 stets eine Zentrierwirkung in Drehrichtung auf den Zahnkranz 9 aus, wenn letzterer kraftfrei und um einen beliebigen, innerhalb des Bewegungsspieles möglichen Betrag aus seiner Mittellage gegenüber den Rastenkugeln 24 in Umfangsrichtung ausgelenkt ist.

Das Hauptwellen-Zahnrad 8 nach der Erfindung in der zweiten Ausführungsform der Fig. 4 bis 6 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich durch die Art und Ausgestaltung ihrer federnden Kupplungsvorrichtung 14, welche anstelle der Kugel-Feder-Rastenanordnung 13 bei der ersten Ausführungsform mit Torsionsfedern 12 arbeitet.

Zunächst ist bei der zweiten Ausführungsform 8 in übereinstimmender Weise der Zahnkranz 9 durch die federnde KupplungsVorrichtung 14 und in Parallelanordnung dazu durch die formschlüssige Kupplungsvorrichtung 15 mit einer auf der Abtriebswelle 36 drehfest und axial unverschiebbar sitzenden Nabe 16 verbunden. Wie bei der ersten Ausführungsform wird auch hier die eine Kupplungshälfte der formschlüssigen Kupplungsvorrichtung 15 durch einen zur Drehachse 23-23 zentrischen ringförmigen Steg 18 gebildet, welcher innerhalb des Zahnkranzes 9 liegt und mit letzterem einteilig ausgebildet ist. In den Richtungen der Drehachse 23-23 ist der Steg 18 durch zwei auf der Abtriebswelle 36 festgelegte Anlaufscheiben 55 gegenüber der Nabe 16 fixiert. Die Kupplungsklauen 53 und 54 von Steg 18 und Nabe 16 weisen wiederum in den Umfangsrichtungen ein Bewegungsspiel in Form je eines Differenzdrehwinkels 17 auf.

An zwei diametral gegenüberliegenden Stellen der Kupplungsvorrichtung ist die Klauenverzahnung unterbrochen, um jeweils eine der Kupplungsvorrichtungen 14 unterbringen zu können. Zu diesem Zweck - die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf die in Fig. 6 dargestellte Kupplungsvorrichtung 14, welche mit der zweiten Kupplungsvorrichtung 14 von Fig. 5 identisch ausgebildet ist - weisen der Steg 18 an seinem Innenumfang eine etwa trapezförmige Federaufnahme 27 und die Nabe 16 an ihrem Außenumfang eine V-förmige Federaufnahme 28 für die Halterung einer quasi als eine Torsions-Doppelfeder arbeitenden speziellen Schenkelfeder 12 auf.

Die Schenkelfeder 12 weist zwei V-förmig zueinander angeordnete Federschenkel 29 und 30 auf, deren mittlere Abschnitte 32 bzw. 31 in die Federaufnahme 28 eingesetzt und an ihren den kleineren gegenseitigen Abstand aufweisenden Enden durch einen halbkreisförmigen Scheitelabschnitt 26 miteinander verbunden sind. Die äußeren Schenkelenden 25 der Federschenkel 29 und 30 sind zu ihrer balligen Ausbildung halbkreisförmig umgebogen, wobei die Federschenkel 29 und 30 an je einer Neigungsfläche 21 bzw. 22 der Federaufnahme 27 in den Umfangsrichtungen abgestützt sind.

Bei einer Relativdrehung des Zahnkranzes 9 in der Pfeilrichtung 56 von Fig. 6 gegenüber der Nabe 16 arbeiten der längere Federschenkel 29, der Scheitelabschnitt 26 sowie der gegenüber dem Federschenkel 29 kürzere Schenkelabschnitt 31 als Torsionsfeder, während der andere Federschenkel 30 in Bezug auf sein äußeres Schenkelende 25 wirkungslos bleibt, da die zugehörige Neigungsfläche 22 in Umfangsrichtung wegwandert. Hierbei werden der längere Federschenkel 29 in Richtung der Mittelebene 57-57 der Federaufnahme 28 ausgelenkt, wobei der kürzere Schenkelabschnitt 31 die Abstützfunktion gegenüber der Federaufnahme 28ausübt und der Scheitelabschnitt 26 durch sein Bewegungsspiel 34 gegenüber dem Nutgrund 33 der Federaufnahme 28 auch erforderliche zentripetale Bewegungen des Federschenkels 29 zuläßt.

Bei einer Relativdrehung des Zahnkranzes 9 in dem zur Pfeilrichtung 56 entgegengesetzten Drehsinne gegenüber der Nabe 16 arbeiten der längere Federschenkel 30, der Scheitelabschnitt 26 sowie der gegenüber dem Federschenkel 30 kürzere Schenkelabschnitt 32 als Torsionsfeder, während der andere Federschenkel 29 in Bezug auf sein äußeres Schenkelende 25 wirkungslos bleibt, da die zugehörige Neigungsfläche 21 in Umfangsrichtung wegwandert. Der kürzere Schenkelabschnitt 32 übernimmt hierbei die Abstützfunktion gegenüber der Federaufnahme 28, während der Scheitelabschnitt 26 wiederum aufgrund seines Bewegungsspieles 34 zum Nutgrund 33 auch erforderliche zentripetale Bewegungen des Federschenkels 30 zuläßt.

Wenn die Zahnkräfte am Zahnkranz 9 nach dessen Auslenkung gegen Null gehen, übt der jeweils ausgelenkte Federschenkel 29 bzw. 30 eine die Federaufnahme 27 in die Mittelebene 57-57 zurückstellende Zentrierwirkung aus.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung an einem Zahnrad zur Übertragung von Zahnkräften, bei der ein Zahnkranz sowohl durch eine mit Federn arbeitende Kupplungsvorrichtung für niedrigere Zahnkräfte als auch durch eine im Kraftfluß parallele Kupplungsvorrichtung für höhere Zahnkräfte mit einer Nabe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsvorrichtung (15) für höhere Zahnkräfte formschlüssig ist und eine begrenzte Drehbeweglichkeit (Differenzdrehwinkel 17) zwischen ihren Kupplungshälften (Steg 18 und Nabe 10 bzw. 16) aufweist, deren Betrag höchstens der Zahnteilung der Verzahnung des Zahnkranzes (9) entspricht.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Zahnräder-Wechselgetrieben.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (7 bzw. 8) mit einem axial verschiebbaren Zwischenzahnrad (19) einer Zahnräderstufe (7 bzw. 8, 19, 20) zur Bildung einer Rückwärtsgang-Übersetzung zusammenarbeitet.
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer Kupplungshälfte (Steg 18) der mit Federn (11 bzw. 12) arbeitenden Kupplungsvorrichtung (13 bzw. 14) vorgesehene Rückstellflächen (Neigungsfläche 21 bzw. 22) in den Drehrichtungen so auf das Maß der Drehbeweglichkeit (Differenzdrehwinkel 17) abgestimmt sind, daß bei Kraftentlastung des Zahnkranzes (9) eine Selbstzentrierung in Drehrichtung zwischen Zahnkranz (9) und Nabe (10 bzw. 16) aus den Federkräften resultiert.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellflächen (Neigungsflächen 21 und 22) an der mit dem Zahnkranz (9) verbundenen Kupplungshälfte (Steg 18) angeordnet sind.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (11) jeweils im wesentlichen radial zur Radachse (23-23) und auf einen Rastenkörper (Kugel 24) mit sphärischen Eingriffsflächen wirken und die Rückstellflächen in Form von Neigungsflächen (21 und 22) mit den sphärischen Eingriffsflächen (Kugel 24) in Kontakt stehen.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn in bezug auf die Radachse (23-23) als Torsionsfedern (12) ausgebildet und mit ihren Federenden (Schenkelende 25 bzw. Scheitel 26) in je einer korrespondierenden Federaufnahme (27 bzw. 28) an den Kupplungshälften (Steg 18 und Nabe 16) abgestützt sind und an wenigstens einer der beiden Federaufnahmen (27 und 28) unmittelbar mit der Feder (12) zusammenarbeitende Rückstellflächen (Neigungsflächen 21 und 22) vorgesehen sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Drehrichtungen wenigstens je eine Torsionsfeder (Federschenkel 29 bzw. 30) verwendet ist.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsfeder als Schenkelfeder (12) mit zwei ungleich langen Federschenkeln (29 und 31 bzw. 30 und 32) ausgebildet ist, daß die beiden durch einen Scheitel (26) verbundenen Schenkelabschnitte (31 und 32) in der Aufnahme (28) der einen Kupplungshälfte (Nabe 16) und das zum Scheitel (26) entgegengesetzte Schenkelende (25) des längeren Federschenkels (29 bzw. 30) in der Aufnahme (27) der anderen Kupplungshälfte (Steg 18) abgestützt ist.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Scheitel (26) entgegengesetzte Schenkelende (25) des längeren Federschenkels (29 bzw. 30) ballig und die korrespondierende Rückstellfläche als Neigungsfläche (21 bzw. 22) ausgebildet ist.
  11. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsfeder (12) mit ihren Federenden (25 u. 26) radial zur Radachse (23-23) angeordnet und das eine Federende (25) in bezug auf seine Drehfederung symmetrisch für beide Drehrichtungen ausgebildet und die korrespondierende Aufnahme (27) Rückstellflächen (Neigungsflächen 21 und 22) für beide Drehrichtungen aufweist.
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkelfeder (12) mit gleichlangen und V-förmig angeordneten Federschenkeln (29 und 30) ausgebildet ist und der dem Scheitel (26) gegenüberliegende Abschnitt (33) der die Federschenkel (29 und 30) abstützenden Aufnahme (28) ein bestimmtes Spiel (34) relativ zum Scheitel (26) aufweist.






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