Die Erfindung betrifft einen Wellenschalter zur drehschlüssigen Koppelung zweier koaxial zueinander angeordneter Wellenteile und ein Getriebe mit einem derartigen Wellenschalter.

Wellenschalter zur Verbindung zweier koaxial zueinander angeordneter Wellenteile sind seit langem beispielsweise aus der DE 1 303437 A bekannt. In derartigen vorzugsweise zur Schaltung von einzelnen Gängen eines Schaltgetriebes verwendeten Vorrichtungen ist ein Wellenteil in Form eines mit einer Welle verbundenen Festrades ausgebildet und ein Wellenteil in Form eines Losrades verdrehbar auf der Welle angeordnet. Durch axiales Verschieben einer drehfest mit dem Festrad verbundenen Schiebehülse wird das Losrad drehschlüssig unter Ausbildung einer Verzahnung zur Schiebehülse mit dem Festrad und damit mit der Welle verbunden. Zur Synchronisierung der Verzahnungen von Schiebehülse und Losrad wird eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen. Ein derartiger Aufbau erfordert insbesondere wegen der ausladenden Synchronisationseinrichtung einen großen axialen Bauraum.

Weiterhin ist aus der DE 101 58 608 A1 ein Wellenschalter zur drehschlüssigen Verbindung von zwei koaxial zueinander angeordneten Wellenteilen bekannt, in dem auf einem konischen Ansatz eines Wellenteils zylindrische Rollen über den Umfang verteilt sind, wobei das andere Wellenteil einen zu dem konischen Ansatz komplementären Innenkonus aufweist, so dass bei einer axialen Beabstandung der beiden Wellenteile infolge des sich verringernden Abstandes von konischem Ansatz und Innenkonus die beiden Wellenteile mittels der Rollen verklemmt werden. Die Rollen werden dabei durch eine polygonale Ausgestaltung des Innenkonus über den Umfang positioniert. Die Rollen positionieren sich dabei beim Umschalten des Wellenschalters vom Freilauf in die drehschlüssige, im Wesentlichen starre Verbindung der Wellenteile an den Ecken des Polygons. Die Herstellung eines Innenkonus ist relativ aufwendig und kann nicht auf typischen Maschinen zur Herstellung von Wellenteilen mit Verzahnungen erfolgen.

Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Wellenschalter vorzuschlagen, der axial schmal baut und einfach, vorzugsweise mit Maschinen zur Herstellung von Wellenteilen herstellbar ist. Weiterhin soll ein Getriebe mit zumindest einem derartigen Wellenschalter vorgeschlagen werden.

Die Erfindung wird durch einen Wellenschalter zur drehschlüssigen Verbindung zweier zueinander um eine gemeinsame Drehachse angeordneter und gegeneinander verdrehbarer Wellenteile gelöst, wobei ein erstes Wellenteil eine Außenverzahnung aufweist und ein zweites Wellenteil einen axial verlagerbaren, die Außenverzahnung radial und koaxial übergreifenden Klemmkegel aufweist und in Zahnlücken der Außenverzahnung Rollen unter Bildung eines zu einem Kegelprofil des Klemmkegels entgegengesetzten Kegelprofils aufgenommen sind. Dabei kann die Außenverzahnung kegelförmig sein, wobei in deren Zahnlücken zylinderförmige Rollen, beispielsweise Nadeln, zur Erzielung des Kegelprofils eingelegt werden. Alternativ kann die Außenverzahnung eine beispielsweise als geradlinig oder schrägverzahnt ausgebildete zylindrische Verzahnung sein, wobei zur Erzielung des Kegelprofils Kegelrollen in deren Zahnlücken eingelegt werden. Durch die Aufnahme der Rollen in einer mittels herkömmlicher Maschinen hergestellten Außenverzahnung werden die Rollen über den Umfang exakt positioniert. Dabei kann abhängig vom erwünschten Klemmmoment in jeder Zahnlücke eine Rolle eingelegt sein. Aus Gründen der Kosten- und Gewichtsersparnis können auch weniger, vorzugsweise gleichmäßig über die Zahnlücken verteilte Rollen vorgesehen werden. Die Herstellung des Klemmkegels mit dem im Wesentlichen über den Umfang betrachtet kreisrunden Kegelprofil kann in vorteilhafter weise mittels eines Metallumformverfahrens erfolgen.

Bei einer axialen Verlagerung von Außenverzahnung oder Klemmkegel entsteht durch die einander entgegen gerichteten Kegelprofile von Klemmkegel und Rollen zuerst unter Aufbrauch des Radialspiels zwischen Klemmkegel und Rollen ein Reib- schluss im Sinne eines Freilaufs, der bei weiterer axialer Verlagerung zu einem Klemmen von Außenverzahnung und Klemmkegel unter Zwischenlegung der Rollen führt, wobei sich die in den Zahnlücken untergebrachten Rollen in Umfangsrichtung an den Zahnflanken der Außenverzahnung abstützen, so dass ein über beide Wellenteile zu übertragendes Moment lediglich zwischen den Rollen und dem Klemmkegel mittels eines Reibschlusses abgestützt werden muss. Die Schaltung des Wellenschalters zum drehschlüssigen Trennen und Verbinden der beiden Wellenteile erfolgt durch Bildung und Aufhebung eines Reibschlusses zwischen dem Klemmkegel und den Rollen durch relative axiale Verlagerung von Klemmkegel oder Außenverzahnung.

Je nach Ausführungsform kann die axiale Verlagerung des Klemmkegels gegenüber der Außenverzahnung auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Klemmkegel drehfest und axial begrenzt verlagerbar auf dem zweiten Wellenteil aufgenommen sein, wobei beide Wellenteile axial fest zueinander angeordnet sind. Hierzu kann der Klemmkegel mittels eines radialen Flanschteils mit einem Außenprofil wie Außenverzahnung mit dem Wellenteil drehfest und axial verlagerbar verbunden sein. Das Wellenteil kann eine Welle, ein auf einer Welle aufgenommenes Losrad oder eine mit einem entsprechenden Außenprofil versehene Welle direkt sein. Dabei weist der Klemmkegel bevorzugt ein Eingriffsprofil, beispielsweise eine Ringnut oder dergleichen auf, in die ein Betätigungsmechanismus zur axialen Verlagerung des Klemmkegels eingreifen kann, beispielsweise eine vom Fahrer oder automatisiert betätigte Schaltgabel. Die beiden Wellenteile sind dabei axial aufeinander fixiert, beispielsweise gegeneinander axial fest und verdrehbar gegeneinander gelagert. An den Lagerstellen der Wellenteile zueinander oder zu einem Gehäuse können zur Verminderung von Bohrreibung Anlaufscheiben oder Axiallager wie Nadellager vorgesehen sein. Alternativ kann bei fest auf dem Wellenteil angeordnetem Klemmkegel die Außenverzahnung, beispielsweise ein auf dem Wellenteil axial verschiebbares Zahnrad mit Außenverzahnung vorgesehen sein, das durch entspre- chende - wie zuvor beschriebene Mittel - axial verlagert wird, um den Wellenschalter zu betätigen. Die vorgeschlagene Ausführungsform eignet sich insbesondere für Anordnungen in Zahnräderwechselgetrieben zur Schaltung von Gängen, Parkpositionen, zur Zuschaltung von Zusatzgetrieben, Elektromaschinen in hybridischen Antrieben, zur Umschaltung der Anzahl der angetriebenen Achsen und dergleichen, indem mittels des Wellenschalters ein Losrad drehfest mit einem auf einer Welle angeordneten Festrad oder einer mit einer Welle drehfest verbundenen Komponente verbunden wird. Insbesondere können ein Wellenteil drehfest und das andere Wellenteil verdrehbar auf einer gemeinsamen Welle aufgenommen sein und mittels des Wellenschalters miteinander drehschlüssig verbunden werden.

In einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, den Klemmkegel und/oder die Außenverzahnung jeweils fest auf einem Wellenteil aufzunehmen und zur Schaltung des Wellenschalters die Wellenteile gegeneinander zu beabstanden, wobei in vorteilhafter Weise eines der Wellenteile axial fest positioniert und das andere zu diesem axial verlagert wird, beispielsweise mittels einer vom Fahrer oder automatisiert betätigten Schaltgabel. Unter Wellenteilen können in dieser Alternative beispielsweise Wellen, Los- und Festräder und dergleichen verstanden werden. In besonders gelagerten Fällen können auch beide Wellenteile axial verlagerbar zueinander angeordnet sein und zur Schaltung des Wellenschalters gegeneinander, beispielsweise gleichförmig mittels eines Nockens, verlagert werden. Es versteht sich, dass alle Verlagerungen des Klemmkegels gegenüber der Außenverzahnung entgegen der Wirkung eines axial wirksamen Energiespeichers erfolgen können, so dass die Bildung oder bevorzugt die Trennung des Reibschlusses der beiden Wellenteile selbstständig erfolgt und der Wellenschalter nur in eine Richtung geschaltet werden muss. Diese vorgeschlagene Alternative eignet sich insbesondere zur endseitigen Verbindung von koaxialen Wellen, beispielsweise zur Zuschaltung eines Retarders.

Die Schaltung des Wellenschalters in den reibschlüssigen Schaltzustand, in dem die beiden Wellenteile drehschlüssig miteinander verbunden sind, kann durch eine ge- zogene oder gedrückte Axialbewegung erfolgen, wobei bei einer gezogenen Axialbewegung der Klemmkegel und die Außenverzahnung axial zueinander beabstandet werden und bei einer gedrückten Bewegung einander angenähert werden, um einen Drehschluss der Wellenteile zu erzielen. Da der Klemmkegel jeweils in Bewegungsrichtung zur Erzielung des Reibschlusses verengt ist, erweitert sich der Klemmkegel bei der gedrückten Version zu seinem axialen freien Ende hin, in die die Außenverzahnung mit den Rollen eingeführt wird, während sich der Klemmkegel bei der gezogenen Version zu seinem freien axialen Ende hin verengt. Eine Montage der gezogenen Version erfolgt dabei durch nachträgliches Verbinden des konischen Klemmflansches mit dem sich radial erstreckenden Flanschteil, das mit dem Wellenteil drehfest verbunden ist.

Es hat sich insbesondere aus Gründen einer Verringerung des Fertigungsaufwandes als vorteilhaft gezeigt, wenn die Außenverzahnung als Teil einer axial verlängerten Laufverzahnung einer Gangradpaarung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine separate Herstellung der Außenverzahnung entfallen und diese direkt mit der Laufverzahnung in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Verglichen mit herkömmlichen Schaltkupplungen mit Synchronisationseinrichtung, wie sie beispielsweise in der im Stand der Technik zitierten Auslegeschrift offenbart werden, kann dabei der gesamte Schaltmechanismus in Form des vorgeschlagenen Wellenschalters auf dem axialen Bauraum der Synchronisationseinrichtung untergebracht werden, so dass erheblich weniger axialer Bauraum beansprucht wird und das Getriebe axial kürzer bauen kann.

Hierzu kann ein Ausführungsbeispiel eines Wellenschalters als sogenannte Schaltkupplung zur wechselseitigen Schaltung von zwei axial benachbarten Gangradpaarungen mit jeweils einem mit einer Welle mittels des Wellenschalters verbindbaren Losrads und einem mit diesem kämmenenden, auf einer zu dieser Welle parallel angeordneten Welle als Festrad angeordneten Zahnrads eines Schaltgetriebes vorgesehen werden. Hierzu sind nach dem erfinderischen Gedanken zwei zueinander axi- al beabstandete erste Wellenteile wie auf einer ersten Welle verdrehbar angeordnete Losräder jeweils einer Gangradpaarung vorgesehen, die verdrehbar auf dem zweiten Wellenteil aufgenommen sind, wobei jedes der ersten Wellenteile eine Außenverzahnung mit Klemmkörpern aufweist und an dem zweiten Wellenteil, beispielsweise einem auf der ersten Welle angeordneten Flanschteil jeweils ein Klemmkegel für die beiden Außenverzahnungen vorgesehen ist. Die beiden Klemmkegel sind dabei in vorteilhafter Weise miteinander fest verbunden, beispielsweise verschweißt oder einteilig hergestellt, und gegenüber dem zweiten Wellenteil axial begrenzt verlagerbar und weisen ein übliches Mittel zur Bildung eines Formschlusses mit einem Mittel, beispielsweise einer Schaltgabel, zur axialen Verlagerung des Klemmkegels entsprechend einer Schiebhülse auf. Bei Verwendung derartiger axial schmal bauender Wellenschalter wie Schaltkupplungen kann ein besonders schmal bauendes Zahnräderwechselgetriebe vorgeschlagen werden.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Getriebe gelöst, das zumindest ein auf einer Welle verdrehbares Losrad aufweist, das von einem Wellenschalter nach dem erfinderischen Gedanken verbindbar mit der Welle ist. Ein derartiges Getriebe kann beispielsweise mehrere auf zwei parallel zueinander angeordneten Wellen angeordnete Gangradpaarungen aufweisen, wobei eines der beiden die Gangradpaarung bildenden Gangräder ein Losrad ist, das nach dem erfinderischen Gedanken durch den Wellenschalter mit der Welle verbindbar ist, so dass zur Einstellung unterschiedlicher Übersetzungen des Getriebes jeweils ein Losrad einer Gangradpaarung von dem entsprechenden Wellenschalter geschaltet, das heißt, mit der Welle verbunden wird. Dabei kann ein Wellenschalter mit jeweils zwei Klemmkegeln durch entsprechende axiale Verlagerung wechselweise zwei Losräder zweier Gangradpaarungen schalten. Weiterhin können durch einen erfindungsgemäßen Wellenschalter zusätzliche Komponenten des Getriebes, beispielsweise eine Parksperre, einen Mehrachsantrieb, einen Nebenabtrieb, Retarder oder dergleichen schalten. Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diese zeigen jeweils einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wellenschalter.

Figur 1 zeigt den Wellenschalter 1 , der die beiden Wellenteile 2, 3 miteinander verbindet, in Teilschnitt um die Drehachse D. Dabei ist das Wellenteil 2 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Losrad 4 gebildet, das mittels einer Lagerung, beispielsweise in Form der dargestellten Nadellager 5 verdrehbar auf der Welle 6, die axial fest zwischen der Scheibe 7 und einem nicht dargestellten Axiallager in einem Gehäuse, beispielsweise einem Getriebegehäuse, verdrehbar aufgenommen ist. Die beiden Nadellager 5 sind jeweils durch die Scheiben 8, 9 positioniert, wobei die Scheibe 9 in Verbindung mit der Schmiernut 10 der Welle 6 die Schmierung der Nadellager 5 gewährleistet. Das Losrad 4 weist eine beispielsweise als Evolventenverzahnung ausgebildete Außenverzahnung 11 auf, die zur Bildung einer Gangradpaarung mit einer Verzahnung eines nicht dargestellten, parallel zur Welle gelagerten Gangrads kämmt. Die Außenverzahnung 11 ist gegenüber dem zur Bildung der Gangradpaarung notwendigen Bauraums axial verlängert, so dass in deren Zahnlücken 12 Kegelrollen 13 aufgenommen sind, die mittels des Sicherungsrings 14 axial gesichert sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Außenverzahnung 11 als Längsverzahnung ausgestaltet, in weiteren Ausführungsbeispielen kann die Außenverzahnung 11 auch als Schrägverzahnung ausgeführt sein.

Radial außerhalb der Außenverzahnung 11 übergreift der Klemmkegel 15 die Kegelrollen 13. Der Klemmkegel 15 weist ein zu dem Kegelprofil 16 der Kegelrollen 13 komplementäres Kegelprofil 17 an dessen Innenumfang auf. Die dargestellten Kegelprofile 16, 17 sind zur Verdeutlichung der Funktion nicht maßstabsgetreu dargestellt und können in einer konstruktiven Ausführung andere, beispielsweise kleinere Steigungen aufweisen. Im nicht geschalteten Zustand des Wellenschalters 1 ist dabei zwischen den Kegelprofilen 16, 17 ein Radialspalt 18 vorgesehen. Der Klemmkegel 15 wird zur Bildung eines Reibeingriffs mit den Kegelrollen 13 entgegen deren Steigung gezogen, indem dieser von dem Wellenteil 2, also vom Losrad 4, axial beabstandet wird. Hierzu kann der Klemmkegel 15 mit einem Eingriffsprofil 19, beispielsweise einer Ringnut, versehen sein, in die ein nicht dargestelltes Betätigungsmittel, beispielsweise eine Schaltgabel, eingreift. Das Losrad 4 ist dabei axial fest zwischen der Scheibe 7 und dem zweiten Wellenteil 3 aufgenommen. Zur Montage des die Kegelrollen 13 hinterschneidenden Klemmkegels 15 ist dieser zweiteilig aus dem Aufsatz 20 und dem Flanschteil 21 gebildet. Das sich radial erstreckende Flanschteil 21 ist axial verlagerbar und drehfest mittels einer Verzahnung 22 oder einer Keilverzahnung auf dem Wellenteil 3 aufgenommen und zentriert. Aufsatz 20 und Flanschteil 21 sind miteinander fest verbunden, beispielsweise verschweißt, aufeinander aufgeschrumpft oder verpresst.

Das Wellenteil 3 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem Innenring 23 gebildet, der mit der Welle 6 drehfest verbunden ist, beispielsweise in Form einer Verzahnung oder Keilwellenverbindung. Der die Verzahnung 22 zum Flanschteil 21 bildende Innenring kann auch fest mit der Welle 6 verbunden sein. Der Innenring 23 bildet als Wellenteil 3 insoweit die drehschlüssige Anbindung des Wellenteils 3 an die Welle 6, so dass der Wellenschalter 1 das als Wellenteil 2 ausgebildete Losrad 4 an die Welle 6 koppelt. Es versteht sich, dass die Wellenteile 2, 3 des Wellenschalters 1 auch in anderer Weise ausgebildet sein können, wobei das erfinderische Merkmal einer einem Wellenteil zugeordneten Außenverzahnung mit eingelegten Rollen und der dem anderen Wellenteil zugeordnete Klemmkegel, die einen axial schaltenden Freilauf bilden, allen Ausführungsformen gemeinsam ist.

Auf der Welle 6 können weitere drehfest oder verdrehbar angeordnete Gangräder angeordnet sein, wobei die verdrehbar angeordneten Gangräder wie Losräder durch entsprechende Wellenschalter mit der Welle 6 verbindbar ausgestaltet sein können und das beispielsweise gezeigte Gangrad 24 mit der Außenverzahnung 25 mittels einer Innenverzahnung oder Keilwellenverbindung drehfest mit der Welle 6 verbun- den ist. Die axiale Fixierung des Wellenteils 3 wie Innenring 23 erfolgt zwischen dem bereits axial fest aufgenommenen Gangrad 24 und der Scheibe 26.

Der Wellenschalter 1 baut gegenüber einer Schaltkupplung mit Synchronisationseinrichtung axial schmaler. Zum Vergleich der axialen Bauraumersparnis ist der vorgeschlagene Wellenschalter 1 in den für eine Schaltkupplung erforderlichen Bauraum eingeblendet. Der Abstand A gibt hierzu die axiale Bauraumersparnis des Wellenschalters 1 gegenüber einer herkömmlichen Schaltkupplung wieder. Es versteht sich, dass in bauraumoptimierten Wellenschaltern der Abstand A entsprechend eliminiert werden kann.

Figur 2 zeigt einen gegenüber dem Wellenschalter 1 der Figur 1 abgeänderten Wellenschalter 1a. Durch die in axialer Richtung umgekehrt angeordneten Kegelprofile 16a der Kegelrollen 13a und dem entsprechend umgekehrten Kegelprofil 17a des Klemmkegels 15a wird der Wellenschalter 1a durch eine Verkürzung des Abstands zwischen der Außenverzahnung 11 und dem Klemmkegel 15a geschlossen, das heißt, das Wellenteil 2 in Form des Losrads 4 mit dem Wellenteil 3 und damit der Welle 6 drehschlüssig verbunden. Infolge der nicht hinterschneidenden Anordnung von Klemmkegel 15a und Kegelrollen 13a kann der Klemmkegel 15a einteilig ausgebildet werden. Der Klemmkegel 15a wird entsprechend dem Klemmkegel 15 der Figur 1 über das Eingriffsprofil 19 axial auf dem Innenring 23 verlagert.

Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmalskombinationen zu beanspruchen.

In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbstän- digen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombination der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

Da die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält sich die Anmelderin vor, sie zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen, in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen beziehungsweise Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten beziehungsweise Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.