Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Synchronisier- und Schaltein- richtung für Stufenwechselgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Synchronisierung der Drehzahl von zu verbindenden Bau¬ teilen, z.B. eines Gangrades und einer Getriebewelle werden Reibkonussynchronisierungen verwendet (Lechner, G., Naunhei- mer, H.:Fahrzeuggetriebe. Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion, Springer Verlag, Berlin Heidelberg, New York, 1994). Weiterhin ist eine Anordnung bekannt (DE 199 50 679 Al), bei der die Synchronisierung mittels eines Elektromo- tors vorgenommen wird. Dem Elektromotor ist eine Umschalt¬ vorrichtung zugeordnet, mittels der der Hilfsantrieb mit je¬ der Getriebeeingangswelle einzeln koppelbar ist.

Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, dass das Schalten der Gänge durch Klauenkupplungen erfolgt, die durch außen liegende mechanische Betätigungen geschlossen werden. Die außen liegende Mechanik zur Betätigung der ein¬ zelnen Klauenkupplungen erfordert einen hohen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem schaltba¬ ren, synchronisierbaren Stufenwechselgetriebe die außen lie¬ gende Mechanik zur Betätigung der Schalteinrichtung zu ver¬ meiden.

Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Bei einer Synchronisier- und Schalteinrichtung für Stufen¬ wechselgetriebe mit mindestens einer Getriebewelle und mit mindestens einem Gangrad ist erfindungsgemäß für die Syn- chronisierung eine elektromagnetische Synchronisiereinrich¬ tung vorgesehen und für das Schalten mindestens ein elekt¬ risch betätigbares Schaltstück vorgesehen ist, das die Ge¬ triebewelle mit dem Gangrad formschlüssig verbindet.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass durch den Verzicht auf außen liegende Betätigungselemente keine auf¬ wendige Hydraulik oder Pneumatik notwendig ist. Es werden kurzbauende Fahrzeuggetriebe ermöglicht, wodurch es zur Ge¬ wichts- und Kostenreduzierung kommt. Weiterhin ist dieses Getriebe im Betrieb verschleißarm. Diese erfindungsgemäße Synchronisier- und Schalteinrichtung eignet sich besonders für die Verwendung in Doppel- oder Mehrkupplungsgetrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine elektromagne- tische Anordnung vorgesehen, mittels der sowohl synchroni¬ siert als auch geschaltet wird. Dadurch, dass das Synchroni¬ sieren und Schalten mit derselben elektromagnetischen Anord¬ nung erfolgt, werden Gewicht und Kosten noch weiter redu¬ ziert.

Die elektromagnetische Anordnung, mit der sowohl synchroni¬ siert als auch geschaltet wird, kann so aufgebaut sein, dass dem Gangrad ein auf der Getriebewelle angeordneter Kupp¬ lungskörper zugeordnet ist und dass dem Gangrad und dem Kupplungskörper ein weichmagnetischer Stator mit mindestens einer Erregerwicklung zugeordnet ist. Das Gangrad und der Kupplungskörper bestehen mindestens im Bereich des Stators aus weichmagnetischem Material. Im Kupplungskörper ist min¬ destens ein permanentmagnetisches Schaltstück vorgesehen, dem im Gangrad Mittel zur Erzielung der formschlüssigen Verbindung mit dem Kupplungskörper durch das Schaltstück zugeordnet sind.

In einer ersten Ausführungsform weisen das Gangrad und der Kupplungskörper mindestens je eine gegenüberliegende Vertie¬ fung für die Aufnahme eines permanentmagnetischen Schaltstü- ckes auf, wobei zwei der Baugruppen Stator, Gangrad, Kupp¬ lungskörper mit gegenüberliegenden Zähnen versehen sind.

Das Grundprinzip dieser neuartigen Schaltung beruht darauf, die Bauteile Gangrad, Stator und Kupplungskörper magnetisch zu durchfluten und damit eine nach dem Reluktanzprinzip ar¬ beitende elektrische Maschine aufzubauen.

Die Baugruppen Stator, Gangrad und Kupplungskörper werden für das Synchronisieren magnetisch richtungsmäßig so durch- flutet, dass die Schaltstücke in der Vertiefung gehalten werden und nach Abschluss des Synchronisiervorganges wird durch Umdrehung der Stromrichtung in der Erregerwicklung die Richtung des Magnetfeldes geändert, so dass die Schalt¬ stücke in die Vertiefung im Gangrad hineingezogen werden und somit sowohl in den Kupplungskörper als auch in das Gangrad eingreifen. Dadurch wird eine formschlüssige Ver¬ bindung zwischen dem Kupplungskörper und dem Gangrad er¬ reicht.

Diese drei Baugruppen Stator, Gangrad und Kupplungskörper vereinen also sowohl die Funktion des Synchronisierens der Getriebewelle und des Gangrades als auch die formschlüssige Verbindung von Getriebewelle und Gangrad, d.h. das Schalten.

Die Schaltstücke sind vorzugsweise stift- oder bolzenförmig ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann in mehreren Varianten realisiert werden. In einer ersten Variante ist der Stator auf der Kupplungskörperseite mehrpolig und im Bereich des Gangrades glatt, wobei auch das Gangrad an dieser Stelle glatt ist, während der Kupplungskörper auf seinem Umfang Zähne aufweist, die den zahnartigen Polen des Stators gege¬ nüberliegen, wobei die Polteilung des Stators und die Zahn¬ teilung des Kupplungskörpers unterschiedlich ist. Der bei dieser Anordnung gebildete magnetische Kreis entspricht dem eines geschalteten Reluktanzmotors, wobei der Kupplungskör¬ per dem normalen Rotor entspricht. Die Zahnteilung von Sta¬ tor und Kupplungskörper muss unterschiedlich sein, um in je¬ der Lage der Getriebewelle ein Moment erzeugen zu können. Der Stator weist bei dieser Variante mehrere Pole auf.

Bei einer zweiten Variante ist der Stator gegenüber dem Gangrad und dem Kupplungskörper glatt ausgebildet, während das Gangrad und der Kupplungskörper sich gegenüberliegende Zähne aufweisen. Die Zähne sind vorzugsweise seitlich am Kupplungskörper und am Gangrad angeordnet. Bei dieser Vari¬ ante kann auch eine gleich große Zahnteilung gewählt werden Damit wird aus dem Reluktanzmotor eine Reluktanzkupplung. Bei dieser ist ein einpoliger Stator ausreichend.

Zur Synchronisation werden bei allen Varianten die Wicklun¬ gen des Stators so bestromt, dass die wirkenden Umfangskräf- te den Gleichlauf herstellen. Die Stellung des Statorstromes und die Umschaltung zwischen den einzelnen Statorpolen er¬ folgt durch eine an sich bekannte Ansteuerung einer Leis¬ tungselektronik mittels einer Regelungs- und Steuerungsein- heit. Für die Berechnung der Ansteuersignale werden je nach Steuermethode verschiedene Prozessgrößen gemessen. Aus den gemessenen Prozessgrößen werden über ein Modell die Stell¬ größen für die Bestromung der Statorwicklung ermittelt.

Die oben beschriebene Synchronisation führt zu einem magne¬ tischen Fluss durch Gangrad und Kupplungskörper, bei dem die Feldrichtung zu einer Kraftwirkung auf die Schaltstücke führt, die diese während des Synchronisiervorganges im Kupp¬ lungskörper hält. Soll der Schaltvorgang ausgeführt werden, wird die Stromrichtung in der Erregerwicklung des Stators umgekehrt. Damit erfolgt eine Umkehrung der Richtung des magnetischen Flusses. Die Kraftwirkung auf die permanentmag¬ netischen Schaltstücke kehrt sich darauf ebenfalls um und infolge dieser Kraft stellen die Schaltstücke die form- schlüssige Verbindung zwischen dem Gangrad und dem Kupp¬ lungskörper her. Damit ist der Schaltvorgang abgeschlossen.

Zur Reduzierung der von den permanentmagnetischen Schaltstü¬ cken in ihren Endlagen ausgehenden Haltekräfte können Teile des Kupplungskörpers und/oder des Gangrades aus para- oder diamagnetischem Material bestehen, wobei insbesondere die Endanschläge für die Schaltstücke aus para- oder diamagneti¬ schem Material bestehen.

Um die Schaltstücke bei einem Ausfall der Elektrik in einem sicheren Zustand zu halten, können an den Vertiefungen für die Schaltstücke Rastierungen vorgesehen sein, denen Ausneh- mungen in den Schaltstücken zugeordnet sind. In diese Aus¬ nehmungen können Rastierungen beispielsweise unter Feder¬ druck eingreifen. Dabei sind die Ausnehmungen vorzugsweise muldenförmig ausgebildet, um das leichte Ausrasten durch die an den Schaltstücken wirkenden magnetischen Kräfte zu ermög¬ lichen.

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Schaltstücke ist es zweckmäßig, dass die Schaltstücke mit einer Umhüllung aus mechanisch festerem Material versehen sind, als es das permanentmagnetische Material der Schaltstücke ist. In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist vorgese¬ hen, dass die Umhüllung aus einer Hülse besteht, in der meh¬ rere einzelne Permanentmagnete angeordnet sind

Um bei Verwendung mehrerer Schaltstücke ein synchrones Schalten aller Schaltstücke zu erzielen, ist es zweckmäßig, dass diese mechanisch miteinander verbunden sind, indem die Schaltstücke beispielsweise durch mindestens einen Haltering miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise ist der Haltering im Kupplungskörper form¬ schlüssig gleitend gelagert.

In einer Ausführungsform ist der Haltering auf der dem Gang¬ rad zugeordneten Seite vorgesehen und weist auf dieser Seite eine Kupplungsverzahnung auf, die mit einer im Gangrad ein¬ gebrachten Gegenverzahnung beim Schalten formschlüssig ver¬ bindbar ist. In Abänderung dieser Ausführungsform kann auf der Getriebewelle eine ringförmige permanentmagnetische Schiebemuffe mit Verzahnung angeordnet sein, die mit einer im Gangrad eingebrachten Gegenverzahnung beim Schalten form- schlüssig verbindbar ist. Diese Schiebemuffe gleitet wie der Haltering beim Schalten in Richtung Gangrad und beim Lösen der Verbindung in Richtung Kupplungskörper. Bei diesen Aus¬ führungsformen sind die Vertiefungen im Gangrad und im Kupp- lungskörper und diesen zugeordnete verschiebbare bolzenför- mige Schaltstücke durch eine feststehende und eine zugeord¬ nete verschiebbare Verzahnung ersetzt worden.

Zur Dämpfung der Bewegung der Schaltstücke ist es zweckmä- ßig, dass die Vertiefungen für die Schaltstücke als Luft¬ oder Flüssigkeitsdämpfer ausgeführt sind. Dabei sind Ausfüh¬ rungen mit oder ohne Drosselbohrungen möglich. Die Dämpfung wird durch die Wahl einer entsprechenden Toleranz zwischen dem Schaltstück und der Vertiefung erzielt, wie sie bei ei- ner entsprechenden Kolben-Zylinderanordnung üblich ist.

Das Gangrad kann statt aus einem massiven Teil aus mindes¬ tens zwei Teilen bestehen, wobei der verzahnte Teil aus ei¬ nem Zahnradwerkstoff und der im magnetischen Kreis liegende Teil aus einem weichmagnetischen Werkstoff besteht. Alle Teile können durch Fügetechniken, z.B. Schweißen oder Ein¬ pressen miteinander verbunden werden.

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert werden, Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Variante einer aus Stator, Gangrad und Kupplungskörper bestehenden Schaltstufe;

Fig. Ia die Einzelheit E der Fig. 1; Fig. 2 eine zweite Variante einer aus Stator, Gangrad und Kupplungskörper bestehenden Schaltstufe;

Fig. 3 die erste Variante nach Fig. 1 nach Durchführung der Schaltung;

Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der beim Gangrad und beim Kupplungskörper für die im magnetischen Kreis lie¬ genden Teile weichmagnetische Materialien und für den Rest verzahnungstypische Werkstoffe verwendet werden;

Fig. 5 eine Ausführungsform mit einem stirnverzahnten Hal¬ tering und entsprechender Verzahnung am Gangrad.

Die Fig. 1 zeigt eine Getriebewelle 1 mit einer Hauptkupp¬ lung, von der nur die Kupplungsscheibe 2 dargestellt ist. Auf der Getriebewelle 1 ist ein Kupplungskörper 3 befestigt, in dem Bohrungen 4 als Vertiefungen für die Aufnahme von Schaltstücken in Form von permanentmagnetischen Schaltstif¬ ten 5 vorgesehen sind. An seinem Umfang weist der Kupplungs¬ körper 3 Zähne 6 auf.

Dem Kupplungskörper 3 ist ein lose auf der Getriebewelle sitzendes Gangrad 7 zugeordnet, in dem Bohrungen 8 vorgese¬ hen sind, die den Bohrungen 4 gegenüberliegen und die für die Aufnahme der Schaltstifte 5 bestimmt sind. Dem Kupp¬ lungskörper 3 und dem Gangrad 7 ist ein weichmagnetischer Stator 9 mit einer Erregerwicklung 10 zugeordnet.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten ersten Variante sind der Stator im Bereich des Gangrades sowie das Gangrad selbst glatt. Den Zähnen 6 im Kupplungskörper 3 sind Pole 11 am Stator 9 zugeordnet. Dabei ist die Polteilung am Stator 9 und die Zahnteilung am Kupplungskörper 3 unterschiedlich, um in jeder Lage der Getriebewelle 1 ein Moment erzeugen zu können. Der magnetische Kreis Ml, der dem eines geschalteten Reluktanzmotors entspricht, wird aus dem Stator 9, der min¬ destens dreipolig sein muss, mit der Erregerwicklung 10, dem Gangrad 7 und dem Kupplungskörper 3 gebildet.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten zweiten Variante sind der Stator 9 sowie der Kupplungskörper 3 und das Gangrad 7 im Bereich des Stators 9 glatt ausgebildet. Bei dieser Vari¬ ante sind Zähne 12 und 13 seitlich am Kupplungskörper 3 bzw. am Gangrad 7 gegenüberliegend angeordnet. Bei dieser Varian- te kann auch eine gleich große Zahnteilung gewählt werden. Damit wird aus dem Reluktanzmotor eine Reluktanzkupplung, bei der ein einpoliger Stator ausreichend ist.

Aus der Fig. Ia sind Einzelheiten eines Schaltstiftes 5 er- kennbar. Um diesen bei Ausfall der Elektrik in einem siche¬ ren Zustand zu halten, sind Rasterstifte 14 vorgesehen, die unter dem Druck einer Feder 15 in muldenförmige Vertiefun¬ gen 16 des Schaltstiftes 5 eingreifen. Entsprechende in den Figuren nicht dargestellte Rasterstifte sind auch am Gangrad 7 vorgesehen, die in muldenförmige Vertiefungen 17 des Schaltstiftes 5 eingreifen können. Die Muldenform der Ver¬ tiefungen ermöglicht bei Umkehr des magnetischen Flusses ein leichtes Ausrasten der Schaltstifte 5 aus ihrer Endlage

Um einen gleichzeitigen Schaltvorgang aller Schaltstifte 5 zu erreichen, sind diese in der vorliegenden Ausführungsform durch einen Haltering 18 untereinander verbunden. Diesem sind im Kupplungskörper 3 und im Gangrad 7 nicht dargestell¬ te Schlitze zugeordnet, die die reibungsfreie Beweglichkeit des Halteringes ermöglichen.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte magnetische Fluß Ml durch den Kupplungskörper 3 und durch das Gangrad 7 führt zu einer Kraftwirkung auf die Schaltstifte 5, die diese im Kupplungskörper 3 in der dargestellten Lage hält. Weiterhin wird bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Varianten bei dem dort dargestellten Verlauf des magnetischen Flusses Ml durch die dabei wirkenden ümfangskräfte ein Gleichlauf zwischen dem Kupplungskörper 3 und dem Gangrad 7 herge¬ stellt. Diese Umfangskräfte reichen aus, um nach einer Vor- synchronisierung durch die Hauptkupplung mit der Kupplungs- Scheibe 2 eine Feinsynchronisierung zu erzielen. Außer für eine Vorsynchronisierung kann die Hauptkupplung bei Mehr¬ kupplungsgetrieben, insbesondere bei Doppelkupplungsgetrie¬ ben, auch für die Unterstützung des Synchronisiervorganges verwendet werden. Hierfür könnte weiterhin eine nicht darge- stellte Getriebebremse eingesetzt werden.

Die Stellung des Statorstromes und die Umschaltung zwischen den einzelnen Statorpolen erfolgt durch eine an sich bekann- ' te Ansteuerung einer Leistungselektronik mittels einer nicht dargestellten Regelungs- und Steuerungseinheit. Für die Be¬ rechnung der Ansteuersignale werden je nach Steuermethode verschiedene Prozessgrößen gemessen.

Soll der Schaltvorgang ausgeführt werden, wird die Strom- richtung in den Erregerwicklungen 10 des Stators 9 umge¬ kehrt. Damit erfolgt eine Umkehrung der Richtung des magne¬ tischen Flusses, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Die Kraftwirkung auf die Schaltstifte 5 kehrt sich darauf eben¬ falls um und infolge dieser Kraft stellen die Schaltstifte 5 die formschlüssige Verbindung zwischen dem Gangrad 7 und dem Kupplungskörper 3 her. Damit ist der Schaltvorgang abge- schlössen.

In der Fig. 4 ist dargestellt, wie die von den permanentmag¬ netischen Schaltstiften 5 ausgehenden Haltekräfte reduziert werden können. Dazu sind im Kupplungskörper 3 im Bereich der Bohrungen 4 für die Schaltstifte 5 Teile 19 aus para- oder diamagnetischem Material vorgesehen. Weiterhin sind auch im Gangrad 7 im Bereich der Bohrungen 8 Teile 20 aus para- o- der diamagnetischem Material vorgesehen.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind die Schaltstücke 5 an ihren Stirnseiten durch einen Haltering 21 untereinander verbunden. Dieser weist auf der dem Gangrad 7 zugeordneten Seite Zähne 22 auf, denen am Gangrad 7 Zähne 23 zugeordnet sind. Nach Abschluss des Synchronisiervorganges wird durch Umdrehen der Stromrichtung in der Erregerwicklung 10 die Richtung des Magnetfeldes geändert, so dass die Zähne 22 des Halteringes 21 in die Zwischenräume der Zähne 23 hineingezo¬ gen werden und damit eine formschlüssige Verbindung zwischen der Getriebewelle und dem Gangrad hergestellt ist.

In gleicher Weise wirkt eine Anordnung mit permanentmagneti¬ scher Schiebemuffe. Da eine Schiebemuffe an sich aus der Ge¬ triebetechnik bekannt ist, wurde sie nicht zeichnerisch dar¬ gestellt.