Bezeichnung der Erfindung Schaltkupplung in einem Schaltgetriebe Beschreibung Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Schaltkupplung in einem Schaltgetriebe zum Schal- ten wenigstens eines Gangrades mit zumindest einem um eine Rotationsachse der Schaltkupplung rotierbaren Kupplungselement, wobei das Kupplungsele- ment mittels mindestens eines ersten Zahnprofils aus einem metallischen Werkstoff wenigstens zeitweise zum Übertragen von Drehmomenten um die Rotationsachse mit zumindest einem zweiten Zahnprofil aus einem metall- schen Werkstoff in der Schaltkupplung zumindest teilweise verzahnt ist und wobei eines der zwei miteinander verzahnten Zahnprofile vorübergehend in dem anderen der zwei miteinander verzahnten Zahnprofife längs der Rotati- onsachse bewegbar ist, wodurch zwischen den verzahnten Zahnprofilen Rei- bung entsteht.

Hintergrund der Erfindung Derartige Schaltkupplungen sind die bekannten Schaltmuffen-oder Klauen- kupplungen, mit denen in handgeschalteten Getrieben bei einem Gangwechsel ein Gangrad, bevorzugt jedoch wahlweise zwei Gangräder schaltbar sind. Mit den Schaltkupplungen wird eine lösbare formschlüssige Verbindung in der Re- gel zwischen einer Getriebewelle und dem gewählten Gangrad hergestellt.

Mittels der Verbindung werden aus dem Leistungsfluss im Getriebe resultie-

rende Drehmomente von der Getriebewelle zu dem Gangrad, oder umgekehrt, übertragen.

In DE 198 32 729 A1 ist eine der üblichen Schaltkupplungen der gattungsbil- denden Art beschrieben. Die einzelnen Kupplungselemente, wie die Schalt- muffe, der Muffenträger und die Kupplungsverzahnung an dem Gangrad grei- fen zum Übertragen der Drehmomente mittels Verzahnungen formschlüssig ineinander. Die Schaltmuffe sitzt dabei entweder direkt auf der Getriebewelle oder wie in der Schaltkupplung nach DE 198 32 729 A1 auf dem Muffenträger und ist in Umfangsrichtung drehfest aber längs der Rotationsachse der Schalt- kupplung verschiebbar auf der Getriebewelle oder dem Muffenträger angeord- net. Dazu greift die Schaltmuffe mit einem Zahnprofil in ein entsprechendes Gegenzahnprofil an der Getriebewelle oder an dem Muffenträger ein. Die Flan- ken der Zähne der Zahnprofile sind längs der Rotationsachse ausgerichtet. Die Schaltmuffe bewegt sich beim Schalter eines Ganges, ständig in der Gegen- verzahnung an dem Muffenträger geführt, längs der Rotationsachse, bis das oder ein weiteres Zahnprofil an der Schaltmuffe mit dem Zahnprofil der Kupp- lungsverzahnung verzahnt ist. Während der Schaltbewegung sind Reibkräfte zwischen den Flanken der Zähne der aneinander bewegten Zahnprofile des Muffenträgers und der Schaltmuffe sowie zwischen den Flanken der ineinander spurenden Zahnprofile der Schaltmuffe und der Kupplungsverzahnung zu überwinden. Bei synchronisierten Schaltkupplungen entstehen zusätzlich Kräfte aus der Reibung an den aneinandergleitenden Flanken der Schaltmuffe und der Sperrverzahnung des äußeren Synchronringes, wenn das Zahnprofil der Schaltmuffe ein Zahnprofil der Sperrverzahnung nach dem Synchronisieren durchfährt. Die aus der Reibung resultierenden Schaltkräfte sind insbesondere in den ersten Betriebsstunden von Neufahrzeugen relativ hoch, da die mitein- ander im Eingriff stehenden bzw. miteinander in Eingriff zu bringenden Kupp- lungselemente sich erst aneinander einarbeiten müssen. Oft hakelt die Schal- tung anfangs oder ist schwergängig. Der Schaltkomfort ist beeinträchtigt.

Unter Verzahnungen, Zahnprofilen und Zähnen sind alle Elemente wie Keilpro- file, Keile, Klauen und Kerbverzahnungen zu verstehen, die in Schaltkupplun-

gen für dauerhafte oder lösbare formschlüssige Verbindungen zum Übertragen von Drehmomenten geeignet sind. Derartige Zahnprofile und ihre Zähne sind in der Regel aus Eisen oder Stahl, beispielsweise aus Einsatzstählen, gefertigt und zumindest an ihrer Oberfläche gehärtet.

Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltkupplung zu schaffen mit der die vorgenannten Nachteile vermieden werden. Das gilt insbesondere für die er- sten Betriebsstunden von Neufahrzeugen, bei denen die miteinander im Ein- griff stehenden mechanischen Bauteile teilweise noch schwergängig gegen- einander bewegbar sind und die sich deshalb erst aneinander einlaufen müs- sen.

Diese Aufgabe ist mit dem Gegenstand des kennzeichnenden Teils des An- spruchs 1 dadurch gelöst, dass wenigstens eines der Zahnprofile der Kupp- lungselemente in der Schaltkupplung mit einer Gleitschicht auf der Oberfläche des metallischen Werkstoffes zum Mindern der Reibung versehen ist. Derartige Schichten sind dauerhaft oder in der Einlaufphase an wenigstens einem der miteinander in Eingriff stehenden bzw. in Eingriff zu bringenden der Zahnprofile ausgebildet. Derartige Schichten erleichtern auch das Einlaufen der anfangs noch schwergängig gegeneinander bewegbaren Kupplungselemente. Dabei sind bevorzugt beide der gegeneinander reibenden Zahnprofile mit jeweils ei- ner in der Zusammensetzung gleichen oder sich in ihrer Zusammensetzung voneinander unterscheidenden Gleitschicht (en) versehen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gleitschicht eine Metall- Phosphatschicht ist. Metall-Phosphatschichten sind Schichten, die durch die Verfahren der Phosphatierung auf den Grundwerkstoff zumindest an der Ver- zahnung der Kupplungselemente, vorzugsweise auf das gesamte Kupplung- element aufgebracht werden. Die Phosphatierung ist ein chemi- scher/elektrochemischer Prozess, bei dem im Tauch-oder Spritzverfahren aus phosphorsauren Lösungen auf Metalloberflächen dünne, feinkristalline bzw.

grobkristalline und nicht wasserlösliche Phosphate erzeugt werden. Die Metall- Phosphatschichten sind, da sie aus einer chemischen Reaktion mit dem Grundmetall (Eisen oder Stahl der Verzahnung) entstehen, in der Metallober- fläche des Grundmetalls fest verankert und weisen zahlreiche Hohlräume und Kapillaren auf. Diese Eigenschaft verleiht den Phosphatschichten ein optimales Aufnahmevermögen für Öle und feste Schmierstoffteilchen. Sie haben sich als Gleitschicht und Verbindungs-bzw. Trägerschicht bewährt. 2 bis 15 um (bis ca.

20 um möglich) stark werden sie als Korrosionsschutz für den Transport und die Lagerung, als Gleit-und/oder als Haftschicht für weitere Gleitschichten aufgebracht. Sie weisen feinkristallines bis grobkristallines Aussehen (je nach Verfahren) auf und verleihen dem Material die Fähigkeit Öl und Schmierstoffe aufzunehmen, wodurch ein guter Korrosionsschutz gewährleistet wird. Sie sind einsetzbar auf Kupplungselementen mit Zahnprofilen aus Eisen bzw. Stahl als Grundwerkstoff wie z. B. auf den nach DIN 17210 genormten Einsatzstählen mit beispielsweise den Bezeichnungen 16MnCr5, 20MnCr5, 15CrNi6, 18CrNi8, 41 Cr4. Es sind folgende Schichten einsetzbar : Eisen-Phosphatschicht (Feph) - Zink-Phosphatschicht (Znph) - Zinkkalzium-Phosphatschicht (ZnCaph) - Mangan-Phosphatschicht (Mnph) - Zink-Eisen-Phosphatschichten (ZnFeph) oder - Mangang-Eisen-Phosphat (MnFeph) Mangan-Phosphatschichten sind bevorzugt eingesetzt. Dem eigentlichen Pro- zess des Phosphatierens kann durch eine Beölung mit Emulsion folgen. Eine derartige Beölung genügt für einen kurzzeitigen Korrosionsschutz während des Transportes und der Lagerung der Kupplungselemente, womit ein zusätzlicher Vorteil geschaffen ist.

Im weiteren werden mögliche Alternativen zu den vorbeschriebenen Metall- Phosphatschichten als Gleitschichten zum Einsatz an dem/an den Zahnpro- fil (en) als Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben :

Metall-Phosphatschichten als Träger-bzw. Verbindungsschichten ; Metall-Phosphatschichten eignen sich auch für das Aufbringen von fe- sten Schmierstoffen an tribologisch beanspruchten Oberflächen. Die fe- sten Schmierstoffe sind z. B. in Gleitschichten eingesetzt. Diese Gleit- schichten sind für den jeweiligen Einsatzfall modifizierbar und schmieren ohne hydrodynamischen Film, schützen vor Korrosion und sind belast- bar. Auf die Metall-Phosphatschicht als Trägermaterial ist die Mischung aus festen Schmierstoffen mit ihren Bindemitteln aufgebracht. Das Trä- germaterial hat ein Schichtdicke von 1, um bis 4 pm. Die gesamte Schichtdicke des Trägermaterials zusammen mit der Gleitschicht liegt bevorzugt in einem Bereich von 5 pm bis 10 um. Die einzubringenden Festschmierstoffe sind normalerweise MoS2, Grafit und PTFE oder de- ren Mischungen. Bei Einsatzfällen mit extrem hohen Belastungen wer- den auch Karbide verwendet.

PTFE ; Polytetrafluorethylen ist eine der reibungsärmsten Substanzen mit hoher chemischer Stabilität, deren Schichten gleichmäßige Reibcharakteristi- ken mit sehr niedrigem Reibniveau aufweisen. Vorteil der PTFE- Beschichtungen oder von Schichten mit PTFE-Anteilen bestehen auch darin, dass sich auf dem Verbund gelöste PTFE-Teilchen in den Poren der beispielsweise nicht beschichteten Gegenreibfläche festsetzen und dort ebenfalls einen Schmierfilm bilden. PTFE-Beschichtungen weisen je nach ihrer Anwendung Schichtstärken von 15 bis100 um auf und sind auch als Gleitschichten auf dem Trägermaterial einer Metall- Phosphatschicht auftragbar.

Grafit ; Grafit wird entweder Schmierölen zugesetzt und setzt sich in den Poren des Metalls bzw. der Phosphatgleitschicht gemäß Erfindung ab oder wird in kohlenstoffhaltigen Gleitschichten beispielsweise durch Beigabe von mit Grafit durchsetzten Kohlenstofffasern mit einer Schichtdicke von

beispielsweise 1 bis 4 um auf dem Grundmetall der Verzahnung oder auf der Metall-Phosphat-Trägerschicht eingesetzt. Es beeinflusst das Reibungsverhalten positiv und verbessert das anfangs erwähnte Ein- laufverhalten.

Einsatz von auf Kunststoff basierenden Gleitschichten mit Grafit.

Gleitfilme aus auf Kohlenstoff basierende harte Schichten ; Die auf Kohlenstoff basierende harte Schicht ist auf das Grundmaterial des Zahnprofils aufgebracht. Die auf Kohlenstoff basierende harten Schichten weisen als Hauptkomponente Kohlenstoff, wie beispielsweise amorphe Kohlenstoffe (aC), wasserstoffhaltigen Kohlenstoff (aC : H) i- Kohlenstoff (iC) oder diamantartigen Kohlenstoff (DLC) auf und werden in der Regel durch plasmaverstärkt chemische Ausscheidung erzeugt.

Mehrlagige Schichtsysteme mit kohlenstoffhaltigen Gleitschichten ; Der Einsatz mehrtägiger Schichtsysteme mit kohlenstoffhaltigen Gleit- schichten auf einer Schichtgruppe mit wenigstens einer geeigneten kohlenstoffhaltigen Gleitschicht und einer Trägerschicht auf einer mit dem metallischen Grundwerkstoff verbundenen Haftschicht. Als Haft- bzw. Trägerschicht ist die anfangs erwähnte Metall-Phosphatschicht bzw. sind speziell angepasste Schichten aus anderen Werkstoffen ein- setzbar.

MoS2 ; Molybdändisulfid ist als reibungsmindernder Zusatz dem Schmieröl bei- fügbar und setzt sich in den Poren der Gleitschicht ab oder ist als ge- sonderte Gleitschicht, z. B. mittels Gleitlack oder als wärmehärtende Schicht auf die als Trägermaterial ausgebildete Metall-Phosphatschicht bzw. direkt auf die Oberfläche des Grundmetalls des Zahnprofils auf- bringbar. In dem zuletzt genannten Fall ist das MoS2 beispielsweise ein Bestandteil von Gleitlacken.

Chrombeschichtungen ; Chrombeschichtungen verhalten sich bis in hohe Temperaturbereiche bezüglich ihrer Struktur und ihre adhäsiven Reibverhaltens neutral. Da- bei ist es vorteilhaft beide Reibpartner mit einer derartigen Schicht zu versehen. Auf diese Weise ist der Reibungskoeffizient zwischen den Reibschichten aus Chrom (vorzugsweise 99% Chromanteil) um ein er- hebliches Maß reduziert. Die Schichtdicken liegen in einem Bereich von 1 bis 10 um. Die Chromschichten gehen molekulare Verbindungen mit dem Grundmetall ein, die selbst unter schweren Belastungen kaum zu zerstören sind. Sie bieten deshalb zusätzlich einen sehr guten Ver- schleißschutz.

Galvanisch abgeschiedene Silberschichten ; Galvanisch abgeschiedene Silberschichten weisen gute Schmiereigen- schaften auf. Silberschichten sind insbesondere bei hohen Betriebstem- peraturen in dem Schaltgetriebe eine gute Alternative zu den zuvor ge- nannten Schmierschichten mit Feststoffen.

Chemisch Nickel ; Nickelbeschichtungen gemeinsam mit Hart-oder Feststoffen wie Silizi- umcarbid, PTFE oder Diamanten.

Die vorher genannten Schichten sind je nach ihrer Zusammensetzung und ih- ren einzelnen Bestanteilen in den verschiedensten Verfahren aufgebracht. Bei- spielhaft seinen hier genannt : Das sogenannte Auftrockenverfahren, galva- nisch-elektrolytisch bzw. chemisch-autokatalytisch oder in der chemischen au- ßenstromlosen Abscheidung, mit Katodenzerstäubung, thermisch, durch Sprit- zen, durch Spritzen mit Laserstrahl, Schmelzbadspritzen, Pulverflamm-bzw.

Drahtflammspritzen, Lichtbogen-bzw. Plasmaspritzen, durch Aufdampfen (z. B. im Vakuum), im Tauchverfahren, Lackierverfahren (z. B. Nasslackierverfahren).

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest das Zahnprofil der Schaltmuffe die erfindungsgemäße Gleitbeschichtung aufweist.

Die Schaltmuffe sitzt dabei bevorzugt wiederum auf einem Schaltmuffenträger oder direkt auf einer Getriebewelle und greift mit dem beschichteten Zahnprofil dann entweder in ein Zahnprofil an dem Muffenträger oder in der Getriebewelle ein. Ein weiteres der Kupplungselemente ist der Muffenträger, dessen Zahn- profil zur Schaltmuffe ebenfalls mit einer Gleitbeschichtung versehen ist. Vor- zugsweise sind sowohl die Schaltmuffe als auch der Muffenträger an ihren in- einandergreifenden Zahnprofilen mit Gleitschichten gleicher oder sich unter- scheidender chemischer Zusammensetzung versehen. Es ist auch eine Gleit- beschichtung an dem Zahnprofil der Kupplungsverzahnung vorgesehen. Be- rücksichtigt sind auch Schaltmuffen, die mehr als eines der beschriebenen Zahnprofile, beispielsweise ein Zahnprofil für den Eingriff in den Schaltmuffen- träger und ein weiteres Zahnprofil für den Eingriff in die Kupplungsverzahnung aufweisen. Bevorzugt sind beide der Zahnprofile der Schalmuffe mit einer Gleitbeschichtung versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine Schaltkupplung, in der die einzelnen Zahnprofile der jeweili- gen Kupplungselemente mit einer erfindungsgemäßen Gleitbeschichtung ver- sehen sind, die Figuren 2 bis 5 zeigen Beispiele für Ausführungen der einzel- nen Kupplungselemente der Schaltkupplung nach Figur 1.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine Schaltkupplung 1 in einem nicht weiter dargestellten Schalt- getriebe, mit der eine Getriebewelle 2 wahlweise verdrehfest mit einem Gang- rad 3 oder 4 kuppelbar ist. Die Schaltkupplung 1 besteht aus den Kupplung- elementen 15 in Form eines Muffenträgers 5, einer Schaltmuffe 6 sowie in Form von Kupplungsscheiben 7 und 8. Der Muffenträger 5 weist eine radial nach innen zu der Rotationsachse 2a der Getriebewelle 2 bzw. Schaltkupplung 1 gerichtete Verzahnung 5a auf. Über die Verzahnung 5a ist der Muffenträger 5 mit der Getriebewelle drehfest verbunden. Die Kupplungsscheiben 7 bzw. 8 sind jeweils fest mit einem der Gangräder 3 oder 4 verbunden. Die Schaltmuffe

6 sitzt auf dem Muffenträger 5 und greift dabei mit einem Zahnprofil 6a in ein entsprechendes Zahnprofil 5b an dem Muffenträger ein. Die ineinandergreifen- den Zähne 5c und 6b der Zahnprofile 5b und 6a (Figuren 2,3) sind mit ihren Zahnflanken längs zur Rotationsachse 2a ausgerichtet. Die Schaltmuffe 6 ist wahlweise längs der Rotationsachse 2a in Richtung eines der Gangräder 3 oder 4 bewegbar und greift dabei schließlich in eines der Zahnprofile 7b bzw.

8b der Kupplungsverzahnung 7a bzw. 8a an den Kupplungsscheiben 7 bzw. 8 ein. Mit dem zeitgleichen Eingriff des Zahnprofils 6a in das Zahnprofil 5b sowie das Zahnprofil 7b bzw. 8b ist eine Drehmomente übertragende Verbindung zwischen der Getriebewelle 2 und einem der Gangräder 3,4 herstellbar.

In die Schaltkupplung 1 ist eine Synchronisiereinrichtung integriert, die aus jeweils sich längs der Rotationsachse 2a dem Muffenträger 5 anschließenden Synchronringen 9,10, 11 bzw. 12,13, 14 gebildet ist. Der äußere Synchronring 11 bzw. 14 weist ein Zahnprofil 11 a bzw. 14a auf, dessen Sperrzähne 11 b bzw.

14b die längs der Rotationsachse 2a gerichtete Bewegung der Schaltmuffe 6 nach dem Synchronisationsvorgang freigeben. Dabei durchfährt das Zahnprofil 6a der Schaltmuffe das Zahnprofil ! Ha bzw. 14a des äußeren Synchronringes 11 bzw. 14.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Muffenträgers 5 in einer Gesamtan- sicht mit den einzelnen Zähnen 5c des Zahnprofils 5b. Die gesamte Oberfläche des Muffenträgers 5 ist einschließlich des Zahnprofils 5b gemäß Erfindung mit einer Gleitbeschichtung versehen. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltmuffe 6 in einer Gesamtansicht mit den einzelnen Zähnen 6b des Zahn- profils 6a. Die gesamte Schaltmuffe ist einschließlich des Zahnprofils 6a ge- mäß Erfindung mit einer Gleitschicht versehen. Figur 4 zeigt eine Ausfüh- rungsform der Kupplungsscheiben 7 und 8 der Kupplungsverzahnung 7a bzw.

8a mit dem Zahnprofil 7b bzw. 8b. Die Kupplungsscheibe 7,8 ist mit einer Gleitbeschichtung versehen. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines äuße- ren Synchronringes 11 bzw. 14 mit den einzelnen Zähnen 11b bzw. 14b der Zahnprofile 11a bzw. 14a. Das Zahnprofil 11 a, 14a ist gemäß Erfindung mit einer Gleitschicht versehen.

Bezugszeichen 1 Schaltkupplung 2 Getriebewelle 2a Rotationsachse 3 Gangrad 4 Gangrad 5 Muffenträger 5a Verzahnung 5b Zahnprofil 5c Zahn 6 Schaltmuffe 6a Zahnprofil 6b Zahn 7 Kupplungsscheibe 7a Kupplungsverzahnung 7b Zahnprofil 8 Kupplungsscheibe 8a Kupplungsverzahnung 8b Zahnprofil 9 Synchronring 10 Synchronring 11 äußerer Synchronring 11 a Zahnprofil 11 b Sperrzahn 12 Synchronring 13 Synchronring 14 äußerer Synchronring 14a Zahnprofil 14b Sperrzahn 15 Kupplungselement