DE102022107915B3 - Verbessertes Schalten von Axialkupplungen mit Flachverzahnungen unter Last - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkupplung mit einer ersten Welle und mit einer zweiten Welle, welche gesteuert durch einen Aktuator kuppelbar und entkuppelbar ist, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung mit einem ersten Schrägungswinkel und eine zweite Wirkflächenpaarung mit einem zweiten Schrägungswinkel, wobei der erste Schrägungswinkel einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse und der zweite Schrägungswinkel einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse umfasst und die Summe der Schrägungswinkel über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Dimensionierung einer Axialkupplung.

Description

• 1. Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine in verschiedene Gänge schaltbare Anordnung von Planetengetrieben oder von Stirnradgetrieben, welche mit mindestens einer Axialkupplung, die jeweils optional durch eine Andruckkraft einer Feder auf einen axial gezahnten Kupplungsring geschlossen gehalten wird, der mit Steuerfingern in einer Steuernut eines Steuerzylinders eingreift, durch dessen Verdrehung zwecks einer Gangschaltung der Kupplungsring durch eine an der Nutenseitenwand auftretende Schaltkraft, die gegen die Andruckkraft gerichtet ist, die betreffende Kupplung einkuppelt oder entkuppelt.
• 2. Stand der Technik
• Derartige Getriebe mit Axialkupplungen zwecks der Einstellung verschiedener Gangstufen sind beispielsweise als Planetengetriebe aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 007 326 A1 vorbekannt sowie in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 beschrieben. Sämtliche Gänge lassen sich bei den genannten Getrieben jeweils auch unter einer Betriebsbelastung umschalten. Bei einzelnen Schaltübergängen sind jedoch erhebliche Schaltkräfte zur Trennung einer Kupplung gegen die lastbedingten Rückhaltekräfte, die zwischen den Kupplungselementen auftreten, erforderlich, so dass bei den entsprechenden Schaltvorgängen jeweils eine Reduzierung des Antriebsmoments des Kurbelbetriebs und/oder des Hilfsmotors angezeigt ist. In der DE 10 2021 129 423 A1 wird ein Nachschaltgetriebe beschrieben, welches eine schrägverzahnte Laufverzahnung aufweist, die zum mittelbaren Schalten der Sonnenradkupplung KSR eingesetzt wird. Der Schaltvorgang wird durch die Zustandsänderung der Kupplung KHR ausgelöst. Die Sonnenradkupplung weist keinen Aktuator auf, welcher über eine Steuernut in einer Schaltrommel gesteuert wird. Des Weiteren befindet sich die Kupplung KSR nach dem Schließen der Hohlradkupplung KHR im Freilaufmodus, da das Sonnenrad SR schneller dreht als der Steg.
• DE 10 2014 101 726 A1 beschreibt ein lastschaltbares Mehrganggetriebe zur Verwendung in Personenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, Fahrräder, etc.
• Aus der DE 11 2017 007 405 T5 ist ein Kupplungsmechanismus für ein Fahrrad oder ein Fahrrad mit einem zusätzlichen elektrischen Antrieb bekannt.
• DE 20 2012 009 449 U1 beschreibt eine Bewegungsvorrichtung für ein bewegbares Möbelteil.
• Eine Schaltvorrichtung und einen Fahrzeugantriebsstrang sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und eines Fahrzeugantriebsstranges ist aus der DE 10 2013 213 156 A1 bekannt.
• 3. Aufgabenstellung
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltbarkeit von Axialkupplungen von Planetengetrieben oder von Stirnradgetrieben so zu verbessern, dass diese jeweils auch unter Antriebslast sicher gekuppelt und mit geringen Schaltkräften durch einen Aktuator entkuppelt werden können.
• 4. Zusammenfassung der Erfindung
• Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und des unabhängigen Anspruchs 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösung finden sich in den jeweils abhängigen Ansprüchen.
• Die Lösung besteht darin, dass die Verzahnung, insbesondere
1. a) eine Kupplungsverzahnung und eine Steckverzahnung oder
2. b) eine Kupplungsverzahnung und eine Laufverzahnung der Stirnräder oder
3. c) eine Steckverzahnung und eine Laufverzahnung der Stirnräder
eines Planetengetriebes oder eines Stirnradgetriebes hinsichtlich der Schrägstellung der Verzahnung so ausgebildet ist/sind, dass die unter Antriebslast auftretenden drehmomentabhängigen Axialkräfte in Öffnungsrichtung einer Axialkupplung wirken, und die durch die zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen und den sich berührenden Steckverbindungszähnen oder zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen und den sich berührenden Laufradzähnen, oder zwischen den sich berührenden Steckverbindungszähnen und den sich berührenden Laufradzähnen einer dem Entkuppeln der Axialkupplung entgegen gerichtet wirkende Haftreibung weitgehend kompensieren, wobei daraus resultierende an den Kupplungselementen auftretende Reaktionskräfte in Stützelementen an benachbarten Getriebekomponenten abgefangen werden.
• Das Stirnradgetriebe oder das Planetengetriebe ist in einem Gehäuse angeordnet, welches fest oder mittels einer mit einer Achse dreh- und achsfest verbundenen Drehmomentstütze mit dem Rahmen eines über wenigstens ein Rad angetriebenen, über eine Fahrbahn bewegbaren Fahrzeugs verbunden ist. Der Rahmen stellt eine Richtungsreferenz zur Fahrbahn her. In der Regel stellen wenigstens zwei Räder die Richtungsreferenz zwischen dem Rahmen und der Fahrbahn her. Im Falle von nur einem Antriebsrad ohne weitere Räder kann die Richtungsreferenz durch den Fahrer (Einrad) oder durch eine Regelung (segway) hergestellt werden. Vorliegend wird vorzugsweise von einem Zweirad ausgegangen, welches über wenigstens eines der Räder angetrieben wird.
• Das Getriebe ist zwischen zwei Wellen angeordnet. Der Antrieb kann beispielsweise eine durch Muskelkraft über ein Pedal angetriebene Welle und/oder eine durch einen Motor angetriebene Welle umfassen.
• Eine Welle im Sinne dieser Erfindung ist ein Bauteil, welches ein Drehmoment aufnehmen oder übertragen kann.
• Innerhalb des Getriebes ist wenigstens eine Axialkupplung angeordnet, welche eine eingehende Welle mit einer ausgehenden Welle derart kuppelt, dass über einen Aktuator gesteuert zwischen der eingehenden Welle und der ausgehenden Welle gekuppelt oder entkuppelt wird.
• Die eingehende Welle und die ausgehende Welle sind im Getriebegehäuse des Stirnradgetriebes und in der Regel im Getriebegehäuse des Planetengetriebes drehbar gelagert. Im Fall des Planetengetriebes kann eine der Wellen verdrehfest mit dem Getriebegehäuse oder der Hauptachse verbunden sein.
• Für die Verbesserung des Schaltverhaltens werden drehmomentabhängige Axialkräfte von
1. a) einer Kupplungsverzahnung mit einer derart um einen Schrägungswinkel β_K zur Rotationsachse hin gekippten Flächennormalen der Wirkflächen, dass der Winkel zwischen Wirkfläche und Rückflanke der Kupplungszähne vergrößert wird oder
2. b) einer schrägverzahnten Laufverzahnung mit einem Schrägungswinkel β_L oder
3. c) einer schrägverzahnten Steckverzahnung mit einem Schrägungswinkel β_S erzeugt.
• Wenn der jeweilige Schrägungswinkel β_K oder β_L oder β_S gleich dem Arkustangens des Reibwertes µ der in der jeweiligen Materialpaarung sich gegenüberstehenden Wirkflächenpaare ist, entspricht die Axialkraft betragsmäßig der axialen Komponente der Reibkraft. Dieser Winkel wird im Folgenden als Reibungswinkel p bezeichnet.
• Der Reibungswinkel p der Wirkflächenpaare ist abhängig von der Materialpaarung der in der Axialkupplung gegenüberstehenden Kupplungsmaterialien und der Schmierung zwischen den Wirkflächenpaaren. Prinzipiell hat auch die Temperatur an der Axialkupplung einen Einfluss, kann aber bei den im Temperaturbereich der typischen Anwendungen des Getriebes vernachlässigt werden. Ein weiterer Faktor ist die Zeit, die die Wirkflächenpaare unter Last stehen. Unter Wirkflächenpaar werden die Flächen verstanden, welche die Kräfte, die durch das anliegende Drehmoment hervorgerufen werden, bei geschlossener Kupplung von dem antreibenden Kupplungsteil auf das abtreibende Kupplungsteil übertragen.
• Erhält der axial bewegliche Teil einer Axialkupplung den zum Einkuppeln in den axial festgelegten Kupplungsteil notwendigen Freiheitsgrad mittels einer Steckverzahnung, wobei die axiale Beweglichkeit des die Kupplungszähne tragenden Bauteils durch die einer Steckverzahnung innewohnende axiale Verschiebbarkeit des Bauteils mit der Kupplungsverzahnung gegenüber einem axial eng geführten, antreibenden Bauteil erreicht wird, so kann die Axialkupplung mittels des vorgesehenen Aktuators geöffnet und geschlossen werden. Hierdurch wird eine potentielle Rotation der gekuppelten Welle durch die flachverzahnte Axialkupplung ermöglicht. Die zur Öffnung der Axialkupplung benötigte Axialkraft zur Überwindung der Reibung zwischen den Wirkflächen der Steckverzahnung und den Wirkflächen der flachverzahnten Kupplungsverzahnung hängt, neben dem zu übertragenden Drehmoment, von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares der Steckverzahnung, deren Teilkreisdurchmesser und von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares sowie dem mittleren Teilkreisdurchmesser der Kupplungsverzahnung ab. Unter dem mittleren Teilkreisradius der Kupplungsverzahnung. ist der mittlere Radius des Kreisrings zu verstehen, der die radial ausgerichteten Kupplungszähne gerade vollständig einschließt.
• Erhält der axial bewegliche Teil einer Axialkupplung den zum Einkuppeln in den axial festgelegten Kupplungsteil notwendigen Freiheitsgrad mittels einer Laufverzahnung, wobei die axiale Beweglichkeit des die Kupplungszähne tragenden Zahnrades durch die einer Laufverzahnung innewohnende axiale Verschiebbarkeit des Zahnrades mit der Kupplungsverzahnung gegenüber einem axial eng geführten, antreibenden Zahnrad erreicht wird, so kann die Axialkupplung mittels des vorgesehenen Aktuators geöffnet und geschlossen werden. Hierdurch wird eine potentielle Rotation der gekuppelten Welle durch die flachverzahnte Axialkupplung ermöglicht. Die zur Öffnung der Axialkupplung benötigte Axialkraft zur Überwindung der Reibung zwischen den Wirkflächen der Laufverzahnung und den Wirkflächen der flachverzahnten Kupplungsverzahnung hängt, neben dem zu übertragenden Drehmoment, von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares der Laufverzahnung, deren Teilkreisdurchmesser und von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares und dem mittleren Teilkreisdurchmesser der Kupplungsverzahnung ab.
• Erhält der axial bewegliche Teil einer Axialkupplung den zum Einkuppeln in den axial festgelegten Kupplungsteil notwendigen Freiheitsgrad mittels einer Laufverzahnung und einer Steckverzahnung, wobei die axiale Beweglichkeit des die Kupplungszähne tragenden Zahnrades durch die einer Laufverzahnung und einer Steckverzahnung innewohnende axiale Verschiebbarkeit des Zahnrades mit der Kupplungsverzahnung und der Steckverzahnung gegenüber einem axial eng geführten, antreibenden Zahnrad erreicht wird, so kann die Axialkupplung, welche beim Öffnen in den Freilaufmodus indirekt über einen Aktuator geöffnet und bei Wegfall des Antriebsmoments des antreibenden Zahnrades mittels Rückstellfeder geschlossen werden. Hierdurch wird eine potentielle Rotation der ausgekuppelten Welle relativ zur vormals gekoppelten Welle ermöglicht.
• Die zur Öffnung der Axialkupplung benötigte Axialkraft zur Überwindung der Reibung zwischen den Wirkflächen der Laufverzahnung und den Wirkflächen der Steckverzahnung hängt, neben dem zu übertragenden Drehmoment, von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares der Laufverzahnung, deren Teilkreisdurchmesser und von der Materialpaarung des Wirkflächenpaares und dem Teilkreisdurchmesser der Steckverzahnung ab. Da die Axialkupplung beim Öffnen in den Freilaufmodus wechselt, fallen hier keine Reibungskräfte zwischen den Wirkflächen der Kupplungsverzahnung an. Bei einer Kupplung dieser Art wird unter Last die Antriebswelle gewechselt.
• Es gilt: je kleiner der jeweilige Radius, desto größer die Reibkraft bei gegebenem Drehmoment.
• In den erfindungsgemäßen Varianten gibt es jeweils zwei Wirkflächenpaarungen, an denen eine erste und eine zweite Reibungskraft erzeugt wird, deren Reibungswerte von einer ersten und einer zweiten Materialpaarung abhängen.
• Beim Öffnen der Axialkupplung müssen beide Reibungskräfte überwunden werden. Die jeweils wirksamen Teilkreisradien sind im Allgemeinen verschieden, so dass die verschiedenen Radien erfindungsgemäß ebenfalls berücksichtigt werden.
• Im Folgenden sind einige Bezugszeichen zum besseren Verständnis eingefügt, die auch in der Detailbeschreibung der Figuren und der Herleitung des Berechnungsverfahrens benutzt werden.
• Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe ferner mittels eines Verfahrens zur Dimensionierung der erfindungsgemäßen Axialkupplungen unter Einbeziehung der geometrischen und tribologischen Verhältnisse mit folgenden Schritten:
• • Bestimmung des Reibungskoeffizienten µ₁ zwischen dem an einer ersten Materialpaarung MP1 beteiligten Wirkflächenpaar WP1 und des Reibungskoeffizienten µ₂ zwischen dem an einer zweiten Materialpaarung MP2 beteiligten Wirkflächenpaar WP2 mittels üblicher Verfahren am Objekt und/oder aus einer Tabelle mit Materialeigenschaften.
• • Bestimmung des wirksamen Teilkreisradius r₁ der ersten Wirkflächenpaarung WP1 und des wirksamen Teilkreisradius r₂ der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 aus den Konstruktionsdaten.
• • Bestimmung oder Festlegung eines ersten Schrägungswinkels β₁ der ersten Wirkflächenpaarung WP1 und eines zweiten Schrägungswinkels β₂ der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 aus solchen Konstruktionsdaten, die lastunabhängig sind, nämlich den Reibungskoeffizienten der ersten Materialpaarung MP1 und der zweiten Materialpaarung MP2 µ₁ und µ₂, den Teilkreisradien der ersten Wirkflächenpaarung WP1 und der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 r₁ und r₂, wobei sich z. B. im Falle vollständiger Kompensation der Reibkräfte der Winkel β₂ als Funktion von β₁ bestimmen lässt:
$${\mathrm{\beta }}_2=2*\text{arctan}\left(\left[\text{a*b+}{\left(\left({\text{a}}^2+1\right)*\left({\text{b}}^2+1\right)\right)}^{1/2}-1\right]/\left[\text{a}+\text{b}\right]\right)$$

mit: $$\text{a}={\mathrm{\mu }}_2$$

$$\text{b}=-{\text{r}}_2/{\text{r}}_1*\left[\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)-{\mathrm{\mu }}_1*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)\right]/\left[\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)+{\mathrm{\mu }}_1*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)\right]$$

• Eine hinreichend gute Näherung für Winkel bis zu 30° ergibt sich durch: $${\mathrm{\beta }}_2={\mathrm{\rho }}_2-\left({\text{r}}_2/{\text{r}}_1\right)*\left({\mathrm{\beta }}_1-{\mathrm{\rho }}_1\right)$$

  

  mit: $${\mathrm{\rho }}_{\text{i}}=\text{arctan}\left({\mathrm{\mu }}_{\text{i}}\right),\text{ i}=\mathrm{1,2}$$

  

  i = 1,2
• Eine einfache Lösung besteht darin, die Reibkräfte einzeln auszukompensieren, d. h.: $${\mathrm{\beta }}_2={\mathrm{\rho }}_2\text{ und }{\mathrm{\beta }}_1={\mathrm{\rho }}_1.$$

  
• In einer ersten bevorzugten und alternativen Ausführungsform der Axialkupplung, umfasst diese zur Unterstützung des Entkupplungsvorganges der Axialkupplung in einer ersten Wirkflächenpaarung WP1 mit Materialpaarung MP1 eine Steckverzahnung und in einer zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit Materialpaarung MP2 eine Kupplungsverzahnung.
• In dieser Ausführungsform wird der Schrägungswinkel β₁ durch einen Schrägungswinkel β_S der Steckverzahnung gebildet. Der Schrägungswinkel β₂ wird durch einen Schrägungswinkel β_K der Kupplungsverzahnung gebildet.
• Den Teilkreisradius r₁ bildet dabei ein Teilkreisradius rs der Steckverzahnung. Den Teilkreisradius r₂ bildet dabei ein mittlerer Teilkreisradius r_K der Kupplungsverzahnung.
• Der Reibungskoeffizient µ₁ ergibt sich dabei aus der ersten Materialpaarung MP1 der Steckverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µ_S. Der Reibungskoeffizient µ₂ ergibt sich dabei aus der zweiten Materialpaarung MP2 der Kupplungsverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µ_K.
• In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Axialkupplung umfasst diese zur Unterstützung des Entkupplungsvorganges der Axialkupplung in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 mit Materialpaarung MP1 eine Steckverzahnung und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit Materialpaarung MP2 eine Laufverzahnung.
• In dieser Ausführungsform wird der Schrägungswinkel β₁ durch einen Schrägungswinkel β_S der Steckverzahnung gebildet. Der Schrägungswinkel β₂ wird durch einen Schrägungswinkel β_L der Laufverzahnung gebildet.
• Den Teilkreisradius r₁ bildet dabei ein Teilkreisradius r_s der Steckverzahnung. Den Teilkreisradius r₂ bildet dabei ein Teilkreisradius r_L der Laufverzahnung.
• Der Reibungskoeffizient µ₁ ergibt sich dabei aus der ersten Materialpaarung MP1 der Steckverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µ_S. Der Reibungskoeffizient µ₂ ergibt sich dabei aus der zweiten Materialpaarung MP2 der Laufverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µ_L.
• In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Axialkupplung umfasst diese zur Unterstützung des Entkupplungsvorganges der Axialkupplung in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 mit Materialpaarung MP1 eine Kupplungsverzahnung und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit Materialpaarung MP2 eine Laufverzahnung.
• In dieser Ausführungsform wird der Schrägungswinkel β₁ durch einen Schrägungswinkel β_K der Kupplungsverzahnung gebildet. Der Schrägungswinkel β₂ wird durch einen Schrägungswinkel β_L der Laufverzahnung gebildet.
• Den Teilkreisradius r₁ bildet dabei ein mittlerer Teilkreisradius r_K der Kupplungsverzahnung. Den Teilkreisradius r₂ bildet dabei ein Teilkreisradius r_L der Laufverzahnung.
• Der Reibungskoeffizient µ₁ ergibt sich dabei aus der ersten Materialpaarung MP1 der Kupplungsverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µ_k. Der Reibungskoeffizient µ₂ ergibt sich dabei aus der zweiten Materialpaarung MP2 der Laufverzahnung mit einem Reibungskoeffizienten µL.
• Die Schemazeichnungen 1b - 1e zeigen die in Folgenden beschriebenen Zusammenhänge.
• Mit der Axialkupplung 100 ist eine erste Welle 200 mit einer zweiten Welle 220, gesteuert durch einen Aktuator 140, kuppelbar und entkuppelbar, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung WP1 mit einem ersten Schrägungswinkel β₁ und eine zweite Wirkflächenpaarung WP2 mit einem zweiten Schrägungswinkel β₂, wobei der erste Schrägungswinkel β₁ einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse 210 und der zweite Schrägungswinkel β₂ einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse 210 umfasst und die Summe der Schrägungswinkel β₁ plus β₂, über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft AGES erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung 100 unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst.
• Die Axialkupplung 100 umfasst in einer ersten Ausführungsform in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 eine Steckverzahnung 113 mit wenigstens einem Zahn 112 und der erste Schrägungswinkel β₁ umfasst einen Schrägungswinkel β_S und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 eine Kupplungsverzahnung 114 und der zweite Schrägungswinkel β₂ umfasst einen Schrägungswinkel β_K.
• Dabei kann ein Kupplungsring 130 der Kupplungsverzahnung 114 vorgesehen sein, der eine asymmetrische Verzahnung 131 mit wenigstens einem Zahn 112 umfasst, weiterhin umfassend eine Flanke 132, welche den Winkel β_K aufweist.
• Der Kupplungsring 130 ist durch einen Aktuator 140 in einer Öffnungsrichtung x steuerbar ausgebildet, wobei die Axialkraft A_GES das Öffnen der Axialkupplung 100 in Öffnungsrichtung x, unterstützt.
• Die Axialkupplung 100 umfasst in einer weiteren Ausführungsform in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 eine Steckverzahnung 113 mit wenigstens einem Zahn 112 und der erste Schrägungswinkel β₁ umfasst einen Schrägungswinkel β_S und in der zweiten Wirkflächenpaarung WP2 eine Laufverzahnung 600 und der zweite Schrägungswinkel β₂ umfasst einen Schrägungswinkel β_L.
• Die Axialkupplung 100 umfasst in einer weiteren Ausführungsform in der ersten Wirkflächenpaarung WP1 eine Kupplungsverzahnung 114 mit wenigstens einem Zahn 112 und der erste Schrägungswinkel β₁ umfasst einen Schrägungswinkel β_K und die zweite Wirkflächenpaarung WP2 umfasst eine Laufverzahnung 600 und der zweite Schrägungswinkel β₂ umfasst einen Schrägungswinkel β_L.
• Die erste Materialpaarung MP1 und die zweiten Materialpaarung MP2 der Axialkupplung 100 kann jeweils eine der Materialpaarungen aus Stahl, Bronze, Berylliumkupfer, Aluminium, Aluminiummehrstoffbronze, Keramik, Carbon oder Carbonfasern einzeln, beispielsweise Stahl auf Stahl Aluminium auf Aluminium etc. oder in Kombination beispielsweise Stahl auf Aluminium oder Stahl auf Bronze etc. umfassen, um ein sicheres Ein- und Auskuppeln zu gewährleisten.
• In den folgenden Beispielen werden im Einzelnen bevorzugte Ausführungsformen erläutert. Hierbei wird berücksichtigt, dass die Reibungskoeffizienten von der Materialpaarung, der Wärmebehandlung wie dem Härten, der Schmierung, der Kontaktdauer etc., abhängen. Das heißt, dass eine erhebliche Streuung der Reibwerte bei der Ausgestaltung der Lösung in jedem Anwendungsfall berücksichtigt wird.
• In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 ist ein Zehn-Gang Nabengetriebe beschrieben, welches aus einem Fünf-Gang Eingangsgetriebe EGG und einem Nachschaltgetriebe NSG, das einen direkten Gang und einen solchen mit einer Übersetzung der Drehzahl ins Schnelle, besteht. Im Direktgang läuft das Nachschaltgetriebe NSG bei geöffneter Kupplung KHR im Block um und im Schnellgang ist die Kupplung KHR geschlossen. Aufgrund des großen Übersetzungsverhältnisses werden etwa 35 % des Eingangsmomentes an die Nabenhülse übertragen, wobei für das von der Hauptachse aufzunehmende Gegenmoment 65% verbleiben. Dieses Moment ist von der Kupplung KHR zu schalten, wenn das Nachschaltgetriebe NSG vom Schnellgang in den Direktgang umgeschaltet wird. Der axial feststehende Teil der Kupplung KHR ist über eine Seitenwand fest mit dem Hohlrad HR5 verbunden (siehe 3a). Die axiale Einschränkung des Bewegungsraums der Kupplung KHR wird einerseits von der Mittelhülse MH und dem abtriebsseitigen Flansch der Hauptachse HA sichergestellt. Der axial bewegliche Teil der Kupplung KHR ist über die Steckverzahnung der Hauptachse HA drehfest direkt mit derselben verbunden und wird mittels eines Schaltfingers von der Steuernut NHR in der Schalttrommel ST gesteuert. Zum Öffnen der Kupplung KHR sind sowohl die Haftreibung zwischen dem verschiebbaren Kupplungsteil und der Hauptachse HA sowie die Haftreibung zwischen den anliegenden Flächen der Kupplungsverzahnungen zu überwinden.
• In der Folge werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wie sie innerhalb einer Gesamtvorrichtung wie einer Kupplungsbaugruppe oder eines Systems zur Anwendung kommt.
• Bevorzugter Weise werden die drehmomentabhängigen Axialkräfte in Öffnungsrichtung der Axialkupplung durch eine verdrehte Stellung der Normalen der Wirkflächen der ineinander greifenden Kupplungszähne erzeugt. Die Normalen weisen vorteilhaft mit der Orthogonalen zur Rotationsachse des Getriebes einen solchen Winkel β_K auf, dass im Grenzfall eine Kompensation der Reibungskräfte gegen die Axialkräfte, entsprechend Gleichung /10/ erreicht wird. Falls jedoch nur eine Teilkompensation durch eine geringere Winkelstellung der Normalen vorgenommen wird, so wird die Steuernut NHR, wie in 3b dargestellt, beibehalten. Bei vollständiger Kompensation oder Überkompensation durch die Schrägverzahnung(en) wird die Steuernut NHR über den gesamten Drehwinkel der Schalttrommel, wie in 3c gezeigt, mit konstanter, den Schaltfingern angepasster Breite ausgeführt, damit die Axialkupplung im Schließzustand auch sicher geschlossen bleibt.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4d dargestellt. Eine unter Last schaltbare Axialkupplung betrifft eine Blockumlaufkupplung, die zwei rotierende Teile schaltend miteinander verbindet oder trennt. Es handelt sich beispielsweise um eine Kupplung K70 eines Zehn-Gang Nabengetriebes aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 . Die dort verwendeten Bezugszeichen werden auch hier verwendet und ergänzt.
• Die Kupplung K70 verbindet ein Sonnenrad SR3 mit einer Mittelhülse MH, die auch als Teilsteg für den abtriebsseitigen Teil eines Eingangsgetriebes EGG dient. Der bewegliche Teil der Axialkupplung wird im Inneren der Mittelhülse MH mittels einer Steckverzahnung axial beweglich, drehgesichert geführt. Der axial feste Teil der Kupplung K70 ist auf der Abtriebsseite des axial eng geführten Sonnenrades SR3 einstückig untergebracht. Der bewegliche Teil der Kupplung K70 hat im Inneren einen ringförmigen Bund, der als Anlauffläche für einen auf der Hauptachse HA axial beweglich, drehgesichert geführten Schiebering verwandt wird.
• Der Schiebering ist so ausgebildet, dass der Bund im Inneren des beweglichen Kupplungsteils K70 freidrehend, von einer drehgesicherten, mit Federkraft beaufschlagten Anschlagscheibe und einer axial abgesetzten Anschlagfläche des Schieberings, eng geführt wird. Die axiale Länge des Absatzes ist nur geringfügig größer als die Wandstärke des innen liegenden ringförmigen Bundes des beweglichen Kupplungsteils. Hierdurch wird eine Klemmwirkung vermieden. Eine in Öffnungsrichtung wirkende Feder F71 sichert die Offenposition der Kupplung K70 ab. Eine in Schließrichtung wirkende Feder F70 unterstützt den Schließvorgang der Kupplung K70, da in einer Steuernut N70 auf einer Schalttrommel ST ein Spurwechsel erfolgt.
• Wird die Haftreibung nur teilkompensiert, wird der Schiebering nebst Anlaufscheibe AS um 180 Grad gedreht eingebaut und die Feder F71 entfällt. Denn nun wird, durch die Axialkräfte unterstützt, die Kupplung K70 gegen die Federkraft der Feder F70 geöffnet. Dies gilt in gleicher Weise auch bei den anderen Beispielen.
• Bei der Kupplung K70 können eine Schrägung der Steckverzahnung sowie der Kupplungsverzahnung kombiniert verwendet werden. Vorzugsweise wird hier die Kupplungsverzahnung schräg gestellt.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer unter Last schaltbaren Axialkupplung betrifft eine Kupplung, die auf der Außenfläche einer rotierenden, koaxial zu einer Hauptachse HA angeordneten Hülse sitzt und durch diese Hülse hindurch betätigt wird. Ein Beispiel für diese Ausführung ist die Kupplung 90 aus der deutschen Patentanmeldung DE10 2018 007 326 A1 . Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt vorliegend und vorteilsweise die Steuerung der durch Schrägungswinkel beim Entkuppeln unterstützen Axialkupplung selektiv über wenigstens einen Aktuator. Die Kompensation der Reibungskräfte kann vorzugsweise auf die Steckverzahnung und/oder die Kupplungsverzahnung aufgeteilt werden.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer unter Last schaltbaren Axialkupplung betrifft eine Axialkupplung, die als Mitlaufsperre eines Sonnenrades arbeitet und unter Last geschaltet werden muss. Kupplungen dieser Art finden sich in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 007 326 A1 und in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 129 423 A1 , insbesondere die dortigen Kupplungen 40 bzw. K40 der Eingangsgetriebe EGG. Dieses Eingangsgetriebe besitzt im ersten Teilgetriebe ein vollständiges Planetengetriebe mit Sonnen-, Planeten- und Hohlrad, dessen Antrieb der Planetenträger ist und der Abtrieb über das Hohlrad erfolgt. Zum Gangwechsel wird das Sonnenrad drehfest gesetzt oder freigegeben. Hierzu wird eine Mitlaufsperre benötigt. Beim Freigeben des axial eng geführten Sonnenrades muss die Axialkupplung unter Last geöffnet werden.
• Innerhalb des Sonnenrades wird nun erfindungsgemäß in dieser beispielhaften Kupplungsbaugruppe bzw. diesem beispielhaften System oder in dieser beispielhaften Gesamtvorrichtung zu diesem konzentrisch, mittels einer Steckverzahnung drehfest, axial verschiebbar der bewegliche Kupplungsteil geführt und zur Unterstützung des Schaltvorgangs werden vorzugsweise die Steckverzahnung mit einem Schrägungswinkel β_S und die Wirkflächen der Kupplungsverzahnung gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse 210 um den Winkel β_K verdreht.
• Der drehfeste und axial festgesetzte Teil der Axialkupplung ist vorzugsweise mit der Hauptachse HA über eine Steckverzahnung verbunden. Die axiale Sicherung wird wie in 5a dargestellt, mit Schrauben hergestellt, die in an die Schraube angepasste Bohrungen eingreift. Dargestellt in 5c ist die Ansteuerung der Axialkupplung für den Fall der Kompensation und Überkompensation der Reibkräfte. Die Ansteuerung der Axialkupplung entspricht derjenigen der Kupplung K70. Für den Fall der Unterkompensation gilt auch hier das dort beschriebene.
• Die vorliegende Erfindung umfasst eine Axialkupplung mit einer ersten Welle und mit einer zweiten Welle, welche gesteuert durch einen Aktuator kuppelbar und entkuppelbar ist, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung WP1 mit einem ersten Schrägungswinkel β₁ und einer zweiten Wirkflächenpaarung WP2 mit einem zweiten Schrägungswinkel β₂, wobei der erste Schrägungswinkel β₁ einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad und der zweite Schrägungswinkel β₂ einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad umfasst und die Summe der Schrägungswinkel β₁ plus β₂, über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft AGES erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst.
• Axialkupplungen finden bevorzugt in per ausschließlich pedalem bzw. manuellem Antrieb getriebenen Zweirädern, oder auch in zusätzlich oder ausschließlich motorisch angetriebenen Zweirädern, insbesondere in E-Bikes oder mit Elektromotor unterstützten Fahrrädern und Lastenrädern Anwendung.
• Figurenliste
• Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die Herleitung des zu Grunde liegenden Dimensionierungsverfahrens beschrieben. Diese Figuren zeigen:
• 1a: eine Axialkupplung im Stand der Technik mit geradverzahnter Steckverzahnung und orthogonaler Kupplungsverzahnung,
• 1b: eine erfindungsgemäße Axialkupplung mit schrägverzahnter Steckverzahnung und gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse gekippten Wirkflächen der Kupplungszähne,
• 1c: eine orthogonale Sicht in Richtung Rotationsachse mit einer Ausschnittsmarkierung,
• 1d: den Ausschnitt aus 1c ergänzt durch die Skizze eines stumpfen Doppelkeils als Modell für das bewegliche Kupplungsteil, welches zur Herleitung der Auslegungsverfahren verwendet wird,
• 1e: ein Modell der Kupplungsbaugruppe aus 1b, ergänzt durch einen Kräfteplan bei einem Drehmoment, welches das Sonnenrad von links betrachtet im Uhrzeigersinn drehen möchte,
• 2: den schematischen Getriebeschnitt einer Hinterradnabe aus der DE 10 2021 129 423 A1 ,
• 3a: die Einbausituation einer Kupplung KHR einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
• 3b: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut NHR für den Fall der Unterkompensation,
• 3c: eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut NHR für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte,
• 3d: die Einbausituation einer Kupplung KSR, die indirekt mittels einer Kupplung KHR über schräggestellte Lauf- und/oder Steckverzahnung automatisch geschaltet wird,
• 4a: eine bevorzugte Ausführungsform einer unter Last schaltbaren Kupplung K70, die eine Blockumlaufkupplung ist,
• 4b: eine bevorzugte Ausführungsform einer Abwicklung der Steuernut N70 auf der Schalttrommel ST und die Raststellungen KR der Schaltstellungen G1-G10,
• 4c: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N70 für den Fall der Unterkompensation,
• 5a: eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer Kupplung K40 in einer isolierten und detaillierteren Darstellung bei Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte,
• 5b: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N40 für den Fall der Unterkompensation,
• 5c: eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N40 für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation,
• 6: eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer Kupplung K90 und
• 7: eine bevorzugte Ausführungsform eines Ausschnitts eines Eingangsgetriebes EGG mit schrägverzahnter Laufverzahnung.
• 6. Detaillierte Beschreibung
• Gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf.
• 1a zeigt eine Axialkupplung im Stand der Technik mit geradverzahnter Steckverzahnung und orthogonaler Kupplungsverzahnung.
• 1b zeigt eine erfindungsgemäße Axialkupplung mit schrägverzahnter Steckverzahnung und gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse gekippten Wirkflächen der Kupplungszähne.
• Eine erste Welle 200 trägt ein Drehmoment M1 in die Axialkupplung 100 ein. Die erste Welle 200 ist entweder über eine Verzahnung (nicht dargestellt) oder fest mit einem Stirnrad 120 verbunden.
• Eine zweite Welle 220 übernimmt im gekuppelten Zustand der Axialkupplung 100 ein Drehmoment M2, welches betragsmäßig gleich M1 ist.
• Die erste Welle 200 und die zweite Welle 220 sind um eine Rotationsachse 210 sowohl im Fall eines Stirnradgetriebes als auch im Fall eines Planetengetriebes prinzipiell drehbar in einer Getriebeanordnung gelagert. Die erste Welle 200 oder die zweite Welle 220 können im Fall eines Planetengetriebes aber auch axial und drehfest festgesetzt sein.
• Die Axialkupplung 100 umfasst einen Kupplungsring 130, der im eingekuppelten Zustand in eine Kupplungsverzahnung 114 greift, welche verdrehfest oder alternativ einstückig mit einer Steckverzahnung 113 verbunden ist. Die Steckverzahnung 113 ist axial verschiebbar und verdrehfest mit dem Stirnrad 120 verbunden. Die Steckverzahnung 113 umfasst wenigstens einen Zahn 112, welcher einen Schrägungswinkel β_S von 0 Grad bis 30 Grad aufweist.
• Der Kupplungsring 130 umfasst wenigstens einen asymmetrischen Zahn 131, welcher im eingekuppelten Zustand in eine ebenfalls asymmetrische Verzahnung 114 des beweglichen Kupplungsteils 110 eingreift. Die asymmetrischen Zähne 131, 114 weisen eine steile Flanke 132 und eine flachere Rampe 133 (siehe 1d) auf. Die Rampe 133 weist gegenüber der einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse 210 einen Schrägungswinkel β3 im Bereich von 45 Grad bis 75 Grad auf (siehe 1d). Dies dient der sicheren Überkompensation der Reibungskräfte, damit die Kupplung als Freilauf arbeiten kann. Die Flanke 132 weist gegenüber einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse 210 einen Schrägungswinkel β_K im Bereich von 0 Grad bis max. 30 Grad auf (siehe 1d).
• Die beiden Schrägungswinkel β_S und β_K oder die beiden Schrägungswinkel β_L und β_K oder die beiden Schrägungswinkel β_L und β_S betragen jeweils in Summe 3 Grad bis 35 Grad, insbesondere 5 Grad bis 22 Grad und vorzugsweise 7 Grad bis 20 Grad und erbringen die zur Unterstützung einer Trennung der Axialkupplung 100 unter Last erforderlichen Axialkräfte A_S und A_K (siehe 1e). Die Axialkräfte A_S und A_K unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x, sobald der Kupplungsring 130 durch einen Aktuator 140 (siehe 1e) in Öffnungsrichtung x gesteuert wird.
• Die Summe der jeweils beiden Schrägungswinkel βS plus βK oder βL plus βK oder βL plus βS weisen einen Wert im Bereich zwischen 3 Grad und 35 Grad, insbesondere im Bereich zwischen 5 Grad und 22 Grad, vorzugsweise im Bereich zwischen 7 Grad und 20 Grad, auf.
• Die axialen Kraftkomponenten A_S und A_K helfen die Reibkräfte R_S und R_K zu überwinden. Damit ist eine Unterkompensation, eine Kompensation oder eine Überkompensation der Reibungskräfte R_S und R_K erzeugbar. Die Axialkräfte A_S und A_K sind dabei abhängig von der Differenz aus dem Betrag des auf die Axialkupplung 100 wirkenden Eingangsmoments der jeweils auszukuppelnden Getriebestufe und dem Betrag des Ausgangmoments der jeweils auszukuppelnden Getriebestufe.
• Die Axialkräfte A_S und A_K unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x, sobald diese durch einen Aktuator 140 (siehe 1e) in Öffnungsrichtung x gesteuert wird.
• Als Materialien werden vorzugsweise Stahl und Aluminium oder Stahl und Stahl eingesetzt. Es kommen aber auch andere Materialien in Kombination mit Stahl oder in Kombination miteinander, wie beispielsweise Aluminiumbronze, Bronze, Berylliumkupfer, Messing, Industriekeramik oder massive oder oberflächenbeschichtete Komponenten mit einer reibungsarmen aber tribologisch widerstandsfähigen Oberfläche, beispielsweise aus Carbon oder Carbonfasern in Betracht, um so möglichst kleine Reibungswinkel ρ_S und ρ_K realisieren zu können, bei denen auch unter hoher Last und starken Erschütterungen von außen ein sicheres Ein- und Auskuppeln zwischen dem beweglichen Kupplungsteil 110 und dem Kupplungsring 130 zu gewährleisten ist.
• Die Axialkupplung umfasst eine Materialpaarung zwischen dem Kupplungsring 130 und der Kupplungsverzahnung 114 und zwischen der Steckverzahnung 113 und der Führung des Stirnrades 120 eine Materialpaarung aus Stahl, Aluminium, Aluminiummehrstoffbronze, Bronze, Berylliumkupfer, Messing, Industriekeramik oder massive oder oberflächenbeschichtete Komponenten Carbon oder Carbonfasern, um ein sicheres Ein- und Auskuppeln zwischen der Sperre und dem Kupplungsring zu gewährleisten.
• Auf den beweglichen Kupplungsteil 110 wird über optionale Federn 111; 111' gegenüber einem feststehenden Gehäuseteil oder gegenüber einer axial starren Komponente eine die Kupplung schließende Kraft ausgeübt (siehe 1e).
• Der bewegliche Kupplungsteil 110 ist über das Stirnrad 120 axial beweglich geführt. Das Stirnrad 120 weist innen eine Steckverzahnung mit einem Schrägungswinkel β_S auf.
• 1c zeigt eine orthogonale Ansicht in Richtung Rotationsachse mit einer Ausschnittsmarkierung.
• 1d zeigt den Ausschnitt aus 1c ergänzt durch die Skizze eines stumpfen Doppelkeils als Modell für das bewegliche Kupplungsteil, welches zur Herleitung der Auslegungsverfahren verwendet wird.
• Am beweglichen Kupplungsteil 110 mit Steckverzahnung ist am Beispiel eines Zahnes 112 der Steckverzahnung der Schrägungswinkel β_S und am Beispiel eines Zahnes der Kupplungsverzahnung 114 der Schrägungswinkel β_K dargestellt, welche zusammen ein abgeleitetes axial bewegliches Keilmodell bilden, welches in 1e näher dargestellt ist.
• 1e zeigt ein Modell der Kupplungsbaugruppe aus 1b, ergänzt durch einen Kräfteplan bei einem Drehmoment, welches das Sonnenrad von links betrachtet im Uhrzeigersinn drehen möchte. Dort findet sich der Doppelkeil, der eine analoge Problemstellung zu einer Axialkupplung mit einer Steckverzahnung und einer Kupplungsverzahnung darstellt. Der Keil ist in dieser Analogie der bewegliche Teil der Kupplung. Dieser hat zwei schrägverzahnte Wirkflächen, für die die mathematische Herleitung analog ist (i = S für die Steckverzahnung und i = K für die Kupplungsverzahnung). Alle Kräfte werden im Folgenden betragsmäßig betrachtet. An den Wirkflächen wirken die Normalkräfte N_i. Daraus resultieren die Reibkräfte, die parallel zu den Zahnflanken wirken: $${\text{R}}_{\text{i}}={\mathrm{\mu }}_{\text{i}}*{\text{N}}_{\text{i}}$$

  
• Die tangentiale Komponente der Normalkraft, N_i * cos(βi), muss durch die anliegende Tangentialkraft F_i aufgebracht werden. Zusätzlich hat die Reibkraft auch eine Komponente R_i * sin(βi) in Richtung der anliegenden Tangentialkraft, die diese ebenfalls aufbringen muss. Es gilt also: $${\text{F}}_{\text{i}}={\text{N}}_{\text{i}}*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)+{\text{R}}_{\text{i}}*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)$$

  
• Unter Verwendung der Gleichungen /1/ und /2/ lässt sich folgende Relation herleiten: $${\text{N}}_{\text{i}}={\text{F}}_{\text{i}}/\left(\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)+{\mathrm{\mu }}_{\text{i}}*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)\right)$$

  
• Die anliegende Tangentialkraft F_i hängt vom anliegenden Drehmoment, sowie dem wirksamen Teilkreisradius der Verzahnung ab: $${\text{F}}_{\text{i}}={\text{M/r}}_{\text{i}}$$

  
• In axialer Richtung wirken zum einen eine Komponente der Normalkraft, A_i = N_i * sin(βi), sowie eine Komponente der Reibkraft, R_i * cos(βi) in entgegengesetzter Richtung. Die resultierende Axialkraft X_i ergibt sich somit zu: $${\text{X}}_{\text{i}}={\text{N}}_{\text{i}}*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)-{\text{R}}_{\text{i}}/\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)$$

  
• Unter Verwendung der Gleichungen /1/ bis /5/ lässt sich die Axialkraft X_i zu $${\text{X}}_{\text{i}}=\text{M}/{\text{r}}_{\text{i}}*\left[\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)-{\mathrm{\mu }}_{\text{i}}*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)\right]/\left[\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)+{\mathrm{\mu }}_{\text{i}}*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{i}}\right)\right]$$

  

  bestimmen. Für den Spezialfall A_i = 0 ergibt sich dann: $${\mathrm{\beta }}_{\text{i}}=\text{arctan}\left({\mathrm{\mu }}_{\text{i}}\right)$$

  
• Ein Schrägungswinkel, der diese Relation erfüllt, wird auch Reibwinkel ρ_i genannt.
• Die gesamte Axialkraft, die auf den beweglichen Teil der Kupplung wirkt, ist die Summe der Axialkräfte der Steck- und Kupplungsverzahnung, also: $${\text{X}}_{\text{GES}}={\text{X}}_{\text{S}}+{\text{X}}_{\text{K}}$$

  
• Erfindungsgemäß soll im Falle vollständiger Kompensation der Reibkräfte die Summe der Axialkräfte gleich null sein, also X_GES = 0. Daraus folgt: $$\begin{array}{l}\left[\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{K}}\right)-{\mathrm{\mu }}_{\text{K}}*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{K}}\right)\right]/\left[\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{K}}\right)+{\mathrm{\mu }}_{\text{K}}*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{K}}\right)\right]\\ =-{\text{r}}_{\text{K}}/{\text{r}}_{\text{S}}*\left[\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)-{\mathrm{\mu }}_{\text{S}}*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)\right]/\left[\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)+{\mathrm{\mu }}_{\text{S}}*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)\right]\end{array}$$

  
• β_K ist somit abhängig von β_S, wobei eine Lösung gefunden werden kann durch: $${\mathrm{\beta }}_{\text{K}}=2*\text{arctan}\left(\left[\text{a}*\text{b}+{\left(\left({\text{a}}^2+1\right)*\left({\text{b}}^2+1\right)\right)}^{1/2}-1\right]/\left[\text{a}+\text{b}\right]\right)$$

  

  mit: $$\text{a}={\mathrm{\mu }}_{\text{K}}$$

  

  $$\text{b}=-{\text{r}}_{\text{K}}/{\text{r}}_{\text{S}}*\left[\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)-{\mathrm{\mu }}_{\text{S}}*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)\right]/\left[\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)+{\mathrm{\mu }}_{\text{S}}*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}\right)\right]$$

  
• Empirisch konnte für übliche Schrägungswinkel eine hinreichend gute Näherung ermittelt werden, gegeben durch: $${\mathrm{\beta }}_{\text{K}}={\mathrm{\rho }}_{\text{K}}-\left({\text{r}}_{\text{K}}/{\text{r}}_{\text{S}}\right)*\left({\mathrm{\beta }}_{\text{S}}-{\mathrm{\rho }}_{\text{S}}\right)$$

  
• Für die weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfassend einer Schrägstellung einer Steck- und einer Laufverzahnung oder einer Lauf- und einer Kupplungsverzahnung ist die Herleitung analog.
• In der Folge werden Beispiele von konkreten Ausführungen der Erfindung beschrieben, wie sie innerhalb einer Gesamtvorrichtung wie einer Kupplungsbaugruppe oder eines Systems eines Getriebes zur Anwendung kommen.
• 2 zeigt eine Hinterradnabe mit einem Mehrganggetriebe, die aus Planetengetrieben gebildet ist, die mittels axial verschieblicher Schieberinge mit Schaltfingern in gewendelte Nuten N24 bis N74, NSR, NHR in einer Schalttrommel eingreifen, wobei die Schaltfinger zudem in radialen, parallel zur Getriebeachse orientierten Schlitzen einer sie umschließenden hohlen Hauptachse HA geführt sind und dadurch verschiedene Gänge zu schalten sind, indem durch die Schieberinge kuppelnd federbelastet sich radial erstreckende mit erfindungsgemäß axialen Zähnen besetzte Kupplungsringe einer jeweiligen Gangstufe gemäß freizustellen sind, wobei das auf der Hauptachse angeordnete Mehrganggetriebe von einer Antriebshülse AH ausgehend aus einem Fünf-Ganggetriebe als Eingangsgetriebe EGG besteht, das aus einem zweistufigen und einem darauf folgenden einstufigen Planetengetrieben besteht, sowie ein ins Schnelle umsetzendes daran anschließendes einstufigen Planetengetriebe als Nachschaltgetriebe NSG umfasst, das auf einer Mittelhülse MH angeordnet ist und jeweils angekuppelt die ersten fünf Gänge mit einer Nabenhülse NH verbindet oder diese Gänge bei festgelegtem Hohlrad HR4 verdoppelnd gekuppelt abgehend auf die Nabenhülse NH überträgt, wobei diese so gebildeten 10 Gangstufen mit 7 Kupplungen K20, K30, ..., KHR so geschaltet sind, dass jeweils nur wenige der Planetensätze abwälzend unter Last im Eingriff sind.
• Mindestens zwei der Planetengetriebe PR1, PR2 sind einander gleich und diese weisen miteinander verbundene ringförmige Hohlräder HR2-3 auf, und die Planetenträger PT2, PT3 dieser beiden Planetengetriebe sind axial und radial mit einem Zwischenlager ZL gegeneinander abgestützt.
• Das Sonnenrad SR5 des Nachschaltgetriebes NSG ist auf der Mittelhülse MH gelagert und axialverschieblich und verdrehfest mit der Nabenhülse NH verbunden, sowie mit einer Sonnenradkupplung KSR mit dem ausgangsseitigen Planetenträger PT3 des Eingangsgetriebes EGG erfindungsgemäß kuppelbar, und das Hohlrad HR4 des Nachschaltgetriebes NSG ist achsnah mit der Hauptachse HA mit einer Hohlradkupplung KHR erfindungsgemäß kuppelbar.
• 3a zeigt die Einbausituation einer Kupplung KHR einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• 3b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Abwicklung der Steuernut NHR auf der Schalttrommel ST und die Raststellungen KR der Schaltstellungen G1-G10.
• 3c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut NHR für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte.
• In 3d ist eine weitere vereinfachte Ausführungsform des Nachschaltgetriebes dargestellt, bei der die Schaltung der Sonnenradkupplung KSR nicht von der Schalttrommel ST aus erfolgt, sondern die Schubkräfte einer Schrägverzahnung des Nachschaltgetriebes und/oder die Schrägverzahnung der Steckverzahnung des Drehmomentübertragers in der Nabenhülse NH so genutzt werden, dass die Sonnenradkupplung KSR immer selbsttätig, entgegengesetzt zur aktiv geschalteten Hohlradkupplung KHR, jeweils gegen eine Federkraft geöffnet bzw. geschlossen ist. Demgemäß ist im direkten Gang die Sonnenradkupplung KSR geschlossen und die Hohlradkupplung KHR geöffnet. Das Nachschaltgetriebe läuft deshalb als Block um. Bei der bevorzugten Variante ist die Laufverzahnungsschrägung und/oder die Steckverzahnungsschrägung so orientiert, dass das Sonnenrad SR5 sich unter Last durch die Axialkraft vom feststehenden Teil der Kupplung KSR wegbewegt und das Hohlrad HR5 eine entgegengesetzte Kraft erfährt, welche mit dem axialen Stützlager ASL gegen die Nabenhülse NH abgestützt wird. Der Drehmomentübertrager D5 ist drehfest aber axial verschiebbar mit der Nabenhülse NH sowie drehfest und axial fest mit dem Sonnenrad SR5 verbunden. Bei Stillstand oder im Betrieb im direkten Gang des Nachschaltgetriebes NSG ist die Sonnenradkupplung KSR mittels der Rückstellfeder F5, die den Drehmomentübertrager D5 axial gegen die Nabenhülse NH abstützt, geschlossen. Diese Bewegung ist durch einen Anschlag in der Nabenhülse NH begrenzt. Die Axialkräfte des Hohlrades HR5 werden über ein axial belastbares Wälzlager zwischen der Nabenhülse NH und dem Hohlrad HR5 direkt, und/oder über ein axiales Stützelement ASE auf der Hauptachse HA aufgenommen. Unterstützt wird der Schaltvorgang dadurch, dass beim Schließen der Hohlradkupplung KHR das Sonnenrad SR5 den Planetenträger PT5 überholt und damit in den Freilaufmodus wechselt, wobei die Orientierung der Kupplungszähne zusätzlich dafür sorgt, dass die Kupplung KSR geöffnet wird. Es findet ein Wechsel des Antriebes der Nabenhülse NH von der Mittelhülse MH zum Sonnenrad SR5 ohne Lastunterbrechung statt.
• 4a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer unter Last schaltbaren erfindungsgemäßen Kupplung K70. Es handelt sich um eine Blockumlaufkupplung, die zwei rotierende Teile schaltend miteinander verbindet oder trennt. Es handelt sich beispielsweise um die Kupplung K70 eines 10-Gang Nabengetriebes aus der Patentanmeldung DE 10 2021 129 423.1 . Diese Kupplung ist hier erfindungsgemäß ausgeführt. Die dort verwendeten Bezugszeichen werden auch hier verwendet und ergänzt. Die in diesem Systembeispiel erfindungsgemäß ausgeführte Kupplung K70 verbindet das Sonnenrad SR3 mit der Mittelhülse MH, die auch als Teilsteg für den abtriebseitigen Teil des Eingangsgetriebes dient. Der bewegliche Teil der Kupplung wird im Inneren der Mittelhülse mittels einer Steckverzahnung axial beweglich, drehgesichert geführt. Der axial feste Teil der Kupplung ist auf der Abtriebseite des axial eng geführten Sonnenrades SR3 einstückig untergebracht. Der bewegliche Teil der Kupplung hat im Inneren einen ringförmigen Bund, der als Anlauffläche für den auf der Hauptachse axial beweglich, drehgesichert geführten Schiebering verwandt wird. Der Schiebering ist so ausgebildet, dass der Bund im Inneren des beweglichen Kupplungsteils freidrehend, von einem drehgesicherten, mit Federkraft beaufschlagten Anschlagring und einer axial abgesetzten Anschlagfläche des Schieberings, eng geführt wird. Die axiale Länge des Absatzes ist nur geringfügig größer als die Wandstärke des innen liegenden Ringförmigen Bundes des beweglichen Kupplungsteils. Hierdurch wird eine Klemmwirkung vermieden. Die in Öffnungsrichtung wirkende Feder F71 sichert die Offenposition der Kupplung ab. Die in Schließrichtung wirkende Feder F70 unterstützt den Schließvorgang der Kupplung, da in der Steuernut N70 auf der Schalttrommel ST ein Spurwechsel erfolgt. Wird die Haftreibung nur teilkompensiert, wird der Schiebering nebst Anlaufscheibe um 180 Grad gedreht eingebaut und die Feder F71 entfällt. Denn nun wird, durch die Axialkräfte unterstützt, die Kupplung K70 gegen die Federkraft der F70 geöffnet. Dies gilt in gleicher Weise auch bei den anderen Beispielen.
• Bei der K70 können eine Schrägung der Steckverzahnung sowie der Kupplungsverzahnung kombiniert verwendet werden. Vorzugsweise wird hier die Kupplungsverzahnung schräg gestellt.
• Die Axialkräfte A_S und A_K (siehe jeweils 1e) unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x (ebenfalls in 1e dargestellt), sobald diese durch einen Aktuator 140 gesteuert wird.
• 4b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Abwicklung der Steuernut N70 auf der Schalttrommel ST und die Raststellungen KR der Schaltstellungen G1-G10 für den Fall der Unterkompensation.
• 4c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuernut N70 für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation. Der Schaltfinger SF wird von beiden Flanken der Steuernut N70 eng geführt.
• 5a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer erfindungsgemäßen Kupplung K40 in einer isolierten und detaillierteren Darstellung bei Kompensation bzw. Überkompensation der Axialkräfte. In dieser Ausführungsform wird eine schrägverzahnte Steckverzahnung und/oder eine schräge Kupplungsverzahnung verwendet.
• Es ist eine Planetenstufe, deren Antrieb ein Planetenträger ist und der Abtrieb über ein Hohlrad erfolgt. Zum Gangwechsel wird ein Sonnenrad SR2 drehfest gesetzt oder freigegeben. Hierzu wird eine Mitlaufsperre benötigt. Beim Freigeben des Sonnenrades SR2 muss die Kupplung K40 unter Last geöffnet werden. Innerhalb des Sonnenrades SR2 wird zu diesem konzentrisch, mittels einer Steckverzahnung SST drehfest, axial verschiebbar der bewegliche Kupplungsteil geführt. Zur Unterstützung des Schaltvorgangs wird die Steckverzahnung SST mit einem Schrägungswinkel β_S und/oder die Wirkflächen der Kupplungsverzahnung bezüglich einer gedachten Ebene durch die Rotationsachse des Getriebes um den Winkel β_K verdreht. Der drehfeste und axial festgesetzte Teil der Kupplung K40 ist mit der Hauptachse HA über eine Steckverzahnung SST verbunden. Die axiale Sicherung wird vorzugsweise, wie in 5a dargestellt, mittels Schrauben hergestellt, die in an die Schraube angepasste Bohrungen eingreift. Dargestellt in 5c ist die Ansteuerung der Axialkupplung für den Fall der Kompensation und Überkompensation der Reibkräfte. Die Ansteuerung der Kupplung K40 entspricht derjenigen der Kupplung K70. Für den Fall der Unterkompensation gilt auch hier das dort beschriebene.
• Die Axialkräfte A_S und A_K (siehe jeweils 1e) unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x (ebenfalls in 1e dargestellt), sobald diese durch einen Aktuator 140 gesteuert wird.
• 5b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Nut N40 für den Fall der Unterkompensation.
• 5c zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Nut N40 für den Fall der Kompensation bzw. Überkompensation.
• 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einbausituation einer Kupplung K90.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für ein derartiges Getriebe ist in 6 schematisch dargestellt. Die dort gezeigte abtriebsseitige Kupplung K90 des Nachschaltgetriebes NSG ist über zwei kaskadierte Schaltfinger angesteuert, dessen einer in einer Nut N94 in der Schalttrommel ST Spielarm geführt ist und dessen zweiter die rotierende Abtriebshülse H durchsetzt und einen Kupplungsring 130 ansteuert. Zwei Federn F90 und F91 zentrieren die gestapelten Schaltfinger. Bei geschlossener Kupplung K90 wird das Abtriebsmoment von der abtriebsseitigen Seitenwand des Hohlrades HR auf die Abtriebshülse übertragen, das frei rotieren kann, da ein Sicherungsring SR dessen axiales Spiel auf der Abtriebshülse H festlegt.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Axialkupplung 100 näher an einer Hauptachse platziert. Die Axialkupplung 100 liegt in einer rotierenden Hülse H. Eine zur Schalterleichterung genutzte Schrägverzahnung ist zwischen einem Planetenträger PT und einer abtriebsseitigen Kupplungshälfte angeordnet. An dieser greifen auch Schaltfinger SF sowie zentrierende Federn an. Eine Stapelung von Schaltfingern SF entfällt also, wodurch die Konstruktion und Fertigung erheblich vereinfacht wird.
• Bei den Kupplungen in dem Getriebe gemäß der DE 10 2018 007 A1 sind in dem ausgangsseitigen Getriebeblock die Schaltkräfte einiger Kupplungen K50, K90 über mehrere Stufen den Schaltringen zugeführt, wobei mitlaufende Hülsen von Schaltelementen durchsetzt werden, sodass bei einer Schrägstellung der Getriebeverzahnung an den Schaltelementen schwer zu kontrollierende Axialkräfte auftreten oder zum Schalten erforderlich sind. Es sind deshalb dort nur geringe Schrägstellungen von wenigen Grad vorgesehen.
• Die Axialkräfte A_S und A_K (siehe jeweils 1e) unterstützen das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x (ebenfalls in 1e dargestellt), sobald diese durch einen Aktuator 140 gesteuert wird.
• 7 zeigt einen Ausschnitt des Eingangsgetriebes EGG mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Axialkupplung 100. Die beiden symmetrischen Planetengetriebe mit den Planetenrädern PR2 und PR3 sind mit symbolisch dargestellten Schrägverzahnungen versehen. Die hierbei entstehenden Axialkräfte sind so gerichtet, wie die Pfeile an den Sonnenrädern SR2, SR3 und an den Hohlrädern HR2 und HR3 andeuten, nämlich in den Öffnungsrichtungen der erfindungsgemäßen Kupplungen K40, K50. Die Reaktionskräfte, die über die Planetenräder PR2, PR3 auf die miteinander verbundenen Hohlräder HR2 und HR3 wirken, kompensieren sich gegenseitig und halten sie zentriert aufeinander als ein sog. fliegendes Ringpaar. Den Öffnungskräften A_S und A_K entgegengerichtet sind Schließfedern F40, F50. Dadurch sind relativ moderate Schaltkräfte an den Schaltfingern, die jeweils in loser Passung in Steuernuten N40, N50 greifen, erforderlich, um auch bei hoher Getriebelast die Umschaltung der Axialkupplungen zu bewerkstelligen.
• Die Lösefedern F41, F51 sind so dimensioniert, dass die Schieberinge geöffnete Kupplungsstellungen sichern, auch wenn bei fehlender oder geringer Getriebelast keine Hilfskraft aus der Schrägverzahnung verfügbar ist.
• Es ist vorteilhaft, dass die Sonnenräder und der zugehörige Kupplungsring einteilig zu fertigen sind. In dem bezeichneten Hinterradgetriebe genügt ein Kupplungsweg zwischen dem Schließ- und Öffnungszustand von nur ca. 1,5 mm.
• Bei 7 werden die Axialkräfte der Laufverzahnung und die der Kupplungsverzahnung genutzt. Lediglich die Kupplung K40 wird unter Last geöffnet. Die Kupplung K50 geht in den Freilaufmodus über, wenn die Kupplung K70, die Blockumlaufkupplung, geschlossen wird. Das Sonnenrad SR3 wird dann einfach in Drehrichtung mitgenommen. Deshalb könnte auf die Schrägung bei Kupplung K50 verzichtet werden. Die Ansteuerung bleibt dann so, wie diese in der 2 zu sehen ist. Hierdurch wird eine Ausgestaltung bereitgestellt, die es ermöglicht, bei schwierigen Platzverhältnissen gute Lösungen zu finden. In diesem Fall sind die Axialkräfte der Kupplung K50 unterkompensiert.
• Die Kupplung K40 arbeitet als Mitlaufsperre und die Kupplung K50 arbeitet als Rücklaufsperre.
• Die Schrägverzahnung befindet sich in einer bevorzugten Ausführungsform einerseits auf den Laufverzahnungen und andererseits auch in der Kupplungsverzahnung. Dies liegt in der geometrischen und tribologischen Situation begründet, da auch nur die Kupplung K40 unter Last geschaltet werden muss. Bei einem angenommenen Wälzreibwert der Laufverzahnung von µ_L = 0,015, was einem Reibwinkel ρ_L von 0,86 Grad entspricht, bezogen auf einen Teilkreisradius r_L von 25 mm, einem mittleren Teilkreisradius r_K der Kupplungsverzahnung von 17,2 mm bei einem Reibwert µ_K von 0,12, was einem Reibungswinkel ρ_K von 6,84 Grad entspricht, ergeben sich die folgenden Auslegungsvarianten bei Kompensation der Reibkräfte gemäß dem erfinderischen Verfahren: $${\mathrm{\beta }}_{\text{K}}=0=>{\mathrm{\beta }}_{\text{L}}=\mathrm{10,9}\text{ Grad}$$

  

  $${\mathrm{\beta }}_{\text{K}}={\mathrm{\rho }}_{\text{K}}=\mathrm{6,84}\text{ Grad}\text{, }{\mathrm{\beta }}_{\text{L}}={\mathrm{\rho }}_{\text{L}}=\mathrm{0,86}\text{ Grad},$$

  

  $${\mathrm{\beta }}_{\text{K}}=3\text{ Grad}=>{\mathrm{\beta }}_{\text{L}}=\mathrm{6,44}\text{ Grad sowie}$$

  

  $${\mathrm{\beta }}_{\text{K}}=5\text{ Grad}=>{\mathrm{\beta }}_{\text{L}}=\mathrm{3,54}\text{ Grad}.$$

  
• Man erkennt, dass die Summe der Reibungswinkel ρ_K und ρ_L nur bei einzeln auskompensierten Verzahnungen der tatsächlich notwendigen Winkelsumme entspricht.
• Die Axialkraft AGES unterstützt das Öffnen der Axialkupplung 100 in der Öffnungsrichtung x, sobald diese durch einen Aktuator 140 (siehe 1e) in Öffnungsrichtung x gesteuert wird.
• Die 2 bis 7 zeigen eine Kupplungsbaugruppe oder Ausschnitte einer Kupplungsbaugruppe umfassend ein Planetengetriebe mit mindestens einer Axialkupplung 100 mit einem axial verschiebbaren Kupplungsring 130 zur Betätigung einer axial verzahnten Axialkupplung 100, die einerseits von einer Schließfeder 111, 111' mit einer Schließkraft beaufschlagt ist und zudem mit wenigstens einem Aktuator 140, umfassend wenigstens einen Schaltfinger eingreifend in eine partiell gewendelte Führungsnut einer Schalttrommel, so dass jeweils in vorgegebenen Verdrehstellungen derselben deren Nutenseitenwand eine Schaltkraft gegen die Schließkraft auf die Schaltfinger ausüben und dadurch die Axialkupplung 100 öffnet und somit einen anderen Schaltzustand der jeweiligen Getriebestufe herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung des Planetengetriebes als eine Schrägverzahnung so ausgebildet ist, dass dadurch unter einer Belastung auftretenden drehmomentabhängige Axialkräfte AGES in Öffnungsrichtung der Axialkupplung 100, umfassend die Kupplungen K40, K50 wirken, und die durch die zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen auftretende, einer Trennung der Axialkupplung 100 entgegen gerichtet wirkende, Haftreibung weitgehend kompensieren, wobei daraus resultierende an den Kupplungselementen auftretende Reaktionskräfte mit Stützelementen an benachbarten Getriebekomponenten abgefangen werden.
• Die Bezugszeichenliste bezieht sich auf die beigefügten Figuren.

100

Axialkupplung

110

beweglicher Kupplungsteil

111; 111'

Feder

112

wenigstens ein Zahn der Steckverzahnung

113

Steckverzahnung

114

Kupplungsverzahnung

120

Stirnrad

130

Kupplungsring

131

asymmetrische Zähne

132

steile Flanke der Kupplungsverzahnung

133

flache Rampe der Kupplungsverzahnung

140

Aktuator

200

erste Welle

220

zweite Welle

210

Rotationsachse

300

Schiebering mit Bund

600

Laufverzahnung

WP1

erste Wirkflächenpaarung

WP2

zweite Wirkflächenpaarung

MP1

erste Materialpaarung

MP2

zweite Materialpaarung

ps

Reibungswinkel Steckverzahnung

ρK

Reibungswinkel Kupplungsverzahnung

ρL

Reibungswinkel Laufverzahnung

βS

Schrägungswinkel von 113

βK

Schrägungswinkel von 114

βL

Schrägungswinkel von 600

β1

erster Schrägungswinkel

β2

zweiter Schrägungswinkel

β3

Schrägungswinkel von 133

µS

Reibungswert Steckverzahnung

µK

Reibungswert Kupplungsverzahnung

µL

Reibungswert Laufverzahnung

rS

Teilkreisradius Steckverzahnung

rK

mittlerer Teilkreisradius Kupplungsverzahnung

rL

Teilkreisradius Laufverzahnung

NS, NK

Normalkraft Steck-/Kupplungsverzahnung

RS, RK

Reibkraft Steck-/Kupplungsverzahnung

FS, FK

Tangentialkraft Steck-/Kupplungsverzahnung

AS, AK

axiale Komponente von N_S, N_K

AGES

Summe der durch Schrägstellung von Zahnrädern Erzeugten Axialkräfte

XS, XK

Effektive Axialkraft an Steck-/Kupplungsverzahnung

XGES

Summe der effektiven Axialkräfte

x,

Öffnungsrichtung

M1, M2

Drehmoment

M

Betrag des Drehmoments M1/M2

AH

Antriebshülse

HA

Hauptachse

MH

Mittelhülse

NH

Nabenhülse

ST

Schalttrommel

N20, N30, N40, N50, N60, N70, N80, N90, NSR, NHR

Steuernut(en)

L

Lager von MH

PT1-2, PT3/PT3-4, PT5

Planetenträger

ZL

Zwischenlager PT1-2 zu PT3-4

SR1 - SR5

Sonnenräder

PR1 - PR5

Planetenräder

HR2-3, HR5

Hohlräder

F5

Rückstellfeder

F40, F50

Schließfeder

F41, F51

Lösefeder

F70, F71

Feder

ASL

axiales Stützlager

ASE

axiales Stützelement

D5

Drehmomentübertrager

KR

Raststellungen

AS

Anlaufscheibe

IGH

Integrated Gear Hub

HR

Hohlrad

PR

Planetenrad

SR

Sonnenrad

EGG

Eingangsgetriebe

NSG

Nachschaltgetriebe

G1 ... G10

Schaltstellungen

K20, K30, K40

Kupplungen erstes Teilgetriebe

K50, (K60), K70, K80

Kupplungen zweites Teilgetriebe

KSR

Sonnenradkupplung im NSG

KHR

Hohlradkupplung im NSG

SST

schrägverzahnte Steckverzahnung

SF

Schaltfinger

K

Kulisse

H

Hülse

• 

  

Claims (15)

1. Axialkupplung (100) mit einer ersten Welle (200) und mit einer zweiten Welle (220), welche gesteuert durch einen Aktuator (140) kuppelbar und entkuppelbar ist, umfassend eine erste Wirkflächenpaarung (WP1) mit einem ersten Schrägungswinkel (β₁) und eine zweite Wirkflächenpaarung (WP2) mit einem zweiten Schrägungswinkel (β₂), wobei der erste Schrägungswinkel (β₁) einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse (210) und der zweite Schrägungswinkel (β₂) einen Winkelbereich von 0 Grad bis 30 Grad gegenüber einer gedachten Ebene durch eine Rotationsachse (210) umfasst und die Summe der Schrägungswinkel (β₁) plus (β₂), über welche eine drehmomentabhängige Axialkraft (A_GES) erzeugbar ist und welche den Entkupplungsvorgang der Axialkupplung (100) unter Last unterstützt, einen Winkelbereich von 3 Grad bis 35 Grad umfasst.
2. Axialkupplung (100) nach Anspruch 1 wobei die erste Wirkflächenpaarung (WP1) eine Steckverzahnung (113) mit wenigstens einem Zahn (112) umfasst und der erste Schrägungswinkel (β₁) einen Schrägungswinkel (β_S) umfasst und die zweite Wirkflächenpaarung (WP2) eine Kupplungsverzahnung (114) umfasst und der zweite Schrägungswinkel (β₂) einen Schrägungswinkel (β_K) umfasst.
3. Axialkupplung (100) nach Anspruch 2, wobei ein Kupplungsring (130) der Kupplungsverzahnung (114) eine asymmetrische Verzahnung (131) mit wenigstens einem Zahn (112) aufweist, umfassend eine Flanke (132), den Winkel (β_K) aufweist.
4. Axialkupplung (100) nach Anspruch 3, wobei der Kupplungsring (130) durch einen Aktuator (140) in einer Öffnungsrichtung x steuerbar ausgebildet ist, wobei die Axialkraft (A_GES) das Öffnen der Axialkupplung (100) in Öffnungsrichtung x, unterstützt.
5. Axialkupplung (100) nach Anspruch 1 wobei die erste Wirkflächenpaarung (WP1) eine Steckverzahnung (113) mit wenigstens einem Zahn (112) umfasst und der erste Schrägungswinkel (β₁) einen Schrägungswinkel (β_S) umfasst und die zweite Wirkflächenpaarung (WP2) eine Laufverzahnung (600) umfasst und der zweite Schrägungswinkel (β₂) einen Schrägungswinkel (β_L) umfasst
6. Axialkupplung (100) nach Anspruch 1 wobei die erste Wirkflächenpaarung (WP1) eine Kupplungsverzahnung (114) mit wenigstens einem Zahn (112) umfasst, und der erste Schrägungswinkel (β₁) einen Schrägungswinkel (β_K) umfasst und die zweite Wirkflächenpaarung (WP2) eine Laufverzahnung (600) umfasst und der zweite Schrägungswinkel (β₂) einen Schrägungswinkel (β_L) umfasst
7. Axialkupplung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Materialpaarung (MP1) der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und die zweite Materialpaarung (MP2) der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) eine der Materialpaarungen aus Stahl, Bronze, Berylliumkupfer, Aluminium, Aluminiummehrstoffbronze, Keramik, Carbon oder Carbonfasern einzeln oder in Kombination umfasst, um ein sicheres Entkuppeln zu gewährleisten.
8. Kupplungsbaugruppe umfassend ein Planetengetriebe mit mindestens einer Axialkupplung (100) mit einem axial verschiebbaren Kupplungsring (130) zur Betätigung einer axial verzahnten Axialkupplung (100), die einerseits von einer Schließfeder (111, 111') mit einer Schließkraft beaufschlagt ist und zudem mit wenigstens einem Aktuator (140), umfassend wenigstens einen Schaltfinger eingreifend in eine partiell gewendelte Führungsnut einer Schalttrommel, so dass jeweils in vorgegebenen Verdrehstellungen derselben deren Nutenseitenwand eine Schaltkraft gegen die Schließkraft auf die Schaltfinger ausüben und dadurch die Axialkupplung (100) öffnet und somit einen anderen Schaltzustand der jeweiligen Getriebestufe herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung des Planetengetriebes als eine Schrägverzahnung so ausgebildet ist, dass dadurch unter einer Belastung auftretenden drehmomentabhängige Axialkräfte (A_GES) in Öffnungsrichtung der Axialkupplung (100), umfassend die Kupplungen (K40, K50), wirken, und die durch die zwischen den sich berührenden Kupplungszähnen auftretende, einer Trennung der Axialkupplung (100) entgegen gerichtet wirkende, Haftreibung weitgehend kompensieren, wobei daraus resultierende an den Kupplungselementen auftretende Reaktionskräfte mit Stützelementen an benachbarten Getriebekomponenten abgefangen werden.
9. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Sonnenräder (SR2, SR3) zweier spiegelbildlich benachbart angeordneter schrägverzahnter Planetengetriebe, die durch Kupplungen (K40, K50) mit einer Hauptachse (HA) verbunden oder von dieser gelöst werden, wobei die jeweils auftretenden Reaktionskräfte der Sonnenräder, die auf die zugehörigen Planetenräder (PR2, PR3) übertragen werden und von diesen an die zugehörigen Hohlräder (HR2-3) weitergeleitet werden, durch deren Zusammenschluss gegenseitig abgefangen werden.
10. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsringe jeweils mit der Kupplung (K40, K50) verbunden sind.
11. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägverzahnung eine Laufverzahnung ist, deren Schrägungswinkel zwischen 5 Grad und 12 Grad liegt.
12. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägverzahnung eine Steckverzahnung ist und das Hohlrad mit einem Stützlager an der Nabenhülse und darüber an dem Getriebegehäuse abgestützt ist.
13. Kupplungsbaugruppe, umfassend ein Planetengetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltfinger, der in der Nut (N60/N80) toleranzarm in der Steuertrommel (ST) geführt ist, auf der Hauptachse (HA) beidseitig axial zwischen zwei Federn, die jeweils axial endseitig mit Stützscheiben auf der Hauptachse festgelegt sind, zentriert gehalten ist, ein zum Planetenträger (PT) hin schrägverzahntes Sonnenrad axial verschieblich ansteuert, das einen Kupplungsring trägt, dessen Pedant an der drehbaren Hülse (H) axial festgelegt ist und die zu schaltende Kupplung (K60, K80) bildet.
14. Verfahren zur Dimensionierung der Axialkupplung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche in folgenden Schritten: • Bestimmung eines Reibungskoeffizienten (µ₁) zwischen dem an einer ersten Materialpaarung (MP1) beteiligten Wirkflächenpaar (WP1) und eines Reibungskoeffizienten (µ₂) zwischen dem an einer zweiten Materialpaarung (MP2) beteiligten Wirkflächenpaar (WP2) mittels üblicher Verfahren am Objekt und/oder aus einer Tabelle mit Materialeigenschaften entnommen. • Bestimmung eines wirksamen Teilkreisradius (r₁) der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und eines wirksamen Teilkreisradius (r₂) der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) aus den Konstruktionsdaten. • Bestimmung oder Festlegung eines ersten Schrägungswinkels (β₁) der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und eines zweiten Schrägungswinkels (β₂) der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) aus solchen Konstruktionsdaten, die lastunabhängig sind, nämlich den Reibungskoeffizienten der ersten Materialpaarung (MP1) und der zweiten Materialpaarung (MP2) (µ₁) und (µ₂), den Teilkreisradien der ersten Wirkflächenpaarung (WP1) und der zweiten Wirkflächenpaarung (WP2) (r₁) und (r₂), wobei sich z. B. im Falle vollständiger Kompensation der Reibkräfte der Winkel (β₂) als Funktion von (β₁) bestimmen lässt: $${\mathrm{\beta }}_2=2*\text{arctan}\left(\left[\text{a*b+}{\left(\left({\text{a}}^2+1\right)*\left({\text{b}}^2+1\right)\right)}^{1/2}-1\right]/\left[\text{a}+\text{b}\right]\right)$$

    

    mit: $$\text{a}={\mathrm{\mu }}_2$$

    

    $$\text{b}=-{\text{r}}_2/{\text{r}}_1*\left[\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)-{\mathrm{\mu }}_1*\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)\right]/\left[\text{cos}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)+{\mathrm{\mu }}_1*\text{sin}\left({\mathrm{\beta }}_1\right)\right].$$

    
15. Verfahren zur Dimensionierung der Axialkupplung gemäß Anspruch 14, aufweisend eine Näherung für Winkel bis zu 30° mit: $${\mathrm{\beta }}_2={\mathrm{\rho }}_2=\left({\text{r}}_2/{\text{r}}_1\right)*\left({\mathrm{\beta }}_1-{\mathrm{\rho }}_1\right)$$

    

    und mit: $${\mathrm{\rho }}_{\text{i}}=\text{arctan}\left({\mathrm{\mu }}_{\text{i}}\right).$$

    

Images