Die Erfindung betrifft einen Wellenschalter zur drehfesten Verkoppelung zweier in axialer Richtung hintereinander angeordneter Wellen.

Wellenschalter sind bekannt. Sie umfassen einen zylinderförmigen oder konisch verjüngten Außenring und einen Innenring mit einer in Axialrichtung sich konisch verjüngenden radial äußeren Oberfläche, die einen radial zumindest im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Zwischen dem Innenring und dem Außenring sind zylinderförmige oder kegelförmige Rollen derart angeordnet, dass die Konizität der Rollen und der Oberfläche des Innenrings in Axialrichtung entgegengesetzt verläuft. Derartige Wellenschalter werden zum Beispiel bei einer Momentumkehr im Getriebe eines Kraftfahrzeugs mit einem Retarder bei Retarderbetrieb genutzt. Der Außenring ist mit einer ersten Welle und der Innenring mit einer zweiten Welle drehfest, üblicherweise verschraubt oder aufgesteckt, verbunden. Die beiden Wellen sind derart in axialer Richtung hintereinander angeordnet, dass der Außenring den Innenring umfassen kann bzw. zumindest teilweise umfasst. Der Innenring kann dadurch im Außenring frei drehen, so dass im Wesentlichen kein Drehmoment von einer auf die andere Welle übertragen wird, das heißt ein Freilauf besteht.

Um den Wellenschalter zu schalten, d.h. um vom freien Drehen des Innenrings im Außenring zu einer Drehmomentübertragung von einer auf die andere Welle umzuschalten, wird durch axiales Verschieben mindestens einer der Wellen in Richtung der anderen Welle der Innenring derart in den Außenring eingedrückt, dass die Rollen zwischen den Ringen zusammengepresst werden. Der Reibungswiderstand der Rollen am Innen- und Außenring wird dadurch so weit vergrößert, dass eine im Wesentlichen starre Verbindung entsteht. Derartige Wellenschalter werden auch als selbstverstärkende kraftschlüssige Wellenschalter bezeichnet, durch die die Verbindung und Trennung rotierender Bauteile, zwischen denen Drehbewegung und Drehmoment übertragen werden soll, ermöglicht wird, wobei ein synchroner Gleichlauf bei der Einschaltung auch unter Last nicht erforderlich ist. In der DE 102007035450 A1 wird ein Wellenschalter, umfassend einen zumindest im Wesentlichen zylinderförmigen Außenring mit einer Innenverzahnung, offenbart, wobei die kegelförmigen Rollen bevorzugt einzeln zwischen jeweils zwei benachbarten Zähnen der Innenverzahnung angeordnet sind. Der Innenring ist derart gestaltet, dass dieser eine sich in Axialrichtung konisch verjüngende radial äußere Oberfläche aufweist, die einen radial zumindest im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Innenverzahnung des Außenrings ist derart an die Kegelform der Rollen angepasst, dass die Zähne in Axialrichtung eine zur Konizität der Rollen entgegengesetzte Verjüngung aufweisen oder die Innenverzahnung des Außenrings als Evolventenverzahnung ausgeführt ist.

Bei der Ausführung des Wellenschalters mit einer solchen Geometrie ist keine reine Abwälzung der Rollen möglich, so dass es beim Zuschalten zu einer Kombination aus Wälz- und Gleitbewegung auf den Kontaktlinien kommt. Mit der Gleitbewegung entsteht ein Reibmoment, welches zwar positiv zur Synchronisation der Wellen beiträgt, aber zu einer hohen Synchronisationsarbeit führt. Die Synchronisationsarbeit hat zur Folge, dass es zu einer unerwünschten Belastung oder zu Schädigungen an den beteiligten Oberflächen kommt.

Die DE 101 58608 A1 offenbart unterschiedliche Ausführung. Keine der Ausführungen erlaubt es aber, dass die Klemmkörper des Wellenschalters eine Abwälzbewegung ausführen können. Vielmehr werden die Klemmkörper in Umfangsrichtung abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung geneigt, so dass sich die Klemmwirkung in beiden Drehmoment-Richtungen ergibt. Innen- und Außenring sind kegelförmig gestaltet, so dass das Ein- und Ausschalten des Wellenschalters durch axiale Verschiebung des Innenringes oder des Außenringes ermöglicht wird.

Aus der DE 10 2008 060 959 A1 ist ein weiterer Wellenschalter zur drehschlüssigen Verbindung zweier Wellenteile bekannt. Dieser weist ein erstes Wellenteil mit einer Außenverzahnung und ein zweites Wellenteil mit einem axial verlagerbaren, die Außenverzahnung radial und koaxial übergreifenden Klemmkegel auf. Weiterhin sind in Zahnlücken der Außenverzahnung Rollen unter Bildung eines zu einem Kegelprofil des Klemmkegels komplementären Kegelprofils aufgenommen. Auch bei dieser Lösung kommt es zu unerwünschten Belastungen oder Schädigungen an den beteiligten Oberflächen durch das Reibmoment, welches bei der Gleitbewegung entsteht.

Eine weiterer Wellenschalter mit zylinderförmigen Rollen wird in der US 2006/0191762 A1 offenbart. Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wellenschalter vorzuschlagen der für die Kopplung zweier Wellen geeignet ist, wobei die Synchronisationswirkung des Wellenschalters möglichst klein sein sollte.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Basis der Erfindung ist ein Wellenschalter zur drehfesten Verkoppelung zweier in axialer Richtung hintereinander angeordneter Wellen mit einem Außenring, der eine Innenverzahnung aufweist, und einem Innenring mit einer in Axialrichtung konisch verjüngenden radial äußeren Oberfläche, die einen radial zumindest im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Weiterhin sind Rollenkörpern vorgesehen, die einzeln zwischen jeweils zwei benachbarten Zähnen der Innenverzahnung angeordnet sind, wobei zwischen Außenring und Rollenkörper eine erste Kontaktlinie und zwischen Innenring und Rollenkörper eine zweite Kontaktlinie verläuft.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Zähne der Innenverzahnung des Außenrings eine Konizität aufweisen, die derart ausgerichtet ist, dass die Konizität der ersten Kontaktlinie und die Konizität des Innenrings in Axialrichtung gleichgerichtet verlaufen, der Rollenkörper ein zum Kegelprofil der Innenverzahnung des Außenrings und dem Kegelprofil des Innenrings komplementäres Kegelprofil aufweist und wobei die Zähne der Innenverzahnung des Außenrings derart an die Kegelform der Rollenkörper angepasst sind, dass die erste Kontaktlinie in Axialrichtung eine zur Konizität der Rollenkörper gleichgerichtete Konizität aufweist.

Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass die Abwälzbedingungen in jedem Kontaktpunkt verbessert werden und die Synchronisationswirkung minimal ist, so dass eine Schädigung der beteiligten Oberflächen stark verringert wird.

Erfindungsgemäß wird unter einer Verzahnung jede Form eines innenliegenden Profils verstanden, welches geeignet, dass eine Kontaktlinie zwischen Verzahnung und Rollenkörper gebildet wird. So kann die Verzahnung z.B. die Form eines Polygons oder Ausbuchtungen haben.

Weiterhin kann die Konizität des Innenrings derart ausgelegt sein, dass der Winkel a zwischen der zweiten Kontaktlinie und der Rotationsachse einen Wert zwischen 3° und 15° aufweist.

So kann die erste Kontaktlinie einen ersten Schnittpunkt und die zweite Kontaktlinie einen zweiten Schnittpunkt mit der Rotationsachse der Wellen bilden, wobei die Konizität des Rollenkörpers derart gewählt ist, dass die Schnittpunkte einen Abstand zueinander aufweisen. So ist es besonders vorteilhaft, wenn der Abstand kleiner ist als der mittlere Durchmesser des kegelförmigen Rollenkörpers. Dabei kann der Schnittpunkt der ersten und zweiten Kontaktlinie oberhalb oder unterhalb der Drehachse liegen. In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass der Rollenkörper ein zu dem Kegelprofil der Innenverzahnung des Außenrings und dem Kegelprofil des Innenrings komplementäres Zylinderrollenprofil aufweist, so dass die erste Kontaktlinie parallel zu einer zweiten Kontaktlinie zwischen zylinderförmigem Rollenkörper und Oberfläche verläuft.

Weiterhin wird ein Antriebsstrang umfassend einen Wellenschalter vorgeschlagen, bei dem der Wellenschalter dafür eingerichtet ist, eine E-Maschine mit einer Abtriebseinheit eines Fahrzeugs schaltbar zu verbinden. Insbesondere in modernen elektrischen Triebsträngen ist eine schnelle Synchronisation der Wellen mit der E- Maschine möglich, was eine Synchronisationsfunktion weitestgehend überflüssig macht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig.la Wellenschalter Fig. 1b, c Verzahnung

Fig. 2a, b Wellenschalter mit kegelförmigen Rollenkörper Fig. 3 Wellenschalter mit zylindrischem Rollenkörper Fig. 4 Antriebsstrang mit Wellenschalter Figurla zeigt eine Wellenschalter 1 zwischen einer ersten Welle 3 und einer zweiten Welle 4. Der Wellenschalter umfasst einen Außenring 2 der eine Innenverzahnung 5 aufweist, wobei die Zähne der Innenverzahnung 5 eine Konizität aufweisen.

Weiterhin umfasst der Wellenschalter einen Innenring 6 mit einer in Axialrichtung sich konisch verjüngenden radial äußeren Oberfläche 7, die einen radial zumindest im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Zwischen Innenring 6 und Außenring 2 sind die Rollenkörper 8a oder 8b angeordnet, die bevorzugt einzeln zwischen jeweils zwei benachbarten Zähnen der Innenverzahnung 5 in Position gehalten werden. Beispiele für die Innenverzahnung sind aus den Figuren 1 b, c zu entnehmen. Eine erste Kontaktlinie 9 und eine zweite Kontaktlinie 10 werden durch die Berührung zwischen Außenring 2 und Rollenkörper 8a oder 8b sowie Rollenkörper 8a oder 8b und Innenring 6 definiert.

Wesentlich für den Aufbau des Wellenschalters ist es, dass die beiden Kotaktlinien 9, 10 in Axialrichtung gleichgerichtet verlaufen, also die Konizität von Innenverzahnung und der Oberfläche 7 des Innenrings gleichgerichtet sind. Durch diese Ausrichtung wird für den Rollenkörper 8a oder 8b eine Abwälzbedingung geschaffen, die in jedem Kontaktpunkt den Verschleiß minimiert.

Beim Zuschalten kommt es zu einer Kombination aus Wälz- und Gleitbewegung auf den Kontaktlinien, vergleichbar mit dem Eingriffspunkt einer Verzahnung. Mit der Gleitbewegung entsteht ein Reibmoment, welches sehr positiv zur Synchronisation der Wellen 3 und 4 beiträgt. Durch die verbesserten Abwälzbedingungen wird der Anteil der Synchronisationsarbeit reduziert, so dass es zu einer geringeren Belastung, Beanspruchung oder Schädigung der beteiligten Oberflächen kommt

In modernen elektrischen Triebsträngen ist eine schnelle Synchronisation der Wellen mit der E-Maschine möglich. Die Anforderungen an eine Synchronisation sind dadurch geringer als bei klassischen Triebsträngen mit Verbrennungsmotoren. Der Wellenschalter kann somit dahingehend optimiert werden, dass es keine oder nur geringe Gleitbewegungen in den Kontaktlinien gibt.

In den Figuren 2a, 2b und 3 sind drei Situationen dargestellt, die unterschiedlichen Ausführungen des Wellenschalters 1 jeweils in der Schließstellung und der Offenstellung zeigen. In den beiden ersten Skizzen handelt es sich um Ausführungen mit kegelförmigen Rollenkörpern 8a. So zeigt Figur 2a ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erste und zweite Kontaktlinie die Rotationsachse 14 der Wellen 3 und 4 an unterschiedlichen Schnittpunkten 11a und 11b schneidet.

Dabei ist es Wesentlich, dass der Winkel a zwischen der zweiten Kontaktlinie 10 und der Drehachse 14 einen Wert zwischen 3° und 15° aufweist. Das Maß x zwischen den Schnittpunkten 11a, b ergibt sich dann im Zusammenspiel mit der Konizität des Rollenkörpers 8a. Bei der Auswahl des kegelförmigen Rollenkörpers ist vorzugsweise darauf zu achten, dass das Maß x kleiner ist als der mittlere Durchmesser des kegelförmigen Rollenkörpers 8a.

In Figur 2b ist eine Sonderform der Ausführung dargestellt, bei der das Maß x gleich null ist. Die Konizitäten von Innenverzahnung 5 und Oberfläche 7 legen fest, ob die Rollenkörper 8a, b kegelförmig oder zylindrisch auszuführen sind. So ist in Figur 3 eine Ausführung dargestellt, bei der ein zylindrischer Rollenkörper 8b zum Einsatz kommen. Bei dieser Ausführung ergibt sich ein paralleler Verlauf der Kontaktlinien 9 und 10. Der Abstand x zwischen den Schnittpunkten von Kontaktlinien 9 und 10 und der Rotationsachse 14 ist dadurch immer größer als der Durchmesser des Rollenkörpers 8b. Der Abstand hängt hiereinmal vom Durchmesser d des Rollenkörpers 8b und vom gewählten Winkel a ab.

In Figur 4 ist ein beispielhafter Antriebstrang 12 dargestellt. Der Antriebsstrang 12 umfasst einen Wellenschalter 1 , wobei der Wellenschalter 1 dafür eingerichtet ist, eine E-Maschine 13 mit einer nicht dargestellten Abtriebseinheit eines Fahrzeugs schaltbar zu verbinden.

Die Schaltung erfolgt in diesem Fall über eine Schiebehülse 15, die mittels einer Betätigung 18 entlang der Rotationsachse 14 verschiebbar ist. Der Innenring 6 ist an der Schiebehülsei 5 befestigt und über die Schiebehülse 15 mit der Antriebswelle 16 drehfest gekoppelt. Die außerhalb des Getriebegehäuses 17 angeordnete Betätigung 18 ist dahin gehend ausgelegt, dass lediglich eine Axialbewegung übertragen wird. Die

Entkoppelung zur Drehung der Schiebehülse kann beispielsweise über ein Kugellager erfolgen.

Bezugszeichenliste

1 Wellenschalter

2 Außenring 3 Wellen

4 Wellen

5 Innenverzahnung

6 Innenring 7 Oberfläche 8a, b Rollenkörper

9 erste Kontaktlinie

10 zweite Kontaktlinie

11a, b Schnittpunkt 12 Antriebsstrang 13 E-Maschine

14 Rotationsachse

15 Schiebehülse

16 Antriebswelle 17 Getriebegehäuse 18 Betätigung

19 Käfig X Abstand