SKS - Neues Synchrosystem für moderne Getriebe

SKS - Neues Synchrosystem für moderne Getriebe
SKS - New synchroniser system for modern transmissions
Dipl.-Ing. Ottmar Back, HOERBIGER Antriebstechnik GmbH Schongau,
Dipl.-Ing.(FH) Claudio Tarantini, Dipl.-Ing.(FH) Erol Ledetzky,
Dipl.-Ing.(FH) Jochen Krenkler, HOERBIGER Synchrontechnik GmbH &
Co.KG Oberstenfeld
Kurzfassung:
Die Realisierung moderner Getriebekonzepte erfordert weitere erhebliche Anstrengungen zur
Komfort-
und
Synchrosysteme
Wirkungsgradsteigerung
sind
für
die
bei
gleichzeitiger
Übersetzungsänderungen
Reduzierung
in
der
Kosten.
Stufengetrieben
zentrale
Funktionsträger. Der Trend zu wirkungsgradoptimierten Getrieben bei gleichzeitiger Steigerung
des Komforts erfordert angepaßte und leistungsfähige Synchrosysteme.
HOERBIGER ist der Spezialist für Synchronisierungen in Schaltgetrieben, AMTs, DCTs, und
Transfer Cases. Die Produktpalette umfaßt alle Baugrößen für den Einsatz in PKWs, LKWs und
Traktoren.
HOERBIGER hat basierend auf seinem umfassenden Anwendungs- und Fertigungs-Know How
ein neues Synchrosystem entwickelt, das sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile für
den Getriebehersteller bietet. Die Entwicklung basiert auf einer patentierten Anordnung für das
Synchrosystem und wurde erfolgreich in Getrieben und Fahrzeugen erprobt.
Der Vortrag stellt die konstruktive Ausführung des neuen Synchrosystems vor und erläutert die
nachgewiesenen Vorteile anhand von Versuchsergebnissen.
In heutigen Getrieben werden fast ausschließlich Synchronisierungen in Borg-Warner-Bauart
verwendet. Kennzeichnend für dieses Prinzip ist die Sperrverzahnung des Synchronringes. Die
Sperrverzahnung überträgt die über die Schiebemuffe eingeleitete Schaltkraft auf das
Reibsystem und verhindert gleichzeitig ein Durchschalten solange eine Drehzahldifferenz an
der Schaltstelle vorliegt. Die erforderliche Sperrsicherheit
bedingt dabei Kompromisse
hinsichtlich der Schaltqualität. In besonderen Fällen werden getrennte Verzahnungen
eingesetzt, um das Einspuren der Schiebemuffe unabhängig von der Sperrgeometrie
optimieren zu können.
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Das von HOERBIGER neu entwickelte Synchrosystem ist gekennzeichnet durch den Entfall der
Sperrverzahnung
am Synchronring. Hieraus ergeben sich wesentliche gestalterische
Freiräume, die sowohl für die Steigerung der Schaltqualität als auch für die Reduzierung der
Fertigungskosten genutzt werden können.
Neben diesen Haupteffekten konnten im Laufe der Serienentwicklung weitere Vorteile in Bezug
auf Wirkungsgrad und Geräuschverhalten erzielt werden.
Für die Durchführung der erforderlichen Entwicklungsarbeiten von der Konstruktion über die
Simulation bis hin zur Validierung im Getriebe und im Fahrzeug konnte HOERBIGER auf seine
langjährige Erfahrung und seine modernen Entwicklungs- und Erprobungstools zurückgreifen.
Zur Herstellung der Komponenten für das neue Synchrosystem nutzt HOERBIGER seine
führenden Fertigungskompetenzen auf den Gebieten der Umformtechnik und Reibbelagtechnik
in Kombination mit modernster Zerspanungstechnik und Wärmebehandlung.
Abstract:
Modern transmission concepts require increased efforts to achieve improvements on comfort
and efficiency in line with reduced cost. Synchroniser systems are the central element for
change of ratio in stepped transmission. The trend to transmissions with optimised efficiency
and improved comfort at the same time require aligned high-capacity synchroniser systems.
HOERBIGER is the leading specialist for synchronisers in MTs, AMTs, DCTs and Transfer
Cases. The product portfolio comprises all installation sizes for the use in cars, trucks and
tractors.
HOERBIGER has developed a new synchroniser system based on its comprehensive
application and production know how, which offers as well technical as well as commercial
benefits to the transmission manufacturer. The development is based on a patented
configuration of the synchroniser systems and was already successfully tested in transmissions
and vehicles.
The paper presents the design of the new synchroniser system and explains its advantages
proven in tests.
Today’s transmissions more or less exclusively use Borg-Warner-type synchronisers. Significant
for them are the blocking teeth at the blocker ring. The blocking teeth transmit the shift force
from the sleeve to the friction system and at the same time hinder the sleeve to shift through as
long as a differential speed is existent. The necessary blocking safety necessitates a
compromise in terms of shift quality. In some cases segmented splines are used to optimise the
engagement of the sleeve independent from the blocking geometry.
The new developed HOERBIGER synchroniser system is characterised by the absence of
blocking teeth at the blocker ring. This offers essential free space for the design which as well
can be used for improved shift quality and reduction of manufacturing cost as well. Besides this
further advantages concerning efficiency and noise reduction could be achieved.
For the execution of the necessary development work from design over simulation and
validation in transmissions and vehicles, HOERBIGER could use its long lasting expertise and
its wide range of development and testing tools.
For the manufacturing of components for the new synchroniser system HOERBIGER uses its
leading competences on the fields of forming technology and friction technology combined with
latest machining and heat treatment.
1. Einleitung
Synchronisierungen haben bereits eine lange Entwicklungsgeschichte hinter sich und wurden
weltweit von Ingenieuren hin zu hoher Leistungsfähigkeit, hohem Schaltkomfort und günstigen
Fertigungskosten entwickelt. Als vorherrschende Bauart hat sich dabei die Borg-Warner-Bauart
mit Sperrverzahnung etabliert. Bezüglich der Belagtechnologie gibt es nachwievor eine große
Vielfalt mit Messing, Molybdän, Streusinter und Karbon. Als Fertigungstechnologien kommen
Schmieden, Sintern und zunehmend die Blechumformtechnik zum Einsatz. Letztere führte
zusammen mit moderner Belagstechnologie in den vergangenen Jahren zu einer deutlichen
Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduzierung der Fertigungskosten.
Nach der Revolutionierung der Fertigungstechnik für Synchronisierungen ist zur Erzielung
weiterer Fortschritte in Bezug auf Funktionalität und Kosten die Erneuerung der Konstruktion
erforderlich. HOERBIGER stellt mit der Sperrkeil-Synchronisierung (SKS) einen neuen
prinzipiellen Aufbau der Synchronisierung vor, der dazu geeignet ist, einen wichtigen Beitrag für
die Zukunftsfähigkeit dieser Systemkomponente zu leisten. Insbesondere wird die SKS auch für
den Einsatz in automatisiert geschalteten Getrieben wie AMTs und DCTs hervorragend
geeignet sein.
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2. Prinzip und Konstruktion der SKS
In Bild 1 wird zunächst das Prinzip der SKS erläutert.
In der konventionellen Sperrsynchronisierung mit Borg-Warner-Prinzip übernimmt der BlockerRing sowohl die Sperrung der Schiebemuffe als auch den Drehzahlangleich. Das Druckstück
dient dabei lediglich zur Positionierung des Blocker-Rings in der Vorsynchronphase. Die
Schaltkraft wird von der Schiebemuffe über die Sperrverzahnung auf den Blocker-Ring
übertragen.
Bild 1: Vergleich von Borg-Warner-Bauart und Sperrkeil-Synchronisierung (SKS)
In der SKS wird die Funktion des Blocker-Rings auf den Drehzahlangleich und die
Positionierung der SKS-Sperreinheit beschränkt. Die Funktion des Sperrens übernimmt die
neue SKS-Sperreinheit.
Die konstruktive Anordnung der Bauelemente im Synchrosystem wird aus Bild 2 ersichtlich.
Bild 2: Konstruktive Anordnung der Sperrkeil-Synchronisierung (SKS)
Die SKS-Sperreinheit bestehend aus Synchronstein, Sperrstein und Feder findet im Bereich der
bisherigen Vorsynchroneinheit in der Nabe Platz. Der Blocker-Ring wird über seine Taschen mit
der SKS-Sperreinheit gekoppelt. Der Sperrstein wird seitlich zusätzlich in der Schiebemuffe
geführt.
Synchronstein
Sperrstein
Feder
Bild 3: Anordnung der SKS-Sperreinheit
Die Feder drückt den Sperrstein der SKS-Sperreinheit in die Rastnut der Schiebemuffe. Beim
Schalten wird die Schiebemuffe axial in Richtung des zu schaltenden Ganges bewegt und
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nimmt dabei die SKS-Sperreinheit mit, welche dadurch gegen den Blocker-Ring gedrückt wird.
Die
aufgebrachte
Axialkraft
erzeugt
ein
Reibmoment
zwischen
Blocker-Ring
und
Gangradkonus, welches zu einer Verdrehung des Blocker-Rings relativ zur Nabe führt. Durch
die Verdrehung des Blocker-Ringes wird auch der Synchronstein relativ zum in der
Schiebemuffe geführten Sperrstein verdreht. Hierdurch wird der Sperrstein über Schrägen radial
nach außen in die Rastnut der Schiebemuffe gedrückt und sperrt diese gegen eine weitere
axiale Bewegung.
Jetzt kann die Schaltkraft von der Schiebemuffe über die SKS-Sperreinheit auf den BlockerRing aufgebracht werden. Nach Abbau der Differenzdrehzahl bricht das Reibmoment im Konus
zusammen und der Blocker-Ring kann in Mittelstellung zurückgedreht werden. Dadurch wird die
Sperrung der Schiebemuffe aufgehoben, die Schiebemuffe kann axial weiterbewegt werden
und in die Kupplungsverzahnung einspuren.
3. Vorteile der SKS gegenüber herkömmlichen Synchronisierung
Das Prinzip der SKS bietet mehrere Vorteile hinsichtlich der Funktion, Fertigung und Kosten.
Nabenbreite
Anspitzgeometrie
der Schiebemuffe
Blocker-Ring
ohne Sperrzähne
Bild 4: Vorteile der SKS
Der Entfall der Sperrverzahnung am Blocker-Ring ermöglicht es, die Anspitzung der
Schiebemuffenverzahnung konsequent für das Einspuren in die Kupplungsverzahnung
auszulegen. Der Anspitzwinkel kann unabhängig von der Sperrfunktion optimiert werden.
Die Hinterlegung in der Schiebemuffe kann kürzer ausgeführt werden, was zu einer
Vergrößerung der Führungslänge zur Nabe führt.
Die Außenverzahnung der Nabe kann verbreitert werden, was sowohl die Tragfähigkeit als
auch die Schaltqualität verbessert.
Die Sperrfunktion läßt sich unabhängig vom Blocker-Ring in der SKS-Sperreinheit einstellen.
Der Blocker-Ring läßt sich insbesondere in Kombination mit dem HOERBIGER Streusinterbelag
kostengünstig umformtechnisch herstellen.
Für Einfach- und Mehrfachkegelsynchronisierungen können Gleichteile verwendet werden.
Im Rahmen der Entwicklung und Erprobung konnten weitere, zunächst nicht offensichtliche,
Vorteile entdeckt werden:
Blocker-Ringe
SKS-Sperreinheit
Bild 5: Ringkoppelung gegen Rasseln
So führt die Koppelung der Blocker-Ringe über die SKS-Sperreinheit zu einer erheblich
Reduzierung der Rasselneigung, ein Vorteil, der vor allem für Getriebe ohne ZMS von großer
Bedeutung ist.
Ein weiterer Vorteil der Koppelung liegt in der Reduzierung von Schleppverlusten in der
Synchronisierung.
Die
Führung
der
gegenüberliegenden
Blocker-Ringe
durch
den
Synchronstein reduziert deren Taumelneigung, die zu Schleppverlusten und auch zu Verschleiß
führen kann. Dieser Effekt kann durch eine kleine Hinterlegung an der Koppelstelle noch
verstärkt werden.
Bild 6: Vergleich Krafteinleitung Borg-Warner-Bauart und SKS
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Desweiteren führt die geänderte Einleitung der Axialkraft zu einer gleichmäßigeren Belastung
über die Breite des Blocker-Ringes, was zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit beiträgt.
Untersuchungen von [2] haben die Einflüße der Ringstülpung bei Einleitung der Axialkraft über
die Sperrverzahnung untersucht und nachgewiesen, daß die Belastung des Reibbelages mit
höherer Ringsteifigkeit vergleichmäßigt werden kann. Hieraus ergeben sich auch Vorteile
bezüglich des Verschleißverhaltens.
4. Erprobungsprogramm der SKS
Die SKS wurde von HOERBIGER umfangreich in Komponenten- Getriebe- und Fahrzeugtests
erprobt. HOERBIGER verfügt hierzu über moderne Prüftechnik und Methodik zur Beurteilung
der Funktionssicherheit und Schaltqualität.
Im Fahrzeug wird die Schaltqualität mit Hilfe des RICARDO GSQA – Meßsystems ermittelt. In
Vergleichsmessungen wurden Getriebe mit Seriensynchronisierung und SKS untersucht. Die
Messungen erfolgen nach einem standardisierten Verfahren und erlauben es, einzelne Kriterien
zur Beurteilung der Schaltqualität auszuwerten.
Bild 7: Kriterien zur Schaltqualitätsbeurteilung
Es werden sowohl Warm- als auch Kaltabfahrten durchgeführt und die Schaltungen hinsichtlich
verschiedener Kriterien statistisch ausgewertet. Ein zentrales Kriterium ist dabei der zweite
Druckpunkt, der das Einspuren der Schiebemuffe in die Kupplungsverzahnung charakterisiert.
Bild 8: Schaltqualitätsmessung im Fahrzeug – Impuls 2. Druckpunkt Hochschaltungen
Bild 9: Schaltqualitätsmessung im Fahrzeug – Impuls 2. Druckpunkt Rückschaltungen
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Im Vergleich zum Seriengetriebe mit herkömmlicher Synchronisierung konnte nachgewiesen
werden, daß die SKS das Druckpunktverhalten insbesondere auch bei kaltem Getriebe
erheblich verbessert.
Die Prüfstandserprobung diente zunächst der Überprüfung der konstruktiven Auslegung
hinsichtlich Sperrsicherheit. Mit den Ergebnissen wurde die Auslegung der SKS-Sperreinheit
validiert und Richtlinien zu deren Berechnung erstellt.
Bild 10: Getriebeprüfstand
HOERBIGER µ-comp Synchronprüfstand
Die Erprobung der Dauerfestigkeit erfolgte sowohl im HOERBIGER µ-comp Synchronprüfstand
als auch im Komplettgetriebe. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf den Komponenten der
SKS-Sperreinheit. Über die SKS-Sperreinheit wird die komplette Schaltkraft von der
Schiebemuffe auf den Blocker-Ring übertragen. Entscheidend für die Verschleißfestigkeit ist
neben der Auswahl der geeigneten Werkstoffkombination auch die konstruktive Auslegung der
Kontaktgeometrie innerhalb der SKS-Sperreinheit als auch zwischen Sperrstein und
Schiebemuffe.
Tabelle 1: Auswahl Versuchsprogramm µ-comp
Es konnte nachgewiesen werden, daß die Auslegung bezüglich Funktion als auch
Verschleißverhalten sicher ist. Die in Bild 11 abgebildeten Komponenten der SKSSperreinheit zeigen am Ende der Dauerversuche keine kritischen Verschleißspuren.
Synchronstein
Sperrstein
Bild 11: Komponenten der SKS-Sperreinheit nach Lebensdauerversuch
Die Verschleißmessungen am Blocker-Ring bestätigten ebenfalls die gleichmäßigere
Belastung des Reibbelages aufgrund der verbesserten Krafteinleitung in den Blocker-Ring.
Tabelle 2: Ergebnisse aus Versuchen µ-comp
5. Einsatzmöglichkeiten der SKS
Die SKS kann in existierende Getriebe integriert werden, die größten Vorteile ergeben sich
allerdings im Rahmen von Neuentwicklungen.
Bild 12: Einbauraum SKS
HOERBIGER verfügt über Standardauslegungen, anhand derer schnelle und kostengünstige
Muster und auch Belieferungen realisiert werden können.
Bei Handschaltgetrieben kann sowohl das komplette Getriebe als auch einzelne
Schaltstellen mit SKS ausgestattet werden, ein Mischverbau an einer Schaltstelle ist jedoch
nicht möglich. Funktional liegen die Vorteile in MTs in einer verbesserten Schaltqualität,
insbesondere für Einfachkonussynchronisierungen, einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit und einer Reduzierung der Rasselgeräusche und Verluste.
In automatisiert geschalteten Getrieben, wie AMTs oder DCTs, kann durch die SKS eine
robuste Sperrfunktion dargestellt werden ohne das Einspuren der Schiebemuffe in die
Kupplungsverzahnung zu erschweren. Dadurch wird es möglich, die Sperrposition schneller
anzufahren und auch bei hochdynamischen Schaltungen wird ein Durchschalten sicher
verhindert.
Baukasten Mono / Doppel / Dreifach
Aus den Grundelementen der SKS kann durch Austausch bzw. Hinzufügen von Bauteilen
eine Doppel- oder Dreifach-Synchronisierung aufgebaut werden.
Idealerweise werden die Mehrfach-Synchronisierungen ungekoppelt aufgebaut. Dies ist in
der Regel möglich, da die Einspurverzahnung unabhängig vom Sperrmoment ausgeführt
wird.
SKS-Monokegel
SKS-Doppelkegel
Bild 13: Baukastensystem SKS
In bestimmten Fällen kann es allerdings auch erforderlich sein, die Entsperrkräfte zu
reduzieren. Dies ist der Fall, wenn in DCTs mit nasser Kupplung das Schleppmoment im
kalten Getriebe das Entsperren verhindert. In diesem Fall kann eine zusätzliche Koppelung
eingeführt werden. Idealerweise werden die Ringe durch modifizierte Synchronsteine
gekoppelt. Dadurch wird das Gleichteileprinzip aufrechterhalten. Die Redzuzierung der
Entsperrkräfte erfolgt dann durch eine modifizierte Nutgeometrie in der Schiebemuffe.
6. Zusammenfassung
Mit der Entwicklung der Sperrkeil-Synchronisierung SKS ist es HOERBIGER gelungen, eine
umfassende Erneuerung der seit Jahrzehnten bewährten Borg-Warner-Bauart darzustellen.
Die Neugestaltung der Sperrfunktion ermöglicht es, die Herstellkosten für das Gesamtsystem
zu senken und gleichzeitig Funktionsvorteile beim Schalten zu erschließen.
Das SKS Prinzip erlaubt es, die HOERBIGER Fertigungstechnologien zur Herstellung von
Synchronringen mit Streusinterbelag optimal zu nutzen. Darauf aufbauend kann eine
konsequente Gleichteilestrategie umgesetzt werden, die es dem Kunden erlaubt, auf
unterschiedliche Anforderungen zu reagieren, ohne Peripherieteile komplett neu gestalten zu
müssen.
Für den Einsatz in automatisiert geschalteten Getrieben, insbesondere DCTs, bietet die SKS
durch die hohe Funktionssicherheit und die unabhängige Einspurgeometrie erhebliche
Vorteile.
In weiteren Entwicklungsschritten wird die SKS insbesondere für den Einsatz in DCTs
optimiert.
[1]
Patentschrift: E 10 2007 010 307 B3
[2]
Neudörfer,
S.:
Thermomechanische
Einflüsse
auf
Synchronisierungen, Dissertation Universität Hannover 2008
die
Tribologie
von