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Die Erfindung betrifft eine Synchronbaugruppe mit einer Nabe, mindestens einem Druckstück und mindestens einem Synchronring. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Synchronbaugruppe, die bei einer Synchronisierung des Typs „BorgWarner“ verwendet wird.
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Bei einer BorgWarner-Synchronisierung wird auf einer Welle eines Schaltgetriebes, wie es insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendet wird, drehfest eine Nabe (auch bezeichnet als Synchronkörper) angebracht. Drehfest auf der Nabe, jedoch in axialer Richtung verschiebbar, ist eine Schiebemuffe angeordnet, die dazu dient, eine drehfeste Verbindung zu Getriebezahnrädern herzustellen, die beiderseits der Nabe drehbar auf der Getriebewelle gelagert sind. Zu diesem Zweck sind die Zahnräder mit einer Schaltverzahnung versehen, auf die ein Randabschnitt der Schiebemuffe aufgeschoben werden kann.
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Bevor die Schiebemuffe in die Schaltverzahnung eingreift, muss die Drehzahl von Nabe und Schiebemuffe einerseits und Getriebezahnrad andererseits synchronisiert werden. Zu diesem Zweck ist der mindestens eine Synchronring vorgesehen, der an der Nabe angeordnet ist und, sobald die Schiebemuffe aus ihrer Mittel- bzw. Neutralstellung herausbewegt wird, mit einer entsprechenden Reibfläche in Eingriff gelangt, die dem Getriebezahnrad zugeordnet ist. Solange eine Relativdrehzahl zwischen Nabe und Getriebezahnrad besteht, wird der Synchronring relativ zur Nabe in Umfangsrichtung in eine Sperrstellung beaufschlagt, in der es der Schiebemuffe nicht möglich ist, in die Schaltverzahnung des Getriebezahnrads einzugreifen. Erst wenn die Drehzahlen vollständig (oder zumindest nahezu vollständig) angeglichen sind und dadurch auf den Synchronring kein (oder nur noch ein geringes) Schleppmoment mehr wirkt, kann der Synchronring relativ zur Nabe so verschoben werden, dass die Schiebemuffe durchgeschaltet werden kann. Diese Funktionsweise ist allgemein bekannt.
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Da die Synchronringe sich funktionsbedingt sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung relativ zur Nabe verstellen müssen, kann nicht zuverlässig verhindert werden, dass die Synchronringe sich unkontrolliert relativ zur Nabe und zur Schiebemuffe bewegen und dabei zum Schwingen angeregt werden. Diese Schwingungen führen zu inneren Beanspruchungen des Synchronrings selbst und können auch dazu führen, dass der Synchronring an den ihn umgebenden Bauteilen im Getriebe unkontrolliert anstößt und dabei unter Umständen weiter zum Schwingen angeregt wird. Schwingungen können außerdem angeregt werden durch einen unrunden Lauf der Getriebewellen, was verstärkt wird durch den Trend hin zu geringeren Zylinderzahlen der Verbrennungsmotoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden; ein Dreizylindermotor läuft unrunder als ein Vierzylindermotor.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Synchronbaugruppe dahin gehend weiterzubilden, dass das Entstehen von Schwingungen der Synchronringe reduziert oder ganz verhindert wird, sodass die auf die Synchronringe wirkenden Belastungen, der sich ergebende Verschleiß sowie die Geräuschentwicklung verringert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Synchronbaugruppe vorgesehen mit einer Nabe, mindestens einem Druckstück, das an der Nabe gelagert ist, und mindestens einem Synchronring, wobei das Druckstück mit einer Zentrierfläche versehen ist, die unmittelbar an einer Anlagefläche anliegt, die am Synchronring ausgebildet ist. Die Erfindung beruht ganz allgemein auf dem Grundgedanken, den Synchronring in einer möglichst definierten Position zu halten, sodass er sich nicht unkontrolliert bewegen kann und auch von einem etwaigen unrunden Lauf der Getriebewelle nicht unbeabsichtigt in Schwingungen versetzt wird. Konkret ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass unmittelbar das Druckstück dazu verwendet wird, den Synchronring in eine vorbestimmte Position zu beaufschlagen. Anders als bei manchen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen Mechanismen mit Federn oder ähnlichen zwischengeschalteten Bauteilen verwendet werden, zeichnet sich die erfindungsgemäße Synchronbaugruppe durch eine konstruktiv einfache Gestaltung aus, die zu einem geringem Herstellungs- und Montageaufwand und zu kurzen Toleranzketten führt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zentrierfläche schrägt zur Mittelachse der Nabe ausgerichtet ist und der Abstand der Zentrierfläche von der Mittelachse näher zur Quermittelebene des Druckstücks größer ist als axial weiter außen am Druckstück. Diese Ausrichtung der Zentrierfläche führt dazu, dass der Synchronring nicht nur in radialer Richtung zentriert wird, sondern auch in axialer Richtung. Insbesondere wird er in axialer Richtung hin zur Nabe beaufschlagt, bis er eine in axialer Richtung definierte Ausgangsposition erreicht. In dieser Position ist insbesondere der Reibeingriff mit der ihm zugeordneten Reibfläche am Gangrad gelüftet, sodass sich auch ein geringes Schleppmoment und dadurch geringere innere Reibung ergibt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anlagefläche sich schräg zur Mittelachse der Nabe erstreckt und der Abstand der Anlagefläche von der Mittelachse auf der den Sperrzähnen des Synchronrings zugewandten Seite geringer ist als auf der von den Sperrzähnen abgewandten Seite. Bei dieser Ausgestaltung sind die Anlageflächen optimal an die schräg ausgerichteten Zentrierflächen angepasst, sodass sich ein guter Flächenkontakt ergibt.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Zentrierfläche sich entlang einer Zylinderfläche erstreckt, die auf die Mittelachse der Nabe zentriert ist, oder entlang einer Tangente an die Zylinderfläche in einer Längsmittelebene des Druckstücks. Bei dieser Ausführungsform werden die Synchronringe lediglich in radialer Richtung beaufschlagt; eine axiale Zentrierung über die Druckstücke ist nicht vorgesehen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Anlagefläche sich entlang einer Zylinderfläche erstreckt, die auf die Mittelachse der Nabe zentriert ist, oder entlang einer Tangente an die Zylinderfläche in einer Längsmittelebene der Anlagefläche. Die Anlageflächen erstrecken sich also parallel zu den Zentrierflächen, sodass ein Flächenkontakt zwischen den Zentrierflächen und den Anlageflächen gewährleistet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zentrierfläche als Aussparung in der Unterseite des Druckstücks ausgeführt ist. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich ein geringer Bauraum in radialer Richtung. Außerdem kann, falls dies gewünscht ist, der Synchronring in Umfangsrichtung innerhalb der Aussparungen zentriert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anlagefläche durch einen plastisch verformten Abschnitt des Synchronrings ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass kein zusätzliches Material im Zuschnitt des Grundkörpers für den Synchronring notwendig ist; die Anlagefläche kann beispielsweise mit geringem Aufwand durch einen abschnittsweise aufgeschobenen Materialabschnitt gebildet sein.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Anlagefläche an einer an den Synchronring angeformten Lasche ausgebildet ist. Eine solche Lasche kann mit geringem Aufwand am Zuschnitt für den Grundkörper vorgesehen sein, insbesondere im Bereich der Sperrverzahnung. Anschließend wird die Lasche aus der von der Sperrverzahnung gebildeten Ebene auf den Bund des Synchronrings umgebogen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckstück mittels einer Feder in radialer Richtung nach innen beaufschlagt wird. Dies gewährleistet, dass die Synchronringe insbesondere bei niedrigen Drehzahlen zuverlässig zentriert sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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1 in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Synchronbaugruppe mit zwei schematisch dargestellten Getriebezahnrädern;
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2 in vergrößertem Maßstab das Detail II von 1;
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3 das bei der Synchronbaugruppe der 1 und 2 verwendete Druckstück im Schnitt;
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4 ein Detail der bei der Synchronbaugruppe der 1 und 2 verwendeten Synchronringe in dem Bereich, in dem diese mit den Druckstücken zusammenwirken;
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5 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von 2 eine Synchronbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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6 in einer Schnittansicht das bei der zweiten Ausführungsform verwendete Druckstück;
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7 das Druckstück in einer perspektivischen Unteransicht;
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8 in einer Detailansicht die bei der zweiten Ausführungsform verwendeten Synchronringe in dem mit den Druckstücken zusammenwirkenden Bereich; und
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9 die Synchronbaugrupp gemäß der zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht.
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In den Figuren ist eine Synchronbaugruppe 5 gezeigt, die dazu dient, zwei hier schematisch gezeigte Getriebezahnräder 7, 9 drehfest mit einer (nicht dargestellten) Getriebewelle zu verbinden. Die Getriebezahnräder 7, 9 sind hier zur Vereinfachung mit identischem Durchmesser gezeigt; in der Praxis haben sie unterschiedliche Durchmesser. Es ist natürlich auch möglich, der Synchronbaugruppe nur einen einzigen Gang und damit ein einziges Getriebezahnrad zuzuordnen.
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Die Synchronbaugruppe 5 enthält eine Nabe 10 (auch bezeichnet als Synchronkörper), der mittels einer Nabenverzahnung 12 drehfest auf der Getriebewelle angeordnet ist. Die Getriebewelle erstreckt sich entlang einer Mittelachse M, die gleichzeitig auch die Mittel- und Rotationsachse für die Getriebezahnräder 7, 9 sowie die Synchronbaugruppe 5 ist.
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Die Getriebezahnräder 7, 9 sind als Losräder auf der Getriebewelle angeordnet. Wenn einer der Gänge benutzt werden soll, dem das entsprechende Getriebezahnrad 7, 9 zugeordnet ist, muss dieses drehfest mit der Getriebewelle verbunden werden. Dies erfolgt hier mittels einer BorgWarner-Synchronisierung, die an sich bekannt ist und nachfolgend nur in ihren Grundzügen erläutert wird.
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Die Nabe 10 ist entlang ihrem Außenumfang mit einer Schiebemuffenverzahnung 14 versehen, auf der eine Schiebemuffe 16 drehfest, aber in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Hierfür ist am Innenumfang der Schiebemuffe 16 eine Innenverzahnung 17 vorgesehen. Mit der Schiebemuffe 16 kann eine (nicht dargestellte) Schaltgabel zusammenwirken, um die Gänge zu schalten.
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Jedes der Getriebezahnräder 7, 9 ist mit einer Schaltverzahnung 18 versehen, auf die die Schiebemuffe 16 mit ihrer Innenverzahnung 17 aufgeschoben werden kann, indem sie aus ihrer in den Figuren gezeigten Mittel- bzw. Neutralstellung in axialer Richtung entsprechend weit verschoben wird. Hierdurch ist eine drehfeste Verbindung von der Getriebewelle über die Nabe 10 und die Schiebemuffe 16 zum entsprechenden Getriebezahnrad 7 bzw. 9 hergestellt, so dass der entsprechende Gang zur Drehmomentübertragung verwendet werden kann.
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Die drehfeste Verbindung zwischen der Schiebemuffe 16 und der entsprechenden Schaltverzahnung 18 kann im Hinblick auf Verschleiß und Komfort nur dann sinnvoll hergestellt werden, wenn die Drehzahlen der Schiebemuffe 16 und des entsprechenden Getriebezahnrads 7 bzw. 9 identisch oder zumindest annähernd identisch sind. Um dies zu gewährleisten, werden die Drehzahlen der Bauteile zu Beginn des Schaltvorgangs synchronisiert.
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Hierfür ist für jedes Getriebezahnrad mindestens ein Synchronring 20 vorgesehen, dessen Hauptaufgabe darin besteht, mit einer dem entsprechenden Getriebezahnrad 7 bzw. 9 zugeordneten Reibfläche in Reibeingriff zu gelangen, sobald die Schiebemuffe 16 aus ihrer Mittelstellung heraus hin zu einem Getriebezahnrad 7 bzw. 9 bewegt wird. Der entsprechende Synchronring 20 hat weiterhin die Funktion, ein Durchschalten der Schiebemuffe, also einen Eingriff in die Schaltverzahnung 18, so lange zu verhindern, wie die Drehzahlen von Nabe 10 und damit Schiebemuffe 16 einerseits und dem entsprechenden Getriebezahnrad 7 bzw. 9 andererseits noch nicht ausreichend aneinander angeglichen sind. Zu diesem Zweck weist jeder Synchronring 20 eine Sperrverzahnung 22 auf, deren Verzahnungsmodul dem der Schiebemuffenverzahnung 14 sowie der Innenverzahnung 17 der Schiebemuffe 16 entspricht.
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Jeder Synchronring 20 ist an der Nabe 10 so angebracht, dass er in Umfangsrichtung begrenzt verdrehbar ist. Der mögliche Drehwinkel ist dabei so eingestellt, dass die Zähne der Sperrverzahnung 22 des Synchronrings 20, wenn er sich in der maximal verdrehten Position befindet, den Zähnen der Innenverzahnung der Schiebemuffe 16 gegenüberliegt. Erst wenn die Drehzahlen von Schiebemuffe 16 und entsprechendem Getriebezahnrad 7, 9 mindestens nahezu angeglichen wird und dadurch kein oder mindestens nahezu kein Schleppmoment mehr auf den Synchronring 20 wirkt, kann dieser durch Zusammenwirken von geeigneten Facetten an der Schiebemuffe 16 und an der Sperrverzahnung 22 in Umfangsrichtung zurück in eine Position gedreht werden, in der die Schiebemuffe 16 in axialer Richtung verstellt werden kann, bis sie in die Schaltverzahnung 18 des entsprechenden Getriebezahnrads bzw. 9 eingreift.
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Um die Schiebemuffe 16 in ihrer Mittelstellung zu zentrieren und auch um zu Beginn des Schaltvorgangs den entsprechenden Synchronring 20 mit der ihm zugeordneten Reibfläche in Eingriff zu bringen, sind an der Nabe mehrere Druckstücke 30 vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen 32 der Nabe 10 eingesetzt sind. Üblich sind drei Druckstücke, die gleichmäßig um den Umfang der Nabe 10 herum verteilt sind.
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Jedes Druckstück 30 weist ein Rastelement 34 in der Form einer gehärteten Kugel auf, die von einer Feder 36 aus dem Druckstück 30 heraus und gegen eine Rastfläche 38 auf der Innenseite der Schiebemuffe 16 beaufschlagt wird. Wie insbesondere in den 1 und 2 zu sehen ist, ist die Rastfläche 38 als in radialer Richtung sich nach außen vertiefende Aussparung ausgeführt, in die das Rastelement 34 eingreift, wenn sich die Schiebemuffe 16 in ihrer Mittelstellung befindet. Um die Schiebemuffe 16 in axialer Richtung zu verschieben, muss also das Rastelement 34 in radialer Richtung nach innen entgegen der Wirkung der Feder 36 verstellt werden.
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Der bis hier beschriebene Aufbau einer BorgWarner-Synchronisierung ist allgemein bekannt. Ebenso bekannt ist, dass der konkret in den Figuren gezeigte Aufbau im Hinblick auf verschiedene Randbedingungen modifiziert werden kann. Dennoch ist die Grundfunktion der BorgWarner-Synchronisierung immer dieselbe.
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Nachfolgend wird beschrieben, wie die erfindungsgemäße Synchronbaugruppe ausgeführt ist, um Schwingungen der Synchronringe 20 zu verringern oder ganz zu vermeiden.
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Die wesentliche Modifikation besteht darin, dass die Druckstücke unmittelbar mit den Synchronringen 20 zusammenwirken, um diese zu positionieren oder auszurichten. Außerdem wird durch den unmittelbaren Kontakt der Druckstücke (da sie auf den Synchronringen aufliegen) eine geringfügige Reibkraft erzeugt, welche der Synchronring bei einer Relativdrehung gegenüber dem Druckstück überwinden muss. Die Synchronringe werden also in Umfangsrichtung reibungsgedämpft, wodurch mögliche Schwingungsanregungen zusätzlich reduziert oder unterbunden werden.
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Das Druckstück 30 weist bezogen auf die Darstellung in 3 an seiner Unterseite, also an der der Mittelachse M zugewandten Seite, beiderseits einer senkrecht auf der Mittelachse M stehenden Mittelebene, jeweils eine Zentrierfläche 40 auf, die im Schnitt betrachtet schräg zur Mittelachse M der Nabe ausgerichtet ist. Wie in 3 zu sehen ist, beträgt der Neigungswinkel in der Größenordnung 10 bis 20°. Die Zentrierfläche 40 ist dabei so schräg ausgerichtet, dass ihr Abstand von der Mittelachse M an den voneinander abgewandten Enden des Druckstücks 30 geringer ist als näher an der Quermittelebene des Druckstücks 30. Wie sich aus dem Schnitt von 3 ergibt, ist die Zentrierfläche 40 hier als Teil einer Zylinderbzw. Kegelfläche ausgebildet, deren Mittelachse mit der Mittelachse M der Nabe 10 zusammenfällt.
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Alternativ könnte die Zentrierfläche 40 auch eben ausgeführt sein.
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Jeder Synchronring 20 ist mit mehreren Anlageflächen 50 versehen, die jeweils den Zentrierflächen 40 der Druckstücke 30 zugeordnet sind. Die Anlageflächen 50 erstrecken sich in der gleichen Weise schräg zur Mittelachse M der Nabe 10 wie die Zentrierflächen 40, sodass eine flächige Anlage (siehe 2) gewährleistet ist. Zu diesem Zweck sind die Anlageflächen 50 auch als Teil einer Zylinder- bzw. Kegelfläche ausgeführt, deren Mittelachse mit der Mittelachse M der Nabe 10 zusammenfällt.
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Bei der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform sind die Anlageflächen 50 an den Synchronringen 20 durch einen plastisch umgeformten Abschnitt des Körpers des Synchronrings gebildet. Konkret ist Material in der Richtung der Pfeile P in Richtung zur Sperrverzahnung 22 hin aufgeschoben worden, sodass sich das Material nach außen aufgeworfen hat. Mit einem geeigneten Prägewerkzeug ist dann die Anlagefläche 50 geformt worden.
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Wie insbesondere in den 2 und 3 zu sehen ist, stützt sich die Feder 36 am Boden des Druckstücks 30 ab. Somit wird das Druckstück 30, da sich die Feder 36 auf der Innenseite der Schiebemuffe 16 abstützt, in radialer Richtung nach innen beaufschlagt. Dadurch liegen die Zentrierflächen 40 an den Druckstücken unmittelbar an den Anlageflächen 50 am Synchronring an. Da insgesamt drei Druckstücke 30 verwendet werden, wird dadurch jeder Synchronring relativ zur Mittelachse M in eine definierte Position zentriert. Aufgrund der Ausrichtung der Zentrierflächen 40 und Anlageflächen 50 schräg zur Mittelachse M ergibt sich darüber hinaus eine Axialkraft, die jeden Synchronring 20 in axialer Richtung zur Nabe hin beaufschlagt, bis er eine definierte Position einnimmt, insbesondere mit dem Bund, an welchem die Sperrverzahnung 22 ausgebildet ist, am Druckstück 30 anliegt. Die axiale Beaufschlagung der Synchronringe führt ferner dazu, dass die Synchronringe aktiv gelüftet werden. Hierdurch ergibt sich ein geringeres Schleppmoment, woraus geringere Reibung und ein geringerer Kraftstoffverbrauch resultiert.
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In den 5 bis 9 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform zum einen durch die Ausrichtung der Zentrierflächen 40 und Anlageflächen 50 und zum anderen durch die Art und Weise, wie die Anlageflächen 50 an den Synchronringen 20 hergestellt und angeordnet sind.
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Bei der zweiten Ausführungsform sind die Zentrierflächen 40 als Vertiefungen auf der Unterseite der Druckstücke ausgebildet. Dabei erstrecken sich die beiden Zentrierflächen 40 parallel zur Mittelachse M der Nabe 10.
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Die Anlageflächen 50 sind hier an Laschen 52 vorgesehen, die einstückig mit dem Synchronring 20 ausgebildet sind. Die Laschen 52 können insbesondere Teil des Blechzuschnitts sein, aus dem auch der Grundkörper des Synchronrings hergestellt wird. Wie insbesondere in den 6 und 9 zu sehen ist, sind die Laschen 52 so abgebogen, dass sie sich parallel zur Mittelachse M der Nabe 10 erstrecken; anders ausgedrückt sind sie nahezu auf den Grundkörper des Synchronrings 20 zurückgebogen. Dabei erstreckt sich die Anlagefläche 50 parallel zur Mittelachse M.
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Auch bei der zweiten Ausführungsform werden die Druckstücke 30 in radialer Richtung nach innen beaufschlagt, da sich die Feder 36 (über das Rastelement 34) einerseits an der Innenseite der Schiebemuffe 16 abstützt und andererseits am Boden der Ausnehmung im Druckstück, in der die Feder angeordnet ist. Somit wirken die Zentrierflächen 40 in radialer Richtung nach innen auf die Anlageflächen 50 ein, wodurch die Synchronringe relativ zur Nabe zentriert werden.
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Auch bei der zweiten Ausführungsform können je nach konstruktiven Gegebenheiten die Anlagefläche 50 und die Zentrierfläche 40 jeweils eben ausgeführt sein oder als Teil einer Zylinderfläche, die auf die Mittelachse M der Nabe 10 zentriert ist.
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Aufgrund der Zentrierung der Synchronringe 20 über die Druckstücke 30 ergeben sich bei beiden Ausführungsformen verringerte Schwingungen des Synchronrings. Dieser Effekt ist bei der ersten Ausführungsform noch stärker ausgeprägt, da hier auch eine Zentrierung in axialer Richtung erfolgt.
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Da die Synchronringe an den Druckstücken eingehängt sind, können diese an den Druckstücken und damit an der Synchronbaugruppe vormontiert werden. So kann insgesamt eine vormontierte Baugruppe bereitgestellt werden, die dann im Getriebe eingebaut wird.
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Damit die Druckstücke 30 den Synchronringen 20 beim Synchronisieren ermöglichen, sich relativ zur Nabe 10 zu verdrehen, sind entweder die Synchronringe in Umfangsrichtung innerhalb der Ausnehmungen 32 in der Nabe verstellbar, in denen sie angeordnet sind. Alternativ sind die Zentrierflächen 40 in Umfangsrichtung so breit, dass die Anlageflächen 50 sich relativ zu den Druckstücken um die nötige Strecke verschieben können.