Weshalb muss „irgendwas“ ausdistanziert werden?

Erklärungsversuch am Beispiel der R1150xx Schaltmechanik

Konstruktion:
Durch den Schalthebel wird eine Art „Kugelschreibermechanik“ betätigt (1x drücken= nächste Stellung).
Durch sie wird eine Schaltwalze um 1/7 Umdrehung gedreht und rastet dann jeweils ein.
In die Schaltwalze ist pro Schaltgabel (blau; Leichtmetall) eine umlaufende Nut (rot) gefräst.
In dieser Nut ist ein Ende (orange) der Schaltgabel geführt. Das andere Ende greift in eine Nut des jeweiligen Schaltrades. Der Ausprägung der Nut folgend wird die Schaltgabel auf ihrer Führungsachse verschoben und verschiebt so auch das Schaltrad.

Überlegungen zu Spiel/Toleranz der Bauteile
1 Die Schaltwalze muss sich drehen können. Somit kann sie sich, -aufgrund ihrer Lagerluft- sowohl in axialer- wie auch in radialer Richtung etwas bewegen.
2 Die Führung der Schaltgabeln in den Nuten der Schaltwalze erfordert etwas Spiel.
3 Die Lagerung der Schaltgabeln auf den Schaltwellen kann nicht spielfrei sein weil sie sich bewegen können muss.
4 Zwischen Schaltgabel und der Nut des Schaltrades muss „Luft“ sein.
5 Die auf der Getriebewelle positionierten, rollengelagerten Zahnräder (hier grün) können sowohl axial wie auch radial Spiel haben.

Toleranzen/Spiel
Alle Toleranzen müssen passen. Die Forderung ist nicht so trivial wie es scheint. Eine Temperaturdifferenz von insgesamt 120° C ist nicht unwahrscheinlich. Unterschiedliche Materialien dehnen sich -temperaturabhängig- unterschiedlich aus. Dennoch müssen viele, sich u.U. schnell drehende Bauteile bei jeder Temperatur und in jeder Getriebestellung zueinander passen.
1 Die Schaltwalze wird langsam bewegt. Kraft steht ausreichend zur Verfügung. Das Radialspiel ist (als technischer Begriff „Spiel“) weitgehend uninteressant weil es auf die Führung der Schaltgabel kaum Einfluss hat. Interessant sind nur das Axialspiel und die Einbaulage.
2 Die Schaltgabeln (Leichtmetall) müssen einerseits leicht in den Nuten gleiten, sollen andererseits wenig Spiel haben. Unterschiedliche Materialien sind beim Temperaturgang zu berücksichtigen.
3 Die Lagerung der Schaltgabeln auf den Schaltwellen sollte ein grosses Längen/Durchmesserverhältnis haben. Die Führungshülse gleitet leichter auf der Welle wenn sie relativ lang ist, nicht „ecken“ kann. Die Schaltgabel kann sich dann weniger verdrehen (gestrichelt).
4 Das Spiel zwischen Schaltgabel und der Nut des Schaltrades muss relativ grosszügig sein. Die Relativgeschwindigkeiten zwischen den Bauteilen sind erheblich und ein Fressen hätte weitreichende Folgen.
5 Das radiale Spiel der Zahnräder 1&2 ist durch die Lagerluft definiert und sehr klein. Das axiale Spiel ist entscheidend und sollte gering sein.

Forderung
Eine Schaltgabel positioniert ein Schaltrad zwischen zwei anderen Rädern (Bild M94 Zwischenwelle). Rot gekennzeichnet eine Neutralstellung, die gestrichelten Stellungen für die Gänge gelb(4) und orange(3).
Die Räder bewegen sich mit verschiedenen Drehzahlen. Aus Gründen der Baugrösse, des Gewichtes, der Schaltwege, etc. sind die Räder so schmal wie möglich bemessen. Abstände zwischen den einzelnen Rädern sollen geringstmöglich sein.
Die Summe der Toleranzen aller beschriebenen Bauteile muss in allen Fällen so sein, dass sich Räder seitlich davon (grün) frei drehen können wenn das „Schieberad“ in der Mittelstellung steht.
Alle Räder müssen, wenn sie Kraft übertragen, einander möglichst exakt gegenüberstehen damit die gesamte(n) Zahnbreite(n) zur Übertragung beitragen.
Beim Schaltvorgang zwischen z.B. zweitem und drittem Gang werden zwei Schieberäder gleichzeitig auf der gleichen Welle bewegt. Gleichzeitigt darf dabei zu jedem Zeitpunkt nur maximal eine Klauenkombination im Eingriff sein! Also müssen auch die Positionen der beiden Radgruppen („2x grün + 1x orange“) exakt aufeinander abgestimmt sein!

Drehzahldifferenzen
Ausgehend von der Getriebestellung „6-ter Gang“ (Link)
Die Zwischenwelle und die mit ihr verbundenen Räder drehen sich z.B. mit 4000 1/min.
Der entscheidende Kraftfluss erfolgt von der Zwischenwelle über C nach B. Von B wird nach G und so auf die Ausgangswelle übertragen. Diese dreht sich, wie auch G, mit 5000 1/min.

Das direkt links neben G befindliche Rad F dreht sich mit 2500 1/min, also gerade halb so oft. Würde es, aufgrund fehlerhafter Distanzierung, „nur mal kurz“ G touchieren, wären der 2-te UND der 6_te Gang gleichzeitig im Eingriff. Es folgt ein Getriebecrash.
Das direkt rechts neben G befindliche Rad H dreht sich mit 3850 1/min. Würde G dieses touchieren wäre das Ergebnis nicht wesentlich unterschiedlich zum vorher beschriebenen Fall.
In der Praxis würde das Rad G nach einer eventuellen Kollision mit nur einem der beiden Räder zurückprallen, auch das andere Rad streifen, grösseren Schaden verursachen und letztlich evtl. zum Sturz des Fahrers führen.

Für K gelten in Bezug auf J und L die gleichen Überlegungen wie für G zu F und H.

Die Ausgangswelle, angetrieben durch G, dreht mit 5000 1/min; also schneller als die sich, mit unterschiedlichen Drehzahlen(!) um sie drehenden Sekundärräder F, H, J, (K), u. L.
Die direkt nebeneinander befindlichen Räder H u. J haben unterschiedliche Drehzahlen. Folglich müssen auch sie genügend Spiel zueinander haben um Reibung und somit Hitze (Schäden) zu verhindern.
Allerdings wird angestrebt die Überdeckungen der Klauen im Eingriff möglichst gross zu gestalten um die Kräfte auf grosse Überlappungsflächen zu verteilen. Wenn also der Abstand zwischen einer Rad / „Schieberad“-Kombination zu gross ist, wird die Klauenüberdeckung zu knapp.

Fazit
Alle Getriebebauteile müssen durch „Beilagscheiben“ zueinander exakt positioniert (ausdistanziert) sein damit einerseits unbeabsichtigte Eingriffe ausgeschlossen sind, andererseits die Klauenabdeckung möglichst gross ist. Fehlerhaft distanzierte Getriebe können schlagartig blockieren.

 

Link

Sinnvoll ist es, sich zuerst mit "Getriebe - schematische Erklaerung" einen Überblick zu verschaffen
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