CN100470094C - 无级变速器 - Google Patents

Abstract

一种无级变速器(1)，具有一对带轮(2，3)，在所述带轮之间可旋转地布置可沿纵向方向弯曲的环形变速器元件(10)，所述带轮(2，3)和所述变速器元件(10)至少主要由金属制成，在该无级变速器中，带轮(2，3)和变速器元件(10)之间摩擦接触中的至少一个接触表面配设有无机表面层或覆层，藉此所述摩擦接触发生而不会向它提供连续流的液体润滑剂。

Description

无级变速器

技术领域

本发明涉及无级变速器。该类型的变速器通常是已知的，例如可以由以本申请人的名义的专利公布EP-A—1 167 829中获知。变速器设计有由金属或至少金属零件形成的柔性变速器元件，这样就可以传递相对较高的功率，至少高于通常已知的可选增强塑料V形带的功率。

背景技术

基于金属变速器元件的该类型的变速器非常合适并且因此也广泛地在商业上用在汽车的驱动中。然而，这些变速器的一个设计缺陷是需要向变速器元件和带轮之间的摩擦接触实际上连续地供给润滑剂流来用于冷却或耗散来自摩擦接触的摩擦热。该配置需要在已知变速器中具有高质量的液压系统，它不仅对其复杂性具有有害的影响，而且不利地影响到价格以及维护和操作成本。

上述缺陷意味着不同的团体已经研究被描述为“干式”变速器的变速器，即其中变速器元件和带轮彼此直接摩擦接触、即不会向该接触供给任何润滑剂或至少不会供给润滑剂的连续流的变速器。它的一个实例是由BANDO销售的变速器元件，该变速器元件配设有连续的纵向或拉伸元件，在纵向或拉伸元件上在适当的位置上夹紧了大体上多个横向元件，这些横向元件配设有金属芯，围绕该金属芯布置了一个塑料护套。除此之外，可以从专利公布EP A 1 304 501中获知该变速器的主要原理。该干式变速器的缺陷是对于它目前适用的场合具有相对有限的功率。在商业方面，干式变速器可用于扭矩最多为65Nm的脚踏车应用和具有从70到80Nm的发动机转矩的小型汽车的许多设计中。然而，至少在目前，已知的干式变速器不适合用在中级和较高级的汽车中，例如具有125Nm或更高发动机转矩的汽车中。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种无级变速器，它适于相对较高的发动机转矩的传递，至少适于高于已知干式变速器的扭矩，而不需要润滑剂流的连续供给。依照本发明所基于的发现，这是通过根据本发明的措施的变速器实现的。

在依照本发明的措施中，变速器或至少带轮和/或变速器元件配设有烧结或蒸汽沉积无机材料或材料组分的表面层或覆层。遵守该特征的变速器有利地适于相对较高的扭矩和/或驱动功率的未冷却的传递，即没有向变速器元件和两个带轮之间的摩擦接触的润滑剂流的连续供给，并且还会实现带轮和变速器元件的可接受的磨损率。另外，本发明的有利之处在于，在每个带轮中施加在变速器元件上并且允许各自的摩擦接触中的摩擦力所需的法向力或夹紧力同从EP A 1 167 829中获知的变速器相比会降低，这是由于在所述接触中具有相对较高的摩擦系数。

不同于在由EP A 1 304 501中已知的其中覆层包括塑料护套或封装金属内核的设计的情形下，依照本发明，该覆层包括无机材料层，无机材料粘附结合到它下方的基底材料上，并且，在微观尺度上机械地连接到基底材料上，从而导致在它们之间的更强固的结合。依照本发明的覆层的材料本身和覆层与基底材料的所述结合特别地能够抵抗在摩擦接触中出现的热的生成。

本发明的令人惊奇之处在于，在依照本发明的措施中，从已经调查的潜在可选材料的组中，由于相对较低的摩擦系数而需要在摩擦接触中最高夹紧力和最高相关联的接触压力的那些材料看上去适合于覆层。此前，这些材料事实上被期望具有相对较高的磨损率和/或被热的生成损坏。换句话说，恰恰是那些被期望释放最大量的热且所述热至少部分地由夹紧力和摩擦接触中的(微)滑移率的乘积确定的材料已被发现具有不相称的低磨损率，尽管上述热的生成通常会影响该磨损。

本申请人执行的研究也已经发现，有利地，正被讨论的无机覆层的仅仅一部分不得不配设为在变速器元件和两个带轮之间的摩擦接触中，而另一部分整体地由基底材料制成，基底材料通常用于该目的，通常为硬化钢。因此，在本发明的第一优选实施例中，覆层由烧结金属摩擦材料构成，如从例如干式盘形离合器中已知的那样，并且该材料涂覆到带轮的接触表面上后来与变速器元件摩擦接触的一侧上。用于涂覆该类型覆层的已知制造技术是适当的，特别是对于大体上平的并且相对较大的表面而言。

在本发明的第二优选实施例中，覆层由DLC或金刚石状碳覆层构成，DLC或金刚石状碳覆层通过汽相沉积涂覆到变速器元件的接触表面中后来与带轮摩擦接触的一侧上。依照该优选实施例的更详细的改进，变速器元件是所谓的推送带，推送带配设有至少一个连续的带状金属拉伸元件且具有大体上大量的相对薄的金属横向元件，金属横向元件可以相对于拉伸元件横向地移动并且沿着其外围布置，且至少这些横向元件与带轮的接触表面配设有DLC覆层，DLC覆层比烧结覆层更适于应用具有相对复杂形状的产品。此外，已知的制造技术包括应用例如铬的转换层以增强覆层和钢基底材料之间的结合。横向元件优选被完全涂覆覆层，这样其与拉伸元件的接触表面也配设有保护性的耐磨覆层。如果，如通常的情形那样，多个沿径向嵌套的拉伸元件用在推送带中，那么它们有利地配设有DLC覆层，因为拉伸元件在操作过程中会沿纵向方向在彼此上方滑动，生成摩擦热并且产生磨损，就像横向元件和带轮之间的摩擦接触中那样。

在一个特定实施例中，覆层由与钢接触时具有小于或等于0.20的摩擦系数Cof的材料形成，这样，就可以保持11度的现有接触角α，如同已知的那样。在该值处，至少对于变速器旋转，依照对于自锁定作用本身已知的公式(α≥arctan(Cof))，依照已知尺寸的设计即不需要改变现有的变速器设计的变速器能够换档，即变速器元件可以在带轮的位置处沿径向移动。依照本发明所基于的研究，至少在与钢接触时具有大约0.15的摩擦系数的DLC覆层适于该目的。

附图说明

现在将参照附图经由实例来更详细地说明本发明，其中：

图1概略地显示了穿过配设有依照现有技术的两个带轮和变速器元件的无级变速器的剖面图。

图2显示了图1中的变速器的简化侧视图。

图3显示了穿过所谓的推送带的剖面图，推送带优选地用作依照本发明的无级变速器中的变速器元件。

图4显示了表示钢和用于带轮和/或变速器元件的接触表面的很宽范围的不同材料之间的干摩擦接触中的摩擦系数以及根据估算在此基础上在干式变速器上所需的接触压力的曲线图。

图5显示了对于图4中材料组合的磨损的线性系数。

具体实施方式

图1概略地显示了穿过依照现有技术的无级变速器的剖面图。已知的变速器1包括主带轮2和辅助带轮3，主带轮2可以由发动机(未显示)以主力偶Tp驱动，并且辅助带轮3能够以辅助力偶Ts驱动载荷(未显示)。两个带轮2和3配设有带轮轮盘21、31，带轮轮盘固定地紧固到各自的带轮轴20、30上，并且轮盘22、32可以沿轴向相对于该轴20、30移动。变速器元件10更具体而言为推送带10，夹紧在带轮轮盘21、22和31、32之间，这样机械功率就可以借助于摩擦而在两个轴20和30之间传递。变速器元件10用来针对每个带轮2、3夹紧的轴向朝向的夹紧力在这种情形下是由驱动装置实现的。在此实例中，该驱动装置是由两个带轮2和3的各自的压力室24、34形成的，其中在压力室中施加了液压，但是驱动装置的可选方案也是已知的。

变速器1的传动比Rs/Rp是由变速器元件10的辅助运转半径Rs和主运转半径Rp的比值即各自的带轮2和3的轮盘21、22和31、32之间的有效径向位置确定的。变速器1的所述运转半径Rp和Rs并且因此依照本发明界定的传动比Rs/Rp可以对应于变速器的换档而变化，变速器的换档是通过沿相反的轴向方向在各自的带轮轴20、30上移动可移动的轮盘22、32实现的。在图1中，变速器1显示为具有小传动比Rs/Rp的实例，即具有相对较大的主运转半径Rp和相对较小的辅助运转半径Rs。

图2显示了已知变速器1的另一个视图，在这种情况下是侧视图，主带轮2和主轴20位于图的左侧并且辅助带轮3和辅助轴30位于图的右侧。与图1相比，该图显示了具有相对较高传动比Rs/Rp的变速器1，其中主运转半径Rp低于辅助运转半径Rs，其结果是，在操作过程中，主带轮2具有比辅助带轮3低的旋转速度。所显示的变速器元件10在这种情形下被称为推送带10，它包括实际上连续的一系列横向元件11(在图中为了简化只显示了其中的一些)和相对柔性的拉伸元件12。

在图3中以剖面图更详细地显示了该推送带10。该剖面图显示了横向元件11的前视图，横向元件11在任一侧上设置了一个凹部，每个凹部中均容纳了一个单独的拉伸元件12。拉伸元件12和横向元件11在这种情形下彼此沿径向或垂直方向包围，但是横向元件11可以沿着拉伸元件12在其圆周方向中自由地移动。另外，横向元件11沿推送带10的圆周方向配设有隆起即凸起13，并且配设有布置在元件11的相对主侧中的凹部14，凸起13和凹部14用来使一系列横向元件11相对于彼此在推送带10中确定方向。

横向元件11的底部成锥形，这样两个邻近的横向元件11就可以相对于彼此倾斜并且推送带10可以描述为弧，例如在它夹紧在各自的带轮2和3的轮盘21、22和31、32之间的地方。应当指出，上述有效径向位置即推送带10的有效运转半径Rp、Rs大体上对应于横向元件11的底部顶侧的径向位置，横向元件11的顶侧也被称作横向元件11的倾斜线，横向元件11沿着它们在所述弧中彼此接触。另外，底部在两侧上设置了所谓的接触表面16，横向元件11通过接触表面16夹紧在21、22以及31、32之间，驱动带轮2的旋转经由摩擦传递至被夹紧的横向元件11。在这种情形下，可以在横向元件11之间生产相当多的推力，且结果是它们沿着从动带轮3的方向沿着拉伸元件12彼此推动。拉伸元件12在这种情形下经由特别为此而设计的支承表面17(也被称为鞍部)压在横向元件11上。然后，在推送带10夹紧在从动轮盘3的轮盘31和32之处，出现在横向元件11之间的推力实际上完全经由摩擦传递到其上。最终，横向元件11彼此推动，由从动带轮3后退向驱动带轮2施加一个相对低的推力。拉伸元件12在该过程中保证横向元件11继续遵循针对推送带10设计的路径。

在已知变速器中的横向元件11和带轮轮盘21、22和31、32之间的摩擦系数大体上是由被称为ATF(自动传输流体)的所使用的液体润滑剂和冷却剂的类型确定的。该润滑剂至少几乎连续地供给、排放和再次供给即再循环，并且部分地用来高效地耗散由摩擦变速器的性质产生的热量。作为一个实例，对于将被传递的100千瓦的功率，由于摩擦接触中的滑动造成的热的生成中1％的损失，就会导致1千瓦的热输出，这需要摩擦接触的强制冷却。

变速器1的这种形式的操作的一个缺陷是横向元件11和带轮2、3之间的摩擦系数采用了大约为0.1的相对较低的值。这反过来又意味着每个带轮2、3所需的夹紧力非常高，因此这些带轮不得不制作得非常结实并且不得不配设有大功率的驱动装置。另外，变速器1就必须以过量的润滑剂可以容易地从带轮2、3和横向元件11的接触表面16之间的接触被排放的方式设计，为此这些接触表面16通常配设有凹槽或某些其它形式的不连续表面。因此，接触表面16的可用于吸收夹紧力的有效表面积就小于其表观几何表面积。

因此，这两个方面导致摩擦接触中相对较高的接触压力Ppe并且至少部分地是最大功率密度的确定因素，正如所知的那样，它们可以在已知的变速器1中实现，该功率密度被定义为被其体积或重量除的传递的额定功率。一般而言，接触压力Ppe的增大还会对变速器1的效率产生不利的影响。

因为干式变速器的商业上可用的设计也已知仅仅适用于相对有限的功率，所有这些都导致对已知设计的重新考虑，并且最终导致对于无级变速器的设计的深远的研究，该种无级变速器可以潜在地用于传递相对较高的功率而不需要润滑剂流的连续供给。

已经研究了可能用于变速器元件10和带轮2、3之间的无润滑摩擦接触的许多可选材料。研究的一个重要起点是润滑的变速器1的功率密度需要至少大约地保持，其被表示为例如期望的可以传递的最小扭矩比具有相同尺寸的变速器元件10的接触表面16且更特别地具有相同尺寸的其横向元件11的已知干式变速器的大。

在研究中涉及如下材料和材料的组合：

A＝润滑剂流连续供给的参考测量；

B＝钢上的DLC覆层(“金刚石状碳”)；

C/D/E＝钢上的烧结金属覆层(如用于干式盘形离合器的摩擦材料)的不同组分；

I/K/M＝作为钢上的覆层的工业级陶瓷：

I＝氧化铝(Al2O3)；

K & M＝钇稳定的氧化锆；

F/G/H/J/L/N/O/P/Q＝不同的钢的等级(没有覆层！)：

F＝特殊耐磨钢；

G＝铁—钛钢(33％ TiC)；

H＝工具钢；

J＝HSS钢；

L＝CrMoV—钢(表面氮化)；

N＝CrMoV—钢(表面渗碳)；

O＝CrMoN—钢；

P＝挤压铁—硅钢(25％ SiC)；

Q＝铸造铁—硅钢(20％ SiC)；

在所有这些情形中，首先与钢摩擦接触的各种材料或材料组合A至Q的摩擦系数Cof是借助于已知的实际上标准化的销—盘试验确定的。在该试验中，盘旋转布置而销压在旋转盘上，同时在它们之间施加期望的法向力或接触压力。两个部件之一即销或盘，或至少其接触表面，在这种情形下由将被测试的各自的材料或相应的材料组合A至Q制成，而另一个部件由钢构成，在这种情形下由100Cr6钢构成。

图4中显示了借助于上述销—盘试验测量的材料和材料组合A至Q的摩擦系数Cof。然后，借助于摩擦系数Cof，可以计算实现界定的期望摩擦力所需的接触压力Ppe，该计算的起始点如同所述的那样，是摩擦力和当前所用润滑变速器1中使用的接触表面16的几何表观表面积的级别。在该上下文中，应当指出，干式变速器中接触表面16的几何表观表面积等于其可用的有效表面积，这有利地导致接触压力Ppe对于恒定级别的期望摩擦力降低，在某些情形中甚至由高达4或更多的因子降低。由于已经在该上下文中讨论的背景，该参数被称作等效接触压力Ppe。

因此各种材料和材料组合A至Q所需的等效接触压力Ppe也显示在图4中。该等效接触压力Ppe看上去大体上满足下列关系：

$\mathrm{Ppe}\≈\frac{8.3}{\mathrm{Cof}}\·\left[\mathrm{MPa}\right]---\left(1\right)$

材料和材料组合A至Q然后经受线性磨损试验。在这类试验中，销压到盘之上，施加图4中的各个等效接触压力Ppe已定义的时间周期或试验持续时间并且在0.2米/秒的实际差速或滑动速度下(在此处描述的试验中)。使用配设有平面接触表面的销与盘执行测量保证了接触压力Ppe在整个试验过程中甚至是在发生销磨损时大体上恒定。

在线性磨损试验已经结束之后，会测量销已经磨损掉的距离(即确定销长度在试验前后之差)，并且通过将该距离除以试验持续时间计算所谓的磨损率Wi。该计算的结果绘制于图5中，其中，对于上述材料和材料组合A至Q中的每一种，以微米/每分钟表示的磨损率Wi沿着Y轴绘制在对数刻度上，且X轴为摩擦系数Cof。

图5清楚地揭示了两组材料的划分，这两组材料在它们的磨损率Wi方面相差的因子为10。应当指出，依照本申请人的观点，包含E至Q在内的具有高磨损率Wi的材料和材料组合的组不适合用在变速器1的带轮2，3和变速器元件10之间的摩擦接触中的接触表面内。这种高磨损率Wi将导致变速器1的不能接受的短的使用寿命。具有最低磨损率Wi的材料和材料组合的组即包含B至D在内的组，依照本申请人的观点，至少在原则上适于该性质的应用。依照本发明，因此，DLC覆层和烧结金属覆层是适当的，且后者的摩擦系数Cof至少低于0.225。

当然，如果在变速器1的操作过程中，如果使用比等式(1)中的上述等效接触压力Ppe低的最大接触压力Ppe，或者如果仅仅在部分使用寿命中施加等效接触压力Ppe(在该情形中意味着接触压力Ppe降低)，那么变速器1的使用寿命仍然可以延长。

还可以从图5中看出，对于后一组材料和材料组合B至D，会施加最高的等效接触压力Ppe。尽管因此该后一组不会预先看上去最可能获得变速器1的最佳效率，但是该组事实上证明了适于实现本发明所基于的目标，因为这会被相关联的磨损率Wi相当地低于其它材料和材料组合B至D的事实抵消。

使用所述材料，摩擦系数Cof同已知的润滑的变速器相比至少实际上为两倍，而所需的最小接触压力会相当大的降低。由于依照本发明的变速器这种设计，会极大地减少将耗散的热量，因此变速器就可以可行地设计而没有再循环润滑剂的连续供给形式的冷却，而同时还会实现相对有限并且因此可接受级别的磨损。

应当指出，至少如果期望或是认为需要的话，仍可以向所述摩擦接触供给润滑剂，例如在制造变速器1的过程中或是在操作过程中随时在一次性基座上供给高粘性润滑脂，例如逐滴地或是作为喷雾，特别是没有其再循环。虽然这些形式的润滑不会导致在任意情形中在依照本发明的变速器1中不需要的特别高效或广泛的冷却，但是这的确会在总体上进一步降低磨损率Wi和/或特别是在使用推送带10时，从而减少了在其横向元件11和拉伸元件12之间的热的生成。

Claims (14)

1.一种无级变速器(1)，具有一对带轮(2，3)，在所述带轮之间可旋转地布置有可沿纵向方向弯曲的环形变速器元件(10)，所述带轮(2，3)和所述变速器元件(10)主要由金属制成，在所述变速器(1)中，在带轮(2，3)和变速器元件(10)之间摩擦接触中的至少一个接触表面配设有无机表面层或无机覆层，并且所述摩擦接触发生而没有向所述摩擦接触提供连续流的液体润滑剂；其特征在于，在操作过程中出现在带轮(2，3)和变速器元件(10)之间的最大接触压力Ppe小于60Mpa并且满足下列关系：

$\mathrm{Ppe}\≤\frac{8.3}{\mathrm{Cof}}\·\left[\mathrm{Mpa}\right]$

其中Cof是在所述摩擦接触中的摩擦系数。

2.如权利要求1所述的变速器(1)，其特征在于，摩擦系数Cof小于或等于0.2。

3.如权利要求1或2所述的变速器(1)，其特征在于，摩擦系数Cof等于或高于0.15。

4.如权利要求1或2所述的变速器(1)，其特征在于，摩擦接触中的所有接触表面配设有覆层。

5.如权利要求1或2所述的变速器(1)，其特征在于，表面层为与钢摩擦接触时具有低于0.225的摩擦系数Cof的金刚石状碳类型或烧结金属摩擦材料类型中的任一种。

6.如权利要求5所述的变速器(1)，其特征在于，带轮(2，3)的接触表面配设有烧结金属摩擦材料的表面层。

7.如权利要求5所述的变速器(1)，其特征在于，变速器元件(10)的接触表面(16)配设有金刚石状碳类型表面层。

8.如权利要求1所述的变速器(1)，其特征在于，变速器元件(10)为推送带，所述推送带包括至少一个连续的带状金属拉伸元件(12)和大数量的相对薄的金属横向元件(11)，所述金属横向元件(11)可以相对于拉伸元件(12)横向地移动并且沿着其外围布置。

9.如权利要求9所述的变速器(1)，其特征在于，与横向元件(11)的支承表面(17)接触的拉伸元件(12)或至少其一部分配设有金刚石状碳类型表面层。

10.如权利要求8或9所述的变速器(1)，其特征在于，横向元件(11)或至少其接触表面(16)配设有金刚石状碳类型表面层。

11.如权利要求8或9所述的变速器(1)，其特征在于，横向元件(11)或至少其接触表面(16)配设有烧结金属摩擦材料的表面层。

12.如权利要求1所述的变速器(1)，其特征在于，所述摩擦接触被润湿或至少使用润滑剂润滑。

13.如权利要求1所述的变速器(1)，其特征在于，它配设有用于以附带的方式向所述摩擦接触施加润滑剂的施加装置。

14.如权利要求12或13所述的变速器(1)，其特征在于，润滑剂不进行再循环。

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