CN101105218B - 具有摩擦环的锥环变速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锥环变速器(1)，具有两个彼此反向地设置的锥形摩擦轮(2，3)和一个摩擦环(8)，该摩擦环环绕着这些锥形摩擦轮(2，3)中的一个并且通过一个内接触表面(12)与被环绕着的锥形摩擦轮(2)以及通过一个外接触表面(13)与另一个锥形摩擦轮(3)配合，其中，这些接触表面(12，13)中至少一个在与该摩擦环(8)的旋转方向垂直的剖面中具有根据下列关系的断面P：P(x)＝A·ln(F(x))其中：P(x)是断面函数；x是与所述接触表面(12，13)的中心(22，23)的距离；F(x)是作为对数函数ln的自变量的函数；以及A是系数。

Description

具有摩擦环的锥环变速器

技术领域

本发明涉及一种锥环变速器，具有两个彼此反向地设置的锥形摩擦轮和一个摩擦环，该摩擦环环绕着这些锥形摩擦轮中的一个并且与这两个锥形摩擦轮配合。

背景技术

由DE 103 03 891 A1公开了一种锥环变速器，在该锥环变速器中，彼此反向地设置的锥形摩擦轮各以相同的张角α座置在平行的轴上。通过在轴的轴向方向上调节摩擦环，可无级地调节锥环变速器的传动比。

摩擦环具有一个径向向外指向的环绕的外接触表面和一个径向向内指向的环绕的内接触表面。内接触表面在此与由摩擦环环绕着的锥形摩擦轮的接触表面构成第一接触区。锥形摩擦轮的接触表面在此是锥形摩擦轮的锥形外壳面。第二接触区在摩擦环的外接触表面与不由摩擦环环绕的锥形摩擦轮的接触表面之间得到。因为摩擦环夹紧在两个彼此对置的锥形摩擦轮之间，所以通过该摩擦环可使转矩经由这两个接触区在这两个锥形摩擦轮之间传递。

为了在旋转体(锥形摩擦轮和摩擦环)之间传递转矩，通常使用适当的摩擦传动液，通过该摩擦传动液应使一个接触区中彼此靠置的接触表面分开。如果这种分开通过摩擦传动液得到，则转矩传递通过所参与的旋转体之间的于是给出的间隙中的摩擦传动液的剪切应力进行。如果转矩传递纯粹通过摩擦传动液的剪切实现，则通常金属的接触表面的磨粒磨损可理想地完全避免。

通常不仅摩擦环的内接触表面而且外接触表面在与摩擦环的转动方向垂直的剖面或平面中是直线，由此在摩擦环与一个锥形摩擦轮之间各形成线接触。线接触在此从摩擦环的第一轴向端面延伸直到第二轴向端面。线接触在此通过摩擦环的环绕的第一棱边和第二棱边限定边界，该第一棱边和第二棱边各将环绕的接触表面与相应的轴向端面分开。

但在线接触中产生所谓的棱边支撑(Kantentragen)，其中，在摩擦环的在轴向方向上限定线接触的边界的棱边上产生较大的压力，由于所述压力而在摩擦环的材料中导致不期望的应力峰值并且摩擦环与锥形摩擦轮之间的间隙中的摩擦传动液的有利的剪切力分布不再得到保证。而是存在危险：在摩擦环的棱边上摩擦传动液膜撕裂并且由此不再仅通过摩擦传动液进行保护材料的转矩传递。

例如由DE 103 03 891 A1公开了将摩擦环的接触表面在与摩擦环的转动方向垂直的剖面中构造成凸的或球状的。因此，接触表面的均匀的曲率在与摩擦环的转动方向垂直的剖面中不是导致线接触，而是导致点接触。通过这种点接触可在很大程度上避免上述不利的棱边支撑。但点接触在摩擦环的宽度上观察导致类似抛物线的压力分布，其后果是：在此尤其是在摩擦环的中心(两个环绕的棱边之间)导致不期望的高应力。这种不期望的高应力必须避免。因此通常降低压力，其后果是可传递的最大转矩减小。可简单地认为，点接触比线接触传递低的转矩，因为在接触的部位上摩擦环材料和/或摩擦传动液的负荷极限不允许超过。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种锥环变速器，该锥环变速器可在尽可能没有磨损的情况下高效地传递高转矩。

本发明的任务通过根据本发明的锥环变速器来解决。本发明的优选实施例可在下述技术方案中获知。本发明还涉及一种用于所述锥环变速器的摩擦环。

根据本发明，提出了一种锥环变速器，具有两个彼此反向地设置的锥形摩擦轮和一个摩擦环，该摩擦环环绕着这些锥形摩擦轮中的一个并且通过一个内接触表面与被环绕着的锥形摩擦轮以及通过一个外接触表面与另一个锥形摩擦轮配合，其中，这些接触表面中至少一个在与该摩擦环的旋转方向垂直的剖面中具有根据下列关系的断面P：

P(x)＝A·ln(F(x))

其中：P(x)是断面函数；

x是与所述接触表面的中心的距离；

F(x)是作为对数函数ln的自变量的函数；以及

A是系数。

根据本发明的锥环变速器的特征在于：摩擦环的至少一个接触表面在与摩擦环的转动方向垂直的剖面中具有断面P，该断面P具有对数变化曲线。断面P在此是一个与对数函数ln成比例的函数，其自变量取决于描述与接触表面的中心的距离的参量x。接触表面的中心在此是点(在接触表面的剖面中观察)，该点在摩擦环的棱边之间处于中心，这些棱边在摩擦环的轴向方向上限定接触表面的边界。

由此，对数函数ln的自变量可理解为与x相关的函数F，即理解为函数F(x)。对数函数ln(F(x))与断面或断面函数P(x)的联系通过(比例)系数A进行。该系数A优选与参量x无关。

函数F(x)优选是一个单调上升的函数。因为对数函数ln也是一个单调上升的函数，所以断面函数P(x)随着与中心的距离x的变大而上升。断面函数P(x)在此可理解为型廓化的接触表面与摩擦环的直线的或未加工的接触表面的距离。在此，所述直线的距离在接触表面的中心最小并且按对数随着值x的增大而上升直到接触表面的轴向端部或直到摩擦环的棱边。被证实出乎意料的是，这种具有对数变化曲线的断面函数P(x)导致特别有利的压力分布并且由此导致摩擦传动液中有利的剪切力分布。

在一个特别优选的实施例中，函数F(x)表示如下：

$F\left(x\right)=\frac{1}{1-{\left(\frac{2\·x}{B_R}\right)}^2}$

其中：x是与断面或接触表面的中心的距离；以及

B_R是摩擦环的接触表面的宽度。

这种函数F(x)在接触表面的中心直接导致0值，因为1的对数等于零(在这种情况下函数F(x)的分母等于1)。在接触表面的轴向端部上或在棱边上，函数F(x)无穷大，因为在那里与接触表面的中心的距离x的两倍相应于宽度B_R并且由此函数F(x)中的分母等于零。这会导致函数P(x)在环的棱边上的值无穷大。但实践中这应导致函数P(x)在摩擦环的棱边上的值明显大于其余值。

系数A可与压紧力Q成比例，该压紧力总是由一个锥形摩擦轮传递给摩擦环。压紧力Q在此符合目的地是一个在设计锥环变速器时确定的给定值(最大值)。压紧力Q越高，函数P(x)就越强地导致接触表面的球状的变化曲线。

在一个优选的实施例中，系数A与摩擦环或锥形摩擦轮的材料的弹性模量E成反比。在弹性模量E非常大时，这种相关性导致断面函数P(x)的非常平坦的变化曲线。大的弹性模量E意味着，摩擦环的材料在压紧力Q给定的情况下仅非常少地变形。相应地，接触表面尤其是在摩擦环的中心的区域中仅非常少地压入，由此在理想情况中在考虑到变形的情况下在接触表面的宽度上产生基本上均匀和恒定的压力。

在一个优选的实施例中，系数A与接触表面的宽度B_R成反比。此外，系数A可与一个项T成比例，该项以下列方式取决于摩擦环的材料的横向收缩系数μ：

T＝1-μ²

其中：μ是摩擦环或锥形摩擦轮的材料的横向收缩系数。

系数A可从下列关系中得到：

$A=\frac{a\·Q\·(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{E\·B_R}$

其中：a是0.4与0.8之间的常数。

在一个特别优选的实施例中，常数a等于2/π，即约0.64。但也可有利的是，用于内接触表面的常数a_i与用于外接触表面的常数a_a不同。在后一种情况下，常数a_i大于常数a_a。其后果是，摩擦环的内接触表面比摩擦环的外接触表面更强地遵循对数变化曲线。

这在趋势上导致摩擦环的内接触表面上的集中的压力分布。这种集中的压力分布可通过在摩擦环的旋转方向上更平坦的压力分布来补偿。内接触表面中旋转方向上明显平坦的压力分布应归因于：在旋转方向上观察，摩擦环的径向向内指向的内接触表面和被环绕着的锥形摩擦轮的接触表面形成一个与摩擦环的外接触表面和未被环绕着的锥形摩擦轮的接触表面之间的接触相比更平坦的接触。

基于几何形状和负荷有利意义的可以是，摩擦环的内接触表面的宽度B_RI被设计得等于、大于或优选小于外接触表面的宽度B_RA。

附图说明

借助于附图中所示的实施例来对本发明进行详细说明。附图表示：

图1一个锥环变速器的示意性结构；以及

图2一个摩擦环的与其旋转方向垂直的放大剖面。

具体实施方式

图1示出了一个锥环变速器，该锥环变速器整体用1标记。该锥环变速器1具有一个第一锥形摩擦轮2和一个第二锥形摩擦轮3。锥形摩擦轮2、3彼此反向地设置，其中，这些锥形摩擦轮的转动轴线平行地延伸并且彼此间隔开。锥形摩擦轮2、3的转动轴线通过虚线4、5表示。每个锥形摩擦轮2、3都具有张角α。

除了锥环变速器1外，图1还示出了一个在此未进一步示出的机动车的离合器6。离合器6无相对转动地通过一个轴7与第一锥形摩擦轮2相连接。在闭合状态下，离合器6将转矩通过该轴传递给第一锥形摩擦轮2。为了将该转矩从第一锥形摩擦轮2传递给第二锥形摩擦轮3，设置有一个摩擦环8，该摩擦环与两个锥形摩擦轮2、3配合并且环绕着第一锥形摩擦轮2。摩擦环8可通过一个在此未示出的调节机构在由摩擦环8和锥形摩擦轮2、3形成的接触线的方向上轴向移动。通过摩擦环8的轴向移动，锥环变速器1的传动比变化。因为摩擦环8的轴向位置可无级调节，所以锥环变速器1具有可无级变化的传动比。

传递给第二锥形摩擦轮3的转矩通过由一个齿轮9和一个与该齿轮9啮合的环形齿轮10组成的齿轮对传送到从动单元11。从动单元11由一个差速器11a和两个轴11b、11c组成。差速器11a将施加在齿轮10上的转矩分配给轴11b、11c。按照转矩流，在图1中所示的锥环变速器1中，第一锥形摩擦轮2可称为输入轮，第二锥形摩擦轮3可称为输出轮。

锥形摩擦轮2、3可沿转动轴线4、5彼此相对移动。通过这种可相对移动性，轴向力F可通过一个在此未进一步示出的促动器来调节，该促动器使锥形摩擦轮2、3在转动轴线4、5的轴向方向上压向摩擦环8。

摩擦环8具有一个内环面或内接触表面12和一个外环面或外接触表面13。内接触表面12以摩擦环8的转动轴线26为参考构造成锥形的，其中，相应的锥角相应于锥形摩擦轮2或锥形摩擦轮3的张角α。摩擦环8的外接触表面13也构造成锥形的并且也通过张角α来标记。摩擦环8的转动轴线26与转动轴线4、5平行地设置。可给摩擦环8的内接触表面12配置一个平均直径14。相应地，摩擦环8的外接触表面13具有一个平均外直径15。

如从图1中可获知的那样，内接触表面在第一接触区17中靠置在锥形摩擦轮2的外壳面16上。在锥环变速器1工作时，在第一接触区17中形成摩擦传动液的窄膜，由此，锥形摩擦轮2的接触表面16和摩擦环8的内接触表面12通过该摩擦传动液彼此分开并且不直接相互滚压。由于接触区17中的高压力和高粘度，摩擦传动液基于可由摩擦传动液吸收的剪切应力而将锥形摩擦轮2的转矩传递给摩擦环8。

与第一接触区17相应，在表示锥形摩擦轮3的锥形外壳面的接触表面19与摩擦环8的外接触表面13之间形成一个第二接触区18。在该第二接触区18中，在锥环变速器1工作时在接触表面13与接触表面19之间也形成摩擦传动液的膜，由此，在此所述两个彼此对置的表面也彼此分开。在此，转矩理想地也仅借助于摩擦传动液来传递。

锥环变速器1的旋转体(锥形摩擦轮2、3和摩擦环8)的第一和第二接触区17、18中的转动或旋转方向相对于图1的图纸平面垂直地伸展。有效直径d₂按照摩擦环的轴向位置并且根据锥形摩擦轮2的锥度来变化。这在意义上也适用于锥形摩擦轮3的有效直径d₃。通过有效直径d₂、d₃的变化，锥环变速器1的传动比相应变化。

图2以第一锥形摩擦轮2的接触表面16与第二锥形摩擦轮3的接触表面19之间的剖面放大地示出了摩擦环8。图2中仅局部地示出了锥形摩擦轮2、3。

此外，在图2的视图中与图1相比锥形摩擦轮2、3以及摩擦环8翻转一个角度α，由此，与摩擦环8配合的接触表面16、19现在处于水平。

图2仅是一个示意性视图。因此实际上那里所示的长度、宽度和其它尺寸在比例方面可彼此相对明显不同。

通过使锥形摩擦轮2、3和处于其间的摩擦环8相互夹紧所利用的轴向力F引起而得到压紧力Q，利用该压紧力使第一锥形摩擦轮2压向摩擦环8或使第二锥形摩擦轮3压向摩擦环8。该压紧力Q在此表示为点力。该压紧力相应于由摩擦环8的内接触表面12的宽度BRI上的压力分布产生的合力。

如从图2清楚地看到的那样，摩擦环8的内接触表面12具有球状的形状。接触表面12在此从摩擦环8的第一棱边20延伸直到第二棱边21。相对于在接触表面16的延伸方向上分别距棱边20、21具有相同距离的中心22对称地构造内接触表面12。接触表面12的变化曲线可通过函数P(x)来描述。变量x在此表示与摩擦环8的内接触表面12的中心22的距离。

正如上面已经描述的那样，断面函数P(x)为一个对数函数。假设在内接触表面12的中心22上P(x)等于零并且如图2中所示在该点22上与接触表面16接触，那么函数P(x)表示断面表面与直线的接触表面16的距离。需要指出的是，根据本发明的函数P(x)的变化曲线应适用于无负荷的摩擦环8的接触表面12、13。在锥环变速器1工作时——在该工作中摩擦环8经受压紧力Q，由于优选金属的摩擦环8和锥形摩擦轮2、3的弹性而产生接触表面12、13的变形，其通过本发明所取得的结果是，在接触表面12的宽度B_RI上产生一种无棱边支撑的均匀的压力分布。

对于轿车中的锥环变速器和那里对可传递的转矩提出的要求来说，函数P(x)在棱边20、21的紧附近取例如5～150μm的值。这意味着，从中心22到棱边20、21，内接触表面下降5～150μm，其中，变化曲线遵循函数P(x)。在内接触表面的变化曲线方面的上述数字举例表明，图2出于清楚目的大大过高地示出了函数P(x)。

关于内接触表面12描述的关系在意义上也适用于外接触表面13。该接触表面也相对于中心23对称地构造，遵循根据发明的对数函数P(x)并且通过棱边24、25限定边界。

压紧力Q沿作用线29作用通过内接触表面12的中心22并且通过外接触表面13的中心23。由此没有不期望的通过压紧力Q造成的倾覆力矩导入到环中。

由于在此未示出的调节机构，棱边20、21、24、25相对于压紧力Q的作用线29不平行地设置。这导致摩擦环8的接触表面12变窄。为了避免不期望的倾覆力矩(参见前面的段落)，中心22与棱边20之间的接触表面12的传递转矩的区段的宽度等于中心22与过渡部28之间的区段的长度。所述长度总是取值为1/2B_RI。在过渡部28与棱边21之间安置有一个回缩部27，该回缩部与锥形摩擦轮2的距离明显大于函数P(x)的最大函数值。由此避免在回缩部27的区域中不期望地传递力。过渡部28可以是直的、阶梯的和/或坡度阶跃地实现。该实施例表明，在内接触表面12的区域中环宽度B_RI可小于外接触表面13的区域中的环宽度B_RA。

参考标号清单

1锥环变速器        16接触表面

2第一锥形摩擦轮    17第一接触区

3第二锥形摩擦轮    18第二接触区

4转动轴线          19接触表面

5转动轴线          20棱边

6离合器            21棱边

7轴                22中心

8摩擦环            23中心

9齿轮              24棱边

10环形齿轮         25棱边

11从动单元         26转动轴线

12内接触表面       27回缩部

13外接触表面       28过渡部

14内直径           29作用线

15外直径

Claims (11)

1.锥环变速器(1)，具有两个彼此反向地设置的锥形摩擦轮(2，3)和一个摩擦环(8)，该摩擦环环绕着这些锥形摩擦轮(2，3)中的一个并且通过一个内接触表面(12)与被环绕着的锥形摩擦轮(2)以及通过一个外接触表面(13)与另一个锥形摩擦轮(3)配合，其特征在于：这些接触表面(12，13)中至少一个在与该摩擦环(8)的旋转方向垂直的剖面中具有根据下列关系的断面P：

P(x)＝A·ln(F(x))

其中：P(x)是断面函数；

x是所述接触表面(12，13)上的一点与所述接触表面(12，13)的中心(22，23)的距离；

F(x)是作为对数函数ln的自变量的函数，是一个单调上升的函数；以及

A是系数。

2.根据权利要求1所述的锥环变速器(1)，其特征在于：该函数F(x)是：

其中：B_R＝B_RI或B_R＝B_RA是所述接触表面(12，13)的宽度。

3.根据权利要求2所述的锥环变速器(1)，其特征在于：该系数A与压紧力Q成比例，该摩擦环(8)利用该压紧力压向这些锥形摩擦轮(2，3)。

4.根据权利要求3所述的锥环变速器(1)，其特征在于：该系数A与该摩擦环(8)和/或这些锥形摩擦轮(2，3)的材料的弹性模量E成反比。 

5.根据权利要求2所述的锥环变速器(1)，其特征在于：该系数A与所述接触表面(12，13)的宽度B_R成反比。

6.根据权利要求4所述的锥环变速器(1)，其特征在于：该系数A与一个项T成比例，其中有：

T＝1-μ²，

其中：μ是该摩擦环(8)和/或这些锥形摩擦轮(2，3)的材料的横向收缩系数。

7.根据权利要求6所述的锥环变速器(1)，其特征在于：该系数A如下构成：

其中：a是0.4与0.8之间的常数。

8.根据权利要求7所述的锥环变速器(1)，其特征在于：用于该内接触表面(12)的常数a_i与用于该外接触表面(13)的常数a_a不同。

9.根据权利要求8所述的锥环变速器(1)，其特征在于：该常数a_i大于该常数a_a。

10.根据权利要求7所述的锥环变速器(1)，其特征在于：a等于2/π。

11.摩擦环(8)，用于根据权利要求1～10之一所述的锥环变速器(1)。 

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