DE10018243B4

DE10018243B4 - Stufenlos übersetzungsverstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe

Info

Publication number: DE10018243B4
Application number: DE10018243A
Authority: DE
Inventors: Dr. Linnenbrügger André
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: DE10018243A1; JP2000314458A; US6416433B1

Abstract

Stufenlos übersetzungsverstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe, enthaltend eine erste Welle (2), eine im Abstand von der ersten Welle achsparallel angeordnete zweite Welle (10), je ein drehfest mit der ersten Welle bzw. der zweiten Welle verbundenes Kegelscheibenpaar, deren Kegelscheiben (4, 6, 12, 14) zur Übersetzungsverstellung in ihrem gegenseitigen axialen Abstand gegensinnig verstellbar sind, und ein aufeinanderzugewandte, insgesamt kegelförmige Reibflächen der Kegelscheiben umschlingendes Umschlingungsmittel mit längs dessen Länge angeordneten Gliedern, deren Stirnflächen zur Übertragung des Drehmoments der Antriebswelle auf die Abtriebswelle in Reibeingriff mit den Reibflächen der Kegelscheibenpaare gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen (22) wenigstens eines Kegelscheibenpaars in zumindest einem Durchmesserbereich einen von einem gleichmäßigen Konturverlauf abweichende Kontur aufweist und daß die Reibflächen wenigstens des Scheibenpaars (12, 14) der Abtriebswelle (10) in radialer Richtung konvex sind und zu kleinen Radien hin einen größeren Krümmungsradius R aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenlos übersetzungsverstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe.
Ein solches Getriebe ist beispielsweise aus der DE 3 447 092 A1 bekannt. Die Drehmomentübertragung zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren erfolgt bei diesem Getriebe mittels einer Stahlgliederkette mit quer zur Kettenlängsrichtung angeordneten Druckstücken, deren Stirnflächen in Reibeingriff mit den aufeinanderzugewandten Reibflächen jedes Kegelscheibenpaares kommen. Die Stirnflächen der Druckstücke und die Reibflächen der Kegelscheibenpaare sind jeweils konvex bzw. ballig ausgebildet, wobei die Radien der Konvexität derart gewählt sind, daß sich die Bereiche der Stirnflächen der Druckstücke, die bei unterschiedlichem Übersetzungsverhältnissen in Reibberührung mit den Reibflächen kommen, insgesamt im wesentlichen über die gesamte Stirnfläche erstrecken, so daß das Stirnflächenmaterial möglichst gut genutzt wird und das Kegelscheibenumschlingungsgetriebe eine lange Dauerhaltbarkeit hat.
Aus der US 3 548 670 ist einstufenlos übersetzungsverstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe mit einem mit einer Welle verbundenen Kegelscheibenpaar, dessen Kegelscheiben zur Übersetzungsverstellung in ihrem axialen Abstand verstellbar sind bekannt. Die aufeinanderzugewandten, insgesamt kegelförmigen Reibflächen des Kegelscheibenpaars weisen in radialer Richtung einen Konturverlauf mit zwei unterschiedlichen Winkeln auf.
Eine Eigenart von insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzten Kegelscheibenumschlingungsgetrieben liegt darin, daß die Dauern der einzelnen Übersetzungsverhältnisse während der gesamten Betriebszeit des Umschlingungsgetriebes unterschiedlich sind. Beispielsweise werden die Umschlingungsgetriebe bei einem nicht nur im Stadtverkehr eingesetzten Fahrzeug überproportional lang in der längsten Übersetzungsstufe betrieben, in der das Antriebskegelscheibenpaar minimalen und das Abtriebskegelscheibenpaar maximalen Abstand hat, um das Fahrzeug möglichst verbrauchsgünstig zu betreiben. Dies führt insbesondere beim Abtriebskegelscheibenpaar zu der Gefahr, daß Verschleiß auftritt oder sogar Rillenbildung auftritt. Eine solche Rillenbildung bzw. ein Einlaufen der Reibflächen eines Kegelscheibenpaars führt dazu, daß sehr kleine Abstandsänderungen zu großen Übersetzungsänderungen führen, wodurch Instabilitäten der Übersetzungsverstellung herrühren und/oder ein Rückverstellen, bei dem das Umschlingungsmittel hin zu größeren Radien längs des eingelaufenen Kegelscheibenpaares verstellt wird, nicht mehr möglich sind.
Auch weisen Kegelscheibenumschlingungsgetriebe beispielsweise bei hohen Laufzeiten instabile Stützungsverläufe auf, die durch die Steuereinheit entsprechend durch die Steuerung oder Regelung von Anpressung und Verstellung der Kegelscheiben kompensiert werden muß. Die Stützung ist dabei das Verhältnis zwischen der Axialkraft an dem einen Kegelscheibenpaar zur Axialkraft an dem anderen Kegelscheibenpaar. Besonders kritisch sind Stützungsverläufe mit einem großen Gradienten bezüglich der Übersetzung des Getriebes. In solchen Fällen kann es zu Steuer- oder Regelschwierigkeiten und Übersetzungsschwingungen kommen, wenn sich die Stützung über die Laufdauer des Getriebes ändert. Eine stabile Stützung ist in einem vorgegebenen Bereich vorteilhaft um die Übersetzung des Getriebes konstant halten zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Kegelscheibenumschlingungsgetriebe derart weiterzuentwickeln, daß seine Langzeitfunktionstüchtigkeit verbessert ist und möglichst in allen Betriebszuständen ein stabiles Regel- oder Steuerverhalten resultiert.
Diese Aufgabe wird mit einem Kegelscheibenumschlingungsgetriebe gemäß dem Hauptanspruch derart gelöst, daß die Reibflächen wenigstens eines Kegelscheibenpaars in zumindest einem Durchmesserbereich einen von einem gleichmäßigen Konturverlauf abweichende Kontur aufweist, wobei die Reibflächen wenigstens des Scheibenpaars der Abtriebswelle in radialer Richtung konvex sind und zu kleinen Radien hin einen größeren Krümmungsradius R aufweisen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein gleichmäßiger Konturverlauf ein im Schnitt gerader oder kreissegmentartiger Konturverlauf mit einem gegebenen Radius ist.
Zweckmäßig ist es, wenn die abweichende Kontur durch einen Bereich mit mehr oder weniger Material ausgezeichnet ist und gegebenenfalls durch einen Materialauftrag oder einen Materialabtrag gebildet sind.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Reibflächen radial einwärts in einem Ringbereich mit konstantem Neigungswinkel α1 enden.
Vorteilhaft ist, wenn die Reibflächen wenigstens des Scheibenpaars der ersten und/oder zweiten Welle radial einwärts von einem Bereich mit konstantem Neigungswinkel über einen konkaven Bereich in einen konvexen Bereich des Materialauftrags übergehen.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Stirnflächen der Druckstücke in radialer Richtung der Kegelscheiben konvex mit radial auswärts zunehmendem Krümmungsradius (r1, r2) ausgebildet sind.
Bei einer stufenlos übersetzungsverstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe, enthaltend eine erste Welle, eine im Abstand von der ersten Welle achsparallel angeordnete zweite Welle, je ein drehfest mit der ersten Welle bzw. der zweiten Welle verbundenes Kegelscheibenpaar, deren Kegelscheiben zur Übersetzungsverstellung in ihrem gegenseitigen axialen Abstand gegensinnig verstellbar sind, und ein aufeinanderzugewandte, insgesamt kegelförmige Reibflächen der Kegelscheiben umschlingendes Umschlingungsmittel mit längs dessen Länge angeordneten Gliedern, deren Stirnflächen zur Übertragung des Drehmoments der Antriebswelle auf die Abtriebswelle in Reibeingriff mit den Reibflächen der Kegelscheibenpaare gelangen, ist es weiterhin zweckmäßig, wenn daß die Reibflächen wenigstens eines Kegelscheibenpaars im Schnitt eine über den radialen Abstand von der Welle veränderlichen von einer linearen oder kreissegmentförmigen Kontur abweichende Kontur hat und die Reibflächen wenigstens des Scheibenpaars der Abtriebswelle in radialer Richtung konvex sind und zu kleinen Radien hin einen größeren Krümmungsradius R aufweisen.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kegelscheibenumschlingungsgetriebes gerichtet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
1 das Prinzip eines stufenlos übersetzungsverstellbaren Kegelscheibenumschlingungsgetriebes und
2 bis 5 Detaillansichten des Bereiches A der 1 in vergrößertem Maßstab.
Gemäß 1 ist auf einer Antriebswelle 2 ein Kegelscheibenpaar mit Kegelscheiben 4 und 6 angeordnet, wobei die Kegelscheibe 4 starr mit einer ersten Welle 2, wie beispielsweise der Antriebswelle, verbunden ist und die Kegelscheibe 6 drehtest mit der Welle 2 verbunden ist, jedoch mittels zumindest eines, vorzugsweise mittels zweier Hydraulikzylinder 8 längs der Antriebswelle 2 axial verschiebbar ist.
In ähnlicher Weise ist an einer parallel zur ersten Welle 2 angeordneten zweiten Welle 10, wie Abtriebswelle, ein Kegelscheibenpaar mit Kegelscheiben 12 und 14 und einem Hydraulikzylinder 16 angeordnet. Zur Drehmomentübertragung dient ein Umschlingungsmittel 18, beispielsweise eine Zuggliederkette, die längs ihrer Länge parallel zu den Achsen der Wellen angeordnete Glieder 20 aufweist, die seitlich in Stirnflächen 24 enden, welche in Reibeingriff mit den kegelig ausgebildeten Reibflächen der Kegelscheiben kommen. Die Funktion des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes ist an sich bekannt und wird daher nicht erläutert.
Die 2 bis 5 stellen jeweils den Ausschnitt A der 1 in vergrößertem Maßstab dar.
Gemäß 2 ist die Reibfläche 22 der Kegelscheibe 14 nicht eben ausgebildet, sondern konvex oder ballig mit einem Krümmungsradius R. Die Stirnfläche 24 ist ebenfalls nicht eben, sondern konvex bzw. ballig mit einem Krümmungsradius r ausgebildet, wobei die Konvexitäten der Reibfläche 22 und der Stirnfläche 24 und deren Neigungen derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Berührungsbereich zwischen der Reibfläche 22 und der Stirnfläche 24 sich längs der Stirnfläche gemäß 2 nach unten bewegt, wenn das Glied 20 sich in Richtung zur Abtriebswelle 10 bewegt, d. h. das Getriebe auf lange Übersetzungen schaltet.
Typischerweise wird ein Getriebe in einem Fahrzeug während einer überproportional langen Betriebsdauer in seiner längsten Übersetzungsstufe (geringstmöglicher Abstand) zwischen Druckstück 20 und Abtriebswelle 10 bewegt, um einerseits Kraftstoff zu sparen und andererseits mit hoher Geschwindigkeit zu fahren. Dabei können Overdriveübersetzungen erzielt werden, in denen die Übersetzung länger ist als es der Übersetzung entspricht, in der die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird. Insgesamt kann sich in einem Bereich langer Übersetzungen zunehmender Verschleiß ausbilden, infolgedessen die Kontur der Reibfläche 22 von der Sollkontur (strichpunktiert eingezeichnet) abweicht und im Bereich 26 einläuft.
Der Winkel α1 stellt die Neigung der Reibfläche 22 im Fußpunkt B in deren Sollzustand (strichpunktiert) der Winkel α2 stellt die Neigung im gleichen Fußpunkt B in verschlissenem Zustand der Reibfläche 22 dar. Wie ersichtlich, verläuft die Reibfläche 22 im verschlissenen Zustand annähernd senkrecht zur Achse der Abtriebswelle; in Extremfällen kann der Verschleiß so stark werden, daß die Reibfläche 22 im Bereich 26 senkrecht zur Achse der Abtriebswelle 10 verläuft oder sogar ausgehöhlt ist, d. h. gemäß 2 nach links zur Senkrechten geneigt ist. Dies hat zur Folge, daß die Übersetzung in diesem Bereich nicht mehr sauber steuerbar ist oder es sogar zu Funktionsausfällen kommt, da die lange Übersetzung nicht mehr in Richtung kürzerer Übersetzungen veränderbar ist.
3 stellt eine erfindungsgemäße Kegelscheibenkontur dar. Die Verhältnisse entsprechen denen der 2 mit der Ausnahme, daß der Krümmungsradius R der Reibfläche 22 in einem vorgebbaren Bereich, hier im Bereich kleiner Radien, der Kegelscheibe 14 bzw. kleiner Abstände von der Abtriebswelle 10 größer wird. Im dargestellten Beispiel ist er unendlich, so daß die Reibfläche 22 der Kegelscheibe 14 in ihrem radial inneren Bereich einen Flachkegel bildet bzw. einen konstanten Neigungswinkel α1 aufweist. Auf diese Weise ist im radial inneren Bereich der Reibfläche 22 gegenüber dem ursprünglichen Konstruktionszustand (konstanter Krümmungsradius R; strichpunktiert) ein Materialauftrag geschaffen. Das Material kann infolge von Verschleiß abgetragen werden, ohne daß es zu irgendwelchen Funktionsbeeinträchtigungen des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes kommt. Das Aufmaß bzw. die Dicke des Materialauftrags kann beispielsweise von Null im Bereich B bis auf 0,5 mm in dem Bereich betragen, bis zu dem der Reibeingriff zwischen dem Druckstück 20 und der Kegelscheibe 14 bei längst möglicher Übersetzung reicht.
Der zusätzliche Verstellweg, der im Bereich langer Übersetzungen durch den Materialauftrag 28 notwendig ist, kann dadurch kompensiert werden, daß die Reibflächenkontur im Bereich kurzer Übersetzungen (radial äußerer Bereich) der Kegelscheibe 14 entsprechend steiler ausgebildet wird.
Vorteilhaft ist es, wenn die Kontur der Kegelscheibe von einem linearen oder einfach balligen Verlauf mit einem Radius R dahingehend abweicht, daß er durch einen einfachen Polinom n-ten Grades beschreibbar ist. Dadurch wird erreicht, daß die Kontur zumindest in einem radialen Bereich von einem gleichmäßigen Verlauf abweicht. Diese Abweichung kann beispielsweise durch eine Materialaufbringung oder eine Abweichung von dem Radius in Form einer Geraden erfolgen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Reibfläche 22 der Kegelscheibe 14 mit konstantem Neigungswinkel, also nicht konvex, ausgebildet ist. Die Stirnfläche 24 des Druckstücks 20 ist wiederum mit einem Krümmungsradius r, also ballig, ausgebildet. Um bei dieser Ausführungsform schädlichen Verschleiß der Reibfläche 22 im Bereich langer Übersetzungen zu vermeiden, ist die Reibfläche 22 im Bereich langer Übersetzungen, d. h. kleiner Radien, mit einem Materialauftrag 30 versehen, so daß sie zu kleineren Radien hin über einen konkaven Bereich 32 in einen konvexen Bereich 34 übergeht. Wie unmittelbar ersichtlich, kann der Materialauftrag 30 verschleißen, ohne daß es zu schädlichen Auswirkungen kommt, da die Reibfläche 22 erst nach Verschleiß des Materialauftrages 30 ihre ebene Kontur (strichpunktiert eingezeichnet) annimmt. Es versteht sich, daß die Balligkeit der Stirnfläche 24 derart auf dem Materialauftrag 30 abgestimmt ist, daß bei jeder Übersetzung gewährleistet ist, daß die Stirnfläche 24 selbst in Anlage an die konturierte Reibfläche 22 kommt und nicht der Randbereich der Stirnfläche 24.
Es versteht sich, daß die Kegelscheibe 14 gemäß den 3 und 4 unmittelbar bei ihrer Herstellung durch mechanische Bearbeitung mit der erwünschten Kontur ausgebildet werden kann und die Bereiche 28 und 30 nicht durch einen eigenen Arbeitsvorgang mit gesondertem Materialauftrag ausgebildet werden. Vorteilhaft ist es, wenn der Verlauf mit der abweichenden Kontur an der Kegelscheibe der ersten und/oder zweiten Welle vorliegt.
5 stellt eine nochmals abgeänderte Ausführungsform dar. Die Kegelscheibe 14 ist ballig mit einem Radius R ausgebildet. Die Stirnfläche 24 des Druckstücks 20 ist ebenfalls ballig ausgebildet, wobei ihr Radius im gemäß 5 oberen, abtriebswellennahen Bereich r1 beträgt und kleiner ist als ihr Radius r2 in dem abtriebsfernen Bereich. Mit dieser Ausführungsform, die quasi in Umkehrung der Ausführungsform gemäß 3 einem Materialauftrag auf der Stirnfläche 24 im Bereich der großen Krümmungsradien entspricht, wird erreicht, daß bei langen Übersetzungen (Reibeingriff zwischen der Reibfläche 22 und dem Bereich der Stirnfläche 24, der mit großem Krümmungsradius r2 ausgebildet ist, durch Abnahme der Flächenpressung eine erhöhte Verschleißfestigkeit und damit Lebensdauer auch der Kegelscheibe 14 in deren radial inneren Bereich erzielt wird.
Es versteht sich, daß die vorgenannten Maßnahmen einzeln oder in unterschiedlicher Kombination an den Kegelscheibenpaaren 4, 6 und 14, 12 bzw. den Gliedern 20 zur Verbesserung der Dauerhaltbarkeit des Getriebes angewandt werden können. Weiter versteht sich, daß die Reibflächen eines Kegelscheibenpaares immer symmetrisch zueinander ausgebildet werden, d. h. mit gleichen Maßnahmen versehen werden. Die Erfindung ist für alle Bereiche der Reibflächen bzw. Stirnflächen anwendbar, in denen aufgrund der jeweiligen Betriebsverhältnisse eine besondere Verschleißgefahr besteht.

Claims

Stufenlos übersetzungsverstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe, enthaltend eine erste Welle (2), eine im Abstand von der ersten Welle achsparallel angeordnete zweite Welle (10), je ein drehfest mit der ersten Welle bzw. der zweiten Welle verbundenes Kegelscheibenpaar, deren Kegelscheiben (4, 6, 12, 14) zur Übersetzungsverstellung in ihrem gegenseitigen axialen Abstand gegensinnig verstellbar sind, und ein aufeinanderzugewandte, insgesamt kegelförmige Reibflächen der Kegelscheiben umschlingendes Umschlingungsmittel mit längs dessen Länge angeordneten Gliedern, deren Stirnflächen zur Übertragung des Drehmoments der Antriebswelle auf die Abtriebswelle in Reibeingriff mit den Reibflächen der Kegelscheibenpaare gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen (22) wenigstens eines Kegelscheibenpaars in zumindest einem Durchmesserbereich einen von einem gleichmäßigen Konturverlauf abweichende Kontur aufweist und daß die Reibflächen wenigstens des Scheibenpaars (12, 14) der Abtriebswelle (10) in radialer Richtung konvex sind und zu kleinen Radien hin einen größeren Krümmungsradius R aufweisen.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gleichmäßiger Konturverlauf ein im Schnitt gerader oder kreissegmentartiger Konturverlauf mit einem gegebenen Radius R ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abweichende Kontur durch einen Bereich mit mehr oder weniger Material ausgezeichnet ist und gegebenenfalls durch einen Materialauftrag oder einen Materialabtrag gebildet sind.
Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen radial einwärts in einem Ringbereich mit konstantem Neigungswinkel α1 enden.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen wenigstens des Scheibenpaars der ersten und/oder zweiten Welle radial einwärts von einem Bereich mit konstantem Neigungswinkel über einen konkaven Bereich in einen konvexen Bereich des Materialauftrags übergehen.
Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (24) der Druckstücke (20) in radialer Richtung der Kegelscheiben konvex mit radial auswärts zunehmendem Krümmungsradius (r1, r2) ausgebildet sind.
Stufenlos übersetzungsverstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe, enthaltend eine erste Welle (2), eine im Abstand von der ersten Welle achsparallel angeordnete zweite Welle (10), je ein drehfest mit der ersten Welle bzw. der zweiten Welle verbundenes Kegelscheibenpaar, deren Kegelscheiben (4, 6, 12, 14) zur Übersetzungsverstellung in ihrem gegenseitigen axialen Abstand gegensinnig verstellbar sind, und ein aufeinanderzugewandte, insgesamt kegelförmige Reibflächen (22) der Kegelscheiben umschlingendes Umschlingungsmittel (18) mit längs dessen Länge angeordneten Gliedern (20), deren Stirnflächen (24) zur Übertragung des Drehmoments der Antriebswelle auf die Abtriebswelle in Reibeingriff mit den Reibflächen der Kegelscheibenpaare gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen (22) wenigstens eines Kegelscheibenpaars im Schnitt eine über den radialen Abstand von der Welle veränderlichen von einer linearen oder kreissegmentförmigen Kontur abweichende Kontur hat und daß die Reibflächen wenigstens des Scheibenpaars (12, 14) der Abtriebswelle (10) in radialer Richtung konvex sind und zu kleinen Radien hin einen größeren Krümmungsradius R aufweisen.