DE10028610B4

DE10028610B4 - Kontinuierlich variables Getriebe eines Ringtyps

Info

Publication number: DE10028610B4
Application number: DE10028610A
Authority: DE
Inventors: Yuko Hanyu Kamamura; Yasutami Fujisawa Matsumoto
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: DE10028610A1; US6464616B1; JP2000352449A; JP4172095B2

Abstract

Stufenlos verstellbares Toroidgetriebe mit:
eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben (2, 4), deren jede eine innere, konkave Oberfläche (2a, 4a) umfasst, wobei die Scheiben (2, 4) zueinander konzentrisch angeordnet und voneinander unabhängig drehbar abgestützt sind;
einer geraden Anzahl von Schwenkwellen (5), die zwischen den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben (2, 4) derart angeordnet sind, dass die Achsen der Schwenkwellen (5) die Mittelachsen der Scheiben (2, 4) nicht schneiden und zu den Mittelachsen der Scheiben (2, 4) senkrecht sind;
einer Vielzahl von Tragzapfen (6), die jeweils um die Schwenkwellen (5) schwenkbar sind;
einer Vielzahl von Exzenterwellen (7), die jeweils von den Tragzapfen (6) vorstehen; und
einer Vielzahl von Antriebsrollen (8), die jeweils zwischen den inneren Oberflächen (2a, 4a) der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben (2, 4) gehalten sind, während sie auf den Umfängen der Exzenterwellen (7) drehbar abgestützt sind, wobei jede Antriebsrolle (8) eine sphärisch ausgebildete, konvexe Oberfläche (8a) aufweist,...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein stufenlos verstellbares Toroidgetriebe, das als eine Getriebeeinheit eines Getriebes zur Verwendung in einem Fahrzeug einsetzbar ist oder als Getriebe zur Verwendung in unterschiedlichen Arten von industriellen Maschinen.

Die 3 und 4 zeigen ein herkömmliches stufenlos verstellbares Toroidgetriebe, wie es beispielsweise aus der JP 62-71465 U bekannt ist.

Die Wölbungsform der inneren Oberflächen 2a bzw. 4a der eingangs- bzw. ausgangsseitigen Scheibe 2 bzw. 4 ist – wie in 5 dargestellt – als eine Bogenoberfläche ausgelegt, die eine einzige Krümmung hat, welche ein Krümmungszentrum O_2a an einem Punkt näher an der Mittelachse α₂ der eingangsseitigen Scheibe 2 als zum äußeren Rand der eingangsseitigen Scheibe 2 mit einem Außendurchmesser D₂ besitzt und mit einem Krümmungsradius R_2a verläuft. Der Durchmesser eines Kreises geformt durch Verbinden der Krümmungsmittelpunkte O_2a der Wölbungen (d.h. der Teilkreisdurchmesser der innenseitigen Oberfläche 2a, englisch: Pitch circle diameter, P.C.D.) ist kleiner als der Außendurchmesser D₂ der eingangsseitigen Scheibe 2 (d.h. P.C.D. < D₂). Diese Scheibenform wird auch als Volltoroidscheibe bezeichnet.

Bei einer Bearbeitungsoperation zum Schleifen der inneren Oberfläche 2a der eingangsseitigen Scheibe 2 mit der obenerwähnten Volltoroidform zum Fertigstellen derselben, wird, wie in 6 gezeigt, ein Schleifrad oder eine Schleifscheibe 15 verwendet, an welchem die Form der Wölbung der äußeren Oberfläche so ausgebildet ist, dass sie zu der Form der Wölbung der inneren Oberfläche 2a der Scheibe passt. Auf diese Weise wird die innere Oberfläche 2a an der Schleifscheibe 15 geschliffen, während die Schleifscheibe 15 und die eingangsseitige Scheibe 2 rotieren. Die Schleifscheibe 15 wird um eine Mittelachse α₁₅ gedreht, welche unter einem Winkel θ₁₅ schräg gestellt ist.

Bei Volltoroidgetrieben ist u.a. aus der nachveröffentlichten, jedoch gemäß §3 (2) 1. PatG zum Stand der Technik gehörenden DE 199 55 818 A1 bzw. dem vorveröffentlichten Fami lienmitglied JP 2000-24899 A bekannt, dass – im Gegensatz zu Halbtoroidgetrieben – der maximale Schleifscheibendurchmesser begrenzt ist. Bei Überschreiten eines maximalen Durchmessers würde nicht mehr eine Linienberührung in der Schleifebene stattfinden, sondern es käme zu zwei Linienberührungen außerhalb der Schleifebene, was ein undefiniertes Schleifergebnis zur Folge hätte.

Allgemein und u.a. aus den Zeilen 4 bis 10 auf Seite 11 der DE 199 55 818 A1 bzw. aus der JP 2000-24899 A ist – wie in 6 dargestellt – für Volltoroidgetriebe bereits bekannt, dass eine Formschleifscheibe (15) zum Schleifen einer ein- oder ausgangsseitigen Scheibe (2, 4) eines Toroidgetriebes eine beliebige Querschnittsform (bspw. kreisrund=Torus, gerade=Kegel) aufweisen kann, ohne dass die Formschleifscheibe (15) die zu bearbeitende Scheibe (2, 4) außerhalb der Schleifebene, die durch die Drehachse (α₁₅) der Formschleifscheibe (15) und die Drehachse (α₂) der zu bearbeitenden Scheibe (2, 4) definiert ist, schleift, allerdings nur solange die Querschnittsform innerhalb einer gedachten Kugel (Q) liegt. Dabei ergibt sich der Mittelpunkt (O_15-2) der gedachten Kugel (Q) aus dem Schnittpunkt der Drehachse (α₁₅) der Formschleifscheibe (15) mit der Drehachse (α₂) der zu bearbeitenden Scheibe (2, 4) und der Radius der Kugel (Q) entspricht dem Abstand vom Kugelmittelpunkt (O_15-2) zum radial äußersten Punkt (F) der zu schleifenden Scheibenfläche. Für jede zu schleifende Querschnittsform eines Volltoroidgetriebes (gilt nicht für Halbtoroidgetriebe!) gibt es einen maximalen Schleifscheibendurchmesser, der sich ergibt, wenn die Tangente an die zu schleifende Scheibenfläche in deren radial äußerstem Punkt (F) mit der Tangente an die gedachte Kugel (Q) im gleichen Punkt (F) zusammenfällt.

Des Weiteren ist allgemein, aber auch aus Seite 1, Zeile 62 bis Seite 3, Zeile 27 der oben zitierten DE 199 55 818 A1 bekannt, dass sich mit zunehmendem Schleifscheibendurchmesser das Intervall zum Abrichten der Schleifscheibe verlängert und der Schleifwirkungsgrad aufgrund der zunehmenden Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit erhöht wird, weshalb im Regelfall der größtmögliche Schleifscheibendurchmesser Verwendung findet.

Der in den folgenden drei Absätzen genannte Stand der Technik offenbart Toroidgetriebe, deren ein- bzw. ausgangsseitige Scheiben unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Eine Verbesserung der Effizienz der Schleifoperation ist dort nicht genannt:
In JP 63-106456 A und JP 6-288454 A sind stufenlos verstellbare Toroidgetriebe beschrieben, bei denen die ein- bzw. ausgangsseitigen Scheiben innere Oberflächen mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen.

In JP 55-63048 A, JP7-310796 A, JP11-82659 A und JP5-503342 A wird eine Technologie zum Formen der Wölbungsgestalt der inneren Oberfläche 2a offenbart, gemäß der diese nicht mit einem einzigen Bogen geformt wird, sondern als zusammengesetzte gekrümmte Oberfläche, deren Krümmungsradius sich entlang der Erzeugenden und in Bezug auf deren Durchmesserrichtung ändert. Jedoch ist unter diesen Publikationen als Ziel der Erfindungen in JP-A-55-63048 und JP-A-11-82659 angegeben, den Verlust zu reduzieren, der durch Spin hervorgerufen wird, welcher im Kontaktbereich zwischen der inneren Oberfläche einer Scheibe und der Oberfläche einer Antriebsrolle auftritt. Dabei wird, um diese Aufgabe zu lösen, der Krümmungsradius der inneren Oberfläche bewusst so gewählt, dass er kontinuierlich variiert, wobei in diesen Erfindungen die technische Idee gerade nicht vorhanden ist, die Effizienz einer Schleifoperation für die innere Oberfläche zu verbessern. Auch sind die Aufgaben der Erfindungen, die jeweils offenbart werden in JP7-310796 A und JP5-503342 A, so angegeben, dass nur angestrebt wird, den Oberflächendruck im Kontaktbereich zwischen der inneren Oberfläche einer Scheibe und der Oberfläche einer Antriebsrolle zu reduzieren. Dabei wird, um diese Aufgaben zu lösen, der Krümmungsradius der inneren Oberfläche an der Innendurchmesserseite groß und an der Außendurchmesserseite klein eingestellt. Ähnlich wie in den beiden früher erwähnten Erfindungen ist in den beiden anderen Erfindungen gerade keine technische Idee vorgesehen, die Effizienz einer Schleifoperation an der inneren Oberfläche zu verbessern.

Ein weiteres Toroidgetriebe, dessen Scheiben konkave Bogenflächen mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen, ist aus der US 5,655,989 bekannt. Die konkave Fläche der Eingangsscheibe hat dort in ihrem innersten Abschnitt einen geringeren Krümmungsradius als auf dem restlichen Abschnitt. Der innerste Abschnitt ist derjenige, an dem die Antriebsrolle beim Übertragen der niedrigsten Drehzahlen anliegt. Ziel der US 5,655,989 ist es, mit dieser Gestalt den Oberflächendruck zwischen der Scheibe und der Antriebsrolle im Niedrigdrehzahlbereich zu reduzieren. Der innere Abschnitt der Eingangsscheibe mit reduziertem Krümmungsradius ist vergleichsweise klein. Die US 5,655,989 schlägt darüber hinaus vor, auch die äußere Bogenfläche der ausgangsseitigen Scheibe mit einem reduzierten Krümmungsradius zu versehen. Die Funktionen der unterschiedlichen Krümmungsradien ergibt sich bei der US 5,655,989 ausschließlich im Hinblick auf den Betrieb des Toroidgetriebes.

Aufgabe der Erfindung ist, eine eingangs- bzw. ausgangsseitige Scheibe für ein Volltoroidgetriebe vorzuschlagen, die zur Senkung der Herstellungskosten einfach herzustellen ist.

Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein stufenlos verstellbares Toroidgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß haben die inneren Oberflächen der eingangs- und ausgangsseitigen Scheiben jeweils eine erste, innere Bogenfläche und eine zweite, äußere Bogenfläche. Der Krümmungsradius der äußeren, zweiten Bogenfläche ist größer als derjenige der ersten Bogenfläche. Das Krümmungszentrum der ersten Bogenfläche liegt näher an der Mittelachse der Scheibe als der äußere Rand der Scheibe. Durch Verbinden der Krümmungszentren entsteht ein (gedachter) Teilkreis. Gemäß der Erfindung stoßen die erste und zweite Bogenfläche der Scheibe entlang einer Kreislinie aneinander, deren Durchmesser dem Teilkreisdurchmesser entspricht. Zudem gehen die erste und die zweite Bogenfläche dort glatt und kontinuierlich ineinander über.

Dadurch weist die Tangente an die zu schleifende zweite Bogenfläche in deren radial äußerstem Punkt eine andere Neigung auf als die Tangente an eine zweite Bogenfläche einer herkömmlichen ein- bzw. ausgangsseitigen Scheibe eines Volltoroidgetriebes, die im Unterschied zur Erfindung zusammen mit der ersten Bogenfläche einen einzigen Bogen mit gleichem Radius (=Torus) bildet. Durch eben diese andere Neigung der Tangente, d.h. die Abweichung von der Torusform, ergibt sich ein größerer maximaler Schleifscheibendurchmesser.

Dabei hat die Anmelderin herausgefunden, dass sich bei der ein- bzw. ausgangsseitigen Scheibe nach der Erfindung gegenüber einer herkömmlichen Scheibe ein ähnliches Betriebsverhalten einstellt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Toroidgetriebes besteht darin, dass sich gegenüber konventionellen Toroidgetrieben bei ähnlichem Betriebsverhalten – beim Übertragen von Leistung zwischen eingangs- und ausgangsseitigen Scheiben sowie beim Verändern des Übersetzungsverhältnisses – ein größerer maximaler Schleifscheibendurchmesser ergibt. Dabei führt der größerer Durchmesser der Schleifscheibe zu einer höheren Schleifgeschwindigkeit und somit zu einer gesteigerten Effizienz der Schleifoperation an den inneren Oberflächen der eingangs- und ausgangsseitigen Scheiben.

In einer Variante der Erfindung können die zweiten Bogenflächen der eingangs- und ausgangsseitigen Scheiben jeweils als Spiralkurven geformt sein.

Die Zeichnungen zeigen in
1 eine Teilschnittansicht einer eingangsseitigen Scheibe zur Verdeutlichung eines Beispiels einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine vergrößerte Schnittansicht der Hauptabschnitte der vorerwähnten eingangsseitigen Scheibe;
3 eine schematische Seitenansicht der Grundstruktur eines stufenlos verstellbaren Toroidgetriebes gemäß der Erfindung, wobei dessen Status für maximale Geschwindigkeitsreduktion gezeigt ist;
4 eine schematische Seitenansicht der Basisstruktur eines stufenlos verstellbaren Toroidgetriebes in einem Status für maximale Geschwindigkeitsvergrößerung;
5 eine Teilschnittansicht einer eingangsseitigen Scheibe eingegliedert in eine konventionelle Struktur; und,
6 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung eines Schleifstatus an der inneren Oberfläche einer eingangsseitigen Scheibe.
Die 1 und 2 verdeutlichen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der inneren Oberfläche 2a der eingangsseitigen Scheibe 2, deren Außendurchmesser D₂ ist, wird der Abschnitt beim innenseitigen Durchmesser als eine erste Bogenfläche 16 geformt, die eine einzige Krümmung hat, wohingegen der Abschnitt beim Außenseitendurchmesser davon als eine spiralkurvenförmige zweite Bogenfläche 17 geformt ist, welche repräsentiert wird durch r = a∙θⁿ (wobei r und θ jeweils Hilfsvariablen sind, während a und n jeweils Konstante sind). Dabei beträgt der Außendurchmesser D₂ 193 mm, der teilkreisdurchmesser P.C.D. beträgt 154 mm, der Krümmungsradius R_2a der ersten Bogenfläche 16 beträgt 48,5 mm, die Hilfsvariable a beträgt 117,26 und die Hilfsvariable n beträgt 1,05.
Dadurch werden die Schleifsteindurchmesser D₁₅ und d₁₅, siehe auch 6, nach Tabelle 1 vergrößert: Tabelle 1
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Bogenfläche 17 nicht spiralförmig, sondern als Bogen mit einem Krümmungsradius von 58,5 mm ausgebildet. Dadurch werden die Schleifsteindurchmesser D₁₅ und d₁₅ nach Tabelle 2 vergrößert: Tabelle 2
Gemäß vorliegender Erfindung können die jeweiligen inneren Oberflächen der beiden eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben des stufenlos verstellbaren Toroidgetriebes mit verbesserter Effizienz geschliffen werden, was beitragen kann zu einer Verringerung der Herstellungskosten des stufenlos verstellbaren Toroidgetriebes.

Claims

Stufenlos verstellbares Toroidgetriebe mit: eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben (2, 4), deren jede eine innere, konkave Oberfläche (2a, 4a) umfasst, wobei die Scheiben (2, 4) zueinander konzentrisch angeordnet und voneinander unabhängig drehbar abgestützt sind; einer geraden Anzahl von Schwenkwellen (5), die zwischen den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben (2, 4) derart angeordnet sind, dass die Achsen der Schwenkwellen (5) die Mittelachsen der Scheiben (2, 4) nicht schneiden und zu den Mittelachsen der Scheiben (2, 4) senkrecht sind; einer Vielzahl von Tragzapfen (6), die jeweils um die Schwenkwellen (5) schwenkbar sind; einer Vielzahl von Exzenterwellen (7), die jeweils von den Tragzapfen (6) vorstehen; und einer Vielzahl von Antriebsrollen (8), die jeweils zwischen den inneren Oberflächen (2a, 4a) der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben (2, 4) gehalten sind, während sie auf den Umfängen der Exzenterwellen (7) drehbar abgestützt sind, wobei jede Antriebsrolle (8) eine sphärisch ausgebildete, konvexe Oberfläche (8a) aufweist, in welchem wenigstens eine der inneren Oberflächen (2a, 4a) der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Scheiben (2, 4) derart geformt ist, dass der zur Mittelachse (α₂, y) der Scheibe gelegene Abschnitt der inneren Oberfläche, als eine erste Bogenfläche (16) definiert ist, die einen einzigen Bogen als Erzeugende hat, und der außerhalb der ersten Bogenfläche (16) gelegene Abschnitt der inneren Oberfläche definiert ist als eine zweite Bogenfläche (17) mit einem Krümmungsradius, der größer ist als derjenige der ersten Bogenfläche (16), wobei die erste Bogenfläche (16) ein Krümmungszentrum (O_2a) aufweist, das näher bei der Mittelachse der Scheibe (2) liegt als der äußere Rand der Scheibe (2), dadurch gekennzeichnet, dass der außenseitige Durchmesser der ersten Bogenfläche (16) identisch dem Durchmesser eines Teilkreises ist, wobei dieser Teilkreisdurchmesser (P.C.D.) dem doppelten Abstand des Krümmungszentrums (O_2a) der ersten Bogenfläche (16) zur Mittelachse (α₂, y) der Scheibe (2) entspricht , und der Innendurchmesser der zweiten Bogenfläche identisch mit diesem Teilkreis ist, so dass der innere Rand der ersten Bogenfläche (16) und der äußere Rand der zweiten Bogenfläche (17) glatt und kontinuierlich ineinander übergehen.
Stufenlos verstellbares Toroidgetriebe nach Anspruch 1, in welchem die zweiten Bogenflächen (17) der eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Scheiben (2, 4) jeweils als Spiralkurven geformt sind.