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Die
Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für ein Toroidgetriebe eines
Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Toroidgetriebe
für Kraftfahrzeuge
können verschiedene
Fahrbereiche aufweisen, die sich durch verschiedene Leistungspfade
innerhalb des Getriebes unterscheiden. Die Fahrbereiche können über verschiedene Übersetzungsbereiche
verfügen, in
denen die Übersetzung
stufenlos verstellt werden kann. Es ist auch möglich, dass in einem Fahrbereich nur
eine oder auch mehrere feste Übersetzungen einstellbar
sind. In diesem Fall kann ein Variator des Toroidgetriebes umgangen
werden. Ein derartiges Toroidgetriebe ist beispielsweise in der
DE 10 2004 013 506
A1 beschrieben.
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Das
Toroidgetriebe weist ein Hydrauliksystem auf, welches über Stellglieder
beispielsweise in Form von Kolben-Zylinder-Einheiten verfügt, mittels welchen beispielsweise
die Übersetzung
am Variator verändert
oder Kupplungen geöffnet
und geschlossen werden können.
Es muss immer sichergestellt sein, dass im Hydrauliksystem des Toroidgetriebes ein
ausreichend hoher Arbeitsdruck zur Verfügung steht. Er sollte allerdings
auch nicht unnötig
hoch sein, da sonst der Wirkungsgrad des Toroidgetriebes absinkt.
Die Anforderungen an die Höhe
des Arbeitsdrucks sind insbesondere in den verschiedenen Fahrbereichen
sehr unterschiedlich.
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Die
DE 199 34 682 A1 beschreibt
ein Hydrauliksystem für
ein stufenloses Toroidgetriebe eines Kraftfahrzeugs mit einem Fahrbereich.
Das Hydrauliksystem weist eine Fördereinrichtung
in Form einer Ölpumpe
auf, welche das Hydrauliksystem mit Betriebsfluid versorgt. Ein
Arbeitsdruck des Hydrauliksystems in Form eines Leitungsdrucks wird
von einer Steuerungseinrichtung des Toroidgetriebes mittels eines
Leitungsdruck-Magnetventils, welches ein Druckeinstellventil ansteuert,
eingestellt. Die Steuerungseinrichtung bestimmt verschiedene Soll-Drücke, beispielsweise
an einer Vorwärts-/Rückwärtskupplung
im Toroidgetriebe, am Variator und einen Soll-Schmierdruck. Aus
diesen Soll-Drücken
wird durch Maximumbildung der Sollwert für den Arbeitsdruck bestimmt,
welcher von der Steuerungseinrichtung durch eine entsprechende Ansteuerung
des Leitungsdruck-Magnetventils eingestellt wird.
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Demgegenüber ist
es die Aufgabe der Erfindung, ein Hydrauliksystem für ein Toroidgetriebe
vorzuschlagen, mittels welchem der für den sicheren und effizienten
Betrieb des Toroidgetriebes notwendige Arbeitsdruck einfach, insbesondere
ohne Verwendung eines Magnetventils, einstellbar ist. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Hydrauliksystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird der
Arbeitsdruck im Hydrauliksystem, also der höchste Druck innerhalb des Hydrauliksystems,
von einem Arbeitsdruckventil in Abhängigkeit von zwei Steuerdrücken eingestellt. Die
beiden Steuerdrücke
werden von Drücken
im Hydrauliksystem abgeleitet, sie werden also nicht nur zur Ansteuerung
des Arbeitsdruckventils von einem Magnetventil erzeugt.
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Der
erste Steuerdruck ist von einem ersten Druck abgeleitet, der ein
Maß für einen
Mindestwert des Arbeitsdrucks im ersten Fahrbereich darstellt. Sofern
der Arbeitsdruck wenigstens so hoch wie der genannte Mindestwert
ist, ist ein sicherer Betrieb des Toroidgetriebes in dem entsprechenden
Fahrbereich gewährleistet.
In diesem Fall ist der Arbeitsdruck also so hoch, dass Beschädigungen
des Toroidgetriebes auf Grund eines zu geringen Arbeitsdrucks ausgeschlossen
sind. Wenn der erste Fahrbereich als ein stufenloser Fahrbereich
ausgeführt
ist, so kann der erste Druck beispielsweise als ein Druck am Variator des
Toroidgetriebes ausgeführt
sein.
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Der
zweite Steuerdruck ist von einem zweiten Druck abgeleitet, der ein
Maß für einen
Mindestwert des Arbeitsdrucks im zweiten Fahrbereich darstellt.
Wenn der zweite Fahrbereich als ein Fahrbereich mit festen Übersetzungen
ausgeführt
ist, so kann der zweite Druck beispielsweise als ein Druck an einer
im Kraftfluss liegenden Kupplung ausgeführt sein.
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Damit
kann der Arbeitsdruck ohne Verwendung eines Magnetventils in beiden
Fahrbereichen auf einen sinnvollen Wert eingestellt werden. Es ist zur
Einstellung des Arbeitsdrucks kein Magnetventil notwendig, wodurch
Bauraum und Kosten eingespart werden können.
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Im
ersten Fahrbereich ist insbesondere unter Einbeziehung des Variators
ein stufenloser Betrieb des Toroidgetriebes möglich. Der Variator trägt also zur
Drehmomentübertragung
bei. Der erste Fahrbereich kann auch mehrere, beispielsweise zwei Teil-Fahrbereiche
aufweisen, die durch verschiedene Übersetzungsbereiche gekennzeichnet
sind.
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Der
zweite Fahrbereich ist insbesondere durch eine oder mehrere feste Übersetzungen
unter Umgehung des Variators gekennzeichnet, womit ein gestufter
Betrieb des Toroidgetriebes ermöglicht wird.
In diesem Fahrbereich trägt
der Variator nicht oder nur in einem sehr geringen Maße zur Drehmomentübertragung
bei. Innerhalb des zweiten Fahrbereichs können ein so genannter Direktgang
und/oder ein Synchrongang realisiert sein. Es ist ebenso möglich, dass
weitere feste Übersetzungen
einschaltbar sind. Beispielsweise kann dem eigentlichen Toroidgetriebe
ein Nachschaltgetriebe mit mehreren möglichen Übersetzungen nachgeschaltet
sein.
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Die
Anforderungen an die Höhe
des Arbeitsdrucks hängen
in starkem Maße
davon ab, ob der Variator zur Drehmomentübertragung beiträgt oder nicht.
Durch Berücksichtigung
der beiden Steuerdrücke,
die jeweils ein Maß für den erforderlichen
Mindestdruck darstellen, kann der Arbeitsdruck in allen Fahrsituationen
auf einen sinnvollen Wert eingestellt werden.
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Falls
der erste Fahrbereich als ein stufenloser Fahrbereich ausgeführt ist,
wird der erste Steuerdruck insbesondere von einem Anpressdruck am
Variator abgeleitet. Am Variator wird Drehmoment von einer Antriebsscheibe über einen
Zwischenroller auf eine Abtriebsscheibe übertragen. Durch Änderung der
Position des Zwischenrollers kann die Übersetzung des Variators verändert werden.
Die An- und Abtriebsscheiben müssen
mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit,
die mit Druck beaufschlagt werden kann, gegeneinander gedrückt werden,
um so ein Durchrutschen des Zwischenrollers zu verhindern. Ein Durchrutschen
des Zwischenrollers kann zu Schädigungen
der Scheiben und des Zwischenrollers führen und sollte unbedingt vermieden
werden. Die notwendige Anpresskraft und damit der notwendige Anpressdruck
am Variator sind unter anderem vom Drehmoment am Eingang des Toroidgetriebes
abhängig.
Im stufenlosen Betrieb ist der Anpressdruck in der Regel der höchste Druck,
so dass mit einer Ableitung des ersten Steuerdrucks vom Anpressdruck am
Variator ein ausreichend hoher Arbeitsdruck gewährleistet ist.
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Falls
der zweite Fahrbereich einen gestuften Betrieb ermöglicht,
wird der zweite Steuerdruck insbesondere von einem Druck an einer
im Kraftfluss liegenden Kupplung abgeleitet. Im gestuften Betrieb überträgt der Variator
quasi kein Drehmoment, so dass am Variator keine nennenswerten Drücke, beispielsweise
für Anpressung
oder Übersetzungsänderung,
notwendig sind. Damit kann der notwendige Arbeitsdruck nicht von
einem Druck am Variator abgeleitet werden. In diesem Fall ist der
höchste
Druck im Hydrauliksystem in der Regel der Druck an einer im Kraftfluss
liegenden Kupplung, beispielsweise im Direktgang an der Kupplung,
welche eine Eingangswelle mit einer Ausgangswelle koppelt. Durch
die Ableitung des zweiten Steuerdrucks vom genannten Druck an der
Kupplung wird gewährleistet,
dass auch in diesem Fahrbereich ein ausreichend hoher Arbeitsdruck
zu Verfügung
steht.
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Falls
mehrere Kupplungen im Kraftfluss liegen, kann der zweite Steuerdruck
von einem Maximum der verschiedenen Kupplungsdrücke abgeleitet werden.
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Der
Arbeitsdruckschieber ist insbesondere so ausgeführt, dass der Arbeitsdruck
in Abhängigkeit vom
höheren
der beiden Steuerdrücke
eingestellt wird. Beispielsweise entspricht der Arbeitsdruck der Summe
des Maximums der beiden Steuerdrücke
und einem Offset, der beispielsweise mittels einer Feder erzeugt
werden kann.
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Damit
ist sichergestellt, dass der Arbeitsdruck in allen Fahrsituationen
für einen
sicheren Betrieb des Toroidgetriebes ausreicht.
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Das
Arbeitsdruckventil ist insbesondere als ein Schieberventil ausgeführt. Die
Steuerdrücke
wirken dann auf Flächen
des Schiebers. Die genannte Maximumbildung der beiden Steuerdrücke kann
dabei außerhalb
des Arbeitsdruckventils durchgeführt werden.
Das Arbeitsdruckventil ist aber insbesondere so ausgeführt, dass
beide Steuerdrücke
auf den Schieber geführt
werden und nur der größere der
beiden Steuerdrücke
wirkt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist das Arbeitsdruckventil als ein Regelschieber
mit einem Schieber ausgeführt.
Der Arbeitsdruck wird so auf den Schieber zurückgeführt, dass er entgegen der auf
den Schieber geführten
Steuerdrücke
wirkt. Dabei ist eine Rückführfläche des
Arbeitsdrucks größer als
eine Wirkfläche
der Steuerdrücke,
wobei insbesondere der größere der
beiden Steuerdrücke
auf die Wirkfläche
der Steuerdrücke
wirkt. Damit wird gewährleistet,
dass auch bei sehr hohen Steuerdrücken, wie sie beispielsweise
bei in Offenstellung klemmenden Regelschiebern der Drücke, von
welchen die Steuerdrücke
abgeleitet werden, vorkommen können,
der Arbeitsdruck einen Grenzwert, der beispielsweise 80 bar betragen
kann, nicht überschreitet.
Damit kann auf ein Druckbegrenzungsventil für den Arbeitsdruck verzichtet
werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung weist das Hydrauliksystem ein Schmierdruckventil
auf, welches vom Arbeitsdruckventil mit Betriebsfluid, welches nicht
zur Aufrechterhaltung des Arbeitsdrucks benötigt wird, versorgt wird. Der
Schmierdruckschieber ist damit dem Arbeitsdruckventil nachgeschaltet.
Damit wird gewährleistet,
dass zuerst der für
den Betrieb des Toroidgetriebes notwendige Arbeitsdruck zur Verfügung gestellt
wird und wenn dies gewährleistet ist,
auch ein Schmierdruck abgeleitet wird. Damit kann immer der notwendige
Arbeitsdruck gewährleistet
und sofern möglich
auch Schmieröl
zur Verfügung gestellt
werden. Für
die Einstellung des Schmierdrucks wird ebenfalls kein Magnetventil
benötigt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist der vom Schmierdruckventil eingestellte
Schmierdruck von einem Schmier-Steuerdruck abhängig, welcher ein Maß für eine Last
des Toroidgetriebes darstellt. Der Schmier-Steuerdruck kann beispielsweise
ein Maß für ein Drehmoment
an der Eingangswelle des Toroidgetriebes darstellen. Da der Bedarf
an Schmieröl und
damit der Schmierdruck mit steigender Last ansteigt, kann der Schmierdruck
so an den tatsächlichen
Bedarf angepasst werden. Der Schmier-Steuerdruck wird insbesondere
vom Anpressdruck am Variator abgeleitet bzw. der Anpressdruck wird
als Schmier-Steuerdruck
verwendet. Wie bereits ausgeführt,
steigt der Anpressdruck mit steigendem Drehmoment an der Eingangswelle
an und stellt so zumindest in einem Fahrbereich ein Maß für die Last
des Toroidgetriebes dar.
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Die
beschriebene Lastabhängigkeit
des Schmierdrucks ist auch ohne die erfindungsgemäße Abhängigkeit
des Arbeitsdrucks von den beiden Steuerdrücken umsetzbar.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert bzw. die Höhe des Schmier-Steuerdruck
nur bis zum Erreichen eines Grenzwerts berücksichtigt. Bei einem Überschreiten
des Grenzwerts durch den Schmier-Steuerdruck wird der Schmierdruck
in Abhängigkeit
des genannten Grenzwerts eingestellt. Damit ist der Schmierdruck
nur innerhalb eines Bereichs des Schmier-Steuerdrucks, also insbesondere innerhalb
eines Bereichs des Anpressdrucks, vom Schmier-Steuerdruck abhängig und wird bei einem weiteren
Ansteigen des Schmier-Steuerdrucks abgekoppelt und verharrt damit
auf dem bei Erreichen des Grenzwerts eingestellten Wert.
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Damit
besitzen hohe Schmier-Steuerdrücke, die
kurzzeitig bei dynamischen Vorgängen
auftreten können,
keinen Einfluss auf die Höhe
des Schmierdrucks. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der
Variator des Toroidgetriebes für
Dauerbetrieb auf ein maximales Drehmoment von beispielsweise 600–900 Nm
ausgelegt ist, aber bei dynamischen Vorgängen bis zu 300–500 Nm
mehr übertragen kann.
Der genannte Grenzwert würde
dann auf einen Schmier-Steuerdruck festgelegt, der dem erlaubten Drehmoment
im Dauerbetrieb entspricht. Kurzfristige Erhöhungen des Drehmoments und
damit des Schmier-Steuerdrucks haben dann keinen Einfluss auf die
Höhe des
Schmierdrucks.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist der Schmierdruck von einer Fördermenge
der Fördereinrichtung
abhängig.
Die Fördereinrichtung
wird in der Regel von der Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs angetrieben,
so dass die Drehzahl der Fördereinrichtung
und damit die Fördermenge
mit steigender Drehzahl der Antriebsmaschine ansteigen. Der Bedarf
an Schmieröl
steigt ebenfalls mit steigender Drehzahl der Antriebsmaschine an,
so dass damit eine Anpassung des Schmierdrucks und damit der Schmierölmenge an
den tatsächlichen
Bedarf gewährleistet
wird.
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In
Ausgestaltung der Erfindung weist das Hydrauliksystem zwei verschiedene Öldruckniveaus, zwei
Fördereinrichtungen
und ein als ein Regelschieber ausgeführtes Arbeitsdruckventil auf.
Der Regelschieber verfügt über zwei
Taillierungen, wobei jeder der Taillierungen eine der Fördereinrichtungen
zugeordnet ist. Die Taillierungen sind so ausgebildet, dass die
erste Fördereinrichtung über die
erste Taillierung bei entsprechend hohem Ölbedarf in dem höheren der
Druckniveaus einen Volumenstrom in das höhere Druckniveau fördert und
dass die zweite Fördereinrichtung über die
zweite Taillierung einerseits in das höhere Druckniveau fördert, andererseits über einen Drosselspalt
einen Teil des Volumenstroms in einem niedrigerem Druckniveau zur
Verfügung
stellt. Bei fallendem Volumenstrombedarf in dem höheren Druckniveau
fördert
die zweite Fördereinrichtung über die zweite
Taillierung des Regelschiebers praktisch ausschließlich in
dem niedrigeren Druckniveau. Bei weiter fallendem Volumenstrombedarf
arbeitet die zweite Fördereinrichtung über die
zweite Taillierung des Regelschiebers annähernd drucklos, während die erste
Fördereinrichtung über die
erste Taillierung des Regelschiebers einen Teil ihres Volumenstroms
dem höheren
Druckniveau und einen Teil des Volumenstroms über einen weiteren Drosselspalt
dem niedrigeren Druckniveau zur Verfügung stellt.
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Damit
kann das Hydrauliksystem mit möglichst
geringem Energieeinsatz realisiert werden, so dass das Toroidgetriebe
einem hohen Wirkungsgrad aufweist. Außerdem stellen sich die beiden Öldruckniveaus
unabhängig
von einer äußeren Hilfsenergie in
Abhängigkeit
der Systemanforderungen selbsttätig ein.
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Das
Hydrauliksystem kann auch mehr als zwei Druckniveaus aufweisen.
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Die
beiden Fördereinrichtungen
sind insbesondere als zwei unabhängige
Pumpenkammern einer Pumpe ausgebildet. Die Pumpe ist beispielsweise
als eine so genannte Doppelkammerpumpe ausgeführt. Die Fördereinrichtungen können so
robust, platzsparend und kostengünstig
realisiert werden.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der
Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Räderplan
eines Toroidgetriebes für
ein Kraftfahrzeug im Längsschnitt,
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2 einen
Ausschnitt eines Hydrauliksystems des Toroidgetriebes und
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3 eine
alternative Ausführungsform
eines Schmierdruckventils des Hydraulikssystems.
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Das
gemäß 1 dargestellte
Toroidgetriebe findet Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere mit
Standardantrieb. Im Kraftfluss zwischen einer zentralen Eingangswelle 10 und
einer koaxialen Ausgangswelle 11 ist ein stufenloses Toroidgetriebe 12 angeordnet,
welches ein Planetenräder-Summengetriebe 13 und
ein Planetenräder-Umkehrgetriebe 22 besitzt.
Koaxial und bewegungsfest zur Eingangswelle 10 ist eine
zentrale Zwischenwelle 14 vorgesehen, welche mit der einen
zentralen Antriebsscheibe 15 des nach dem 2-Kammer-Prinzip ausgebildeten Variators 67 sowie
mit einem ein erstes Getriebeglied des Summengetriebes 13 bildenden,
zweistegigen Planetenträger 16 bewegungsfest
verbunden ist. Der Planetenträger 16 ist
zur Ermöglichung
des koaxialen Leistungsdurchgangs zusätzlich mit der anderen zentralen
Antriebs scheibe 15a des Variators 67 bewegungsfest
verbunden. Koaxial zur Eingangswelle 10 und konzentrisch
zur zentralen Zwischenwelle 14 ist eine konzentrische Zwischenwelle 17 angeordnet, welche
die beiden zentralen Abtriebsscheiben 18, 18a des
Variators 67 mit einem ein zweites Getriebeglied des Summengetriebes 13 bildenden,
inneren Zentralrad 19 drehfest verbindet.
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Am
Variator 67 kann von den Antriebsscheiben 15, 15a über Zwischenroller 68, 68a Drehmoment
auf die Abtriebsscheiben 18, 18a übertragen werden.
Um ein Rutschen der Zwischenroller 68, 68a gegenüber den
An- und Abtriebsscheiben 15, 15a, 18, 18a zu
verhindern, können
diese mittels einer nicht dargestellten hydraulisch betätigten Kolben-Zylinder-Einheit
gegeneinander gedrückt
werden.
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Das
Summengetriebe 13 weist ein drittes Getriebeglied in Form
eines äußeren Zentralrades 20 auf,
wobei eine mittelbare oder unmittelbare Antriebsverbindung 27 zwischen
dem dritten Getriebeglied und der Ausgangswelle 11 durch
ein erstes Schaltelement in Form einer Schaltkupplung K1 für einen
unteren Fahrbereich mit niedrigeren Fahrgeschwindigkeiten herstellbar
ist.
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Das
Summengetriebe 13 weist ein viertes Getriebeglied in Form
eines inneren Zentralrades 21 auf, wobei eine mittelbare
Antriebsverbindung 39 zwischen dem vierten Getriebeglied
und der Ausgangswelle 11 durch ein zweites Schaltelement
in Form einer Schaltkupplung K2 in einem oberen Fahrbereich mit
höheren
Fahrgeschwindigkeiten herstellbar ist. Die Eingangswelle 10 ist
unter Umgehung des Variators 67 durch Aktivierung eines
dritten Schaltelements in Form einer Schaltkupplung K3 bei einem Übersetzungsverhältnis i
= 1 (Direktgang) mit der Ausgangswelle 11 in Antriebsverbindung
bringbar.
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Die
Kupplungen K1, K2 und K3 werden mittels nicht dargestellten hydraulischen
Kolben-Zylinder-Einheiten betätigt.
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Die
Schaltkupplung K3 für
den Direktgang ist einerseits mit der zentralen Zwischenwelle 14 direkt verbunden
und andererseits mit der Ausgangswelle 11 über einen
radialen Antriebssteg 27a direkt verbunden. Die Antriebsverbindung 27 ist über das
Umkehrgetriebe 22 mit der Ausgangswelle gekoppelt. Die
Schaltkupplung K1 ist mit dem einen (hier Zentralrad 26a)
von zwei äußeren Zentralrädern 26 und 26a des
Umkehrgetriebes 22 drehfest verbunden. Das andere Zentralrad
(hier Zentralrad 26) ist mit der Ausgangswelle 11 drehfest
verbunden. Die Zentralräder 26, 26a liegen
axial beiderseits eines radialen Abstützsteges 23a des Planetenträgers 23,
durch welchen letzterer gegenüber
einem nicht drehenden Gehäuseteil 31 des
Getriebegehäuses
undrehbar festgelegt ist. Am Planetenträger 23 sind Planeten 30 drehbar
gelagert, deren zwei Zahnkränze
jeweils mit einem der äußeren Zentralräder 26, 26a kämmen, welche
gleiche Zähnezahlen
aufweisen und daher die Übersetzung
1:1 zwischen Eingangswelle 10 und Ausgangswelle 11 zwangsläufig gewährleisten.
Die Zahnkränze
sind drehfest miteinander verbunden.
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Der
Planetenträger 16 weist
Doppelplaneten 44 und einen mit der zentralen Zwischenwelle 14 drehfest
verbundenen radialen Antriebssteg 49 auf. Die Doppelplaneten 44 bestehen
aus je einem Haupt- und Nebenplaneten 45 und 46,
welche miteinander kämmen
und im Folgenden auch als erster Planet 60 und weiterer
Planet bezeichnet sind. Die Hauptplaneten 45 weisen einen
auf der dem Toroidgetriebe 12 abgewandten Seite des Antriebssteges 49 liegenden
ersten Zahnkranz 47 und einem auf der dem Toroidgetriebe 12 zugewandten
Seite des Antriebs steges 49 liegenden zweiten Zahnkranz 48 auf. Die
Zahnkränze 47, 48 sind
drehfest miteinander verbunden, so dass der Hauptplanet 45 als
Stufenplanet ausgebildet ist. Die Nebenplaneten 46 kämmen mit dem äußeren Zentralrad 20.
Bei den Hauptplaneten 45 kämmt der erste Zahnkranz 47 mit
dem inneren Zentralrad 21 und der zweite Zahnkranz 48 mit
dem inneren Zentralrad 19.
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Die
Zahnkränze 47 und 48 der
Hauptplaneten 45 haben ungleiche Zähnezahlen, wobei Zahnkranz 47 die
größere Zähnezahl
aufweist.
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Zahnkranz 47 wird
von einem ersten Planeten 60 gebildet und Zahnkranz 48 von
einem zweiten Planeten 61. Die Planeten 60, 61 sind
drehfest zueinander verbunden zu einem Stufenplaneten 62.
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In
einer ersten Ebene 63 kämmt
der erste Planet 60 radial innen liegend mit dem inneren
Zentralrad 21 und radial außen liegend mit dem Nebenplaneten 46.
In einer zweiten Ebene 64 kämmt der zweite Planet 61 radial
innen liegend mit dem inneren Zentralrad 19. Die zweite
Ebene 64 ist axial zwischen dem Variator 67 und
der zweiten Ebene 63 angeordnet. Zwischen den Ebenen 63, 64 ist
eine mittlere Tragebene 65 angeordnet, welche den Planetenträger 16 und
den Antriebssteg 49 (zumindest teilweise) beinhaltet. Zwischen
Variator 67 und zweiter Ebene 64 ist eine vordere
Tragebene 66 angeordnet, während auf der dem Variator 99 abgewandten
Seite der Ebene 63 eine hintere Tragebene 67 angeordnet
ist.
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Hinsichtlich
weiterer Ausgestaltungen des Kraftflusses, der Schaltelemente sowie
des Räderplanes
der dargestellten Ausführungsform
oder alternativer Ausführungsformen
wird beispielhaft auf die Druckschriften
der
Anmelderin verwiesen, welche vollumfänglich zum Gegenstand der vorliegenden
Anmeldung gemacht werden.
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Für unterschiedliche
Betriebsbereiche des dargestellten Toroidgetriebes erfolgt ein Kraftfluss zwischen
Eingangswelle 10 und Ausgangswelle 11 folgendermaßen:
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Geared-Neutral-Funktion:
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Durch
eine Geared-Neutral-Funktion ist beim Anfahrvorgang mit eingerückter, erster
Schaltkupplung K1 bei ausgerücktem
Zustand der zweiten Schaltkupplung K2 und der dritten Schaltkupplung K3
die jeweilige Drehzahl der Ausgangswelle 11 und der an
die Schaltkupplung K1 unmittelbar angebundenen Getriebeglieder zunächst gleich
Null und die Teilübersetzung
im Variator 67 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
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Unterer Teil-Fahrbereich:
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In
dem sich anschließenden,
unteren Fahrbereich mit niedrigeren Drehzahlen der Ausgangswelle 11 bleibt
die erste Schaltkupplung K1 eingerückt. Die Leistung fließt bei Vorwärtsfahrt über den direkten
Pfad der zentralen Zwischenwelle 14 zum Summengetriebe 13,
wird verzweigt, wobei ein Teil über
die erste Schaltkupplung K1 zur Ausgangswelle 11 fließt und der
andere Teil über
den Variator 67 zur Zwischenwelle 14 bzw. zum
Planetenträger
des Summengetriebes zurück fließt. In der
Getriebeanordnung tritt somit Umlaufleistung auf, die Leistung in mindestens
einem der Pfade ist höher
als die Getriebeeingangsleistung.
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Synchron-Punkt:
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Der
genannte untere Fahrbereich sowie ein oberer Fahrbereich sind derart
ausgelegt, dass die Übersetzung
am oberen Ende des unteren Fahrbereiches der Übersetzung am unteren Ende
des oberen Fahrbereiches entspricht. Für einen Wechsel vom ersten
Fahrbereich zum zweiten Fahrbereich wird die Schaltkupplung K1 ausgerückt, während die Schaltkupplung
K2 eingerückt
wird. Durch die vorgenannte Auslegung der Übersetzungen der beiden Fahrbereiche
ist in dem Synchron-Punkt die Drehzahldifferenz an der zweiten Schaltkupplung
K2 ungefähr
0, so dass ein ruckfreier Antriebswechsel ohne aufwendigen Synchronisiervorgang
und dauerhaften schlupfenden Betrieb der Kupplungen von der ersten
Schaltkupplung K1 auf die zweite Schaltkupplung K2 ermöglicht ist.
Gleiches gilt ebenfalls für
den Wechsel vom zweiten Fahrbereich in den ersten Fahrbereich.
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Oberer Teil-Fahrbereich:
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In
dem oberen Fahrbereich, in welchem die Kupplung K2 zwischengeschaltet
ist, wird die Getriebeeingangsleistung im Allgemeinen auf zwei parallele
Pfade aufgeteilt, so dass der Leistungsanteil in beiden Pfaden (Variator 67 einerseits
und zentrale Zwischenwelle 14 andererseits) kleiner ist
als die Getriebeeingangsleistung. Umlaufleistung tritt in diesem Fall
nicht auf.
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Der
untere und der obere Teil-Fahrbereich bilden zusammen einen ersten
Fahrbereich, bei welchem unter Einbeziehung des Variators 67 ein
stufenloser Betrieb des Toroidgetriebes ermöglicht ist.
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Direktgang:
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Mit
dem Einrücken
der dritten Schaltkupplung K3 kann eine unmittelbare Antriebsverbindung zwischen
der Eingangswelle 10 und der Ausgangswelle 11 hergestellt
werden.
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Synchrongang:
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Im
Synchrongang sind die Kupplungen K1 und K2 geschlossen. Der Variator 67 überträgt im Synchrongang
kein nennenswertes Drehmoment bzw. keine nennenswerte Leistung.
In dem Synchrongang ergibt sich eine Leistungsverzweigung, bei der
die Eingangsleistung über
zwei Getriebepfade, welche jeweils eine der Kupplungen K1, K2 beinhalten,
zum Abtrieb fließt.
Der erste Leistungspfad verläuft
in diesem Fall von dem Antriebssteg 49 über den ersten Planeten 60,
das innere Zentralrad 21, die Kupplung K2, die Antriebsverbindung 39,
ein inneres Zentralrad 25a zu dem Planeten 30.
In dem anderen Getriebepfad erfolgt eine Leistungsübertragung
von dem Antriebssteg 49 über den Nebenplaneten 46 und
einen ersten Planeten 60, welcher den Zahnkranz 47 bildet,
das äußere Zentralrad 20,
Schaltkupplung K1, Antriebsverbindung 27, äußeres Zentralrad 26a zu
dem Planeten 30, bei welchem sich die Leistungen des ersten
Getriebepfades und des zweiten Getriebepfades überlagern.
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Der
Direktgang und der Synchrongang bilden zusammen einen zweiten Fahrbereich,
bei welchem unter Umgehung des Variators 67 ein gestufter Betrieb
des Toroidgetriebes ermöglicht
ist.
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Das
Toroidgetriebe verfügt über ein
Hydrauliksystem, über
welches die Kupplungen K1, K2, K3, die Zwischenroller 68, 68a und
der Variator 67 betätigt
oder angesteuert werden können.
In 2 ist ein Ausschnitt des Hydrauliksystems dargestellt,
in welchem ein Arbeitsdruck des Hydrauliksystems und ein Schmierdruck
erzeugt bzw. bereitgestellt werden.
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Der
Arbeitsdruck ist der höchste
Druck bzw. das höchste
Druckniveau im Hydrauliksystem und reicht bis ca. 70 bar. Der Schmierdruck
bildet ein zweites Druckniveau und reicht dabei bis ca. 10 bar und
ist zur Schmierung und zur Kühlung
im Toroidgetriebe erforderlich.
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Jedes
der beschriebenen Druckniveaus wird durch ein eigenes Ventil in
Form eines Regelschiebers eingestellt. Dementsprechend sind hier
ein Arbeitsdruckventil in Form eines Arbeitsdruck-Regelschiebers 1 und
ein Schmierdruckventil in Form eines Schmierdruck-Regelschiebers 2 zu
erkennen, welche zur Regelung des Drucks und des Volumenstroms in
den jeweils korrespondierenden Druckniveaus vorgesehen sind.
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Die
Regelschieber 1, 2 sind so aufgebaut, dass sie
je einen Schieber 1', 2' aufweisen,
welche jeweils über
zwei Taillierungen 1a, 1b; 2a, 2b verfügen. Dabei
ist jedoch die Art und Weise der Druckregelung in dem System an
den einzelnen Regelschiebern 1, 2 von der Wirkungsweise
dieser Regelschieber 1, 2 unabhängig. Die
Regelschieber 1, 2 können z.B. wie im Ausführungsbeispiel
dargestellt, als Druckminderventile arbeiten, sie könnten alternativ dazu
jedoch auch als Druckbegrenzungsventile funktionieren.
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Auf
den Schieber 1' des
Arbeitsdruck-Regelschiebers 1 wirken in axialer Richtung
verschiedene Kräfte.
Zum einen wirkt der über
eine Lamelle 112 zurück
gekoppelte Arbeitsdruck p_AD auf eine Rückführfläche 118. Der damit
aufgebrachten Kraft wirkt eine Kraft einer Feder 119 entgegen.
In dieselbe Richtung wie die Feder 119 wirken ein erster
und ein zweiter Steuerdruck, welche über Lamellen 113a, 113b auf
Steuerflächen 117a, 117b wirken.
Der Arbeitsdruck-Regelschieber 1 ist so ausgeführt, dass immer
der größere der
beiden Steuerdrücke
wirkt. Dazu wirkt der erste Steuerdruck direkt auf den Schieber 1' und der zweite
Steuerdruck über
einen Kolben 120 und eine Stange 121 auf den Schieber 1'. Der Schieber 1', die Stange 121 und
der Kolben 120 sind gegeneinander verschieblich angeordnet.
Der Schieber 1' nimmt
eine Position ein, die sich auf Grund der beschriebenen, auf ihn
wirkenden Kräfte ergibt.
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Als
erster Steuerdruck an der Lamelle 113a dient ein Anpressdruck
p_AV am Variator, der über eine
Druckleitung 122 zugeführt
wird. Der Druck wird an einer anderen, nicht dargestellten Stelle
des Hydrauliksystems erzeugt. Der Anpressdruck p_AV stellt im ersten
Fahrbereich des Toroidgetriebes den höchsten Druck dar und entspricht
so einem Mindestwert des Arbeitsdrucks p_AV im ersten Fahrbereich. Der
tatsächlich
eingestellte Arbeitsdrucks p_AV ist auf Grund der Feder 119 um
ca. 5 bar höher
als der Anpressdruck p_AV.
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Als
zweiter Steuerdruck an der Lamelle 113b dient ein Kupplungsdruck
p_K, der über
eine Druckleitung 123 zugeführt wird. Der Druck wird an
einer anderen, nicht dargestellten Stelle des Hydrauliksystems erzeugt.
Der Kupplungsdruck p_K entspricht im Direktgang dem Druck an der
Kupplung K3 und im Synchrongang dem Druck an der Kupplung K1. Der Kupplungsdruck
p_K stellt im zweiten Fahrbereich des Toroidgetriebes den höchsten Druck
dar und entspricht so einem Mindestwert des Arbeitsdrucks p_AV im
zweiten Fahrbereich. Der tatsächlich eingestellte
Arbeitsdrucks p_AV ist auf Grund der Feder 119 um ca. 5
bar höher
als der Kupplungsdruck p_K.
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Die
Rückführfläche 118 ist
dabei etwas größer als
die Wirkflächen 117a, 177b der
Steuerdrücke. Damit
wird gewährleistet,
dass auch bei sehr hohen Steuerdrücken der Arbeitsdruck p_AV
einen Grenzwert nicht überschreiten
kann. Derartig hohe Steuerdrücke
können
vorkommen, wenn einer der nicht dargestellten Regelschieber zur
Erzeugung des Anpressdrucks p_AV oder des Kupplungsdrucks p_K in einer
offenen Stellung klemmt.
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Auf
den Schieber 2' des
Schmierdruck-Regelschiebers 2 wirken in axialer Richtung
ebenfalls verschiedene Kräfte.
Zum einen wirkt der über
eine Lamelle 212 zurück
gekoppelte Schmierdruck p_Sch auf eine Rückkoppelfläche 218. Der damit
aufgebrachten Kraft wirkt eine Kraft einer Feder 219 entgegen.
In dieselbe Richtung wie die Feder 219 wirkt ein Schmier-Steuerdruck,
welche über
eine Lamelle 213 zugeführt
wird. Die Wirkfläche
des Schmier-Steuerdrucks ist vergleichsweise klein und in der 2 nicht
zu erkennen.
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Als
Schmier-Steuerdruck dient ebenfalls der Anpressdruck p_AV am Variator,
der ein Maß für eine Last
des Toroidgetriebes darstellt. Der Schieber 2' nimmt eine
Position ein, die sich auf Grund der beschriebenen, auf ihn wirkenden
Kräfte
ergibt.
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Das
Schmierdruckventil 2 weist eine weitere Lamelle 229 auf, über welche über eine
Leitung 228 ein weiterer Schmier-Steuerdruck auf den Schieber 2' wirken kann.
Die von diesem weiteren Schmier-Steuerdruck aufgebrachte Kraft wirkt
gleichsinnig zum Schmier-Steuerdruck p_AV. An diese Lamelle 229 kann
beispielsweise ein Druck an einer Kupplung des Toroidgetriebes angelegt
werden. In diesem Fall könnte
der Schmierdruck ebenso wie der Arbeitsdruck in jedem Fahrbereich
passend eingestellt werden. Damit wäre der erste Schmier-Steuerdruck von einem
ersten Druck abgeleitet, der ein Maß für einen Mindestwert des Schmierdrucks
im ersten Fahrbereich darstellt. Der weitere Schmier-Steuerdruck
wäre von
einem zweiten Druck abgeleitet, der ein Maß für einen Mindestwert des Schmierdrucks
im zweiten Fahrbereich darstellt.
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In
der 2 ist die Lamelle 229 mit dem Tank verbunden,
so dass kein weiterer Schmier-Steuerdruck wirkt. In diesem Fall
könnte
der Anpressdruck p_AV auch an die Lamelle 229 zugeführt werden
und der Schieber 2' könnte ohne
Stufung im Bereich der Lamelle 213 ausgeführt sein.
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Die Ölversorgung
erfolgt durch zwei Fördereinrichtungen 6, 7,
welche beispielsweise als zwei Pumpen oder Pumpenkammern einer Pumpe,
die in Größe und Bauart
voneinander vollkommen unabhängig
sein können,
ausgebildet sind. Dabei wäre
es jedoch aus Platz- und Kostengründen sinnvoll, eine robuste
Doppelkammerpumpe, beispielsweise eine Flügelzellenpumpe oder eine Zahnradpumpe,
einzusetzen, so dass die beiden Fördereinrichtungen 6, 7 in
ihrer Bauart einheitlich wären.
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Die
erste Fördereinrichtung 6 arbeitet
stets auf dem Arbeitsdruckniveau und wird daher im Folgenden als
Hochdruckpumpe 6 bezeichnet. Die zweite Fördereinrichtung 7 arbeitet
je nach Betriebszustand auf dem Arbeitsdruckniveau, dem Schmierdruckniveau
oder drucklos auf dem Tankdruckniveau. Da das zugrunde liegende
Druckniveau für die
zweite Fördereinrichtung 7 also
variiert wird, wird diese zweite Fördereinrichtung 7 nachfolgend
als variable Pumpe 7 bezeichnet.
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Betrachtet
man die Stellung des Arbeitsdruck-Regelschiebers 1 in 2,
so fördert
die Hochdruckpumpe 6 ihre komplette Fördermenge bzw. ihren kompletten
Volumenstrom über
eine Lamelle 108 und die erste Taillierung 1a in
das Arbeitsdruckniveau. Die variable Pumpe 7 arbeitet auf Schmierdruckniveau
und fördert
Fördermenge über eine
Lamelle 109, die zweite Taillierung 1b in dem
Arbeitsdruck-Regelschieber 1 und
eine weitere Lamelle 110 in das Schmierdruckniveau. Das
Rückschlagventil 116 ist
geschlossen und so angeordnet, dass es nur einen Ölfluss in
Richtung des Arbeitsdruckniveaus zulässt.
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Die überschüssige Fördermenge
wird also an einer Lamelle 110 über einen sich dort gegebenenfalls
bildenden Drosselspalt 111 in das Schmierdruckniveau weitergeleitet.
Die wirksame Regelkante des Arbeitsdruck-Regelschiebers 1 liegt
bei diesem Betriebszustand somit im Bereich der Lamelle 110.
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Diese
dargestellte Position des Arbeitsdruck-Regelschiebers 1 entspricht
einem Betriebszustand bei mittlerer Drehzahl der Fördereinrichtungen 6, 7 und
bei mittlerem Ölverbrauch
im Arbeitsdruckniveau. Bei steigender Drehzahl der Fördereinrichtungen 6, 7 wandert
der Schieber 1' des
Arbeitsdruck-Regelschiebers 1 auf Grund der auf ihn wirkenden
Kräfte
immer weiter in Richtung der Lamelle 113a, wodurch immer
mehr Fördermenge
der variablen Pumpe 7 über
die Lamelle 110 in das Schmierdruckniveau geleitet wird.
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Fördert nun
die Hochdruckpumpe 6 einen Fördermengenüberschuss in das Arbeitsdruckniveau,
so wird dieser an einer Lamelle 114 und über einen
sich hier ausbildenden weiteren Regelspalt 115 in das Schmierdruckniveau
weitergeleitet. Die Regelkante des Arbeitsdruck-Regelschiebers 1 befindet sich
in dem nun vorliegenden Betriebszustand im Bereich der Lamelle 114.
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Der
soeben für
den Arbeitsdruck-Regelschieber 1 beschriebene Vorgang findet
in gleicher Weise auch an dem Schmierdruck-Regelschieber 2 statt. Die
entsprechend beteiligten Taillierungen, Lamellen und dergleichen
sind analog zu der Bezeichnung am Hochdruck-Regelschieber 1 mit
den Bezeichnungen 2a, 2b sowie 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215 versehen.
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In
der Stellung des Schmierdruck-Regelschiebers 2 gemäß 2 fließt das von
der Hochdruckpumpe 6 geförderte und über den Arbeitsdruck-Regelschieber 1 an
der Lamelle 114 in das Schmierdruckniveau weitergeleitete Öl über die
Lamelle 208, die Taillierung 2a komplett in das
Schmierdruckniveau. Das von der variablen Pumpe 7 geförderte und
vom Arbeitsdruck-Regelschieber 1 in
das Schmierdruckniveau weitergeleitete Öl fließt über die Taillierung 2b nur
so weit in das Schmierdruckniveau, dass sich ein Kräftegleichgewicht
am Schieber 2' ergibt
und der Schmierdruck p_Sch einem sich durch die Feder 219 und
den Schmier-Steuerdruck ergebendem Soll-Schmierdruck entspricht.
Die überschüssige Fördermenge
wird über
die Taillierung 2b und den Bereich der Lamelle 210 bzw.
des Drosselspalts 211 der Hochdruckpumpe 6 und
der variablen Pumpe 7 zugeführt.
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Bei
sinkendem Ölverbrauch
im Schmierdruckniveau und/oder steigender Pumpendrehzahl wandert
nun auch der Schieber 2' des
Schmierdruck-Regelschiebers 2 immer weiter in Richtung
der Lamelle 213 und es erfolgt prinzipiell der gleiche
Regelvorgang, der bereits am Arbeitsdruck-Regelschieber 1 beschrieben
wurde.
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Bei
hoher Drehzahl der Fördereinrichtungen 6, 7 und/oder
niedrigem Ölbedarf
der Verbraucher ist es möglich,
dass die Hochdruckpumpe 6 in der Lage ist, sowohl das Arbeitsdruckniveau
als auch das Schmierdruckniveau komplett mit Öl zu versorgen. In diesem Fall
verschließt
das Rückschlagventil 216 die Verbindung
des weitergeleiteten Öls
von der variablen Pumpe 7 zum Schmierdruckniveau. Damit
führt die
variable Pumpe 7 automatisch nur noch der Hochdruckpumpe 6 und
der variablen Pumpe 7 Öl zu.
Sie läuft
also praktisch drucklos und verursacht somit nur minimale Verlustleistungen.
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Mit
zunehmender Drehzahl der Fördereinrichtungen 6,7 und
damit steigendem Fördervolumen wandert
der Schieber 2' des
Schmierdruck-Regelschiebers 2 in Richtung der Lamelle 213 und
spannt die Feder 219 weiter vor. Damit steigt die Kraft
der Feder 219 auf den Schieber 2' an und es wird eine drehzahlabhängige Erhöhung des
Schmierdrucks p_Sch und damit der Schmiermenge erreicht.
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Die
Hochdruckpumpe und die variable Pumpe können auch getauscht werden.
Damit die beschriebene Arbeitsweise der Regelschieber erreicht wird,
müssen
die Lamellen der Regelschieber entsprechend angepasst werden.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Schmierdruckventils 3 auf, welches statt des Schmierdruckventils 2 aus 2 verwendet
werden kann. Die Funktion und der Aufbau des Schmierdruckventils 3 sind
stark ähnlich
zur Funktion und zum Aufbau des Schmierdruckventils 3 aus 2, weshalb
nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Der
Schmier-Steuerdruck in Form des Anpressdrucks wirkt nicht mehr direkt
auf den Schieber 3' des
Schmierdruckventils 3, sondern auf einen Kolben 324,
der die aufgebrachte Kraft über
eine Feder 325 auf den Schieber 3' überträgt.
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Das
Schmierdruckventil 3 weist ebenfalls eine weitere Lamelle 329 auf, über welche
ein zweiter Schmier-Steuerdruck über
eine Leitung 328 zugeführt
werden kann. Falls nur ein Schmier-Steuerdruck verwendet wird, kann
die Stufung des Schiebers 3' im
Bereich der Lamelle 313 ebenfalls entfallen.
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Zwischen
der Lamelle 313, über
welche der Anpressdruck wirkt und der Lamelle 314, über welche
Betriebsfluid zu den Fördereinrichtungen
zurückgeführt wird,
ist eine weitere Lamelle 326 angeordnet. In dieser Lamelle 326 sitzt
ein ringförmiges
Anschlagelement 327, welches als Anschlag für den Kolben 324 dient
und dessen Bewegungsfähigkeit
in Richtung Schieber 3' begrenzt.
Die Position der Lamelle 326, die Federsteifigkeit der
Feder 325 und die Größe der Wirkfläche des
Anpressdrucks werden so aufeinander abgestimmt, dass der Kolben 324 bei
einem vorbestimmten Anpressdruck am Anschlagelement 327 zur
Anlage kommt. Der Wert dieses Anpressdrucks wird insbesondere so
eingestellt, dass er einem maximalen, dauerhaft übertragbaren Drehmoment am
Variator entspricht. Wird dieser Anpressdruck erreicht, so kommt
der Kolben 324 am Anschlagelement 327 zur Anlage
und eine weitere Erhöhung
des Anpressdrucks wirkt sich nicht auf den Schieber 3' und somit nicht
auf die Höhe
des Schmierdrucks aus. Der Schmierdruck ergibt sich also weiterhin
aus dem Anpressdruck, der notwendig ist, damit der Kolben 324 am
Anschlagelement 327 zur Anlage kommt.