-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung eines Kegelscheibenumschlingungsgetriebes,
welches wenigstens ein Antriebskegelscheibenpaar und wenigstens
ein Abtriebskegelscheibenpaar aufweist, nach der im Oberbegriff
von Anspruch 1 näher
definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe.
-
Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
und ein entsprechendes, im allgemeinen auch als CVT-Getriebe bezeichnetes
Kegelscheibenumschlingungsgetriebe sind aus der
DE 198 41 346 A1 bekannt. Derartige
automatisierte, stufenlose Getriebe haben in der Kraftfahrzeugtechnik
Einzug gehalten und werden auch in Zukunft verstärkt zum Einsatz kommen.
-
Problematisch
bei der bekannten Verstellvorrichtung ist jedoch deren komplizierter
Aufbau aufgrund der hohen Anzahl der zum Aufbau des Hydrauliksystems
erforderlichen Komponenten und die insbesondere durch die Vielzahl
an Schieberventilen erzeugte Leckage, die meist nur durch eine Überdimensionierung
der Förderpumpe
kompensiert werden kann, was wiederum höhere Kosten und einen größeren Energieverbrauch
verursacht. Des weiteren erfordern Drucksteigerungen im Anpresssystem aufgrund
unvermeidbarer Elastizitäten
ein Füllen
des Raumes zwischen der beweglichen Kegelscheibe und dem starren
Gehäuse,
was im Regelfall eine weitere Erhöhung der erforderlichen Pumpenleistung von
ca. dem Vierfachen der zum üblichen
Nachregeln erforderlichen Leistung und eine entsprechende bauliche
Vergrößerung der
Förderpumpe
zur Folge hat. Dadurch können
mit solchen bekannten Vorrichtungen im Regelfall Kegelscheibenumschlingungsgetriebe
nur bis zu einem bestimmten, relativ niedrigen Motordrehmoment verstellt
werden.
-
Aus
der
DE 103 54 720
A1 ist ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe bekannt,
bei dem die bewegliche Kegelscheibe mit einem Doppelkolben versehen
ist, so dass die Anpressung der Kegelscheibe an das Umschlingungselement
getrennt von der Verstellung geregelt werden kann.
-
Hierbei
kommt es jedoch aufgrund einer meist mit zu hoher Sicherheit ausgelegten
Anpresskraft und aufgrund hochdynamischer Belastungsspitzen des
Drehmoments zu einer Überanpressung
der beweglichen Kegelscheibe an das Umschlingungselement, was zu
erhöhten
mechanischen Verlusten und einer reduzierten Lebensdauer der Bauteile führt. Ein
weiterer Nachteil dieses bekannten Getriebes und der Vorrichtung
zur Verstellung desselben besteht darin, dass Übersetzungsänderungen aufgrund von Veränderungen
der Belastung und elastischen Verformungen nicht ohne weiteres erkannt und
erfasst werden können,
was dazu führt,
dass die Definition einer schlupffreien Referenzübersetzung nicht möglich ist.
Darüber
hinaus macht der erforderliche Drehmomentfühler einen hohen konstruktiven Aufwand
erforderlich und es ist nachteiligerweise keine stufenlose Drehmomenteinstellung
möglich.
Des weiteren weist diese Weiterbildung des Grundprinzips eines Kegelscheibenumschlingungsgetriebes verschiedene
der bereits oben angeführten
Nachteile auf, wie die Leckage aufgrund der verwendeten Schieberventile
und die sehr hohe Teileanzahl, was die Kosten entsprechend erhöht.
-
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verstellung
eines Kegelscheibenumschlingungsgetriebes zu schaffen, welche eine einfache
Konstruktion und einen möglichst
geringen Energieverbrauch aufweist und dabei ein schnelles Verstellen
des Getriebes ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
-
Dadurch,
dass die Förderpumpe
erfindungsgemäß für einen
mit hoher Frequenz intermittierend arbeitenden Förderbetrieb ausgelegt ist,
weist dieselbe eine sehr hohe Dynamik auf und kann voll variabel betrieben
werden, was eine sehr schnelle Verstellung der beweglichen Kegelscheibe
und somit ein erheblich verbessertes Ansprechen des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes
auf eine angeforderte Übersetzungsänderung
ermöglicht.
Der Betrieb der Förderpumpe
ist erfindungsgemäß intermittierend ausgelegt,
so dass dieselbe ausgeschaltet werden kann, wenn keine Verstellung
des Übersetzungsverhältnisses
zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren durchgeführt werden soll. Dadurch wird
in denjenigen Betriebspunkten, in denen keine Verstellung gewünscht ist,
also beispielsweise wenn mit konstanter Geschwindigkeit gefahren
wird oder wenn ein von der Steuerung als passend erachtetes Drehzahlniveau
erreicht ist, keine Energie verbraucht, wodurch gegenüber bekannten Vorrichtungen
eine erhebliche Energieeinsparung möglich ist. Durch den voll variablen
Betrieb der Förderpumpe
kann darüber
hinaus der auf die bewegliche Kegelscheibe und somit auf das Umschlingungselement
wirkende Druck sehr genau eingestellt werden, so dass eine Überbeanspruchung
des Umschlingungselements vermieden werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht also
eine regelbare Anpressung der Kegelscheibe an das Umschlingungselement,
ohne dass zusätzliche hydraulische
bzw. mechanische Bauelemente notwendig sind.
-
Des
weiteren kann die Förderpumpe
der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung
an einem beliebigen Ort angebracht werden, da sie vollkommen autark
betrieben wird und ihr Betrieb nicht von einem bestimmten Einbauort
abhängt.
Dadurch lassen sich, zusätzlich
zu der oben angegebenen Energieeinsparung, die Kosten noch weiter
verringern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine relativ einfache und unkomplizierte Konstruktion mit
einer geringen Anzahl an Bauteilen auf, wodurch sich eine weitere Kostenreduzierung
ergibt.
-
Als
besonders gut geeignet zum Erzielen des mit hoher Frequenz intermittierend
arbeitenden Förderbetriebs
hat es sich erwiesen, wenn die wenigstens eine Förderpumpe mit piezoelektrischen,
magnetostriktiven und/oder elektrochemischen Aktuatoren als Förderelementen
ausgebildet ist.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen
sein, dass wenigstens ein Umschaltventil zur Steuerung der Durchströmung einer
von der Förderpumpe
zu den beweglichen Kegelscheiben führenden Hydraulikleitung vorgesehen
ist. Diese vorzugsweise zwei Umschaltventile können in der Zuleitung zu den
Kegelscheiben oder in einer Rücklaufleitung
zu einem Tank angeordnet sein.
-
In
Anspruch 12 ist ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe mit wenigstens
einem Antriebskegelscheibenpaar, wenigstens einem Abtriebskegelscheibenpaar,
wenigstens einem das Antriebskegelscheibenpaar mit dem Abtriebskegelscheibenpaar
verbindenden Umschlingungselement und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verstellung des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes angegeben.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
-
Es
zeigt:
-
1 eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verstellung des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes;
-
2 eine
zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verstellung des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes;
-
3 eine
dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verstellung des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes; und
-
4 eine
vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verstellung des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes.
-
1 zeigt
in einer sehr schematischen Darstellung ein Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 1 mit
einem Antriebskegelscheibenpaar 2, einem Abtriebskegelscheibenpaar 3 und
einem das Antriebskegelscheibenpaar 2 mit dem Abtriebskegelscheibenpaar 3 in
an sich bekannter Weise verbindenden Umschlingungselement 4,
das beispielsweise als Kette oder als Riemen ausgebildet sein kann
und vorzugsweise eine konstante Breite aufweist. Das Antriebskegelscheibenpaar 2 weist
in ebenfalls an sich bekannter Weise ein vereinfacht dargestelltes
Gehäuse 5 auf,
welches eine Achse 6 und eine starre Kegelscheibe 7 bildet.
Auf der Achse 6 ist eine bewegliche Kegelscheibe 8 in
Achsrichtung ver schieblich, so dass der Abstand zwischen der beweglichen Kegelscheibe 8 und
der starren Kegelscheibe 7 verändert werden kann. Hierzu befindet
sich zwischen dem Gehäuse 5 und
der beweglichen Kegelscheibe 8 ein Druckraum 9,
der über
eine Hydraulikleitung 10 von einer Förderpumpe 11 mit Druck
beaufschlagt werden kann.
-
Das
Abtriebskegelscheibenpaar 3 ist in identischer Weise ausgebildet,
d. h. es weist ein Gehäuse 12 mit
einer Achse 13 und einer starren Kegelscheibe 14 sowie
eine auf der Achse 13 gelagerte, bewegliche Kegelscheibe 15 auf.
Zwischen der beweglichen Kegelscheibe 15 und dem Gehäuse 12 befindet
sich ebenfalls ein Druckraum 16, zu dem eine Hydraulikleitung 17 führt, die
von einer zweiten Förderpumpe 18 ausgeht.
-
Die
beiden Förderpumpen 11 und 18 bilden zusammen
mit einigen der oben und nachfolgend beschriebenen Bauteilen eine
Vorrichtung 19 zur Verstellung des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes 1.
-
Innerhalb
einer von der Förderpumpe 11 zu einem
Tank 26 führenden
Rücklaufleitung 10a ist
ein Umschaltventil 20 und in der Hydraulikleitung 10 ist ein
Drucksensor 21 angeordnet. Gleiches gilt auch für eine von
der Förderpumpe 18 zu
dem Tank 26 verlaufenden Rücklaufleitung 17a und
für die
zu dem Druckraum 16 des Abtriebskegelscheibenpaars 3 führende Hydraulikleitung 17,
in denen ein Umschaltventil 22 bzw. ein Drucksen sor 23 angeordnet
sind. Die beiden Umschaltventile 20 und 22 sind
im vorliegenden Fall als 2/2-Wegeventile und damit als Sitzventile
ausgebildet, sodass sie eine besonders einfache Konstruktion und
eine zuverlässige
Funktion aufweisen. Durch die Verwendung von Sitzventilen für die Umschaltventile 20 und 22 kann
des weiteren eine minimale Leckage und dadurch eine höhere Anpressungsfähigkeit
der beweglichen Kegelscheiben 8 und 15 an das
Umschlingungselement 4 sowie eine optimale Anpressung und
einen geringen Energiebedarf für
das gesamte System erreicht werden. Diese höhere Anpressung ermöglicht auch
eine schnellere Übersetzung,
da die wirksamen Kolbenflächen
der beweglichen Kegelscheiben 8 und 15 auf diese
Weise kleiner ausgelegt werden können.
Die beiden Drucksensoren 21 und 23 dienen zur
Messung des Drucks in der jeweiligen Hydraulikleitung 10 bzw. 17. Der
Tank 26 kann unter Druck stehen, insbesondere unter einem
höheren
als dem atmosphärischen Druck,
um die Funktion der Förderpumpen 11 und 18 zu
unterstützen.
-
Sowohl
die Förderpumpe 11 als
auch die Förderpumpe 18 sind
jeweils für
einen mit hoher Frequenz intermittierend arbeitenden Förderbetrieb
ausgelegt und weisen im vorliegenden Fall piezoelektrische Aktuatoren 24 bzw. 25 als
Förderelemente
auf. Alternativ zu den piezoelektrischen Aktuatoren 24 bzw. 25 könnten auch
magnetostriktive und/oder elektrochemische Aktuatoren als Förderelemente
für die
Förderpumpen 11 bzw. 18 vorge sehen
sein. Um auf den Druckraum 9 einen Druck aufzubringen,
wird zunächst
das Umschaltventil 20 in seine mit "0" bezeichnete,
geschlossene Position gebracht und anschließend wird die Förderpumpe 11 in
Betrieb gesetzt. Dadurch strömt
Druckmittel, insbesondere Öl, über die
Hydraulikleitung 10 in den Druckraum 9 und bewegt
die bewegliche Kegelscheibe 8 auf der Achse 6 in
Richtung der starren Kegelscheibe 7, so dass das Umschlingungselement 4 senkrecht
zu der Achse 6 nach oben verschoben wird. Diese Bewegung des
Umschlingungselements 4 hat zur Folge, dass die bewegliche
Kegelscheibe 15 des Abtriebskegelscheibenpaars 3 von
der starren Kegelscheibe 14 weg bewegt wird, so dass das
Volumen des Druckraums 16 verkleinert wird und das Druckmittel über die
Hydraulikleitung 17 in Richtung der Förderpumpe 18 zurückströmt. Das
Umschaltventil 22 in der Rücklaufleitung 17a befindet
sich dabei in seiner mit "1" bezeichneten, geöffneten
Stellung, so dass das Druckmittel in den Tank 26 strömen kann.
Sobald die gewünschte
Stellung des Umschlingungselements 4 erreicht ist, kann
der Betrieb der Förderpumpe 11 wieder
eingestellt werden, da ein Abströmen
des Druckmittels durch die Geschlossenstellung des Umschaltventils 20 verhindert
wird. In diesem Zustand ergibt sich somit eine erhebliche Energieeinsparung gegenüber bekannten
Lösungen.
-
Wenn
das Umschlingungselement 4 in die umgekehrte Richtung gebracht
werden soll, so wird das Umschalt ventil 20 in seine mit "1" bezeichnete geöffnete Stellung und das Umschaltventil 22 in
seine mit "0" bezeichnete geschlossene
Stellung gebracht und die Förderpumpe 18 wird
in Betrieb genommen. Dadurch strömt
das Druckmittel über
die Hydraulikleitung 17 in den Druckraum 16 ein
und die bewegliche Kegelscheibe 15 bewegt sich auf der Achse 13 in
Richtung der starren Kegelscheibe 14 des Abtriebskegelscheibenpaars 3,
wodurch das Umschlingungselement 4 sich nach unten bewegt. Da
sich diese Bewegung des Umschlingungselements 4 auch auf
das Antriebskegelscheibenpaar 2 überträgt, wandert die bewegliche
Kegelscheibe 8 von der starren Kegelscheibe 7 weg,
so dass aus dem Druckraum 9 Öl verdrängt und, wie für die Förderpumpe 18 beschrieben,
in den Tank 26 geleitet wird. Die hierbei erforderliche,
sehr schnelle Druckregelung kann durch die beiden Drucksensoren 21 und 23 in
den Hydraulikleitungen 10 und 17 erreicht werden.
Nach dieser Verstellung werden die beiden Umschaltventile 20 und 22 in
ihre geschlossene Stellung „0" gebracht, sodass
mit den Förderpumpen 11 und/oder 18 eine
drehmoment- und/oder übersetzungsabhängige Anpresskraft
eingestellt werden kann. Diese Anpressung erfordert aufgrund der
sehr geringen Leckage nur einen minimalen Volumenstrom und damit
einen sehr geringen Energiebedarf.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der Vorrichtung 19 zur Verstellung des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes 1 ist
in 2 dargestellt. Hierbei wird auf die zweite Förderpumpe 18 verzichtet
und es kommt lediglich die erste Förderpumpe 11 zum Einsatz,
wodurch sich eine Kosteneinsparung ergibt. Möglich ist dies dadurch, dass
die beiden Umschaltventile 20 und 22 statt als
2/2-nunmehr als 3/2-Wegeventile ausgebildet sind und die beiden
Hydraulikleitungen 10 und 17, die beide von der
Förderpumpe 11 ausgehen,
so angeschlossen und mittels der Umschaltventile 20 und 22 verschaltet
sind, dass alternativ der Druckraum 9 des Antriebskegelscheibenpaars 2 oder
der Druckraum 16 des Abtriebskegelscheibenpaars 3 mit
Druck beaufschlagt werden kann. Im vorliegenden Fall befindet sich
das zur Steuerung des Druckraums 9 dienende Umschaltventil 20 in
der geöffneten
Stellung "0", in der der Druckraum 9 des
Antriebskegelscheibenpaars 2 mit Druck beaufschlagt wird,
wohingegen sich das zur Steuerung des Druckraums 16 dienende
Umschaltventil 22 in der geschlossenen Stellung "1" befindet, so dass das aus dem Druckraum 16 des
Abtriebskegelscheibenpaars 3 verdrängte Öl in den Tank 26 zurückströmen kann.
Auch in diesem Fall sind die beiden Umschaltventile 20 und 22 als
Sitzventile ausgebildet und weisen damit die bereits oben angeführten Vorteile
auf. Bei dieser Ausführungsform
ist lediglich der Drucksensor 23 erforderlich, der die
Funktion des Drucksensors 21 übernimmt, auf den somit verzichtet werden
kann. Nach der Verstellung wird im vorliegenden Fall das Umschaltventil 22 in
seine gegenüber dem
Tank 26 geschlossene Stellung „0" gebracht, sodass mit den Förderpumpen 11 und/oder 18 ei ne drehmoment-
und/oder übersetzungsabhängige Anpresskraft
eingestellt werden kann.
-
Die
3 und
4 zeigen
weitere Ausführungsformen
der Vorrichtung
19. Hierbei sind die beiden beweglichen
Kegelscheiben
8 und
15 der beiden Kegelscheibenpaar
2 und
3 in
Form eines Doppelkolbens ausgebildet, wie beispielsweise in der
DE 103 54 720 A1 beschrieben.
Dadurch ergibt sich zwischen dem Gehäuse
5 und der beweglichen
Kegelscheibe
8 neben dem einen verringerten Durchmesser
aufweisenden Druckraum
9 ein weiterer, sich außerhalb
des Druckraums
9 befindlicher und im vorliegenden Fall
ringförmig
ausgebildeter Druckraum
27 und zwischen dem Gehäuse
12 und
der beweglichen Kegelscheibe
15 des Abtriebskegelscheibenpaars
3 außerhalb
des Druckraums
16, der ebenfalls einen verringerten Durchmesser
aufweist, ein wiederum ringförmig
ausgebildeter Druckraum
28. Neben der für die Verstellung der beiden
beweglichen Kegelscheiben
8 und
15 vorgesehenen
ersten Förderpumpe
11 ist
bei der Ausführungsform
gemäß
3 eine weitere
Förderpumpe
29 vorgesehen,
die zur Erhöhung
der Anpresskraft der beweglichen Kegelscheiben
8 und
15 auf
das Umschlingungselement
4 dient und die über eine
sich verzweigende Hydraulikleitung
30 auf die beiden Druckräume
27 und
28 wirkt.
Wie die Förderpumpe
11 ist
auch die Förderpumpe
29 für einen
mit hoher Frequenz intermittierend arbeitenden Förderbetrieb ausgelegt und weist
im vorliegenden Fall piezoelektrische Aktuatoren
31 als Förderelemente
auf. Dies bedeutet, dass die Förderpumpe
29 nur
dann betrieben werden muss, wenn die Anpresskraft auf das Umschlingungselement
4 erhöht werden
soll, wohingegen die Förderpumpe
11 wie
oben beschrieben für
die Verstellung desselben eingesetzt wird.
-
Die
beiden Hydraulikleitungen 10 und 17, die von der
Förderpumpe 11 ausgehen,
sind im wesentlichen so verschaltet, wie dies in 2 der
Fall ist, d. h. die beiden Umschaltventile 20 und 22 sowie
der Drucksensor 23 sind auch hier vorgesehen. Durch die
beschriebene Anordnung kann die Verstellung der beweglichen Kegelscheibe 8 des
Antriebskegelscheibenpaars 2 bzw. die Verstellung der beweglichen
Kegelscheibe 15 des Abtriebskegelscheibenpaars 3 unabhängig von
der Anpressung der beiden beweglichen Kegelscheiben 8 und 15 an
das Umschlingungselement 4 erfolgen. Da während der
Verstellung ein Volumenaustausch zwischen den Duckräumen 27 und 28 stattfindet,
muss die Förderpumpe 29 während der
Anpressung nur minimale Leckverluste kompensieren. Über ein
in einem zwischen den beiden Förderpumpen 11 und 29 verlaufenden
Leitungsabschnitt 32 angeordnetes Rückschlagventil 33 kann
die Förderpumpe 29 auch
für die
Verstellung benutzt werden. Des weiteren ist innerhalb der sich verzweigenden
Hydraulikleitung 30 ein weiterer Drucksensor 34 vorgesehen.
-
Wie
in 4 dargestellt kann die Verstellung und die Anpressung
der beiden beweglichen Kegelscheiben 8 und 15 an
das Umschlingungselement 4 auch von lediglich einer Förderpumpe,
nämlich
der ersten Förderpumpe 11 übernommen
werden. Hierzu kann sowohl auf den Drucksensor 34 als auch
auf das Rückschlagventil 33 verzichtet
werden. Während der
Verstellung wird eines der beiden Umschaltventile 20 oder 22 in
die Position „1" gebracht und die
Förderpumpe 11 baut
den Druck in der Druckkammer 9 oder 16 auf. Parallel
dazu wird die Anpressung durch die Förderpumpe 11 mit den
Druckkammern 27 und 28 realisiert. Nach der Verstellung
wird das eine Umschaltventil 20 oder 22 wieder
in seine Position „0" gebracht.