DE102007043780A1

DE102007043780A1 - Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator

Info

Publication number: DE102007043780A1
Application number: DE102007043780A
Authority: DE
Inventors: Peter Aberson
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-03-19

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe, umfassend einen Variator (1), vorgeschlagen, wobei zur Erzeugung der Anpresskraft zur Drehmomentübertragung jeweils einer der Primärseite (2) und einer der Sekundärseite (3) des Variators (1) zugeordneter hydraulischer Zylinder (9, 10) vorgesehen ist, wobei die Zylinder (9, 10) gleiche Kolbenflächen aufweisen, welche für eine Variatorseite (2) einen elektrischen Aktuator (11) umfasst, dessen Drehbewegung über eine mit dem Aktuator (11) verbundene und vom Aktuator verdrehbare Verstellspindel (13), umfassend ein mit der axial verstellbaren Scheibe (4) der Variatorseite (2) in Wirkverbindung stehendes selbsthemmendes Schraub- oder Kugelgewinde (12) in eine translatorische Bewegung der axial verstellbaren Scheibe (4) der Variatorseite (2) umgewandelt wird und umgekehrt, wobei der elektrische Aktuator (11) bei einer Variatorverstellung in eine erste Richtung als Elektromotor und bei einer Variatorverstellung in die entgegengesetzte Richtung als Generator betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein stufenloses Umschlingungsgetriebe besteht üblicherweise u. a. aus einer Anfahreinheit, einer Vorwärts/Rückwärtsfahreinheit bzw. einem Wendesatz, einer Zwischenwelle, einem Differential, aus hydraulischen und elektronischen Steuereinrichtungen sowie aus einem Variator.
Der Variator umfasst nach dem Stand der Technik bei derartigen Getrieben eine Primärseite, die mit der Antriebswelle verbunden ist und eine Sekundärseite, welche jeweils paarweise angeordnete Kegelscheiben (Primärscheibensatz, Sekundärscheibensatz) umfassen. Eine der Kegelscheiben ist in axialer Richtung feststehend angeordnet, wobei die andere axial verschiebbar angeordnet ist. Des weiteren ist der Variator mit einem momentenübertragenden Umschlingungselement versehen, das zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren umläuft. Als Umschlingungselement wird üblicherweise ein Schubgliederband, eine Zugkette oder ein Riemen verwendet. Die aktuelle Übersetzung des Getriebes wird durch die Laufradien des Umschlingungselementes definiert, der wiederum eine Funktion der axialen Position der Kegelscheiben der Primär- bzw. Sekundärseite zueinander ist. Die Kegelscheiben der Primärseite sind auf der Primärwelle und diejenigen der Sekundärseite auf der Sekundärwelle angeordnet.
Zum Betrieb des Variators ist zum Einen eine Anpresskraft zur Drehmomentübertragung und zum Anderen eine Verstellkraft zur Einstellung bzw. Regelung der Variatorübersetzung erforderlich. Diese Kräfte werden üblicherweise insbesondere bei Getrieben, die höhere Drehmomente übertragen, mittels hydraulischer Zylinder erzeugt.
Beispielsweise ist bekannt, die notwendige Kraft durch je einen Hydraulikzylinder pro Scheibensatz des Variators zu erzeugen, wobei der Primärzylinder, d. h. der dem Primärscheibensatz zugeordnete hydraulische Zylinder eine deutlich größere Kolbenfläche aufweist, als der Sekundärzylinder, d. h. der dem Sekundärscheibensatz zugeordnete hydraulische Zylinder. Hierbei ist das Kolbenflächenverhältnis vom notwendigen Kp/Ks-Verhältnis (Kp = Primäranpresskraft, Ks = Sekundäranpresskraft), welches notwendig ist, um den Variator mit möglichst niedrigem hydraulischem Druck in die Overdrive-Übersetzung, d. h. in die Stellung „High" zu halten. Bei einem derartigen System ist bei einer Verstellung des Variators eine hohe Ölfördermenge bei hohem Druck erforderlich, wodurch die Anforderungen an die Pumpenleistung der Hydraulikpumpe hoch sind, was sich auf Kosten und Dimensionierung der Pumpe nachteilig auswirkt Des weiteren ist bekannt, die zum Betrieb eines Variators erforderliche Anpress- und Verstellkräfte durch Doppelkolben zu erzeugen, wobei ein Kolbensatz für den Anpresskraftbedarf und ein Satz Parallelkolben zur Übersetzungsregelung, d. h. zur Variatorverstellung, vorgesehen ist. Diese Konzeption weist zwar den Vorteil auf, dass die zur Variatorverstellung erforderliche Pumpenleistung aufgrund der gleich dimensionierten Kolbenflächen gering ist; in nachteiliger Weise ist jedoch für die Verstellung ein hoher Volumenstrom mit entsprechendem Druck erforderlich. Hinzu kommt, dass pro Scheibensatz doppelte Zylinder und zwei separate Ölzuführungen benötigt werden.
Bei stufenlosen Getrieben, welche zur Übertragung von geringen Drehmomenten konzipiert sind, beispielsweise bei stufenlosen Getrieben für Motorroller, ist bekannt, die zum Betrieb des Variators erforderliche Anpress- und Verstellkraft mechanisch oder elektro-mechanisch zu erzeugen und mittels eines Axiallagers auf die drehende Scheibe zu übertragen.
Aus der DE 195 37 166 B4 ist eine von der Primärwelle direkt mechanisch angetriebene Verstellvorrichtung für ein stufenloses Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebe mit einer von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine antreibbaren Primärwelle, einem auf der Primärwelle angeordneten Primärkegelscheibensatz und mit einem in den Primärkegelscheibensatz greifenden Übertragungsmittel bekannt wobei der Kegelscheibensatz eine mit der Primärwelle fest verbundene Kegelscheibe und eine drehfest, aber axial auf dieser Welle verschiebbare Kegelscheibe umfasst. Hierbei ist die bekannte Verstellvorrichtung als Planetengetriebe ausgebildet, wobei die Kegelscheibe einen hohlzylindrischen und die Welle umfassenden Fortsatz aufweist, der ein Außengewinde trägt, bei dem das Planetengetriebe der Verstellvorrichtung eine ein Innengewinde aufweisende Stellhülse antreibt, wobei das Innengewinde mit dem Außengewinde des Fortsatzes der Kegelscheibe im Zahneingriff steht.
Hierbei ist vorgesehen, dass die Stellhülse mit einem Sonnenrad des Planetensatzes fest verbunden ist, welches über ein Lager auf der Welle gelagert ist, dass der Fortsatz mit einem Zahnrad in Verbindung steht, dass ein erster Planetenträger und ein zweiter Planetenträger mittels Lager auf dem Sonnenrad drehbar gelagert sind, dass der erste Planetenträger Stufenplanetenräder trägt, die mit ihren im Durchmesser kleineren ersten Stufen mit dem Zahnrad auf dem Fortsatz und mit einem Hohlrad auf dem Sonnenrad gelagert und mittels einer Bremse am Getriebegehäuse festlegbar ist. Des weiteren kämmen die zweiten im Durchmesser größeren Stufen der Stufenplanetenräder mit einer drehfesten Verzahnung auf dem Sonnenrad, wobei deren im Durchmesser größere Planetenstufen mit einem drehfest mit der Primärwelle verbundenen Zahnrad im Zahneingriff stehen und mit einem Hohlrad kämmen, welches auf der Primärwelle über ein Lager drehbar gelagert und mittels einer weiteren Bremse am Getriebegehäuse festlegbar ist. In nachteiliger Weise weist die bekannte Verstellvorrichtung eine hohe Anzahl benötigter Bauteile; des weiteren sind zum Betrieb der Vorrichtung zwei Schaltelemente erforderlich, was den konstruktiven Aufwand weiter erhöht.
Aus der JP 2005036855A geht ein stufenloses Umschlingungsgetriebe hervor, bei dem hydraulische Druckmittel vorgesehen sind, durch die zur Erzeugung der Anpresskraft zur Drehmomentübertragung ein Druck in axialer Richtung auf die axial verschiebbaren Kegelscheiben ausgeübt werden kann, wobei die Verstellung des Variators, d. h. die Verschiebung der jeweils verschiebbaren Scheibe durch mechanische Mittel erfolgt. Bei der bekannten Konstruktion wird die Anpresskraft zur Drehmomentübertragung über Wälzlager abgestützt, wobei jeweils eine Kegelscheibe eines Scheibenpaares entweder als Zylinder oder als Kolben eines Hydraulik-Zylinders verwendet wird; die mechanischen Verstellmittel sind jeweils zwischen dem Hydraulik-Gehäuse und der axial verschiebbaren Scheibe einer Variatorseite angeordnet.
Des weiteren ist aus der DE 10294154 T5 ein stufenloses Umschlingungsgetriebe bekannt, umfassend eine Spannungseinstellungsvorrichtung zum Erzeugen der Anpresskraft für das Umschlingungselement und Hubmechanismen zur axialen Verschiebung der verschiebbaren Scheiben des Variators, wobei die Hubmechanismen von einem Motor über ein Getriebe derart angetrieben werden, dass die verschiebbaren Scheiben synchron und axial entgegengesetzt verschoben werden. Die Spannungseinstellungsvorrichtung weist eine Spannrolle auf, die mit der ungespannten Seite des Umschlingungselementes von außen in Druckkontakt gelangt sowie einen Spannarm, dessen eines Ende auf dem Gehäuse an einer Position außerhalb von jeder der Scheiben des Variators in eine radiale Richtung schwenkbar gehalten wird und an dessen anderes Ende die Spannrolle angebracht ist. Ferner umfasst die Spannungseinstellungsvorrichtung eine Treibereinrichtung zum Schwenkungsmäßigen Treiben des Spannarms in eine solche Richtung, dass die Spannrolle den Riemen presst, wobei der Spannarm derart angeordnet ist, dass sich die Einrichtung zum Halten der Spannrolle entlang eines gekrümmten geometrischen Ortes bewegt, dessen Mittelpunkt einem Rotationsdrehpunkt des Spannarms entspricht und der sich zwischen der Primärseite und der Sekundärseite bewegt. Diese Konstruktion erfordert in nachteiliger Weise einen hohen Herstellungs- und Montageaufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator anzugeben, mit dem Ziel, eine Verringerung der für den Variatoranpressdruck und bei der Variatorverstellung erforderlichen Pumpenleistung zu erzielen. Des weiteren soll die erfindungsgemäße Vorrichtung energiesparend betreibbar sein und eine exakte Verstellung des Variators gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Vorrichtung zur Variatorverstellung vorgeschlagen, welche für eine Variatorseite, vorzugsweise für die Primärseite, einen elektrischen Aktuator umfasst, dessen Drehbewegung über eine mit dem Aktuator verbundene und vom Aktuator verdrehbare Verstellspindel, umfassend ein mit der axial verstellbaren Scheibe in Wirkverbindung stehendes selbsthemmendes Schraub- oder Kugelgewinde in eine translatorische Bewegung der axial verstellbaren Scheibe der Variatorseite umgewandelt wird und umgekehrt, wobei der elektrische Aktuator bei einer Variatorverstellung in eine erste Richtung als Elektromotor und bei einer Variatorverstellung in die entgegengesetzte Richtung als Generator betrieben wird. Des weiteren wird vorgeschlagen, die zur Drehmomentübertragung erforderliche Anpresskraft durch jeweils einen der Primärseite und einen der Sekundärseite des Variators zugeordneten hydraulischen Zylinder zu erzeugen, wobei die Zylinder vorzugsweise gleich große Kolbenflächen aufweisen.
Erfindungsgemäß wird der elektrische Aktuator bei einer Variatorverstellung in eine erste Richtung als Elektromotor und bei einer Variatorverstellung in die entgegengesetzte Richtung als Generator betrieben.
Vorzugsweise ist die Gewinderichtung des selbsthemmenden Schraub- oder Kugelgewindes derart ausgelegt, dass für eine üblicherweise langsame Hochschaltung in Richtung Overdrive-Übersetzung (d. h. in Stellung „High") dieser Aktuator als Elektromotor und für eine in der Regel schnelle Rückschaltung in Richtung Underdrive-Übersetzung, wie es beispielsweise bei einer Notbremsung der Fall ist, als Generator betrieben wird.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption der gleichen Dimensionierung der Kolbenflächen der hydraulischen Zylinder zur Erzeugung der Anpresskraft, bleibt das Gesamtölvolumen der Zylinder konstant, wobei bei einer Verstellung des Variators lediglich Öl von einem Zylinder in den anderen fließt. Die Hydraulik-Pumpe muss daher nur den für die Sicherstellung der Drehmomentübertragung erforderlichen hydraulischen Druck liefern und eventuelle Leckverluste ausgleichen, was in einer kleineren Dimensionierung der Pumpe resultiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1: Eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Variatorverstellung; und
2: Eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Variatorverstellung.
In 1 und 2 ist ein Variator 1 eines stufenlosen Umschlingungsgetriebes dargestellt. Er umfasst eine Primärseite 2 und eine Sekundärseite 3. Die axial verstellbare Primärscheibe ist mit 4, die Primärwelle mit 5, die axial verstellbare Sekundärscheibe mit 6, die Sekundärwelle mit 7 und das Umschlingungselement mit 8 bezeichnet. Das Umschlingungselement 8 kann als Schubgliederband, Zugkette oder als Riemen ausgeführt sein.
In den Figuren ist im oberen Teil der Primärseite die axial verstellbare Scheibe 4 in der ersten Endstellung, welche der Anfahrübersetzung entspricht und im unteren Teil in der zweiten Endstellung, welche der Overdrive – Übersetzung entspricht, dargestellt, wobei als Verstellvorrichtung eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung dargestellt ist; analog dazu ist im oberen Teil der Sekundärseite die axial verstellbare Sekundärscheibe 6 in einer ersten Endstellung und im unteren Teil in einer zweiten Endstellung dargestellt.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Einstellung der zur Drehmomentübertragung erforderlichen Anpresskraft durch hydraulische Zylinder 9, 10, wobei die Zylinder 9, 10 gleich große Kolbenflächen aufweisen.
Des weiteren ist zur Variatorverstellung an der Primärseite 2 ein elektrischer Aktuator 11 vorgesehen, dessen Drehbewegung über eine mit dem Aktuator verbundene und vom Aktuator 11 verdrehbare Verstellspindel 13, umfassend ein mit der axial verstellbaren Scheibe 4 in Wirkverbindung stehendes selbsthemmendes Schraub- oder Kugelgewinde 12 in eine translatorische Bewegung der axial verstellbaren Scheibe 4 umgewandelt wird. Eine Verschiebung der axial verstellbaren Scheibe 4 resultiert bedingt durch die geometrische Auslegung auch in einer entsprechenden Verstellung der axial verstellbaren Scheibe 6 der Sekundärseite.
In vorteilhafter Weise ist die Gewinderichtung so ausgelegt, dass für eine üblicherweise langsame Hochschaltung in Richtung einer Overdrive- Übersetzung (d. h. in Stellung „High") der elektrische Aktuator 11 als Elektromotor betrieben wird; bei einer schnellen Rückschaltung in Richtung Underdrive-Übersetzung, wie es beispielsweise bei einer Notbremsung der Fall ist, wird der elektrische Aktuator 11 als Generator betrieben, da in diesem Fall die axial verstellbare Scheibe 4 abgebremst wird.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gewinde 12 als Innengewinde eines Hohlzylinders ausgeführt, welches den hydraulischen Zylinder 9 der jeweiligen Primärseite 2, welcher der Erzeugung der zur Drehmomentübertragung erforderlichen Anpresskraft dient, teilweise umschließt, wobei der Rotor 15 der als Aktuator dienenden Elektromaschine 11 drehfest mit der Außenseite des Gewindes 12 verbunden ist und diese zumindest teilweise umschließt. Der Stator 14 ist drehfest mit dem Getriebe verbunden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems zur Variatorverstellung und zur Erzeugung der Anpresskraft zur Drehmomentübertragung dargestellt. Hierbei ist der Aktuator 11 in der als Hohlwelle ausgebildeten Primärwelle 5 angeordnet; der Rotor des Aktuators 11 ist mit einem selbsthemmenden Schraub- oder Kugelgewinde 12 einer Verstellspindel 13 drehfest verbunden, welches sich axial in der Hohlwelle 5 erstreckt und mit einer Schraubenmutter 17 in Wirkverbindung steht, wobei die Schraubenmutter 17 zumindest einen Mitnahmefinger 18 aufweist, der mit der axial verstellbaren Scheibe 4 in Wirkverbindung steht. Im Rahmen einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Aktuator 11 in der Sekundärwelle 7 angeordnet sein.
Gemäß der Erfindung wird die Drehbewegung des Aktuators 11 bzw. des Gewindes 12 über die Schraubenmutter 17 und den Mitnahmefinger 18 in eine translatorische Bewegung der Scheibe 4 umgewandelt. Wie in 2 gezeigt, ist der zumindest eine Mitnahmefinger 18 über Axialnadellager 16 in der Schraubenmutter 17 gelagert.
Selbstverständlich fällt auch jede konstruktive Ausbildung, insbesondere jede räumliche Anordnung der Bauteile des erfindungsgemäßen Systems zur Variatorverstellung und zur Erzeugung der Anpresskraft zur Drehmomentübertragung an sich sowie zueinander und soweit technisch sinnvoll, unter den Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche, ohne die Funktion des Systems, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist, zu beeinflussen, auch wenn diese Ausbildungen nicht explizit in den Figuren oder in der Beschreibung dargestellt sind. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Variatorverstellung an der Sekundärseite des Variators angeordnet sein.

1: Variator
2: Primärseite
3: Sekundärseite
4: axial verstellbare Scheibe
5: Primärwelle
6: axial verstellbare Scheibe
7: Sekundärwelle
8: Umschlingungselement
9: hydraulischer Zylinder
10: hydraulischer Zylinder
11: elektrischer Aktuator
12: Gewinde
13: Verstellspindel
14: Stator
15: Rotor
16: Axialnadellager
17: Schraubenmutter
18: Mitnahmefinger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19537166 B4 [0007]
- JP 2005036855 A [0009]
- DE 10294154 T5 [0010]

Claims

Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator (1), wobei zur Erzeugung der Anpresskraft zur Drehmomentübertragung jeweils einer der Primärseite (2) und einer der Sekundärseite (3) des Variators (1) zugeordneter hydraulischer Zylinder (9, 10) vorgesehen ist, wobei die Zylinder (9, 10) gleiche Kolbenflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sie für eine Variatorseite (2) einen elektrischen Aktuator (11) umfasst, dessen Drehbewegung über eine mit dem Aktuator (11) verbundene und vom Aktuator verdrehbare Verstellspindel (13), umfassend ein mit der axial verstellbaren Scheibe (4) der Variatorseite (2) in Wirkverbindung stehendes selbsthemmendes Schraub- oder Kugelgewinde (12) in eine translatorische Bewegung der axial verstellbaren Scheibe (4) der Variatorseite (2) umgewandelt wird und umgekehrt, wobei der elektrische Aktuator (11) bei einer Variatorverstellung in eine erste Richtung als Elektromotor und bei einer Variatorverstellung in die entgegengesetzte Richtung als Generator betrieben wird.
Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinderichtung des selbsthemmenden Schraub- oder Kugelgewindes (12) derart ausgelegt ist, dass der elektrische Aktuator (11) bei einer Hochschaltung als Elektromotor und bei einer Rückschaltung als Generator betrieben wird.
Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator (1), nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (12) als Innengewinde eines Hohlzylinders ausgeführt ist, welches den hydraulischen Zylinder (9) der Variatorseite (2) zur Erzeugung der zur Drehmomentübertragung erforderlichen Anpresskraft teilweise umschließt, wobei der Rotor (15) der als Aktuator dienenden Elektromaschine (11) drehfest mit der Außenseite des Gewindes (12) verbunden ist und diese zumindest teilweise umschließt.
Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator (1), nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellspindel (13) mittels Axialnadellager (16) gelagert ist.
Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator (1), nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Aktuator (11) in der als Hohlwelle ausgebildeten Primärwelle (5) oder Sekundärwelle (7) angeordnet ist, wobei der Rotor des Aktuators (11) mit einem selbsthemmenden Schraub- oder Kugelgewinde (12) einer Verstellspindel (13) drehfest verbunden ist, welches sich axial in der Hohlwelle (5) erstreckt und mit einer Schraubenmutter (17) in Wirkverbindung steht, die zumindest einen senkrecht zur Längsrichtung der Hohlwelle angeordneten und mit der axial verstellbaren Scheibe der Primärseite (2) bzw. der Sekundärseite (3) in Wirkverbindung stehenden Mitnahmefinger (18) aufweist.
Vorrichtung zur Variatorverstellung bei einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe umfassend einen Variator (1), nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Mitnahmefinger (18) mittels Axialnadellager (16) in der Schraubenmutter (17) gelagert ist.