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Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe mit einem Variator und einem Momentenfühler, der zur Anpressdruckeinstellung hydraulisch mit dem Variator verbunden ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen stufenlosen Getriebes.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein stufenloses Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe ist bei einem stufenlosen Getriebe mit einem Variator und einem Momentenfühler, der zur Anpressdruckeinstellung hydraulisch mit dem Variator verbunden ist, dadurch gelöst, dass der Variator antriebsseitig und abtriebsseitig mechanisch mit dem Momentenfühler gekoppelt ist, um eine übersetzungsabhängige Anpressdruckeinstellung zu ermöglichen. Das stufenlose Getriebe wird auch als CVT-Getriebe bezeichnet. Dabei stehen die Buchstaben CVT für Continuously Variable Transmission. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebe mit zwei von einem Umschlingungsmittel umschlungenen Kegelscheibenpaaren. Die Kegelscheibenpaare umfassen jeweils zwei Kegelscheiben, von denen eine in Abhängigkeit von dem Druck in einer zugehörigen Anpresskammer axial verlagerbar ist. Durch die mechanische Kopplung zwischen dem Variator und dem Momentenfühler wird die Verwendung eines einfachen, insbesondere einstufigen, Momentenfühlers ermöglicht, der an sich nicht geeignet ist, die Übersetzungsabhängigkeit des Anpressdrucks abzubilden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des stufenlosen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass der Variator antriebsseitig und abtriebsseitig über jeweils ein zusätzliches Getriebe mit dem Momentenfühler gekoppelt ist. Über das Getriebe können die Drehzahl und/oder die Drehrichtung auf der Antriebsseite und/oder der Abtriebsseite des Variators übertragen oder gewandelt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des stufenlosen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Getriebe als Planetengetriebe ausgeführt ist. Das Planetengetriebe umfasst vorzugsweise ein Sonnenrad, ein Hohlrad und mehrere Planetenräder, die an einem Planetenträger drehbar gelagert sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des stufenlosen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass der Momentenfühler als Pumpmomentenfühler ausgeführt ist. Der Momentenfühler ist vorzugsweise im Momentenfluss des Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebes angeordnet und liefert einen momentenabhängigen Anpressdruck. Als Pumpmomentenfühler wird zum Beispiel eine Hydraulikpumpe bezeichnet, die als Momentenfühler arbeitet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des stufenlosen Getriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass der Variator antriebsseitig und abtriebsseitig mechanisch mit einer gemeinsamen Momentenfühlerwelle gekoppelt ist. Die gemeinsame Momentenfühlerwelle kann über eine Momentensummationsstelle mechanisch mit der Antriebsseite und der Abtriebsseite des Variators gekoppelt sein.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines stufenlosen Getriebes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eines vorab beschriebenen stufenlosen Getriebes, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass eine übersetzungsabhängige Anpressdruckeinstellung vom Momentenfühler weg zu einer Getriebestruktur verlagert wird, die dem Momentenfühler ein übersetzungsabhängiges Moment für die Anpressdruckeinstellung liefert. Das hat den Vorteil, dass, auch wenn der Momentenfühler relativ einfach gestaltet ist, dennoch eine möglichst genaue Abbildung des Anpressgesetzes erreicht werden kann. Durch eine gezielte Auswahl der verwendeten Verzweigungen und Übersetzungen kann eine nahezu beliebige konstruktive Auslegung des Momentenfühlers erreicht werden. Im Gegensatz zu einem zweistufigen Momentenfühler kann eine deutlich bessere Übereinstimmung mit dem Anpressbedarf erzielt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Momentenfühler über die mechanische Kopplung des Variators mit dem Momentenfühler ein Moment bereitgestellt wird, das von der Übersetzung des stufenlosen Getriebes abhängt. Dadurch wird eine gezielte Annäherung an das Anpressgesetz erreicht, ohne dass dafür eine Verstellung eines Anpresselements benötigt wird. Die einstellende Größe ist dabei allein die Variatorübersetzung, die somit gleichzeitig Ursache und Wirkung für die Veränderung der Anpressung darstellt. Die Anpressung in Abhängigkeit des anliegenden Moments wird durch die Getriebestruktur nicht beeinflusst.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass über die mechanische Kopplung des Variators mit dem Momentenfühler antriebsseitig und abtriebsseitig ein Teilmoment abgegriffen wird. Das wird vorzugsweise durch zwei Planetengetriebe beziehungsweise Planetensätze erreicht, die an- und abtriebsseitig nur ein Teilmoment vom Variator abgreifen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die antriebsseitig und abtriebsseitig abgegriffenen Teilmomente auf eine Momentenfühlerwelle des Momentenfühlers übertragen werden. Die Momentenfühlerwelle führt, je nach Art des Momentenfühlers, vorzugsweise nur eine geringfügige Verdrehung beziehungsweise eine kleine Drehzahl aus. Der hauptsächliche Leistungsfluss fließt über den Variator, damit einhergeht eine unveränderte Spreizung des gesamten Getriebes. Als Randbedingung für die Wahl der Planetenübersetzungen sind vorzugsweise die am Momentenfühler zulässigen Momente und die Vermeidung eines Blindleistungsflusses zu beachten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen stufenlosen Getriebe;
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2 eine vereinfachte Darstellung eines als Planetengetriebe ausgeführten zusätzlichen Getriebes im Halb-Querschnitt;
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3 das zusätzliche Getriebe aus 2 im Halb-Längsschnitt und
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4 eine vereinfachte Darstellung der an frei geschnittenen Wellen aus 1 angreifenden beziehungsweise auftretenden Momente.
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In den 1 und 4 ist ein Antriebsstrang 1 eines Kraftfahrzeugs vereinfacht in verschiedenen Ansichten dargestellt. Der Antriebsstrang 1 umfasst einen Antrieb 4, ein stufenloses Getriebe 5 und einen Abtrieb 6. Der Antrieb 4 umfasst eine Brennkraftmaschine 10. Bei dem Abtrieb 6 handelt es sich um eine angetriebene Achse des Kraftfahrzeugs mit angetriebenen Rädern 8, 9. Eine Kupplung 12 ist zwischen die Brennkraftmaschine 10 und das stufenlose Getriebe 5 geschaltet.
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Das stufenlose Getriebe 5 ist als CVT-Getriebe mit einem Variator 15 ausgeführt. Der Variator 15 umfasst zwei Kegelscheibenpaare 16, 17, die zur Drehmomentübertragung über ein als Kette ausgeführtes Umschlingungsmittel 18 miteinander verbunden sind. Der Variator 15 ermöglicht es, die Übersetzung des CVT-Getriebes 5 stufenlos zu verstellen.
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Der Anpressdruck zwischen den Kegelscheiben der Kegelscheibenpaare 16, 17 und dem Umschlingungsmittel 18 wird mit einem Momentenfühler 20 eingestellt. Zu diesem Zweck ist der Momentenfühler 20 über Hydraulikleitungen 21, 22 hydraulisch mit den Kegelscheibenpaaren 16, 17 verbunden.
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Zur Steuerung des Anpressdrucks von CVT-Getrieben können unterschiedliche Momentenfühler verwendet werden. Es gibt einstufige und zweistufige Momentenfühler. Es gibt auch voll variable Momentenfühler oder Momentenfühler mit mehr als zwei Stufen. Mit den einzelnen Stufen oder einer Kurve bei einem voll variablen Momentenfühler wird versucht, die Übersetzungsabhängigkeit des Anpressdrucks abzubilden. Bei einem einstufigen Momentenfühler ist dies nicht möglich.
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Die erfindungsgemäße Getriebestruktur ermöglicht es, einen möglichst einfachen und damit günstigen Momentenfühler einzusetzen, mit dem das Anpressgesetz dennoch möglichst genau abgebildet werden kann. Dies wird durch die Verlagerung der übersetzungsabhängigen Anpressdruckeinstellung vom Momentenfühler weg erreicht. Erfindungsgemäß wird eine Getriebestruktur verwendet, die dem Momentenfühler ein übersetzungsabhängiges Moment für die Einstellung des Anpressdrucks liefert.
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Zu diesem Zweck wird auf der Antriebsseite des Variators 5, das heißt, zwischen der Kupplung 12 und dem Kegelscheibenpaar 16, und auf der Abtriebsseite des Variators 5, das heißt, zwischen dem Kegelscheibenpaar 17 und dem Abtrieb 6, jeweils mechanisch ein Teilmoment abgegriffen. Durch Doppellinien 24 und 25 ist angedeutet, dass die Antriebsseite und die Abtriebsseite des Variators 5 mechanisch mit dem Momentenfühler 20 gekoppelt sind. Die antriebsseitig und abtriebsseitig abgegriffenen Teilmomente werden an einer Momentensummationsstelle 28 addiert und auf eine gemeinsame Momentenfühlerwelle 30 übertragen.
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Die Momentenfühlerwelle 30 des Momentenfühlers 20 führt im Betrieb des Getriebes 5 nur eine geringfügige Verdrehung beziehungsweise eine kleine Drehzahl aus. Der größte Teil des Leistungsflusses geht über den Variator 15. Die Spreizung des Getriebes 5 bleibt unverändert.
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Das liefert den Vorteil, dass ein einstufiger Momentenfühler verwendet werden kann. Der Momentenfühler kann insbesondere als so genannter Pumpmomentenfühler ausgeführt sein. Der Pumpmomentenfühler kann durch eine Hydraulikpumpe dargestellt werden, die im Momentenfluss des CVT-Getriebes 5 angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Getriebestruktur umfasst zum Abgreifen der Teilmomente zwei zusätzliche Getriebe 31, 32. Das zusätzliche Getriebe 31 ist auf der Antriebsseite des Variators 5 zwischen der Kupplung 12 und dem Kegelscheibenpaar 16 angeordnet. Das zusätzliche Getriebe 32 ist auf der Abtriebsseite des Variators 5 zwischen dem Kegelscheibenpaar 15 und dem Abtrieb 6 angeordnet. Über die zusätzlichen Getriebe 31, 32 wird der Momentenfühler 20 mit einem Momentensignal versorgt, das sowohl die Information über das Motorantriebsmoment als auch über die Variatorstellung beinhaltet.
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In den 2 und 3 ist anhand des zusätzlichen Getriebes 31 angedeutet, dass die beiden zusätzlichen Getriebe 31, 32 als Planetengetriebe mit einem Sonnenrad 41, einem Hohlrad 42 und Planetenrädern 44 ausgeführt sind. Die Planetenräder 44 befinden sich in Eingriff mit dem Sonnenrad 41 und dem Hohlrad 42. Dabei sind die Planetenräder 44 an einem Planetenträger 45 drehbar gelagert.
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Ein Planetengetriebe, wie es in den
2 und
3 angedeutet ist, wird durch seine Standübersetzung i
0 charakterisiert, die in der folgenden Gleichung angegeben ist:
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Mit nS wird die Drehzahl des Sonnenrads 41 bezeichnet. Mit nT wird die Drehzahl des Planetenträgers 45 bezeichnet. Mit nH wird die Drehzahl des Hohlrads 42 bezeichnet. Die Standübersetzung ergibt sich aus der Geometrie der Zahnräder. Somit lässt sich aus zwei bekannten Drehzahlen stets die dritte Drehzahl bestimmen. Für die Momente an den Wellen des Planetengetriebes gelten die folgenden Gleichungen. TH + i0·TS = 0 (Gleichung 2) TH + TS + TT = 0 (Gleichung 3)
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Mit TS wird das Moment am Sonnenrad 41 bezeichnet. Mit TT wird das Moment am Planetenträger 45 bezeichnet. Mit TH wird das Moment am Hohlrad 42 bezeichnet.
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Über die in der Gleichung 1 angegebene Standübersetzung und die Gleichungen 2 und 3 lassen sich entsprechend eines Vorgabemoments die Momente bestimmen, die an den anderen Wellen wirken. Wie man in 1 sieht, geht je ein Anschluss der Planetengetriebe 31, 32 an die Momentenfühlerwelle 30, während die anderen Anschlüsse den eigentlichen Triebstrang darstellen.
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Der mit dem Momentenfühler 20 verbundene Anschluss ist als stehend zu betrachten. Die Drehzahl der Momentenfühlerwelle 30 ist zumindest viel kleiner als die Antriebsdrehzahl. Das ist der Fall, da das anliegende Moment vom Momentenfühler abgestützt wird. Eine Bewegung am Momentenfühler 20 führt zu einer Steigerung des Abstützmoments und wirkt somit der Bewegung entgegen. An den zum Momentenfühler 20 führenden Wellen 24, 25 wird somit keine Leistung umgesetzt, was dazu führt, dass die Antriebsleistung durch die Planetensätze 31, 32 lediglich gewandelt wird.
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Je nachdem, welcher Anschluss an den Momentenfühler 20 geht, und, welche Anschlüsse mit dem Antrieb und dem Abtrieb verbunden sind, lassen sich unterschiedlichste Momentenverteilungen erzielen. Für die Auswahl dieser Parameter ist allerdings das Gesamtsystem zu betrachten, da Baugrößen, Wellenführung, Flächenauslegungen etc. zu berücksichtigen sind.
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In 4 sind die Wellen an den zusätzlichen Getrieben 31, 32, an der Momentensummationsstelle 28 und an dem Momentenfühler 20 frei geschnitten dargestellt. Am Ausgang der Planetengetriebe 31, 32 stellt sich ein zum Eingangsmoment oder Antriebsmoment proportionales Ausgangsmoment ein, das unabhängig von den Drehzahlen ist.
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Durch den eingangsseitigen Planetensatz 31 mit der Übersetzung iP1 wird ein Moment T1 abgegriffen, das proportional zum Antriebsmoment Tan ist. Das am abtriebsseitigen Planetensatz 32 mit der Übersetzung iP2 ankommende Moment ist in Abhängigkeit der Variatorübersetzung iVAR gewandelt und ist weiterhin proportional zum Antriebsmoment Tan. Somit ergibt sich für das Moment T2 eine Momenten- und eine Übersetzungsabhängigkeit.
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Durch Addition der Momente T1 und T2 ergibt sich auf der Momentenfühlerwelle 30 ein resultierendes Moment, welches die gewünschte Signaleigenschaft besitzt.
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Wie die mechanische Übertragung und die Addition der Momente für den Momentenfühler 20 erfolgt, ist prinzipiell frei wählbar. Es muss jedoch beachtet werden, dass T1 und T2 die gleiche Wirkrichtung haben.
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Der Momentenfühler 20 wirkt als Momentenstütze für die Planetengetriebewellen 24, 25, die an der Momentensummationsstelle 28 auf der gemeinsamen Momentenfühlerwelle 30 zusammengeführt sind. An dem Momentenfühler 20 stehen das aus dem hydraulischen Anpressdruck pMF resultierende Moment Tp und das Moment TMF in der Regel im Gleichgewicht, wobei die Momentenfühlerdrehzahl nMF = 0 ist. Ist dies nicht der Fall, ergibt sich eine Drehzahl nMF am Momentenfühler 20, die größer Null ist, bis das aus dem Anpressdruck pMF resultierende Moment Tp und das Moment TMF wieder im Gleichgewicht sind. Der Ölausgang des Momentenfühlers 20 ist über die Hydraulikleitungen 21, 22 direkt mit der jeweiligen Anpresskammer auf dem Scheibensatz verbunden.
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Stellt man sich die Anpresskammer als einen geschlossenen Raum vor, in dem keine Leckage auftritt, muss, solang keine Verstellung stattfindet, kein Ölvolumen hinein oder hinaus gefördert werden. Es ist lediglich nötig, einen Druck aufzubringen. Schließt man Leckagen, Kompressibilität des Öls und Verstellung mit ein, ergibt sich für den Momentenfühler 20 die benötigte Bewegung, um den Anpressdruck aufrecht zu erhalten. Die Bewegung wird durch das Momentenungleichgewicht am Momentenfühler 20 hervorgerufen.
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Die Drehzahl der Planetenanschlüsse in Richtung Momentenfühler 20 wird durch die Momentenfühlerbewegung vorgegeben. Sobald an diesen Wellen eine Drehzahl vorliegt, übertragen sie auch eine entsprechende Leistung.
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Wenn zum Beispiel das Motormoment sprunghaft ansteigt, dann steigt das Moment TMF an der Momentenfühlerwelle 30 ebenfalls an. Das durch den hydraulischen Druck erzeugte Abstützmoment im Momentenfühler 20 ist kleiner als das auf den Momentenfühler 20 wirkende Moment, woraus eine Beschleunigung resultiert. Die aus der Beschleunigung resultierende Bewegung führt dazu, dass Öl gepumpt wird und sich ein erhöhter Druck aufbaut. Ist der Druck wieder mit dem Moment in Einklang, stoppt die Bewegung des Momentenfühlers 20. Die zugehörige Gleichung lautet wie folgt:
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Für unendlich steife und masselose Systeme erfolgt diese Einregelung simultan zur Änderung der Eingangsgröße. Für reale Systeme ist die Ansprechzeit der Regelung ein ausschlaggebendes Auslegungskriterium. Für die Steuerung des Variators 15 kann ein separates Hydrauliksystem erforderlich sein. Die erfindungsgemäße Getriebestruktur ermöglicht ein sich selbst einregelndes Anpresssystem für das CVT-Getriebe 5 mit einem einstufigen Momentenfühler 20. Die Anpressung erfolgt momenten- und übersetzungsabhängig, sowie es für den verlustarmen Betrieb des Variators 15 erforderlich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 4
- Antrieb
- 5
- stufenloses Getriebe
- 6
- Abtrieb
- 8
- angetriebenes Rad
- 9
- angetriebenes Rad
- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Kupplung
- 15
- Variator
- 16
- Kegelscheibenpaar
- 17
- Kegelscheibenpaar
- 18
- Umschlingungsmittel
- 20
- Momentenfühler
- 21
- Hydraulikleitung
- 22
- Hydraulikleitung
- 24
- Doppellinie
- 25
- Doppellinie
- 28
- Momentensummationsstelle
- 30
- Momentenfühlerwelle
- 31
- zusätzliches Getriebe
- 32
- zusätzliches Getriebe
- 41
- Sonnenrad
- 42
- Hohlrad
- 44
- Planetenräder
- 45
- Planetenträger
