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Die vorliegende Erfindung betrifft stufenlose Getriebe. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung stufenlose Getriebe mit zwei Modi.
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Ein stufenloses Getriebe („CVT“) umfasst in der Regel eine Zahnradanordnung, die ein Toroidgetriebe funktional zwischen eine Drehleistungsquelle, wie etwa eine Brennkraftmaschine oder einen Elektromotor, und eine Achsantriebseinheit einkoppelt. Das Toroidgetriebe umfasst eine Dreheingangsscheibe und eine Drehausgangsscheibe, die in der Lage sind, das Verhältnis von einer Eingangsdrehzahl zu einer Ausgangsdrehzahl (das „Übersetzungsverhältnis des Toroidgetriebes“) stufenlos oder kontinuierlich zu verändern. Das Gesamtdrehzahlverhältnis, das durch das CVT geliefert wird, ist eine Funktion der Übersetzungsverhältnisse des Toroidgetriebes und der zugehörigen Zahnradanordnung. Die Ausgangsscheibe umfasst integral gebildete Zahnradzähne, die mit einem entsprechenden Zahnrad in Kämmung sind und dieses antreiben. Das Zahnrad wiederum ist funktional mit einer Ausgangswelle oder Gegenwelle gekoppelt, die funktional mit der Achsantriebseinheit gekoppelt ist.
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CVT-Konstruktionen weisen in der Regel einen einzigen Vorwärtsmodus auf, der die Spreizung des Getriebeübersetzungsverhältnisses begrenzt. Daher gibt es in der Technik einen Bedarf für eine CVT-Konstruktion, die große Getriebeübersetzungsverhältnisspreizungen zulässt.
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Die
DE 697 18 350 T2 offenbart ein stufenloses Getriebe mit zwei Vorwärtsmodi und einem als Umschlingungsgetriebe ausgebildeten stufenlosen Teilgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, alternative stufenlose Getriebe mit zwei Vorwärtsmodi zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein stufenloses Getriebe mit zwei Vorwärtsmodi mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
- 1 ein schematisches Diagramm eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Nahansicht eines Getriebekastens des in 1 gezeigten Antriebsstrangs;
- 3 eine Nahansicht eines alternativen Getriebekastens für den in 1 gezeigten Antriebsstrang gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine graphische Darstellung der Beziehung des Ausgangsdrehzahlverhältnisses gegenüber dem Toroidgetriebe-Drehzahlverhältnis des in 1 gezeigten Antriebsstrangs.
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Nun unter Bezugnahme auf 1 ist ein Antriebsstrang, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert, mit 10 bezeichnet. Der Antriebsstrang 10 umfasst allgemein eine Kraftmaschine 12, die mit einem Getriebe 14 verbunden ist. Die Kraftmaschine 12 kann eine herkömmliche Brennkraftmaschine oder ein Elektromotor oder irgendein anderer Typ von Antriebsaggregat sein, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die Kraftmaschine 12 führt dem Getriebe 14 durch zum Beispiel eine Flexplate oder eine andere Verbindungsvorrichtung oder eine Startvorrichtung (nicht gezeigt), wie etwa eine hydrodynamische Vorrichtung oder eine Anfahrkupplung, ein Antriebsdrehmoment zu.
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Das Getriebe 14 ist ein stufenloses Getriebe (CVT) vom Toroid-Typ. Das Getriebe 14 umfasst ein typischerweise gegossenes Metallgehäuse 16, das die verschiedenen Bauteile des Getriebes 14 umschließt und schützt. Das Gehäuse 16 umfasst eine Vielfalt von Öffnungen, Durchgängen, Schultern und Flanschen, die diese Bauteile positionieren und abstützen. Im Allgemeinen umfasst das Getriebe 14 eine Getriebeeingangswelle 20 und eine Getriebeausgangswelle 22. Zwischen die Getriebeeingangswelle 20 und die Getriebeausgangswelle 22 ist ein Getriebekasten 24 geschaltet, der ausgelegt ist, um Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahl- oder -Übersetzungsverhältnisse zwischen der Getriebeeingangswelle 20 und der Getriebeausgangswelle 22 und einem Toroidgetriebe 26 vorzusehen. Die Getriebeeingangswelle 20 ist funktional mit der Kraftmaschine 12 verbunden und nimmt Eingangsdrehmoment oder -leistung von der Kraftmaschine 12 auf. Die Getriebeausgangswelle 22 ist vorzugsweise mit einer Achsantriebseinheit 25 verbunden, die zum Beispiel eine Gelenkwelle, eine Differenzialanordnung und Antriebsachsen, die mit Rädern verbunden sind, usw. umfasst. Die Getriebeeingangswelle 20 ist gekoppelt mit dem und liefert Antriebsdrehmoment an den Getriebekasten 24.
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Der Getriebekasten 24 umfasst im Allgemeinen einen oder mehrere Zahnradsätze, Kupplungen und/oder Bremsen und Wellen. Das Toroidgetriebe 26 ist vom Wälztyp mit torusförmiger Laufbahn. Das Toroidgetriebe 26 umfasst eine erste Eingangsscheibe 28 und eine zweite Eingangsscheibe 30. Die erste Eingangsscheibe 28 umfasst eine torusförmige Außenfläche oder eine erste Eingangslaufbahn 28A und die zweite Eingangsscheibe 30 umfasst eine torusförmige Außenfläche oder eine zweite Eingangslaufbahn 30A. Zwischen der ersten und zweiten Eingangslaufbahn 28A, 30A ist eine Ausgangsscheibe 32 angeordnet. Die Ausgangsscheibe 32 umfasst eine torusförmige Außenfläche oder eine erste Ausgangslaufbahn 32A und eine torusförmige Außenfläche oder eine zweite Ausgangslaufbahn 32B. Die erste Ausgangslaufbahn 32A ist gegenüber der ersten Eingangslaufbahn 28A angeordnet, und die zweite Ausgangslaufbahn 32B ist gegenüber der zweiten Eingangslaufbahn 30A angeordnet. Die erste Eingangslaufbahn 28A und die erste Ausgangslaufbahn 32A arbeiten zusammen, um einen ersten torusförmigen Hohlraum 38 zu definieren, und die zweite Eingangslaufbahn 30A und die zweite Ausgangslaufbahn 32B arbeiten zusammen, um einen zweiten torusförmigen Hohlraum 40 zu definieren. Jegliche der Scheiben 28, 30 und 32 nutzen gemeinsam eine gemeinsame Drehachse, die durch eine Toroidgetriebewelle 42 definiert ist. Die Toroidgetriebewelle 42 ist funktional mit der Getriebeeingangswelle 20 verbunden und nimmt daher Antriebsdrehmoment von der Kraftmaschine 12 auf. Die Eingangsscheiben 28 und 30 sind rotatorisch mit der Toroidgetriebewelle 42 gekoppelt und übertragen Antriebsdrehmoment auf die Ausgangsscheibe 32 über mehrere Wälzkörper 50 und 52.
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Zum Beispiel umfasst der erste Hohlraum 38 die mehreren Wälzkörper 50, und der zweite Hohlraum 40 umfasst die mehreren Wälzkörper 52. In der Regel umfassen die jeweiligen der ersten und zweiten Hohlräume 38 und 40 zwei oder drei Wälzkörper 50 und 52, obwohl festzustellen ist, dass jede beliebige Zahl von Wälzkörpern angewandt werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Jeder der Wälzkörper 50, 52 ist zur Drehung um eine Wälzkörperachse montiert und wälzt auf den torusförmigen Laufbahnen 28A, 32A, 32B und 30A seiner zugehörigen Eingangs- und Ausgangsscheiben 28, 30 und 32 ab, um Drehmoment von den Eingangsscheiben 28 und 30 auf die Ausgangsscheiben 32 zu übertragen. Änderungen im Toroidgetriebe-Drehmomentverhältnis werden durch Präzession der Wälzkörper 50, 52 erreicht, so dass die Achse der Wälzkörper sich drehen kann, um die Neigung der Wälzkörperachse zu der Toroidgetriebeachse zu verändern. Präzession der Wälzkörper 50, 52 führt zu Änderungen der Radien der Wege, denen die Wälzkörper 50, 52 auf den Laufbahnen 28A, 32A, 32B und 30A folgen, und führt somit zu einer Änderung des Toroidgetriebe-Antriebsverhältnisses zwischen den Eingangsscheiben 28 und 30 und der Ausgangsscheibe 32. Die Ausgangsscheibe 32 umfasst an einem distalen Abschnitt 54 integral gebildete Zahnradzähne, die mit dem Eingangsübertragungszahnrad 60 in Kämmung sind und dieses antreiben. Ein Ausgangsübertragungszahnrad 62 ist funktional mit der Getriebeausgangswelle 22 verbunden und liefert Antriebsdrehmoment von dem Toroidgetriebe 26 und dem Getriebekasten 24 an die Getriebeausgangswelle 22 und daher die Achsantriebseinheit 25.
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Der Getriebekasten 24 umfasst einen ersten Planetenradsatz 64 und einen zweiten Planetenradsatz 66, der um eine Welle 63 herum angeordnet ist. Der erste Planetenradsatz 64 umfasst ein Sonnenradelement 68, ein Planetenradträgerelement 70 und ein Hohlradelement 72. Das Sonnenradelement 68 ist mit dem Eingangsübertragungszahnrad 60 mittels einer ersten Welle oder eines ersten Verbindungselements 74 gekoppelt. Das Hohlradelement 72 ist mit einem Zwischenübertragungszahnrad 76 mittels einer zweiten Welle oder eines zweiten Verbindungselements 78 gekoppelt. Das Planetenradträgerelement 70 ist mit der Welle 63 gekoppelt und lagert drehbar einen Satz Planetenräder 80, die ausgelegt sind, um mit sowohl dem Sonnenradelement 68 als auch dem Hohlradelement 72 zu kämmen.
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Der zweite Planetenradsatz 66 umfasst ein Sonnenradelement 82, ein Planetenradträgerelement 84 und ein Hohlradelement 86. Das Sonnenradelement 82 ist mit einer dritten Welle oder einem dritten Verbindungselement 88 verbunden, und das Hohlradelement 86 ist mit einer vierten Welle oder einem vierten Verbindungselement 90 verbunden. Das Planetenradträgerelement 84 ist mit der Welle 63 gekoppelt und lagert drehbar einen Satz Planetenräder 85, die ausgelegt sind, um mit sowohl dem Sonnenradelement 82 als auch dem Hohlradelement 86 zu kämmen.
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Ein erstes Drehmomentübertragungselement, wie zum Beispiel eine Bremse 92, koppelt die dritte Welle oder das dritte Verbindungselement 88 selektiv mit einem feststehenden Element oder dem Getriebegehäuse 16. Ein zweites Drehmomentübertragungselement, wie zum Beispiel eine Kupplung 94, koppelt die dritte Welle oder das dritte Verbindungselement 88 selektiv mit der vierten Welle oder dem vierten Verbindungselement 90. Ein drittes Drehmomentübertragungselement, wie zum Beispiel eine Bremse 96, koppelt das feststehende Element oder das Getriebegehäuse 16 selektiv mit der Welle 63. In der besonderen in 2 gezeigten Implementierung wird die Bremse 92 betrieben, um einen ersten Vorwärtsmodus in Eingriff zu bringen, die Kupplung 94 wird betrieben, um einen zweiten Vorwärtsmodus in Eingriff zu bringen, und die Bremse 96 wird betrieben, um einen Rückwärtsmodus des Getriebes 14 in Eingriff zu bringen.
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Wenn das Getriebe 14 in einem der drei oben beschriebenen Modi betrieben wird, wird Eingangsdrehmoment von dem Toroidgetriebe 26 durch das Eingangsübertragungszahnrad 60 auf den Getriebekasten 24 übertragen. Der Getriebekasten 24 überträgt wiederum das Ausgangsdrehmoment auf die Achsantriebseinheit 25 durch das Zwischenübertragungszahnrad 76, eine Welle oder ein Verbindungselement 98 und das Ausgangsübertragungszahnrad 62.
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In dem Rückwärtsmodus ist die Bremse 96 eingerückt, um das Planetenradträgerelement 70 feststehend zu halten. Eingangsdrehmoment wird von dem Toroidgetriebe 26 durch das Eingangsübertragungszahnrad 60 auf das Sonnenradelement 68 über die erste Welle oder das verbundene Elemente 74 übertragen. Ausgangsdrehmoment wird von dem Hohlradelement 72 auf das Zwischenübertragungszahnrad 76 übertragen.
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Wenn das Getriebe 14 in dem ersten Vorwärtsbetriebsmodus (Niedrig-Modus) betrieben wird, ist die Bremse 92 eingerückt, um das Sonnenradelement 82 feststehend zu halten. Eingangsdrehmoment wird von dem Toroidgetriebe 26 durch das Eingangsübertragungszahnrad 60 auf das Hohlradelement 86 übertragen. Dementsprechend basiert die Drehzahl des Planetenradträgerelements 84, insofern es durch Planetenräder 85 besetzt ist, auf dem Halten des Sonnenradelements 82 und dem Antreiben des Hohlradelements 86. Von daher ist die Drehzahl des Planetenradträgerelements 70 gleich wie die des Planetenradträgerelements 84, und die Ausgangsdrehzahl des Getriebekastens 24 ist gleich dem Verhältnis der Drehzahl des Planetenradträgerelements 70 zu der Drehzahl des Sonnenrads 68.
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Wenn das Getriebe 14 in dem zweiten Vorwärtsmodus (Hoch-Modus) betrieben wird, ist die Kupplung 94 eingerückt. Dies koppelt das Hohlradelement 86 mit dem Sonnenradelement 82, so dass der Satz Planetenräder 85 die gleiche Drehzahl wie die des Planetenradträgerelements 84 aufweist, was dazu führt, dass das Sonnenradelement 68 die gleiche Drehzahl wie der Satz Planetenräder 80 aufweist.
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Nun unter Bezugnahme auf 3 ist eine alternative Anordnung eines Getriebekastens 100 für das Getriebe 14 gezeigt. Der Getriebekasten 100 umfasst einen Planetenradsatz 101, der um die Welle 63 herum angeordnet ist. Der Planetenradsatz 101 umfasst ein Hohlradelement 172, ein erstes Sonnenradelement 168, ein zweites Sonnenradelement 185 und ein Trägerelement 170. Das erste Sonnenradelement 168 ist mit dem Eingangsübertragungszahnrad 60 mittels der erste Welle oder des ersten Verbindungselements 74 gekoppelt. Das zweite Sonnenradelement 185 ist mit einer zweiten Welle oder einem zweiten Verbindungselement 188 verbunden. Das Hohlradelement 172 ist mit der Welle 63 mittels einer dritten Welle oder eines dritten Verbindungselements 190 gekoppelt. Das Trägerelement 170 ist mit dem Zwischenübertragungszahnrad 76 mittels einer vierten Welle oder eines vierten Verbindungselements 191 gekoppelt und lagert drehbar ein erstes Ritzelradelement 192 und ein zweites Ritzelradelement 194. Das erste Ritzelradelement 192 ist ausgelegt, um mit sowohl dem ersten Sonnenradelement 168 als auch dem zweiten Ritzelradelement 194 zu kämmen. Das zweite Ritzelradelement 194 ist ausgelegt, um mit dem Hohlradelement 172, dem zweiten Sonnenradelement 185 und dem ersten Ritzelradelement 192 zu kämmen.
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Ein erstes Drehmomentübertragungselement, wie zum Beispiel die Bremse 92, koppelt die zweite Welle oder das zweite Verbindungselement 188 selektiv mit einem feststehenden Element oder dem Getriebegehäuse 16. Ein zweites Drehmomentübertragungselement, wie zum Beispiel die Kupplung 94, koppelt die vierte Welle oder das vierte Verbindungselement 191 selektiv mit der Welle 63. Ein drittes Drehmomentübertragungselement, wie zum Beispiel die Bremse 96, koppelt ein feststehendes Element oder das Getriebegehäuse 16 selektiv mit der Welle 63. In der besonderen in 3 gezeigten Implementierung wird die Bremse 92 betrieben, um einen ersten Vorwärtsmodus (Niedrig-Modus) in Eingriff zu bringen, die Kupplung 94 wird betrieben, um einen zweiten Vorwärtsmodus (Hoch-Modus) in Eingriff zu bringen, und die Bremse 96 wird betrieben, um einen Rückwärtsmodus des Getriebes 14 in Eingriff zu bringen.
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Wenn das Getriebe 14 in einem der drei oben beschriebenen Modi betrieben wird, wird Eingangsdrehmoment von dem Toroidgetriebe 26 durch das Eingangsübertragungszahnrad 60 auf den Getriebekasten 100 übertragen. Der Getriebekasten 100 überträgt wiederum das Ausgangsdrehmoment auf die Achsantriebseinheit 25 durch das Zwischenübertragungszahnrad 76, die Welle oder das Verbindungselement 98 und das Ausgangsübertragungszahnrad 62.
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Im Rückwärtsmodus ist die Bremse 96 eingerückt, um zu verhindern, dass das Hohlradelement 172 rotiert. Das Eingangsdrehmoment von dem Toroidgetriebe 26 wird auf das erste Sonnenradelement 168 übertragen, was bewirkt, dass das erste Ritzelradelement 192 und zweite Ritzelradelement 194 rotieren. Das zweite Ritzelradelement 194 wirkt dem feststehenden Hohlradelement 172 entgegen, was bewirkt, dass das Trägerelement 170 und somit das Zwischenübertragungszahnrad 76 rotiert.
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Wenn das Getriebe 14 in dem ersten Vorwärtsmodus (Niedrig-Modus) betrieben wird, ist die Bremse 92 eingerückt, um es mit dem zweiten Sonnenradelement 185 zu koppeln, wobei das zweite Sonnenradelement 185 feststehend gehalten wird. Eingangsdrehmoment wird von dem Toroidgetriebe 26 durch das Eingangsübertragungszahnrad 60 auf das erste Sonnenradelement 168 übertragen. Das rotierende erste Sonnenradelement 168 rotiert das erste Ritzelradelement 192 und das zweite Ritzelradelement 194. Das Ritzelradelement 194 wirkt dem feststehenden zweiten Sonnenradelement 185 entgegen, was bewirkt, dass das Trägerelement 170 und somit das Zwischenübertragungszahnrad 76 rotiert.
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Wenn das Getriebe 14 in dem zweiten Vorwärtsmodus (Hoch-Modus) betrieben wird, ist die Kupplung 94 eingerückt. Eingangsdrehmoment wird von dem Toroidgetriebe 26 durch das Eingangsübertragungszahnrad 60 auf das erste Sonnenradelement 168 übertragen. Das Trägerelement 170 und das Hohlradelement 172 sind miteinander mittels einer rotierenden Kupplung verbunden. Daher rotieren das Trägerelement 170 und das Hohlradelement 172 miteinander mit der gleichen Drehzahl wie das erste Sonnenradelement 168. Das rotierende Trägerelement 170 bewirkt, dass das Zwischenübertragungszahnrad 76 rotiert.
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Ein Merkmal der oben beschriebenen Getriebekästen mit zwei Modi 24 und 100 ist in 4 veranschaulicht, die das Übersetzungsverhältnis des Toroidgetriebes als eine Funktion des Getriebeübersetzungsverhältnisses zeigt. Die Linie 200 und die Linie 201 sind jeweils die untere bzw. obere Grenze des Niedrig-Modus, während die Linie 202 und die Linie 203 jeweils die obere bzw. untere Grenze des Hoch-Modus sind, wobei der Bereich 204 dort ist, wo die zwei Modi sich überlappen. Somit kann man leicht sehen, dass die Verwendung der Getriebekästen mit zwei Modi das Leistungsvermögen des Getriebes gegenüber der Verwendung eines eines Getriebekastens mit einem Modus weit ausdehnt.
