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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für Nutzfahrzeuge und PKW mit einem stufenlosen Teilgetriebe (CVT), insbesondere einem Kegelscheibenumschlingungsgetriebe. Das CVT kann auch als Variator bezeichnet werden.
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Um den Übersetzungsbereich des Gesamtgetriebes, also dessen Spreizung zu erhöhen, ist es aus der
EP 2 169 277 bekannt, dem CVT eine Planetensatzschaltung nachzuordnen. Dieser Planetensatz enthält eine Zweibereichsschaltung und eine Rückwärtsschaltung. Dieser abtriebsseitige Planetensatz muss bei größeren Eingangsdrehmomenten wie z. B. für Nutzfahrzeuganwendungen sehr groß dimensioniert werden. Dies bedeutet insbesondere in dem Bereich, in dem die Planeten umwälzen, einen relativ schlechten Wirkungsgrad.
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Weiterhin ist es aus der
DE 102 61 990 A1 bekannt, ein Mehrbereich-CVT mit festen zuschaltbaren Gängen z. B. zum Anfahren oder für Höchstgeschwindigkeit vorzusehen, wobei jedoch bei Betrieb dieser festen Übersetzungen der Variator abgekoppelt ist. Demzufolge gibt es nur einen stufenlosen Bereich, es können nicht alle Fahrbereiche stufenlos gefahren werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mehrbereich-CVT gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere im Hinblick auf den Wirkungsgrad und/oder die Herstellkosten bzw. Bauraum, zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die übrigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des Anmeldungsgegenstandes im Sinne der Aufgabenstellung.
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Die Erfindung besteht darin, ein Mehrbereich CVT mit einem teilweise oder auch komplett stufenlosen Betriebsbereich bereitzustellen. Das Getriebe weist eine antriebsseitige Doppelkupplung auf sowie in Reihe dazu angeordnete Übersetzungsstufen. Jeder Einzelkupplung ist mindestens eine Zahnradstufe zugeordnet. Dadurch ist eine zugkraftfreie Schaltung zwischen den Bereichen möglich, und gleichzeitig jeder Bereich mit Hilfe des Variators stufenlos veränderbar, wenn beide Übersetzungsstufen in Reihe zum Variator angeordnet sind. Je nach Übersetzung der eingangsseitigen Zahnradstufen können die Übersetzungsbereiche des Gesamtgetriebes dargestellt werden. Es können antriebsseitig auch mehr als zwei Übersetzungsstufen dargestellt werden. Sie müssen in diesem Fall wie bei einem üblichen Doppelkupplungsgetriebe mit mehr als zwei Fahrstufen abwechselnd auf die beiden Kupplungen verteilt werden um eine zugkraftunterbrechungsfreie Bereichsumschaltung sicherzustellen.
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Mit diesem Aufbau kann das Mehrbereich-CVT auch komplett stufenlos und somit für den Fahrer komfortabler nutzbar dargestellt werden als bei den Getrieben nach dem Stand der Technik.
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Das beschriebene Getriebe ist insbesondere für Nutzfahrzeuganwendungen sehr gut geeignet, da diese Fahrzeuge mit niedrigen Drehzahlen aber großen abtriebsseitigen Momenten gefahren werden. Durch die antriebsseitige Anordnung der Bereichsumschaltstufen können diese viel kleiner dimensioniert werden als bei einer abtriebsseitigen Anordnung. Zahnradstufen sind zudem bezüglich ihres Wirkungsgrads günstiger als eine Planetensatzstufe.
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Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Mehrbereich-CVT mit einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle, mit mindestens zwei Getriebestufen und einem stufenlos verstellbaren Variator, dadurch gelöst, dass die Eingangswelle mit einer Doppelkupplung versehen ist, mindestens zwei Getriebestufen den Doppelkupplungen zugeordnet sind, und die Eingänge der mindestens zwei Getriebestufen koaxial zur Eingangswelle angeordnet sind. Die Eingänge der Getriebestufen sind vorzugsweise als Zahnräder ausgeführt und werden dann auch als Eingangszahnräder bezeichnet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVT ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge der mindestens zwei Getriebestufen direkt nebeneinander angeordnet sind. Durch die direkt nebeneinander liegende Anordnung der Eingänge, insbesondere der Eingangszahnräder, der mindestens zwei Getriebestufen kann der zur Verfügung stehende Bauraum besser ausgenutzt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVT ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der mindestens zwei Getriebestufen koaxial zu einer Variator-Eingangswelle des Variators angeordnet sind. Diese Anordnung hat sich im Hinblick auf die Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums als vorteilhaft erwiesen.
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Bei Nutzfahrzeugen ist es bei manchen Anwendungen notwendig, über einen Nebenabtrieb Motorleistung abzugreifen. Mit dem Nebenabtrieb wird dann zum Beispiel ein Kompressor für ein Kühlaggregat oder eine Arbeitsmaschine mit angetrieben.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVT ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenabtrieb in Kraftflussrichtung vor dem Variator angeordnet ist. Das liefert den Vorteil, dass der Variator die Leistung für den Nebenabtrieb nicht auch noch übertragen muss und geschont wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVT ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenabtrieb mit einem der Eingänge oder einem der Ausgangszahnräder gekoppelt ist. Diese Anordnung hat sich im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Mehrbereich-CVT und/oder den zur Verfügung stehenden Bauraum als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrbereichsgetriebes ist jeder Teilkupplung der Doppelkupplung im direkten Fluss, das heißt ohne Zwischenschaltelemente, ein Zahnrad zugeordnet. Das Zahnrad stellt jeweils einen Eingang einer Getriebestufe dar und ist konzentrisch zu einer gemeinsamen Kupplungsachse der beiden Teilkupplungen der Doppelkupplung angeordnet. Die beiden direkt der Doppelkupplung zugeordneten Zahnräder werden auch als Eingangszahnräder bezeichnet. Die Eingangszahnräder sind vorzugsweise direkt nebeneinander liegend angeordnet.
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Die Eingangszahnräder der vorzugsweise zwei Getriebestufen kämmen mit jeweils einem weiteren Zahnrad, das auch als Ausgangszahnrad bezeichnet wird. Die beiden Ausgangszahnräder der Getriebestufen sind vorzugsweise ebenfalls direkt nebeneinander liegend angeordnet. Jeweils eines der Eingangszahnräder bildet zusammen mit dem zugehörigen Ausgangszahnrad eine Getriebestufe. Durch die erste Getriebestufe kann ein erster Fahrbereich dargestellt werden, der vorzugsweise zum Anfahren verwendet wird. Die den ersten Fahrbereich darstellende erste Getriebestufe ist vorzugsweise rechts von der zweiten Getriebestufe angeordnet, die den zweiten Fahrbereich darstellt. Die zweite Getriebestufe ist, in axialer Richtung betrachtet, vorzugsweise zwischen der Doppelkupplung und der ersten Getriebestufe angeordnet.
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Eine der Doppelkupplung beziehungsweise dem Doppelkupplungsgetriebe zugeordnete Hydraulikpumpe wird vorzugsweise durch eine zentrale Welle angetrieben, die sich durch als Hohlwellen ausgeführte Getriebewellen hindurch erstreckt. Ein dem Pumpenantrieb zugeordnetes Zahnrad ist vorzugsweise auf der der zweiten Getriebestufe abgewandten Seite der ersten Getriebestufe angeordnet. Aus dieser Anordnung ergibt sich, dass die erste Getriebestufe, in axialer Richtung betrachtet, zwischen der zweiten Getriebestufe und dem Antriebszahnrad der Hydraulikpumpe angeordnet ist.
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Mindestens eine der beiden Getriebestufen ist ins Schnelle übersetzt. Vorzugsweise sind beide Getriebestufen ins Schnelle übersetzt. Die Getriebestufe für den ersten Fahrbereich weist vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis im Bereich von 0,7 bis 0,98 auf. Die Getriebestufe für den zweiten Fahrbereich weist vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis von 0,4 bis 0,8 auf.
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Das erfindungsgemäße Mehrbereichs-CVT kann auch komplett stufenlos betrieben werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der beiden Getriebestufen wird eine zugkraftfreie Schaltung zwischen den beiden Fahrbereichen ermöglicht. Jeder Fahrbereich ist mit Hilfe des Variators stufenlos veränderbar.
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Je nach Übersetzung der eingangsseitigen Getriebestufe können die Übersetzungsbereiche des Gesamtgetriebes dargestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Mehrbereichs-CVT werden, insbesondere durch die eingangsseitig angeordneten Bereichsumschaltstufen, die Zahnräder kleiner, kompakter und dadurch wirkungsgradoptimaler dargestellt als beim Stand der Technik.
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Die 1 und 2 zeigen einmal schematisch und einmal in Schnittdarstellung ein Mehrbereich-CVT mit einer eingangsseitigen Doppelkupplung, zwei festen Gangstufen und einem diesen nachgeschalteten Variator in Form eine Kegelscheibenumschlingungsgetriebes. Der Variator ist also in zwei Geschwindigkeitsbereichen stufenlos verstellbar. Mit der Eingangswelle des Mehrbereich-CVT kann auch ein weiteres Nebenaggregat, insbesondere eine Ölpumpe verbunden sein. Weiterhin können dem Variator eine weitere Getriebestufe, eine Rückwärts- und eine Neutralschaltung nachgeordnet sein.
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In den 1 und 2 ist ein Mehrbereichs-CVT 1; 81 mit einer Eingangswelle 3; 83 vereinfacht dargestellt. Die Eingangswelle 3; 83 ist einer Doppelkupplung 5; 85 zugeordnet, die zwei Teilkupplungen 7, 8; 87, 88 umfasst. Die erste Teilkupplung 7; 87 umfasst eine Kupplungsscheibe, die drehfest mit einer Getriebewelle 9; 89 verbunden ist. Die zweite Teilkupplung 8; 88 umfasst eine weitere Kupplungsscheibe, die drehfest mit einer Getriebewelle 10; 90 verbunden ist.
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Die beiden Getriebewellen 9, 10; 89, 90 sind als Hohlwellen ausgeführt. Dabei erstreckt sich die Getriebewelle 9; 89 durch die Getriebewelle 10; 90 hindurch. Die erste Teilkupplung 7; 87 mit der Getriebewelle 9; 89 ist einer ersten Getriebestufe 11; 91 zugeordnet. Die zweite Teilkupplung 8; 88 mit der Getriebewelle 10; 90 ist einer zweiten Getriebestufe 12; 92 zugeordnet. Die erste Getriebestufe 11; 91 dient zur Darstellung eines Fahrbereichs A. Die zweite Getriebestufe 12; 92 dient zur Darstellung eines Fahrbereichs B.
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Ein Zahnrad 14; 94 ist über die Getriebewelle 9; 89 drehfest mit der Kupplungsscheibe der ersten Teilkupplung 7; 87 verbunden. Das Zahnrad 14; 94 stellt den Eingang der ersten Getriebestufe 11; 91 dar und kämmt mit einem Zahnrad 15; 95, das den Ausgang der ersten Getriebestufe 11; 91 darstellt.
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Eine Kupplungsscheibe der zweiten Teilkupplung 8; 88 ist über die Getriebewelle 10; 90 drehfest mit einem Zahnrad 18; 98 verbunden. Das Zahnrad 18; 98 stellt den Eingang der zweiten Getriebestufe 12; 92 dar und kämmt mit einem Zahnrad 19; 99, das den Ausgang der zweiten Getriebestufe 12; 92 darstellt.
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Die Ausgangszahnräder 15, 19; 95, 99 der beiden Getriebestufen 11, 12; 91, 92 sind auf einer Variator-Eingangswelle 20; 100 eines Variators 22; 102 angeordnet. Der Variator 22; 102 stellt ein stufenloses CVT dar und ist in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 24; 104 ausgeführt. Das Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 24; 104 umfasst einen eingangsseitigen Scheibensatz 25; 105 und einen ausgangsseitigen Scheibensatz 26; 106. Die beiden Scheibensätze 25, 26 und 105, 106 sind durch ein Umschlingungsmittel 28; 108, wie eine Kette, miteinander gekoppelt.
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Die beiden Getriebestufen 11, 12; 91, 92 sind in axialer Richtung zwischen der Doppelkupplung 5; 85 und dem Variator 22; 102 angeordnet. Durch die als Hohlwellen ausgeführten Getriebewellen 9, 10; 89, 90 der beiden Getriebestufen 11, 12; 91, 92 und die Eingangwelle 3; 83 des Mehrbereichs-CVT 1; 81 ist eine zentrale Welle 30; 110 hindurch geführt. Die zentrale Welle 30; 110 stellt eine Antriebswelle zum Beispiel für eine Hydraulikpumpe dar. Ein Zahnrad 32; 112 ist drehfest mit dem in den 1 und 2 rechten Ende der Welle 30; 110 verbunden. Das Zahnrad 32; 112 dient direkt, oder unter Zwischenschaltung eines weiteren Zahnrads 33 zum Antrieb der Hydraulikpumpe.
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Von dem Variator 22; 102 geht eine Variator-Ausgangswelle 35; 115 aus. Die Variator-Ausgangswelle 35; 115 ist dem ausgangsseitigen Scheibensatz 26; 106 des Variators 22; 102 zugeordnet. Analog ist die Variator-Eingangswelle 20; 100 dem eingangsseitigen Scheibensatz 25; 105 des Variators 22; 102 zugeordnet.
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In 1 sieht man, dass dem Variator 22 ein Feststufengetriebe 40 mit einem Vorwärts-Zweig 41 und einem Rückwarts-Zweig 42 nachgeschaltet ist. Durch Großbuchstaben D, N und R ist angedeutet, dass mit dem Feststufengetriebe 40 drei verschiedene Schaltzustände dargestellt werden können.
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D steht für einen Vorwärtsbetrieb, bei dem ein von der Variator-Ausgangswelle 35 bereitgestelltes Drehmoment über den Vorwärts-Zweig 41 auf eine Ausgangswelle 45 des Mehrbereichs-CVT 1 übertragen wird. Durch R ist ein Rückwärtsbetrieb angedeutet, bei dem das von der Variator-Ausgangswelle 35 bereitgestellte Drehmoment über den Rückwärts-Zweig 42 auf die Ausgangswelle 45 des Mehrbereichs-CVT 1 übertragen wird. Durch N ist eine Neutralstellung angedeutet, in welcher die Ausgangswelle 45 nicht mit der Variator-Ausgangswelle 35 gekoppelt ist.
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Die Ausgangswelle 45 des Mehrbereichs-CVT 1 ist über ein Differenzialgetriebe oder Ausgleichsgetriebe 50 mit zwei Achswellen 51, 52 gekoppelt. Die beiden Achswellen 51, 52 dienen zum Antrieb von zwei (nicht dargestellten) Antriebsrädern einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeugs.
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Das dem Variator 22 nachgeschaltete Feststufengetriebe 40 ermöglicht in seiner Neutralstellung ein Abkoppeln des Variators 22 von den Achswellen 51, 52. Das kann zum Beispiel nach einer Schnellbremsung, insbesondere in Verbindung mit einem Antiblockiersystem, von Vorteil sein, wenn der Variator 22 eine gewünschte Übersetzung noch nicht erreicht hat.
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In der Neutralstellung kann der Variator 22 auch dann noch verstellt werden, wenn das Kraftfahrzeug stillsteht und die Achswellen 51, 52 sich nicht drehen. In der Neutralstellung des Feststufengetriebes 40 kann der Variator 22, zum Beispiel nach einer Schnellbremsung, verstellt werden, bis eine gewünschte Übersetzung erreicht ist.
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Der Variator 22 kann, anders als dargestellt, auch als Reibradgetriebe oder Toroidgetriebe ausgeführt sein. Mit dem Reibradgetriebe oder Toroidgetriebe kann ebenso eine stufenlose Verstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Variator-Eingangswelle 20 und der Variator-Ausgangswelle 35 ermöglicht werden. Anstelle eines Reibradgetriebes oder Toroidgetriebes kann zur stufenlosen Verstellung des Übersetzungsverhältnisses auch eine hydraulische Maschine verwendet werden.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sieht man, dass der als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 104 ausgeführte Variator 102 einen Momentenfühler 109 umfasst. Die beiden Ausgangszahnräder 95; 99 der Getriebestufen 91, 92 sind zur Drehmomentenübertragung mit dem Momentenfühler 109 gekoppelt. Das Ausgangszahnrad 95 der Getriebestufe 91 ist mit Hilfe eines Kugellagers, insbesondere eines Vierpunktlagers, drehbar auf der Variator-Eingangswelle 100 gelagert. Das Ausgangszahnrad 99 der Getriebestufe 92 ist mit Hilfe eines Nadellagers drehbar auf der Variator-Eingangswelle 100 gelagert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrbereichs-CVT
- 3
- Eingangswelle
- 5
- Doppelkupplung
- 7
- Teilkupplung
- 8
- Teilkupplung
- 9
- Getriebewelle
- 10
- Getriebewelle
- 11
- Getriebestufe
- 12
- Getriebestufe
- 14
- Zahnrad
- 15
- Zahnrad
- 18
- Zahnrad
- 19
- Zahnrad
- 20
- Variator-Eingangswelle
- 22
- Variator
- 24
- Kegelscheibenumschlingungsgetriebe
- 25
- eingangsseitiger Scheibensatz
- 26
- ausgangsseitiger Scheibensatz
- 28
- Umschlingungsmittel
- 30
- Welle
- 32
- Zahnrad
- 33
- Zahnrad
- 35
- Variator-Ausgangswelle
- 40
- Feststufengetriebe
- 41
- Vorwärts-Zweig
- 42
- Rückwärts-Zweig
- 45
- Ausgangswelle
- 50
- Differenzialgetriebe
- 51
- Achswelle
- 52
- Achswelle
- 81
- Mehrbereichs-CVT
- 83
- Eingangswelle
- 85
- Doppelkupplung
- 87
- Teilkupplung
- 88
- Teilkupplung
- 89
- Getriebewelle
- 90
- Getriebewelle
- 91
- Getriebestufe
- 92
- Getriebestufe
- 94
- Zahnrad
- 95
- Zahnrad
- 98
- Zahnrad
- 99
- Zahnrad
- 100
- Variator-Eingangswelle
- 102
- Variator
- 104
- Kegelscheibenumschlingungsgetriebe
- 105
- eingangsseitiger Scheibensatz
- 106
- ausgangsseitiger Scheibensatz
- 108
- Umschlingungsmittel
- 109
- Momentenfühler
- 110
- Welle
- 112
- Zahnrad
- 115
- Variator-Ausgangswelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2169277 [0002]
- DE 10261990 A1 [0003]
