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Die Erfindung betrifft ein Mehrbereich-CVT mit einem stufenlos verstellbaren Variator und mindestens zwei Umschaltstufen zur Darstellung von mindestens zwei Betriebsbereichen mit stufenloser Übersetzung. Mit CVT wird ein stufenloses Getriebe bezeichnet, wobei die Buchstaben CVT für continuously variable transmission stehen.
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Um den Übersetzungsbereich des Gesamtgetriebes, also dessen Spreizung zu erhöhen, ist es aus der
EP 2 169 277 A1 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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Aus der Veröffentlichung
CH 276 505 A ist ein Mehrbereich-CVT mit einem stufenlos verstellbaren Variator und zwei Umschaltstufen zur Darstellung von mindestens zwei Betriebsbereichen mit stufenloser Übersetzung sowie einer Direktdurchtriebsstufe bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau und/oder den Betrieb eines Mehrbereich-CVTs mit einem stufenlos verstellbaren Variator und mindestens zwei Umschaltstufen zur Darstellung von mindestens zwei Betriebsbereichen mit stufenloser Übersetzung zu vereinfachen.
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Die Aufgabe ist bei einem Mehrbereich-CVT mit einem stufenlos verstellbaren Variator und mindestens zwei Umschaltstufen zur Darstellung von mindestens zwei Betriebsbereichen mit stufenloser Übersetzung durch mindestens eine den Variator überbrückende Direktdurchtriebsstufe mit einer speziellen Übersetzung zur Darstellung eines Bereichswechsels zwischen den Betriebsbereichen gelöst. Die Direktdurchtriebsstufe ist parallel zu einem Variatorzweig angeordnet. Mit Hilfe der Direktdurchtriebsstufe wird besonders vorteilhaft ein Umschalten zwischen den Betriebsbereichen ohne unerwünschte Zugkraftunterbrechungen ermöglicht.
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Dabei ist die Lastschaltkupplungseinrichtung als Doppelkupplung für Vorwärtsschaltung und Rückwärtsschaltung ausgeführ. Die Lastschaltkupplungseinrichtung ist vorteilhaft zwischen eine Getriebeeingangswelle und die Variatoreingangswelle geschaltet. Das Umschalten zwischen den Betriebsbereichen kann besonders vorteilhaft auch unter Volllast, zum Beispiel beim Anfahren mit einem schwer beladenen Fahrzeug am Hang erfolgen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVTs ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Übersetzung der Direktdurchtriebsstufe so gewählt ist, dass eine Gesamtgetriebeübersetzung über einen Direktdurchtriebszweig die gleiche ist wie die Gesamtgetriebeübersetzung über einen Variatorzweig. Dadurch ist es möglich mit Hilfe geeigneter Kupplungen auch unter Volllast ohne Zugkraftunterbrechung in einem Betriebswechselpunkt oder Bereichswechselpunkt zwischen der Direktdurchtriebsstufe und dem Variatorzweig zu schalten.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVTs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Direktdurchtriebsstufe eine Durchtriebskupplung umfasst und zwischen einen Variatoreingang und eine der Umschaltstufen geschaltet ist. Die Direktdurchtriebsstufe umfasst zum Beispiel ein Zahnrad, das direkt oder indirekt mit einer Variatoreingangswelle gekoppelt ist. Ein weiteres Zahnrad der Direktdurchtriebsstufe ist vorteilhaft mit einem Zahnrad einer der Umschaltstufen gekoppelt. Die Durchtriebskupplung ist vorteilhaft zwischen die beiden Zahnräder der Durchtriebsstufe geschaltet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVTs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtriebskupplung als Klauenkupplung ausgeführt ist. Die Klauenkupplung ist robust und kostengünstig herstellbar.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVTs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Direktdurchtriebsstufe zwischen eine Lastschaltkupplungseinrichtung, auch als Lastkupplungseinrichtung bezeichnet, und eine erste Umschaltstufe geschaltet ist, die einen ersten Betriebsbereich darstellt. Die Lastschaltkupplungseinrichtung umfasst mindestens eine unter Last schaltbare Lastschaltkupplung. Besonders vorteilhaft umfasst die Lastschaltkupplungseinrichtung zwei unter Last schaltbare Lastschaltkupplungen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVTs ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltkupplung zwischen der ersten Umschaltstufe und einer zweiten Umschaltstufe angeordnet ist, die einen zweiten Betriebsbereich darstellt. Die Umschaltkupplung weist vorteilhaft eine Neutralstellung auf, in der keine Drehmomentübertragung über die Umschaltstufen erfolgt. In einer ersten Schaltstellung der Umschaltkupplung erfolgt die Drehmomentübertragung in dem ersten Betriebsbereich. In einer zweiten Schaltstellung der Umschaltkupplung erfolgt die Drehmomentübertragung über die zweite Umschaltstufe.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Mehrbereich-CVTs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltkupplung als Klauenkupplung ausgeführt ist. Die Klauenkupplung ist robust und kostengünstig herstellbar.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Mehrbereich-CVTs ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass in einem Bereichswechselpunkt unter Volllast ohne Zugkraftunterbrechung zwischen dem Variatorzweig und dem Direktdurchtriebsstufenzweig umgeschaltet wird. In dem ersten Betriebsbereich kann bis zur Endübersetzung des Variators stufenlos gefahren werden. Da in diesem Punkt vorteilhaft keine Differenzdrehzahlen vorliegen, kann der Direktdurchtriebsstufenzweig über die Durchtriebskupplung zugeschaltet werden. Danach kann die Umschaltkupplung zu der ersten Umschaltstufe geöffnet werden. Die volle Kraftübertragung erfolgt dann über den Direktdurchtriebsstufenzweig. Der Variatorzweig kann so auf die richtige Übersetzung für einen Wechsel in den zweiten Betriebsbereich verstellt werden. Anschließend kann die Umschaltkupplung zur Darstellung des zweiten Betriebsbereichs zu der zweiten Umschaltstufe geschlossen werden. Schließlich wird die Durchtriebskupplung geöffnet, um ein stufenloses Weiterfahren über den Variatorzweig im zweiten Betriebsbereich zu ermöglichen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Variatorübersetzung vor dem Öffnen eines dem Variator zugeordneten Kupplungselements zur Lastübergabe auf die Direktdurchtriebsstufe leicht Richtung Underdrive verstellt wird. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine spezielle Variatorübersetzungsregelung zur Lastwegnahme am Variatorzweig dargestellt werden.
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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:
- 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Mehrbereich-CVTs und
- 2 ein kartesisches Koordinatendiagramm zur Veranschaulichung eines Bereichswechsels zwischen zwei Betriebsbereichen, in denen das CVT-Getriebe aus 1 betrieben werden kann.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Mehrbereich-CVT vereinfacht im Schnitt dargestellt. Das Mehrbereich-CVT 1 ist insbesondere für Nutzfahrzeuganwendungen sehr gut geeignet, da diese Fahrzeuge mit niedrigen Drehzahlen aber großen abtriebsseitigen Momenten gefahren werden. Das Mehrbereich-CVT 1 wird zum Beispiel in Traktoren eingesetzt.
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Herkömmliche Mehrbereich-CVTs haben unter anderem den Nachteil, dass es bei einem Bereichswechsel zwischen zwei Betriebsbereichen zu einer Unterbrechung des Kraftflusses kommt. Die Zugkraftunterbrechung erschwert zudem das Umschalten beim Anfahren eines schwer beladenen Fahrzeugs am Hang. Durch das erfindungsgemäße Mehrbereich-CVT 1 wird eine kostengünstige Verbesserung der Schaltung zwischen den Betriebsbereichen geschaffen. Dabei wird insbesondere eine Volllastschaltung zwischen den beiden Betriebsbereichen ermöglicht.
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Das Mehrbereich-CVT 1 umfasst eine Eingangswelle 3, die einer Lastkupplungseinrichtung 5 zugeordnet ist. Die Lastkupplungseinrichtung 5 ist als Doppelkupplung mit zwei Teilkupplungen 7, 8 ausgeführt. Die Teilkupplung 7 ermöglicht einen Vorwärtsfahrbetrieb eines mit dem Mehrbereich-CVT 1 ausgestatteten Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs. Die Teilkupplung 8 ermöglicht einen Rückwärtsfahrbetrieb. Die Teilkupplungen 7, 8 umfassen jeweils eine Kupplungsscheibe, die drehfest mit unterschiedlichen Getriebewellen verbunden sind.
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Der eingangsseitigen Lastkupplungseinrichtung 5 ist ein Variator 22 mit einer Variatoreingangswelle 20 nachgeschaltet. Der Variator 22 ist als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 24 mit einem eingangsseitigen Scheibensatz 25 und einem ausgangsseitigen Scheibensatz 26 ausgeführt. Die beiden Scheibensätze 25, 26 sind durch ein Umschlingungsmittel 28, wie eine Kette, miteinander gekoppelt.
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Die Eingangswelle 3 ist über die geschlossene Teilkupplung 7 und eine Welle 31 drehfest mit einer Getriebestufe 35 verbindbar. Ein Zahnrad der Getriebestufe 35 ist drehfest mit der Variatoreingangswelle 20 verbunden. Über die Teilkupplung 8 und eine Welle 32 ist die Eingangwelle 3 drehfest mit einer Getriebestufe 36 verbindbar. Ein Zahnrad der Getriebestufe 36 ist drehfest mit der Variatoreingangswelle 20 verbunden.
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Der Variator 22 umfasst eine Variatorausgangswelle 38, die drehfest mit einer Übersetzungsstufe 39 verbunden ist. Über die Übersetzungsstufe 39 ist die Variatorausgangswelle 38 mit einem Umschaltgetriebe 40 gekoppelt. Das Umschaltgetriebe 40 umfasst zwei Umschaltstufen 41, 42.
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Die Umschaltstufe 41 dient zur Darstellung eines ersten Betriebsbereichs, in dem das Mehrbereich-CVT 1 über den Variator 22 stufenlos betrieben werden kann. Die Umschaltstufe 42 dient zur Darstellung eines zweiten Betriebsbereichs, in dem das Mehrbereich-CVT 1 über den Variator 22 stufenlos betrieben werden kann. Der erste Betriebsbereich ermöglicht relativ geringe Fahrgeschwindigkeiten. Der zweite Betriebsbereich ermöglicht relativ hohe Fahrgeschwindigkeiten.
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Zum Umschalten zwischen den beiden Betriebsbereichen ist eine Umschaltkupplung 45 zwischen den beiden Umschaltstufen 41 und 42 angeordnet. Die Umschaltkupplung 45 ist als Klauenkupplung ausgeführt und befindet sich in der in 1 dargestellten Schaltstellung in ihrer Neutralstellung. Durch einen Doppelpfeil 46 ist angedeutet, dass die Variatorausgangswelle 38 über die Übersetzungsstufe 39 entweder mit der Umschaltstufe 41 oder mit der Umschaltstufe 42 fest verbindbar ist.
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Eine Ausgangswelle 48 des Umschaltgetriebes 40 beziehungsweise des Mehrbereich-CVTs 1 ist über ein Differentialgetriebe oder Ausgleichsgetriebe 50 mit zwei Achswellen 51, 52 gekoppelt. Die beiden Achswellen 51, 52 dienen zum Antrieb von zwei (nicht dargestellt) Antriebsrädern einer Antriebsachse des vorzugsweise als Traktor ausgeführten Nutzfahrzeugs.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung erfolgt das Umschalten des Mehrbereich-CVTs 1, das insbesondere als Zweibereichs-CVT ausgeführt ist, mit Hilfe einer Direktdurchtriebsstufe 60. Die Direktdurchtriebsstufe 60 umfasst ein Durchtriebszahnrad 61, das über die Getriebestufe 35 drehfest mit der Variatoreingangswelle 20 verbunden ist. Darüber hinaus umfasst die Direktdurchtriebsstufe 60 ein Durchtriebszahnrad 62, das drehfest mit der Umschaltstufe 41 des Umschaltgetriebes 40 verbunden ist.
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Die beiden Durchtriebszahnräder 61, 62 sind unter Zwischenschaltung einer Durchtriebskupplung 65 über eine Durchtriebswelle 68 drehfest miteinander verbindbar. Die Durchtriebskupplung 65 ist als Klauenkupplung ausgeführt. In 1 ist die Durchtriebskupplung 65 in ihrer geöffneten Schaltstellung dargestellt.
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Bei geöffneter Durchtriebskupplung 65 wird kein Drehmoment von dem Durchtriebszahnrad 61 auf das Durchtriebszahnrad 62 übertragen. Durch einen Pfeil 69 ist angedeutet, dass die Durchtriebskupplung 65 die beiden Durchtriebszahnräder 61, 62 über die Durchtriebswelle 68 drehfest miteinander verbinden kann. Die geschlossene Durchtriebskupplung 65 dient zur Darstellung eines Durchtriebszweigs, der parallel zu einem Variatorzweig geschaltet ist. Mit Hilfe der als Klauenkupplung ausgeführten Durchtriebskupplung 65 ist die Direktdurchtriebsstufe 60 zu- beziehungsweise wegschaltbar.
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Die Übersetzung der Direktdurchtriebsstufe 60 ist so gewählt, dass die Gesamtgetriebeübersetzung über den Direktdurchtriebsstufenzweig, der auch als Direktdurchtriebszweig bezeichnet wird, die gleiche ist, wie die Gesamtgetriebeübersetzung über den Variatorzweig in einem Bereichswechselpunkt. Dadurch ist es möglich, unter Volllast ohne unter Zugkraftunterbrechung in dem Bereichswechselpunkt zwischen der Direktdurchtriebsstufe 60 und dem Variatorzweig mit Hilfe der als Klauenkupplungen ausgeführten Umschaltkupplung 45 und Durchtriebskupplung 65 zu schalten.
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In 2 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 71 und einer y-Achse 72 dargestellt. Auf der x-Achse 71 ist die Variatorübersetzung aufgetragen. Auf der y-Achse 72 ist die Fahrgeschwindigkeit eines mit dem Mehrbereich-CVT ausgestatteten Nutzfahrzeugs in Kilometern pro Stunde aufgetragen. Bei dem Nutzfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um einen Traktor, der in einem Hauptarbeitsbereich 74 zwischen vier und zwölf Kilometern pro Stunde betrieben wird.
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Durch eine Kurve 75 ist der erste Betriebsbereich des Traktors angedeutet, der die Darstellung von niedrigen Geschwindigkeiten ermöglicht. Durch eine Kurve 76 ist der zweite Betriebsbereich des Traktors angedeutet, der höhere Fahrgeschwindigkeiten ermöglicht. Ein Punkt 77 ist an einem oberen Ende der Kurve 75 angeordnet. Ein Punkt 78 ist an einem unteren Ende der Kurve 76 angedeutet.
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Durch einen Doppelpfeil 79, der sich parallel zur x-Achse 71 zwischen den Punkten 77, 78 erstreckt, ist eine zugkraftfreie Umschaltung zwischen den beiden Betriebsbereichen 75, 76 angedeutet. Durch eine gestrichelte Verlängerung 80 der Kurve 76 nach unten ist ein theoretisch möglicher Bereich angedeutet, der allerdings nur einen Betrieb mit Teillast erlaubt. Eine Benutzung des Traktors bei Feldarbeit ist in dem theoretisch möglichen Bereich 80 nicht vorgesehen.
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In dem ersten Betriebsbereich 75 kann bis zum Erreichen einer Endübersetzung des Variators gefahren werden, wie durch den Punkt 77 angedeutet ist. Dann kann der Direktdurchtriebsstufenzweig über die als Klauenkupplung ausgeführte Durchtriebskupplung 65 zugeschaltet werden. Das wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass in diesem Punkt an der Durchtriebskupplung 65 keine Differenzdrehzahlen vorherrschen. Danach wird die Umschaltkupplung 45 im Variatorzweig geöffnet. Dadurch erfolgt die volle Kraftübertragung beziehungsweise Drehmomentübertragung über den Direktdurchtriebsstufenzweig.
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Daraufhin kann der Variatorzweig auf die richtige Übersetzung für den Wechsel in den zweiten Betriebsbereich 76 verstellt werden. Nach dem Verstellen des Variators kann die Umschaltkupplung 45 in den zweiten Betriebsbereich geschlossen werden, der durch die zweite Umschaltstufe 42 dargestellt wird. Danach kann die Durchtriebskupplung 65 des Direktdurchtriebsstufenzweigs geöffnet werden, um ein stufenloses Weiterfahren über den Variatorzweig im zweiten Betriebsbereich 76 zu ermöglichen.
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Bezüglich Belastung und Lebensdauer des Umschlingungsmittels 28 ist es zudem vorteilhaft, in dem Hauptarbeitsbereich 74 des Traktors nur im ersten Betriebsbereich 75 zu fahren. Der gestrichelte Bereich 80 sollte nicht genutzt beziehungsweise nur bei niedriger Last mit entsprechender Erkennungsstrategie genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrbereich-CVT
- 3
- Eingangswelle
- 5
- Lastkupplungseinrichtung
- 7
- Teilkupplung
- 8
- Teilkupplung
- 20
- Variatoreingangswelle
- 22
- Variator
- 24
- Kegelscheibenumschlingungsgetriebe
- 25
- Scheibensatz
- 26
- Scheibensatz
- 28
- Umschlingungsmittel
- 31
- Welle
- 32
- Welle
- 35
- Getriebestufe
- 36
- Getriebestufe
- 38
- Variatorausgangswelle
- 39
- Übersetzungsstufe
- 40
- Umschaltgetriebe
- 41
- Umschaltstufe
- 42
- Umschaltstufe
- 45
- Umschaltkupplung
- 46
- Doppelpfeil
- 48
- Ausgangswelle
- 50
- Differentialgetriebe
- 51
- Achswelle
- 52
- Achswelle
- 60
- Direktdurchtriebsstufe
- 61
- Durchtriebszahnrad
- 62
- Durchtriebszahnrad
- 65
- Durchtriebskupplung
- 68
- Durchtriebswelle
- 69
- Pfeil
- 71
- x-Achse
- 72
- y-Achse
- 74
- Hauptarbeitsbereich
- 75
- Kurve
- 76
- Kurve
- 77
- Punkt
- 78
- Punkt
- 79
- Doppelpfeil
- 80
- gestrichelter Bereich
