DE102015203913A1

DE102015203913A1 - CVT-Getriebe mit verbesserter Steuerbarkeit

Info

Publication number: DE102015203913A1
Application number: DE102015203913.7A
Authority: DE
Inventors: Ianislav Krastev; Daniel Schwartz; Stefan Woerz; Mykhaylo Klymenko; Ingo Drewe; Falko Winter; Rasmus Frei; Carolin Breitinger; Rudolf Eydam
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-09-08
Also published as: EP3265702A1; WO2016139106A1; JP6472535B2; JP2018507998A; CN107567555A; KR20170121197A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein CVT-Getriebe, umfassend ein Kegelscheibenpaar (2) mit einer ortsfesten Kegelscheibe (20) und einer axial beweglichen Kegelscheibe (21), eine Stelleinrichtung (5) zur Verstellung einer Position der axial beweglichen Kegelscheibe (21), wobei die Stelleinrichtung (5) einen Spindeltrieb (7) und eine Verstellstange (8) umfasst, welche mit der axial beweglichen Kegelscheibe (21) verbunden ist, und eine Steuereinheit (6), welche eingerichtet ist, die Stelleinrichtung (5) zu betätigen, um die Position der axial beweglichen Kegelscheibe (21) zu verändern.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein CVT-Getriebe (stufenlos verstellbares Getriebe) mit einer deutlich verbesserten Steuerbarkeit und Regelbarkeit.
CVT-Getriebe sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund des kontinuierlich variablen Getriebes können bei Fahrzeugen jeweils geeignete Übersetzungsverhältnisse im Vergleich mit Getrieben mit festgelegten Gängen erreicht werden. Ein besonderes Anwendungsgebiet derartiger CVT-Getriebe sind Kleinfahrzeuge, wie beispielsweise Zweiräder, Dreiräder, sog. Tuk-Tuks, Schneemobile, Quads oder Scooter. Bei derartigen CVT-Getrieben werden häufig Fliehkraftregler zur Verstellung einer Position eines Riemens an einem Kegelscheibenpaar verwendet. Abhängig von der Drehzahl verlagern Fliehkraftgewichte des Fliehkraftreglers dabei ihre radiale Position, wodurch ein axialer Abstand zwischen zwei Kegelscheiben verändert wird und dadurch eine Übersetzung des Getriebes verändert wird. Ein Nachteil derartiger Anordnungen ist es jedoch, dass kein gesteuerter bzw. geregelter Eingriff in die Getriebeübersetzung des CVT-Getriebes möglich ist. Dadurch werden die CVT-Getriebe mit Fliehkraftregler im Stand der Technik üblicherweise nicht an einem optimalen Punkt betrieben, so dass Kraftstoffverbrauch und/oder Emissionen des Fahrzeugs verschlechtert sind. Es wäre daher wünschenswert, dieses Potential bei fliehkraftgeregelten CVT-Getrieben zu nutzen und eine Möglichkeit einer Kraftstoffreduzierung und einer Emissionsreduzierung zu erhalten. Ferner weisen fliehkraftgeregelte CVT-Getriebe auch hinsichtlich einer Fahrzeugdynamik keine optimale Ausgestaltung auf. Insbesondere bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs aus dem Stand und bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs während einer Fahrt, z.B. einer Elastizität ausgehend von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite Geschwindigkeit, bestehen aufgrund des nicht optimal gewählten Übersetzungsverhältnisses des fliehkraftgeregelten CVT-Getriebes noch erhebliches Verbesserungspotential.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße CVT-Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Emissionsverhalten und ein Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs signifikant verbessert werden kann. Ferner werden auch deutlich bessere Fahrleistungen, insbesondere bei der Fahrdynamik hinsichtlich einer Beschleunigung aus dem Stand und hinsichtlich einer Beschleunigung eines fahrenden Fahrzeugs, erreicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das CVT-Getriebe jeweils in einer optimierten Position betrieben werden kann. Erfindungsgemäß umfasst das CVT-Getriebe hierbei ein Kegelscheibenpaar mit einer ortsfesten Kegelscheibe und einer axial beweglichen Kegelscheibe. Erfindungsgemäß ist ferner eine Stelleinrichtung zur Verstellung einer Position der axial beweglichen Kegelscheibe vorgesehen. Die Stelleinrichtung umfasst einen Spindeltrieb und eine Verstellstange, welche mit der axial beweglichen Kegelscheibe verbunden ist. Der Spindeltrieb ermöglicht dabei eine Axialverstellung der Verstellstange. Hierdurch ist ein sehr kompakter und platzsparender Aufbau möglich. Eine Steuereinheit ist eingerichtet, die Stelleinrichtung zu betätigen, um eine Position der axial bewegbaren Kegelscheibe zu verändern. Hierdurch wird eine Position eines Umschlingungsmittels des Kegelscheibenpaars verändert, so dass eine Übersetzung des CVT-Getriebes verändert wird. Somit kann erfindungsgemäß ein Eingriff durch die Steuereinheit in ein CVT-Getriebe ermöglicht werden, um das CVT-Getriebe in optimalen Betriebspunkten zu betreiben.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise umfasst die Stelleinrichtung einen Stellantrieb, welcher den Spindeltrieb antreibt, um Zugkräfte oder Druckkräfte auf die Verstellstange auszuüben. Dadurch wird die Verstellstange axial bewegt, so dass eine Position der axial beweglichen Kegelscheibe, die mit der Verstellstange verbunden ist, ebenfalls geändert wird.
Das erfindungsgemäße Getriebe umfasst ferner wenigstens ein Fliehkraftelement, welches beweglich an der axial beweglichen Kegelscheibe angeordnet ist. Ferner ist eine Abstützwand an der axial beweglichen Kegelscheibe vorgesehen, wobei das Fliehkraftelement zwischen der Abstützwand und einer Rückwand der axial beweglichen Kegelscheibe angeordnet ist. Somit kann durch die Fliehkräfte eine rotationsabhängige Position der axial beweglichen Kegelscheibe erreicht werden und mittels der Stelleinrichtung eine Feinpositionierung und somit eine beispielsweise an entsprechend vorhandene Fahrmodi angepasste Übersetzung eingestellt werden. Die Abstützwand ist vorzugsweise mit einer Kurbelwelle verbunden.
Besonders bevorzugt umfasst die Abstützwand eine sich verjüngende Kontaktfläche für einen Kontakt mit dem Fliehkraftelement. Die sich verjüngende Kontaktfläche der Abstützwand ist vorzugsweise konisch ausgebildet. Bei Erhöhung der Drehzahl erhöhen sich die somit die auf das oder die Fliehkraftelemente wirkende Fliehkraft, so dass Fliehkraftelemente radial nach außen bewegt werden. Hierbei laufen sie auf der sich verjüngenden Kontaktfläche der Abstützwand, so dass auch eine Verschiebungskomponente in Axialrichtung zur Bewegung der beweglichen Kegelscheibe in Axialrichtung auftritt.
Weiter bevorzugt ist eine Abtriebswelle des Stellantriebs der Stelleinrichtung parallel zu einer Kurbelwelle angeordnet. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau erreicht werden.
Weiter bevorzugt ist die Abtriebswelle des Stellantriebs parallel zur Verstellstange und ist insbesondere koaxial zu einer Mittelachse des Kegelscheibenpaars. Somit kann eine Linienanordnung von Stellantrieb und Verstellstange vorgesehen werden. Besonders bevorzugt liegt auf einer Linie neben der Verstellstange und der Abtriebswelle des Stellantriebs auch die Kurbelwelle, so dass ein besonders platzsparender Aufbau möglich ist.
Bevorzugt ist die Verstellstange teilweise in der Kurbelwelle angeordnet, um einen einfachen und kompakten Aufbau, insbesondere in Axialrichtung zu ermöglichen.
Weiterhin umfasst der Spindeltrieb eine Hülsenmutter, welche mit der Verstellstange verbunden ist, um eine Rotation einer Spindel des Spindeltriebs in eine Axialbewegung der Spindelhülse und dadurch auch eine Axialbewegung der Verstellstange zu ermöglichen. Die Verstellstange ist vorzugsweise über eine Querstange mit der axial beweglichen Kegelscheibe verbunden.
Bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, die Stelleinrichtung, basierend auf Kenngrößen eines Antriebsmotors zu steuern. Als Kenngrößen des Antriebsmotors werden bevorzugt eine Drehzahl des Antriebsmotors und/oder ein Drehmoment des Antriebsmotors und/oder eine Temperatur und/oder ein Luftdruck verwendet. Die Kenngrößen zur Steuerung der Stelleinrichtung können dabei unmittelbar am Antriebsmotor erfasst werden oder an mit dem Antriebsmotor verbundenen Bauteilen. Der Antriebsmotor ist vorzugsweise eine Brennkraftmaschine.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, die Stelleinrichtung basierend auf einer Wahl eines Fahrmodus eines Fahrers zu steuern. Beispielsweise können vorbestimmte Getriebeeinstellungen gespeichert werden, welche bei entsprechender Wahl eines Fahrmodus, z.B. ein Sportmodus oder ein Kraftstoff-Sparmodus oder dgl., von der Stelleinrichtung eingenommen werden.
Weiter bevorzugt verläuft die Kurbelwelle durch das Kegelscheibenpaar. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau des CVT-Getriebes und insbesondere auch der Einheit, umfassend das CVT-Getriebe und den Antriebsmotor, erreicht werden.
Weiter bevorzugt ist die ortsfeste Kegelscheibe dabei direkt mit der Kurbelwelle verbunden, so dass in Axialrichtung der Kurbelwelle nur ein minimaler Bauraumbedarf für das CVT-Getriebe notwendig ist.
Weiter bevorzugt sind die Steuereinheit und der Stellantrieb in einem Gehäuse des CVT-Getriebes angeordnet. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau erreicht werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, umfassend ein erfindungsgemäßes stufenloses Getriebe. Das Fahrzeug ist vorzugsweise ein Kleinfahrzeug, insbesondere ein Zweirad oder ein Dreirad oder ein Schneemobil oder Quad oder ein Scooter oder dgl.
Weiter bevorzugt ist der Stellantrieb an einem Gehäuse des Getriebes angeordnet. Vorzugsweise ragt dabei eine Abtriebswelle des Stellantriebs in das Gehäuseinnere und ein Zwischengetriebe zur Verstellung der Abstützwand ist vorzugsweise im Gehäuseinneren angeordnet.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines CVT-Getriebes gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 ein CVT-Getriebe 1, d.h., ein kontinuierlich verstellbares, stufenloses Getriebe, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das CVT-Getriebe 1 ein Kegelscheibenpaar 2 mit einer ortsfesten Kegelscheibe 20 und einer axial beweglichen Kegelscheibe 21.
Die ortsfeste Kegelscheibe 20 ist auf einer Kurbelwelle 11 fixiert. Genauer, wie aus 1 ersichtlich ist, ist die ortsfeste Kegelscheibe 20 am Ende der Kurbelwelle 11 angeordnet. Die Kurbelwelle 11 ist, wie in 1 angedeutet, mit einem Antriebsmotor 10, insbesondere einer Brennkraftmaschine verbunden.
Das CVT-Getriebe 1 ist ein fliehkraftgeregeltes Getriebe und umfasst eine Vielzahl von Fliehkraftelementen 3, welche an der axial beweglichen Kegelscheibe 21 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Fliehkraftelemente Kugeln. Alternativ sind die Fliehkraftelemente Zylinder mit einem Durchgangsloch.
Weiterhin umfasst das CVT-Getriebe 1 eine nicht axial bewegliche Abstützwand 4, welche an der axial beweglichen Kegelscheibe angeordnet ist. Die Abstützwand 4 rotiert gemeinsam mit der Kurbelwelle 11. Durch die Radialposition der Fliehkraftelemente 3 wird eine Axialposition in Axialrichtung X-X der axial beweglichen Kegelscheibe 21 bestimmt.
Zur Verstellung der axial beweglichen Kegelscheibe 21 ist erfindungsgemäß eine Stelleinrichtung 5 vorgesehen, welche mit einer Steuereinheit 6 verbunden ist. Die Stelleinrichtung 5 umfasst einen Stellantrieb 50, eine Abtriebswelle 51 des Stellantriebs und einen Spindeltrieb 7. Der Spindeltrieb 7 umfasst eine Spindel 70 sowie eine Hülsenmutter 71, welche auf der Spindel 70 in Axialrichtung X-X bewegbar angeordnet ist. Die Hülsenmutter 71 ist mit einer Verstellstange 8 über ein Lager 81 verbunden, so dass bei einer Axialbewegung der Hülsenmutter 71 die Verstellstange 8 in Axialrichtung X-X axial bewegt wird.
Am entgegengesetzten Ende der Verstellstange 8 ist eine Querstange 80 mit der Verstellstange 8 verbunden, welche mit der axial beweglichen Kegelscheibe 21 verbunden ist. Dadurch wird eine Axialbewegung der Verstellstange 8 über die Querstange 80 auf die axial bewegliche Kegelscheibe 21 übertragen, so dass diese, wie in 1 durch den Doppelpfeil A angedeutet, in Axialrichtung bewegbar ist. Die Hülsenmutter 71 wird durch eine nicht gezeigte Einrichtung an einer Drehung gemeinsam mit der Spindel 70 verhindert.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist die Verstellstange 8 teilweise in der Kurbelwelle 11 angeordnet. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau erreicht werden. Die Kurbelwelle 11 weist hierbei einen Schlitz oder eine Bohrung oder dgl. auf.
Die Abstützscheibe 4 umfasst eine sich verjüngende Kontaktfläche 40, welche mit den Fliehkraftelementen 3 in Kontakt steht.
Der Stellantrieb 50 ist vorzugsweise ein elektrischer Motor. Alternativ umfasst die Stelleinrichtung 5 jedoch einen pneumatisch betriebenen Verstellantrieb oder einen hydraulisch betriebenen Verstellantrieb oder einen elektromagnetischen Verstellantrieb.
Ein Umschlingungsmittel 12, z.B. ein Riemen, ist zwischen den beiden Kegelscheiben 20, 21 angeordnet. Das Umschlingungsmittel 12 ist mit einem Abtriebselement 13, vorzugsweise ebenfalls einem Kegelscheibenpaar, verbunden. Das Abtriebselement 13 kann aber beispielsweise auch ein direkt angetriebenes Rad oder dgl. sein.
Erfindungsgemäß kann somit über die Steuereinheit 6 eine Position der beweglichen Kegelscheibe 21 eingestellt werden und dadurch ein axialer Abstand zwischen den beiden Kegelscheiben 20, 21 eingestellt werden, welcher eine gewünschte Übersetzung des CVT-Getriebes bereitstellt. Hierzu wird der Stellantrieb 50 angetrieben und die Abtriebswelle 51 des Stellantriebs 50 treibt die Spindel 70 unmittelbar an. Es sei angemerkt, dass die Abtriebswelle 51 auch einstückig mit der Spindel 7 ausgebildet sein kann. Durch die Drehung der Spindel 70 (Pfeil D in 1) wird die Hülsenmutter 71 in Axialrichtung X-X bewegt (Doppelpfeil C), abhängig von der Drehrichtung der Spindel 70. Da die Hülsenmutter 71 fest mit der Verstellstange 8 verbunden ist, bewegt sich die Verstellstange 8 ebenfalls in Axialrichtung X-X (Doppelpfeil B). Über die mit der Verstellstange 8 verbundene Querstange 80 wird dann die axial bewegliche Kegelscheibe 21 bewegt (Doppelpfeil A).
Abhängig von der Drehrichtung kann somit eine Verstellung des Umschlingungsmittels 12 zwischen den beiden Kegelscheiben 20, 21 verändert werden und so eine stufenlose Übersetzungsänderung ermöglicht werden.
Somit kann erfindungsgemäß eine Feineinstellung einer Übersetzung, welche grundsätzlich durch die Fliehkraftelemente 3 vorgegeben ist, realisiert werden. Erfindungsgemäß kann in Abhängigkeit von Kenngrößen, beispielsweise die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Antriebsmotors 10 eine optimierte Getriebeübersetzung realisiert werden. Die Getriebeübersetzung kann dabei hinsichtlich einer Verbrauchsoptimierung oder einer Emissionsoptimierung oder einer Optimierung einer Beschleunigung des Fahrzeugs, gewählt werden. Auch kann eine beliebige Kombination von zu optimierenden Ausgangsgrößen gewählt werden und entsprechend eine hierfür optimale Getriebeübersetzung des CVT-Getriebes eingestellt werden.
Versuche mit einem erfindungsgemäßen CVT-Getriebe 1 haben dabei ergeben, dass eine Verbrauchseinsparung von Kraftstoff im Bereich von 10% möglich ist, eine verbesserte Beschleunigung in einem Bereich zwischen 0 bis 60 km/h von bis zu 17% möglich ist und eine verbesserte Elastizität einer Beschleunigung in einem Bereich zwischen 20 bis 50 km/h von 19% im Vergleich mit einem normalen fliehkraftgeregelten CVT-Getriebe möglich sind. Zwar erfordert das erfindungsgemäße CVT-Getriebe durch die Stelleinrichtung einen etwas größeren mechanischen und elektrischen Aufbau, dieser kann allerdings durch die dargelegten Verbesserungen und Einsparungen mehr als wett gemacht werden.

Claims

CVT-Getriebe, umfassend: – ein Kegelscheibenpaar (2) mit einer ortsfesten Kegelscheibe (20) und einer axial beweglichen Kegelscheibe (21), – eine Stelleinrichtung (5) zur Verstellung einer Position der axial beweglichen Kegelscheibe (21), wobei die Stelleinrichtung (5) einen Spindeltrieb (7) und eine Verstellstange (8) umfasst, welche mit der axial beweglichen Kegelscheibe (21) verbunden ist, und – eine Steuereinheit (6), welche eingerichtet ist, die Stelleinrichtung (5) zu betätigen, um die Position der axial beweglichen Kegelscheibe (21) zu verändern.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung einen Stellantrieb (50) umfasst, welcher den Spindeltrieb (7) antreibt, um Zugkräfte oder Druckkräfte auf die Verstellstange (8) auszuüben.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – wenigstens ein Fliehkraftelement (3), welches beweglich an der axial beweglichen Kegelscheibe (21) angeordnet ist, – eine Abstützwand (4), welche an der axial beweglichen Kegelscheibe (21) angeordnet ist, – wobei das Fliehkraftelement (3) zwischen der Abstützwand (4) und einer Rückwand (22) der axial beweglichen Kegelscheibe (21) angeordnet ist.
Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützwand (4) eine sich verjüngende Kontaktfläche (40) für einen Kontakt mit dem Fliehkraftelement (3) aufweist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtriebswelle (51) des Stellantriebs (50) parallel zu einer Kurbelwelle (11) ist und insbesondere koaxial zu einer Mittelachse (X-X) des Kegelscheibenpaars (21) ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (51) des Stellantriebs (50) parallel zur Verstellstange (80) ist und insbesondere koaxial zu einer Mittelachse (X-X) des Kegelscheibenpaars (2) ist.
Getriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellstange (8) teilweise in einer Kurbelwelle (11) angeordnet ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindeltrieb (7) über eine Hülsenmutter (71) mit der Verstellstange (8) verbunden ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellstange (8) mittels einer Querstange (80) mit der axial beweglichen Kegelscheibe (21) verbunden ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) eingerichtet ist, die Stelleinrichtung (5), basierend auf Kenngrößen eines Antriebsmotors (10), insbesondere einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments des Antriebsmotors und/oder einer Temperatur und/oder eines Luftdrucks, zu steuern.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle durch das Kegelscheibenpaar (2) verläuft und/oder dass die ortsfeste Kegelscheibe (20) direkt mit der Kurbelwelle (11), insbesondere an einem Ende der Kurbelwelle (11), verbunden ist.
Fahrzeug, umfassend ein CVT-Getriebe, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Kleinfahrzeug, insbesondere ein Zweirad oder ein Dreirad oder ein Schneemobil oder ein Quad oder dgl., ist.