-
Die Erfindung betrifft eine Kegelscheibeneinheit für ein Kegelscheibengetriebe eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kegelscheibeneinheit, mit deren Hilfe ein Drehmoment mit einem Umschlingungsmittel eines als Kegelscheibengetriebe ausgestalteten Stufenlosgetriebe („CVT-Getriebe“) ausgetauscht werden kann.
-
Aus
WO 2011/023156 A1 ist ein Stufenlosgetriebe mit Kegelscheibensätzen bekannt, bei denen eine axial verlagerbare Stellscheibe einen Keilriemen gegen eine Festscheibe drücken kann, damit der Keilriemen auf einen sich ändernden Radius an den jeweiligen Kegelscheibensätzen angreifen kann, wodurch sich das Übersetzungsverhältnis stufenlos ändern lässt. Die Festscheibe ist mit einer Welle durch Schweißen fest verbunden.
-
Es besteht ein ständiges Bedürfnis mit Hilfe eines Kegelscheibengetriebes bei einer hohen Lebensdauer möglichst große Drehmomente übertragen zu können.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein für große Drehmomente geeignetes Kegelscheibengetriebe mit einer hohen Lebensdauer ermöglichen.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Kegelscheibeneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kegelscheibeneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Erfindungsgemäß ist eine Kegelscheibeneinheit für ein Kegelscheibengetriebe eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer Kegelscheibe zur Drehmomentübertragung mit einem Umschlingungsmittel und einer mit der Kegelscheibe drehfest verbundenen Welle zum Einleiten und/oder Ausleiten eines Drehmoments, wobei die Welle eine durch Pressen gegen eine ebene Oberfläche kaltverfestigten Teilbereich, insbesondere eine Stirnseite und/oder einen Freistich, aufweist.
-
Durch die gegen die ebene Oberfläche gepresste Stirnseite der Welle kann die Welle oberhalb ihrer Elastizitätsgrenze belastet werden und dadurch plastisch gestaucht werden, wodurch Druckeigenspannungen in dem Material der Welle erzeugt werden können. Dies führt zu einer Verfestigung der Welle, die in verschiedenen Teilbereichen der Welle erzeugt werden können. Beispielsweise kann die gegen die ebene Oberfläche gepresste Stirnseite kaltverfestigt werden. Vorzugsweise können die beim Pressen in die Welle eingeleiteten Verfestigungskräfte im einem verengten Querschnitt, der beispielsweise durch einen Freistich erzeugt ist, entsprechend hohe Spannungen erzeugen, die zu einer Kaltverfestigung führen. Dadurch kann in einem Teilbereich der Welle, der durch die Querschnittsverengung besonders bruchgefährdet ist, durch die auftretende Kaltverfestigung eine der Bruchgefährdung entgegenwirkende Verfestigung auftreten, wodurch auch die Querschnittsverengung entsprechend hohe Drehmomente ertragen kann. Gleichzeitig können enge Maßtoleranzen und gute Oberflächeneigenschaften erreicht werden. Durch das Pressen der Stirnseite der Welle bei der Kaltverfestigung kann eine besonders plane Stirnseite erzeugt werden, bei der Unebenheiten ausgeglichen werden können. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Festigkeit der Welle durch Kerbwirkungen, Mikrorisse und Ähnlichem vermieden werden und durch das Kaltverfestigen sogar erhöht werden. Zudem stellt sich bei dem Pressen gegen eine ebene Oberfläche eine sehr gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit der Stirnseite ein, die im Vergleich zu einem Kugelstrahlen der Stirnseite eine regelmäßigere Oberfläche mit einer geringeren Rauigkeit aufweist. Zudem kann das Risiko einer Schwächung des Materials der Welle durch eine falsche Prozessführung beim Kugelstrahlen, beispielsweise zu hoher Druck bei zu geringem Abstand, vermieden werden. Die Prozessführung beim Pressen ist deutlich einfacher und weniger fehleranfällig. Aufwendige Prüfungsverfahren zur Überprüfung der korrekten Festigkeit können dadurch vermieden oder zumindest reduziert werden. Durch die kostengünstig erhöhte Festigkeit kann die Kegelscheibeneinheit größere Kräfte aushalten ohne ein Bauteilversagen befürchten zu müssen. Beim Pressen der Stirnseite der Welle kann ein Teilbereich der Welle kostengünstig kaltverfestigt werden, so dass ein für große Drehmomente geeignetes Kegelscheibengetriebe mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist.
-
Die Arbeitstemperatur beim Pressen liegt insbesondere unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials der Welle und/oder der Kegelscheibe. Das Pressen findet insbesondere bei Raumtemperatur statt, das heißt eine aktive Kühlung und/oder ein aktives Erwärmen findet nicht statt. Vorzugsweise entfällt eine nachfolgende Wärmebehandlung, so dass ein Spannungsarmglühen gerade nicht erfolgt. Die Kegelscheibe kann insbesondere eine Festscheibe eines Kegelscheibengetriebes ausbilden. Die Welle kann hierzu an beiden axialen Seiten der Kegelscheibe von der Kegelscheibe abstehen, so dass eine zur Kegelscheibe axial verlagerbare Stellscheibe auf die Welle aufgeschoben werden kann. Die auf der Welle aufgeschobene Stellscheibe kann zusammen mit der Kegelscheibeneinheit einen Kegelscheibensatz ausbilden, der mit einem Umschlingungsmittel, beispielsweise ein Keilriemen, zusammenwirken kann. Zusammen mit einem weiteren mit dem Umschlingungsmittel zusammenwirkenden Kegelscheibensatz, der ebenfalls die erfindungsgemäße Kegelscheibeneinheit aufweisen kann, kann das Kegelscheibengetriebe ausgebildet werden. Das als Kegelscheibengetriebe ausgestaltete Stufenlosgetriebe, auch als CVT-Getriebe („CVT“ = continuously variable transmission) bezeichnet, kann durch eine Veränderung des axialen Abstands der eingangsseitigen Stellscheibe zur eingangsseitigen Festscheibe und eine korrespondierende Veränderung des axialen Abstands der ausgangsseitigen Stellscheibe zur ausgangsseitigen Festscheibe das Übersetzungsverhältnis und damit das übertragene Drehmoment und die übertragene Drehzahl stufenlos ändern. Das minimale und das maximale Übersetzungsverhältnis des Stufenlosgetriebes sind durch den minimalen und den maximalen wirksamen Durchmesser der Kegelscheibensätze an dem Umschlingungsmittel definiert. Zur Änderung des axialen Abstandes der Stellscheibe zur Gegenscheibe kann zumindest eine der Stellscheiben von einem Betätigungssystem mit einem Druck beaufschlagt werden. Das Betätigungssystem kann den Druck insbesondere hydraulisch bereitstellen. Insbesondere wird bei einem von dem Betätigungssystem aufgebrachten sich erhöhenden Druck der axiale Abstand verringert. Bei einem sich verringernden Druck kann sich der axiale Abstand, beispielsweise mit Hilfe einer an der Stellscheibe angreifenden Rückstellfeder und/oder durch einen an der anderen Stellscheibe angreifenden sich erhöhenden Druck, verringern. Die Welle des eingangsseitigen Kegelscheibensatzes kann mit einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors gekoppelt sein oder die Antriebswelle ausbilden. Die Welle des ausgangsseitigen Kegelscheibensatzes kann mit einer Abtriebswelle zum Antrieb eines Antriebsrads eines Kraftfahrzeugs gekoppelt sein oder die Abtriebswelle ausbilden.
-
Insbesondere weist die Kegelscheibe eine kegelige Kontaktfläche zur Anlage an dem Umschlingungsmittel auf, wobei die Welle an der von der Kontaktfläche wegweisenden Stirnseite, insbesondere nur an der von der Kontaktfläche wegweisenden Stirnseite, kaltverfestigt ist. Die Kaltverfestigung der Welle kann dadurch an dem von der Rückseite der Kegelscheibe abstehenden Teil der Welle erfolgen. Da an diesem Teil der Welle keine Stellscheibe aufgeschoben wird, kann dieser abstehende Teil der Welle zur Lagerung der Welle vorgesehen sein und entsprechend kurz ausgestaltet sein. Eine unnötige Belastung der Welle über die gesamte axiale Länge mit einem entsprechend hohem Knickrisiko ist dadurch vermieden. Die für die Kaltverfestigung benötigten hohen Spannungen können dadurch auf einen hierzu vorgesehenen Bereich konzentriert werden. Gleichzeitig kann auch die Kegelscheibe gereckt und/oder kaltverfestigt werden, wodurch sich die Festigkeit der Kegelscheibe erhöhen kann.
-
Vorzugsweise ist die Kegelscheibe in einer vom Umschlingungsmittel weg weisende Axialrichtung, insbesondere durch Kaltverfestigen, plastisch verformt. Eine für die Kaltverfestigung der Stirnseite in die Kegelscheibe eingeleitete Verfestigungskraft kann hierbei die Kegelscheibe in eine Richtung belasten, in der die Kegelscheibe auch im laufenden Betreib durch den Kontakt mit dem Umschlingungsmittel belastet wird. Durch die Vorbelastung der Kegelscheibe mit der Verfestigungskraft können auch in der Kegelscheibe Druckeigenspannungen eingebracht werden, die einer elastischen Verformung der Kegelscheibe im laufenden Betrieb entgegenstehen und ein elastisches Nachgeben der Kegelscheibe verhindern oder zumindest reduzieren können.
-
Besonders bevorzugt sind die Kegelscheibe und die Welle einstückig ausgestaltet, wobei beim Übergang der Kegelscheibe in die Welle ein querschnittsverjüngender Freistich ausgebildet ist. Die Einstückigkeit ermöglicht eine besonders gute Kraftübertragung beim Pressen, ohne dass separate Befestigungsmittel über ihren Auslegungspunkt hinaus belastet werden müssen. Zudem können unnötige Kerben und Materialeinschnürungen für Verbindungsmittel vermieden werden, so dass beim Pressen lokale Überbelastungen über die Festigkeitsgrenze hinaus vermieden werden können. Eine Materialschwächung durch ein Aufschmelzen des Materials wie beim Schweißen ist vermieden. Da sich der Freistich direkt an der Kegelscheibe anschließt, entstehen auch in dem durch den Freistich querschnittsverjüngten Teilbereich der Welle Spannungen, die zu einer Kaltverfestigung der Welle in diesem Teilbereich führen. Dadurch kann in einem Teilbereich der Welle, der durch die Querschnittsverengung besonders bruchgefährdet ist, durch die auftretende Kaltverfestigung eine der Bruchgefährdung entgegenwirkende Verfestigung auftreten, wodurch auch die durch den Freistich verursachte Querschnittsverengung entsprechend hohe Drehmomente ertragen kann.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kegelscheibeneinheit, die insbesondere wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, bei dem auf eine zur Drehmomentübertragung mit einem Umschlingungsmittel vorgesehene Kegelscheibe eine Verfestigungskraft in axialer Richtung aufgebracht wird und mit Hilfe der Verfestigungskraft eine Stirnseite einer mit der Kegelscheibe drehfest verbundenen Welle gegen eine ebene Oberfläche gepresst wird bis die gegen die ebene Oberfläche gepresste Stirnseite der Welle kaltverfestigt ist. Beim Pressen der Stirnseite der Welle kann ein Teilbereich der Welle kostengünstig kaltverfestigt werden, so dass ein für große Drehmomente geeignetes Kegelscheibengetriebe mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist.
-
Insbesondere weist die Kegelscheibe eine kegelige Kontaktfläche zur Anlage an dem Umschlingungsmittel auf, wobei die Verfestigungskraft auf der Kontaktfläche aufgebracht wird. Die für die Kaltverfestigung der Stirnseite in die Kegelscheibe eingeleitete Verfestigungskraft kann hierbei die Kegelscheibe in eine Richtung belasten, in der die Kegelscheibe auch im laufenden Betreib durch den Kontakt mit dem Umschlingungsmittel belastet wird. Durch die Vorbelastung der Kegelscheibe mit der Verfestigungskraft können auch in der Kegelscheibe Druckeigenspannungen eingebracht werden, die einer elastischen Verformung der Kegelscheibe im laufenden Betrieb entgegenstehen und ein elastisches Nachgeben der Kegelscheibe verhindern oder zumindest reduzieren können.
-
In einer Ausführungsform wird die Verfestigungskraft in einem über den gesamten Umfang der kegeligen Kontaktfläche verlaufenden Ringbereich eingeleitet. Dies führt beim Pressen zu einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Spannungsverteilung zwischen der kegeligen Kontaktfläche der Kegelscheibe und der Stirnseite der Welle. Das Spannungsprofil innerhalb des Materials der Kegelscheibeneinheit kann dadurch sehr genau eingestellt werden.
-
Vorzugsweise wird die Verfestigungskraft nur in mindestens einem Teilbereich eines Ringbereichs der kegeligen Kontaktfläche eingeleitet, wobei die Verfestigungskraft während des Kaltverfestigens der Stirnseite der Welle innerhalb des Ringbereichs umläuft. Die Verfestigungskraft braucht nicht ringförmig aufgeprägt werden, sondern kann an verschiedenen in dem Ringbereich vorgesehenen Stellen eingeleitet werden. Beispielsweise kann die Verfestigungskraft an drei in Umfangsrichtung auf einem gemeinsamen Radius gleichmäßig verteilten Stellen auf die Kegelscheibe aufgeprägt werden. Die Krafteinleitung der Verfestigungskraft kann dadurch einfacher und unkomplizierter erfolgen.
-
Besonders bevorzugt wird die Kegelscheibeneinheit während des Kaltverfestigens der Stirnseite der Welle rotiert. Die Kegelscheibeneinheit kann dadurch relativ zu einer Krafteinleitungsstelle der Verfestigungskraft und der gegen die Stirnseite gepresste ebene Oberfläche verdreht werden, wodurch es möglich ist eine ungleichmäßige Krafteinleitung auszugleichen und eine besonders hohe Oberflächengüte, insbesondere an der Stirnseite, zu erreichen. Vorzugsweise kann durch die Rotation der Kegelscheibeneinheit, beispielsweise bei in Umfangsrichtung verteilten Krafteinleitungsstellen der Verfestigungskraft, die Kegelscheibe in Umfangsrichtung dynamisch, insbesondere schwellend und/oder um einen Mittelwert schwingend, belastet werden, wodurch zusätzliche festigkeitssteigende Spannungen induziert werden können, die zu einer stärkeren Kaltverfestigung der kegeligen Kontaktfläche führen können.
-
Insbesondere liegt die Verfestigungskraft oberhalb der Streckgrenze und unterhalb der Zugfestigkeit der Stirnseite der Welle und/oder der Kegelscheibe. Die Verfestigungskraft kann dadurch eine plastische Verformung der Welle und/oder der Kegelscheibe erreichen ohne hierbei ein Bauteilversagen auszulösen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
-
1: eine schematische Seitenansicht einer Kegelscheibeneinheit.
-
Die in 1 dargestellte Kegelscheibeneinheit 10 für ein stufenloses Kegelscheibengetriebe eines Kraftfahrzeugs weist eine Welle 12 auf, mit der eine insbesondere als Festscheibe vorgesehene Kegelscheibe 14 einstückig ausgeführt ist. Die Kegelscheibeneinheit 10 ist insbesondere als ein durch Drehen herstellbares zu einem Großteil rotationssymmetrisches Drehbauteil ausgestaltet. Auf die Welle 12 kann eine relativ zur Kegelscheibe 14 axial verschiebbare kegelig ausgeführte Stellscheibe aufgeschoben werden, zwischen deren aufeinander zu weisenden kegeligen Kontaktflächen 16 ein Umschlingungsmittel des Kegelscheibengetriebes verpresst und gegebenenfalls zur Änderung der Übersetzung auf einen anderen Wirkradius verlagert werden kann. Die Welle 12 der Kegelscheibeneinheit 10 weist eine von der kegeligen Kontaktfläche 16 der Kegelscheibe 14 weg weisende erste Stirnseite 18 und eine in Richtung der kegeligen Kontaktfläche 16 weisende zweite Stirnseite 20 auf.
-
Um die erste Stirnseite 18 und gegebenenfalls einen Teilbereich der Welle 12 zwischen der ersten Stirnseite 18 und einer von der kegeligen Kontaktfläche 16 der Kegelscheibe 14 weg weisenden Rückseite 22 der Kegelscheibe 14 und/oder einen Teilbereich der Welle 12 zwischen der ersten Stirnseite 18 und der kegeligen Kontaktfläche 16 der Kegelscheibe 14 kaltzuverfestigen, wird die erste Stirnseite 18 gegen eine ebene Oberfläche 24 eines starren Körpers gepresst. Die hierzu eingeleitete Verfestigungskraft 26 wird hierbei aber nicht an der zweiten Stirnseite 20, sondern an der kegeligen Kontaktfläche 16 der Kegelscheibe 14 eingeleitet, so dass auch die Kegelscheibe 14 zumindest im Bereich der kegeligen Kontaktfläche 16 kaltverfestigt werden kann. Hierbei kann die Verfestigungskraft 26 stationär an unterschiedlichen Stellen auf einem gemeinsamen Radius in die Kegelscheibe 14 eingeleitet werden, während die Kegelscheibeneinheit 10 relativ zu der aufgeprägten Verfestigungskraft 26 und/oder relativ zu der ebenen Oberfläche 24 rotiert.
-
Zudem geht die Kegelscheibe 14 über einen Freistich 28 in die Welle 12 über. Die auf die Kegelscheibe 14 aufgeprägte Verfestigungskraft 26 kann in dem durch den Freistich 28 definierten Teilbereich der Welle eine Spannung einleiten, die aufgrund der durch den Freistich 28 verursachten Querschnittsverengung der Welle 12 entsprechend hoch ist. Dadurch kann die Welle 12 in dem durch den Freistich 28 definierten Teilbereich kaltverfestigt werden. Es ist sogar durch eine entsprechend gewählte Höhe der Verfestigungskraft 26 möglich, dass nur in dem durch den Freistich 28 definierten Teilbereich der Welle 12 eine Kaltverfestigung auftritt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kegelscheibeneinheit
- 12
- Welle
- 14
- Kegelscheibe
- 16
- Kontaktfläche
- 18
- erste Stirnseite
- 20
- zweite Stirnseite
- 22
- Rückseite
- 24
- ebene Oberfläche
- 26
- Verfestigungskraft
- 28
- Freistich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
