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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.
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Aus
WO 2007/065394 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 Welle weist Zufuhrkanäle auf, über die ein hydraulisches Öl in eine außerhalb der Welle ausgebildete Druckkammer geleitet werden kann, um die Stellscheibe relativ zur Festscheibe axial verlagern zu können.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis mit Hilfe eines Kegelscheibengetriebes bei einer hohen Lebensdauer möglichst große Drehmomente übertragen zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein für große Drehmomente geeignetes Kegelscheibengetriebe mit einer hohen Lebensdauer ermöglichen.
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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 3. 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.
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Erfindungsgemäß ist eine Kegelscheibeneinheit für ein Kegelscheibengetriebe eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer mit einer Kegelscheibe drehfest verbindbaren Welle zum Einleiten und/oder Ausleiten eines Drehmoments, wobei innerhalb der Welle eine an einer Stirnseite der Welle beginnender im Wesentlichen axial verlaufender Zufuhrkanal zur Zufuhr von Öl ausgebildet ist und die Welle mindestens einen an einer Außenmantelfläche der Welle beginnenden und mit dem Zufuhrkanal kommunizierenden Querkanal zur Leitung des Öls an die Außenmantelfläche aufweist, wobei eine dem Öl zuwandte Innenfläche des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals zumindest teilweise kaltverfestigt ist.
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Durch den Zufuhrkanal wird die Querschnittsfläche der Welle verringert, so dass die Welle nur über die, insbesondere im Wesentlichen ringförmige, verbleibende Querschnittsfläche im von dem Zufuhrkanal eingenommenen Axialbereich Kräfte abtragen kann. Die zur Abtragung von Kräften effektive Querschnittsfläche wird durch den mindestens einen, insbesondere im Wesentlichen radial verlaufenden, Querkanal zusätzlich reduziert, so dass sich in einem Axialbereich der Welle, in dem sowohl der Zufuhrkanal als auch der mindestens eine Querkanal vorgesehen sind, eine für die Übertragung von Kräften limitierende Querschnittsfläche der Welle ergibt. Durch die Kaltverfestigung zumindest eines Teils der Innenfläche des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals kann jedoch die Festigkeit der Welle in der limitierenden Querschnittsfläche der Welle erhöht werden, so dass entsprechend höhere Kräfte über die Welle abgetragen werden können. Durch die Kaltverfestigung des für die Zufuhr von Öl vorgesehenen Zufuhrkanals und des Querkanals kann die Welle auch über eine in diesem Axialbereich reduzierte Querschnittsfläche hohe Kräfte abtragen, so dass ein für große Drehmomente geeignetes Kegelscheibengetriebe mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist.
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Die den Zufuhrkanal und/oder den mindestens einen Querkanal begrenzende Innenseite der Welle kann 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 an der Innenseite und dem sich an der Innenseite anschließenden Material der Welle. Gleichzeitig können durch die Kaltverfestigung enge Maßtoleranzen und gute Oberflächeneigenschaften erreicht werden. Zudem kann bei Innenseite des Zufuhrkanals und/oder des mindestens einen Querkanals eine besonders plane Innenseite erzeugt werden, bei der Unebenheiten ausgeglichen werden können. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Festigkeit der Welle durch Kerbwirkungen, Mikrorisse und Ähnlichem an der Innenseite vermieden werden und durch das Kaltverfestigen sogar erhöht werden. Zudem stellt sich eine sehr gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit der Innenseite ein, die im Vergleich zu einem Kugelstrahlen der Innenseite 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 bei der Kaltverfestigung 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.
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Die Arbeitstemperatur beim Kaltverfestigen liegt insbesondere unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials der Welle. Das Kaltverfestigen 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 mit der Welle, insbesondere einstückig, fest verbindbare 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.
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Insbesondere ist mit der Welle die Kegelscheibe fest verbunden, wobei die Kegelscheibe insbesondere einstückig mit der Welle ausgeführt ist, wobei der mindestens eine Querkanal zur axialen Verlagerung einer Stellscheibe relativ zur Kegelscheibe ausgestaltet ist. Die Einstückigkeit ermöglicht eine besonders gute Kraftübertragung, ohne dass beispielsweise durch eine Feder/Nut-Verbindung eine Verjüngung der effektiven Querschnittsfläche der Welle auftritt. Unnötige Kerben und Materialeinschnürungen können vermieden werden. Eine Materialschwächung durch ein Aufschmelzen des Materials wie beim Schweißen ist ebenfalls vermieden. Der Querkanal kann an der äußeren Mantelfläche der Welle enden und mit einer Druckkammer kommunizieren, mit deren Hilfe eine auf der Welle aufgeschobene Stellscheibe relativ zu der als Festscheibe wirkenden Kegelscheibe axial verlagert werden kann. Insbesondere können mehrere in Umfangsrichtung zueinander beabstandete radial verlaufende Querkanäle vorgesehen sein, so dass über die Mehrzahl an Querkanälen ein entsprechend hoher Volumenstrom zwischen dem Zufuhrkanal und der Druckkammer ausgetauscht werden kann. Vorzugsweise können zwei oder mehr Querkanäle in axialer Richtung zueinander beabstandet sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kegelscheibeneinheit, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, bei dem in den Zufuhrkanal und/oder in den Querkanal ein Druckmedium eingeführt wird und das Druckmedium die Innenfläche des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals kaltverfestigt. Durch die Kaltverfestigung des für die Zufuhr von Öl vorgesehenen Zufuhrkanals und des Querkanals kann die Welle auch über eine in diesem Axialbereich reduzierte Querschnittsfläche hohe Kräfte abtragen, so dass ein für große Drehmomente geeignetes Kegelscheibengetriebe mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist.
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Insbesondere prägt das Druckmedium zumindest in Teilbereichen der Innenfläche des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals einen oberhalb der Streckgrenze und unterhalb der Zugfestigt des Materials der Welle liegenden Druck auf die Innenfläche auf. Durch das gegen die Innenfläche gepresste Druckmedium 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 in einem Teilbereich der Welle, in dem eine vergleichsweise geringe effektive Querschnittsfläche für die Übertragung von Kräften ausgebildet ist. Durch die erhöhte Festigkeit kann der limitierende Effekt der geringen effektiven Querschnittsfläche zumindest teilweise kompensiert werden.
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In einer Ausführungsform wird als Druckmedium ein quer zur Axialrichtung des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals ausfahrbarer im Wesentlichen starrer, Dorn verwendet, wobei insbesondere der Dorn mit Hilfe eines Keils aufspeizbar ist. Der Dorn kann in den Zufuhrkanal beziehungsweise in den Querkanal, insbesondere mit Spielpassung eingeführt werden und mit einer für die Kaltverfestigung geeigneten Kraft gegen die Innenfläche gepresst werden. Hierzu kann der Dorn beispielsweise mehrteilig ausgestaltet sein, so dass die an die Innenseite anpressbaren Teile des Dorns, beispielsweise mit Hilfe eines in den Dorn eingetriebenen Keils, für eine Durchmesservergrößerung des Dorns quer zur Längserstreckung des jeweiligen Kanals verlagert werden können. Die Kaltverfestigung der Innenseite des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals kann dadurch mit Hilfe eines hinreichend starren Festkörpers erreicht werden.
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Vorzugsweise wird als Druckmedium ein kompressibles Fluid, insbesondere Druckluft, oder ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid, insbesondere Wasser, Öl, Silikonöl, Gel, Emulsion oder Suspension, verwendet. Die Kaltverfestigung der Innenseite des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals kann dadurch mit Hilfe eines formveränderlichen Fluids erreicht werden. Dies ermöglicht es gleichzeitig sowohl die Innenseite des Zufuhrkanals als auch die Innenseite des Querkanals mit einer für die Kaltverfestigung ausreichenden Kraft zu beaufschlagen. Hierbei kann an jeder Stelle der Innenseite ein im Wesentlichen identischer Druck anliegen, so dass sich eine besonders gleichmäßige und gleichartige plastische Verformung des Materials der Welle im Bereich der Innenseiten ergibt. Hierzu kann insbesondere ein Fluid verwendet werden, das bei den für das Kaltverfestigen erforderlichen Druck gut abgedichtet werden kann. Beispielsweise kann ein Fluid verwendet werden, das im Vergleich zu Wasser eine höhere Zähigkeit und/oder Viskosität aufweist und dadurch leichter von einem Dichtkörper zurückgehalten werden kann. Nach der erfolgten Kaltverfestigung kann das Fluid wieder eingesaugt und für die Kaltverfestigung der nächsten Kegelscheibeneinheit verwendet werden.
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Besonders bevorzugt wird der mindestens eine Querkanal mit einem Dichtkörper abgedichtet, wobei insbesondere ein gemeinsamer Dichtkörper mehrere Querkanäle abdichtet, bevor die Innenfläche des Zufuhrkanals und/oder des Querkanals mit einem Druck zur Kaltverfestigung beaufschlagt wird. Der Dichtkörper kann den in die äußere Mantelfläche mündenden Querkanal dicht verschließen, so dass das über den Zufuhrkanal zugeführte Fluid im Innern der Welle einen für die Kaltverfestigung ausreichenden Druck aufbauen kann ohne aus dem Zufuhrkanal und/oder den Querkanal auszutreten. Insbesondere ist es möglich mit nur einem Dichtkörper mehrere Querkanäle oder sogar alle Querkanäle abzudichten.
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Insbesondere wird der Dichtkörper in axialer Richtung auf die Welle aufgeschoben und umgreift die Welle ringförmig. Der Dichtkörper kann beispielsweise als O-Ring ausgestaltet sein oder einen entsprechend einem O-Ring ausgestalteten Teilbereich aufweisen. Bekannte O-Ring Dichtungen für Hydraulikanwendungen können für einen Druck von 2.500 bar ausgelegt sein, was für eine Kaltverfestigung eines unlegierten oder gering legierten Stahls ausreichend ist.
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Vorzugsweise weist der Dichtkörper in axialer Richtung unterschiedliche Innendurchmesser zur Abdichtung von in axialer Richtung versetzten Querkanälen auf. Der Dichtkörper kann an der Seite des geringeren Durchmessers leicht auf die Welle aufgesteckt werden und beim Erreichen des auf einen bestimmten Durchmesser endenden Querkanals dicht anliegen. Der Dichtkörper kann hierzu vergleichbar zu einer Manschette ausgestaltet sein. Dadurch ist nur ein Dichtkörper erforderlich, um sowohl in axialer Richtung zueinander versetzte Querkanäle als auch in Umfangsrichtung zueinander versetzte Querkanäle abzudichten.
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Besonders bevorzugt wird ein Druckanschluss zur Zuführung des Druckmediums mit einem Wellenende der Welle befestigt. Die Welle kann hierzu geeignete Befestigungsmittel, beispielsweise Hinterschnitte, Nuten, Gewinde, aufweisen, die für die Befestigung mit dem Druckanschluss ausgelegt sind. Dieses Befestigungsmittel ist insbesondere sowieso vorgesehen, um mit Hilfe dieses Befestigungsmittels ein weiteres Bauteil eines Kegelscheibengetriebes und/oder eines Antriebstrangs eines Kraftfahrzeugs anzuschließen, beispielsweise eine Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors und/oder eine Abtriebswelle zum Antrieb von Antriebsrädern.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht einer Kegelscheibeneinheit während einer Kaltverfestigung und
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2: eine schematische geschnittene Draufsicht der Kegelscheibeneinheit aus 1.
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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. Auf die Welle 12 kann eine relativ zur Kegelscheibe 14 axial verschiebbare kegelig ausgeführte Stellscheibe aufgeschoben werden, zwischen deren aufeinander zu weisenden kegeligen Kontaktflächen ein Umschlingungsmittel des Kegelscheibengetriebes verpresst und gegebenenfalls zur Änderung der Übersetzung auf einen anderen Wirkradius verlagert werden kann. Die Stellscheibe kann hierzu durch den Aufbau eines hydraulischen Drucks in einer Druckkammer axial verlagert werden. Hierzu weist die Welle 12 einen koaxial verlaufenden Zufuhrkanal 16 auf, der über radial verlaufende Querkanäle 18, die in axialer Richtung und in Umfangsrichtung (2) zueinander versetzt angeordnet sind, mit der Druckkammer kommunizieren kann. Die Querkanäle 18 sind mit dem Zufuhrkanal 16 verbunden und enden in einer Außenmantelfläche 20 der Welle 12. Der Zufuhrkanal 16 ist durch eine erste Innenfläche 22 der Welle 12 begrenzt, während der jeweilige Querkanal 18 durch eine zweite Innenfläche 24 begrenzt ist.
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Wie in 1 dargestellt können die Querkanäle 18 mit Hilfe eines Dichtkörpers 26 an der Außenmantelfläche 20 der Welle 12 abgedichtet werden. Hierzu kann der insbesondere ringförmige Dichtkörper 26 axial auf die Welle 12 aufgeschoben werden. An dem Zufuhrkanal 16 kann, insbesondere über ein hierzu geeignetes Befestigungsmittel 28 ein Druckanschluss 30 ausreichend dicht angeschlossen werden. Über den Druckanschluss 30 kann ein Fluid mit einem so hohen Druck eingeleitet werden, dass das Material der Welle 12 im Bereich der ersten Innenfläche 22 und/oder im Bereich der zweiten Innenfläche 24 oberhalb der Streckgrenze belastet wird und plastisch verformt werden kann. Durch die dadurch erreichte Kaltverfestigung der Innenflächen 22, 24 kann die Festigkeit der Welle 12 in einem Bereich mit einer geringen Querschnittsfläche (2) verfestigt werden, so dass die Welle 12 entsprechend höhere Kräfte ertragen kann und große Drehmomente bei einer hohen Lebensdauer übertragen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kegelscheibeneinheit
- 12
- Welle
- 14
- Kegelscheibe
- 16
- Zufuhrkanal
- 18
- Querkanal
- 20
- Außenmantelfläche
- 22
- erste Innenfläche
- 24
- zweite Innenfläche
- 26
- Dichtkörper
- 28
- Befestigungsmittel
- 30
- Druckanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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