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Diese
Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einem stufenlosen Getriebe.
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Toroidgetriebe
sind entweder Halbtoroid- oder Volltoroid-Traktionsantriebe (Reibradantriebe), die
typischerweise Doppel-Hohlräume
für einen
maximalen Wirkungsgrad benutzen. Die Doppel-Hohlraumeinheiten weisen
zwei Antriebsscheiben und zwei Abtriebsscheiben auf, die jeweils
eine Toroid- oder Teiltoroidform aufweisen. Die Abtriebsscheiben sind
im Allgemeinen zentral zwischen den Antriebsscheiben angeordnet.
Jede Antriebsscheibe steht mit einer jeweiligen Abtriebsscheibe über mehrere
Traktions- oder Reibrollen in Eingriff. Der Winkel der Rollen wird
verändert,
um das Antriebsverhältnis
zwischen den Antriebs- und Abtriebsscheiben zu verändern. Die
stufenlos verstellbare Einheit (CVU) mit dem Doppel-Hohlraum erfordert
eine Vorgelegewelle oder eine Anordnung mit geteiltem Drehmoment (split
torque arrangement), um Leistung von den mittleren Scheiben (Abtriebsscheiben)
zu übertragen.
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Halbtoroid-CVU
können
eine Antriebsanlaufeinrichtung benutzen, jedoch wenden Volltoroid-CVU eine
Anordnung mit einem über
Zahnräder
hergestellten, neutralen Zustand an, um ein Ingangsetzen eines Fahrzeugs
zu bewirken. Ein Beispiel einer Anordnung mit einem über Zahnräder hergestellten, neutralen
Zustand ist in
US-Patent Nr.
5 607 372 , das am 4. März
1997 für
Lohr erteilt wurde, gezeigt. Dieses Patent beschreibt eine Halbtoroid-CVU,
die eine koaxiale Anordnung mit geteiltem Drehmoment mit einem Planetenträger und
zwei Sonnenradelementen aufweist. Der Träger ist das Antriebselement
der CVU und eines der Sonnenräder
wird von dem Abtriebselement der CVU angetrieben. Das andere Sonnenrad
(Abtrieb) steht in Antriebsverbindung mit einem Planetenradaufbau.
Durch Verändern
des Rollenwinkels in einer Richtung, von der Neutralstellung aus,
wird ein Vorwärtsabtrieb
erzielt, und durch Verändern
des Rollenwinkels in der anderen Richtung, von der Neutralstellung
aus, wird ein Rückwärtsabtrieb
erzielt. Dies vermeidet die Notwendigkeit für eine Anlaufeinrichtung.
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Weitere
Antriebe mit Toroidgetrieben und nachgeschalteten Planetengetrieben
sind in
US 6 099 431
A und
WO
92/10697 A1 beschrieben.
EP 0 141 605 A1 offenbart ein stufenloses
Getriebe mit Kegelscheiben.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes stufenloses
Getriebe (CVT) mit einer Volltoroid-CVU und einer Abtriebsanlaufkupplung
bereitzustellen.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Planetenradsatz mit geteiltem
Drehmoment mit einer Volltoroid-CVU kombiniert, um einen Vorwärtsbereich
mit einem verstellbaren Übersetzungsverhältnis und
ein festes Rückwärtsübersetzungsverhältnis bereitzustellen.
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die CVU Antriebselemente,
die von einer Antriebsmaschine direkt angetrieben werden, und der
Planetenradsatz umfasst ein Planetenträgerelement, das von der Antriebsmaschine
angetrieben wird, und ein Sonnenradelement, das von dem Abtriebselement
der CVU angetrieben wird. Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Planetenradsatz
zwei Hohlradelemente auf, die in entgegengesetzten Richtungen (relativ
zueinander) rotieren, wenn die CVU auf ein maximales Übersetzungsverhältnis ins
Langsame eingestellt ist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine selektiv betätigbare
mechanische Kupplung zwischen den Hohlradelementen und eine selektiv
in Eingriff bringbare Anlaufkupplung angeordnet, um einen Vorwärtsabtrieb
und einen Rückwärtsabtrieb
von der CVU zur Anlaufkupplung bereitzustellen. Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung legt das Übersetzungsverhältnis des
Sonnenradelements zu einem Hohlradelement einen Abtrieb in einer
ersten Richtung zwischen der Antriebsmaschine und einer von der
Anlaufkupplung angetriebenen Getriebeabtriebswelle fest, und das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Sonnenradelement und dem anderen Hohlradelement legt einen Abtrieb
in einer zweiten Richtung, entgegengesetzt zum Abtrieb in der ersten
Richtung zwischen der Antriebsmaschine und der Getriebeabtriebswelle
fest.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung bleibt das Übersetzungsverhältnis der
CVU während
des Rückwärtsbetriebes
konstant und wird während
des Vorwärtsbetriebes
verändert. Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die CVU während des
Rückwärtsbetriebes
auf einem maximalen Übersetzungsverhältnis ins
Langsame gehalten und während
des Vorwärtsbetriebes
zwischen dem maximalen Übersetzungsverhältnis ins
Langsame und einem maximalen Übersetzungsverhältnis ins
Schnelle verändert.
Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Fahrzeuggeschwindigkeit im
Vorwärtsbetrieb durch
eines von oder beides von dem Übersetzungsverhältnis der
CVU und der Antriebsmaschinendrehzahl verändert, und die Fahrzeuggeschwindigkeit
im Rückwärtsbetrieb
wird allein durch die Antriebsmaschinendrehzahl verändert. Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Anlaufkupplung
in Eingriff gebracht, um das Fahrzeug in den Richtungen sowohl vorwärts als
auch rückwärts in Gang
zu setzen.
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Diese
Erfindung verwendet eine CVU und einen koaxialen Planetenradsatz
mit einer ”Anordnung mit
geteiltem Drehmoment (split torque arrangement)”. Ein erstes Hohlradelement/Sonnenradelement-Übersetzungsverhältnis ist
derart gewählt, dass
es das gewünschte
maximale Übersetzungsverhältnis ins
Schnelle in der Rückwärtsrichtung
(entgegengesetzt zur Drehung des Motors) der CVU bereitstellt. Dies
wird das Gesamtübersetzungsverhältnis des
Getriebes auf annähernd
das Doppelte des Gesamtübersetzungsverhältnisses
der CVU erhöhen,
was die Fähigkeit
der Anlaufkupplung, das Fahrzeug bei einer maximalen Übersetzung
ins Langsame in Gang zu setzen, stark verbessern wird. Das Auswählen einer
Rückwärtsabtriebsdrehrichtung
für den
Vorwärtsantriebsbetrieb
erlaubt eine Konstruktion mit minimalen Inhalt und höherem Wirkungsgrad als
die Vorwärtsabtriebskonstruktionen.
Der Rückwärtsgang
wird erzielt, indem ein zweites Hohlradelement hinzugefügt wird,
um ein Drehzahlverhältnis
bereitzustellen, das die gleiche Größe (mit entgegengesetzter Richtung)
wie das niedrigste Vorwärtsdrehzahlverhältnis des
CVT aufweist. Wenn das Drehmoment über das zweite Hohlradelement
ausgegeben wird, könnte
das Getriebe als ein CVT mit einem über Zahnräder hergestellten, neutralen
Zustand verwendet werden, jedoch wird die Drehmomentkapazität und der
Wirkungsgrad niedriger sein als bei dem Weg, der durch das erste
Hohlradelement bereitgestellt wird.
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Die
Drehung der Getriebeabtriebswelle in der Rückwärtsrichtung erfordert ein ”Rückwärts-Hypoidgetriebe”, um eine
Bewegungsrichtung des Fahrzeugs nach vorne bereitzustellen. Die
Hypoidzahnräder,
die an der Vor derachse von heutigen Fahrzeugen mit Vierradantrieb
verwendet werden, sind im Allgemeinen konstruiert, um einen maximalen
Wirkungsgrad mit der entgegengesetzten Antriebswellendrehung zu
erzeugen. Deshalb wird das Platzieren eines ”Front-Hypoidgetriebes” im Heck
die richtige Getriebegeometrie für
einen maximalen Wirkungsgrad mit einer umgekehrten Antriebswellenrotation
bereitstellen, jedoch wird die Drehrichtung des Rades nicht richtig
sein. Das Front-Hypoidgetriebe wird um 180 Grad um die Antriebswelle
herum gedreht (d. h. verkehrt herum eingebaut) werden müssen, um
die richtige Drehrichtung des Rades bereitzustellen.
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Die
vorgeschlagene Zahnradanordnung minimiert Umlaufverluste (spin losses)
durch Verwenden einer Klauenkupplung vom Handschaltgetriebetyp (mit
Synchronisiereinrichtungen), um die Kosten und die Umlaufverluste
einer zweiten Anlaufkupplung zu beseitigen. Die Synchronisiereinrichtungen
werden nur die Trägheit
der inneren Kupplungsscheiben und der Nabe beschleunigen müssen, wenn
zwischen vorwärts
und rückwärts umgeschaltet
wird. Diese Trägheit
ist wesentlich niedriger als die Trägheit der angetriebenen Scheibe
und der Antriebswelle eines herkömmlichen
Handschaltgetriebes. Die Synchronisiereinrichtung kann durch einen
herkömmlichen
mechanischen Mechanismus aktiviert werden, der für minimale Kosten an dem nicht
gezeigten PRNDL-Hebel angebracht ist, oder sie kann durch irgendeines
der allgemein bekannten elektrohydraulischen Steuersysteme hydraulisch
aktiviert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen ist:
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1 eine
schematische Darstellung eines Antriebsstrangs, der ein Getriebe
aufweist, das die vorliegende Erfindung enthält, und
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2 ist
ein Drehzahlverhältnis-Diagramm eines
CVT, das die vorliegende Erfindung enthält.
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Ein
Antriebsstrang 10 weist einen herkömmlichen Verbrennungsmotor 12,
einen Feder-Schwingungsdämpfer 14,
ein stufenloses Getriebe (CVT) 16 und einen Achsantriebs-Zahnradmechanismus 18 auf.
Der Motor 12 ist eine über
eine Drossel gesteuerte Einrichtung, die in einem Drehzahlbereich
auf eine herkömmliche
Weise arbeitet. Der Federdämpfer 14 ist
eine herkömmliche
Einrichtung, die die Torsionsimpulse des Motors 12 effektiv
beseitigt oder wesentlich reduziert, um jegliche merkliche Schwingungen
an der Antriebswelle 42 zu verhindern. Der Achsantriebs-Zahnradmechanismus 18 ist
ein herkömmlicher
Zahnradmechanismus. Das CVT 16 umfasst eine stufenlos verstellbare
Einheit (CVU) 20 in Volltoroidbauform, eine Planetenradanordnung 22, eine
selektiv betätigbare
mechanische Kupplung 24 und eine selektiv in Eingriff bringbare,
fluidbetätigte Reibungskupplung 26.
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Die
CVU 16 weist zwei Antriebselemente 30 und 32,
zwei Abtriebselemente 34 und 36 und mehrere in
gleichen Winkeln beabstandete Traktions- oder Reibrollen 38 und 40 auf.
Die Rollen 38 werden in rollendem Kontakt mit Toroidflächen an
dem Antriebselement 30 und dem Abtriebselement 34 gehalten.
Die Traktionsrollen 40 werden in rollendem Kontakt mit
dem Antriebselement 32 und dem Abtriebselement 36 gehalten.
Diese Art von CVU ist allgemein bekannt. Der Winkel der Traktionsrollen
relativ zur Toroidmitte des Torus, der durch das Antriebselement 30 und
das Abtriebselement 34 gebildet ist, und des Torus, der
durch das Antriebselement 32 und das Abtriebselement 36 gebildet
ist, bestimmt das Antriebsverhältnis
zwischen der Antriebswelle 42, die zwischen dem Dämpfer 14 und
die Antriebselemente 30, 32 geschaltet ist, und
einer Abtriebswelle 44 der CVU, die mit den Abtriebselementen 34, 36 verbunden
ist. Die Abtriebselemente 34, 36 sind aneinander befestigt
oder auf andere Weise einstückig
ausgebildet.
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Der
Planetenradsatz 22 umfasst ein Sonnenradelement 46,
zwei Hohlradelemente 48, 50 und ein Planetenträgerelement 52.
Das Planetenträgerelement 52 weist
einen Träger 60 auf,
an dem mehrere Planetenradelemente 54, 56 und 58 drehbar
getragen sind. Zusätzlich
kämmen
die Planetenradelemente 54 mit dem Sonnenradelement 46,
den Planetenradelementen 56 und den Planetenradelementen 58.
Die Planetenradelemente 56 kämmen mit dem Hohlradelement 50,
und die Planetenradelemente 58 kämmen mit dem Hohlradelement 48.
Die kämmenden
Planetenradelemente 54, 56 und 58 sind
in winklig gleich beabstandeten Dreier- oder Vierergruppen auf eine
allgemein bekannte Art und Weise angeordnet.
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Der
Träger 60 steht
in kontinuierlicher Verbindung für
eine gemeinsame Drehung mit der Antriebswelle 42 der CVT
und den Antriebselementen 30 und 32. Das Sonnenradelement 46 steht
in kontinuierlicher Verbindung für
eine gemeinsame Drehung mit der Abtriebswelle 44 der CVU.
Das Hohlradelement 48 steht in kontinuierlicher Verbindung
für eine
gemeinsame Drehung mit einem Rückwärtsantriebselement 62 der
mechanischen Kupplung 24, und das Hohlradelement 50 steht
in kontinuierlicher Verbindung für
eine gemeinsame Drehung mit einem Vorwärtsantriebs element 64 der
mechanischen Kupplung 24. Die mechanische Kupplung 24 weist eine
herkömmliche
Klauenkupplung vom Handschaltgetriebetyp und einen Synchronisiereinrichtungsaufbau 66 auf,
der für
eine gemeinsame Drehung mit einem Kupplungsantriebselement 68 der Reibungskupplung 26 verbunden
ist. Wie es allgemein bekannt ist, wird der Synchronisiereinrichtungsaufbau
die Verbindung von entweder dem Rückwärtsantriebselement 62 oder
dem Vorwärtsantriebselement 64 mit
dem Kupplungsantriebselement 68 erlauben.
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Die
Reibungskupplung 26 umfasst das Antriebselement 68,
eine erste Vielzahl von Reibungselementen 70, eine zweite
Vielzahl von Reibungselementen 72, eine Nabe 74,
einen Aufbringungskolben 76 und eine Grundplatte 78.
Die Reibungselemente 70 sind über eine Kerbverzahnung oder
Keilnut mit dem Kupplungsantriebselement 68 verbunden.
Die Reibungselemente 72 und die Grundplatte 78 sind mit
der Nabe 74 über
eine Kerbverzahnung oder Keilnut verbunden. Der Aufbringungskolben 76 ist
in der Nabe 74 verschiebbar angeordnet. Die Nabe 74 steht in
Antriebsverbindung mit einer Getriebeabtriebswelle 80,
die mit dem Achsantriebsräderwerk 18 verbunden
ist. Der Kolben 76 und die Nabe 74 wirken zusammen,
um eine Aufbringungskammer 82 zu bilden, die, wenn sie
unter Druck gesetzt ist, bewirken wird, dass der Kolben einen Reibungseingriff
der Reibungselemente 70 und 72 erzwingt, um eine
Antriebsbeziehung zwischen dem Kupplungsantriebselement 68 und
der Getriebeabtriebswelle 80 und daher zwischen dem Motor 12 und
dem Achsantriebsräderwerk 18 herzustellen.
Das Planetenräderwerk 22 stellt
sowohl die Verbindung mit geteiltem Drehmoment auch das Drehzahlverhältnis zwischen
der Antriebswelle 42, der CVU 20 und dem Kupplungsantriebselement 68 der
Abtriebswelle her. Die Reibungskupplung 26 stellt die Anlauf-
oder In gangsetzungsfunktion für
das Fahrzeug, nicht gezeigt, in das der Antriebsstrang 10 eingebaut
ist, bereit.
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Während des
Betriebes werden der Träger 60 und
die Antriebselemente 30 und 32 durch den Motor 12 kontinuierlich
vorwärts
(Motorabtriebsrichtung) angetrieben. Das Sonnenradelement 46 wird rückwärts (entgegengesetzt
der Motorrichtung) angetrieben. Beispielsweise beträgt das Verhältnis der Anzahl
der Zähne
an dem Hohlradelement 48 und an dem Sonnenradelement 46 1,650,
und das Verhältnis der
Anzahl der Zähne
an dem Hohlradelement 50 zum Sonnenradelement 46 beträgt 1,214.
Das maximale Drehzahlverhältnis
ins Langsame (Abtriebsdrehzahl/Antriebsdrehzahl) der CVU 20 beträgt 0,40, und
das maximale Drehzahlverhältnis
ins Schnelle beträgt
2,40. Bei der Einstellung des maximalen Übersetzungsverhältnisses
ins Langsame wird das Hohlradelement 50 entgegengesetzt
zum Sonnenradelement 46 rotieren, um ein Rückwärtsantriebsverhältnis an
dem Element 62 mit einem Wert von 0,15 bereitzustellen.
Durch das gesamte Übersetzungsverhältnisspektrum
der CVU 20 hindurch werden das Hohlradelement 50 und
das Element 64 entgegengesetzt zum Sonnenradelement 46 in
einem Wertebereich zwischen 0,15 (Übersetzungsverhältnis ins Langsame)
und 1,80 (Übersetzungsverhältnis ins Schnelle)
rotieren. Wenn die Kupplung 26 außer Eingriff steht, wird die
Abtriebswelle 80 von der Motorleistung getrennt. Um das
Fahrzeug in entweder der Vorwärtsrichtung
oder der Rückwärtsrichtung
in Gang zu setzen, wird die Kupplung 26 auf eine gesteuerte
Weise durch ein herkömmliches
Kupplungseingriffssystem in Eingriff gebracht, das im Allgemeinen
entweder eine elektronische Steuerung oder eine Handsteuerung umfasst.
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Das Übersetzungsverhältnis der
CVU 20 wird durch eine herkömmliche elektronische Steuerung
gesteuert, die einen herkömmlichen
programmierbaren digitalen Computer und eine Vielzahl von Eingangssignalen,
wie beispielsweise Drehzahl, eingestelltes Übersetzungsverhältnis, angestrebtes Übersetzungsverhältnis, Drosseleinstellung
und gewählte
Fahrbedingung, umfasst. Wenn von dem Bediener der Rückwärtsantrieb
ausgewählt
wird, wird die CVU 20 auf den Zustand des maximalen Übersetzungsverhältnisses
ins Langsame eingestellt werden, und während des gesamten Motordrehzahlbereiches
bei dieser Einstellung bleiben, wie es bei Punkt 82 des
Drehzahl-Diagramms in 2 gezeigt ist. Wenn der Bediener
den Vorwärtsantriebszustand auswählt, wird
das Übersetzungsverhältnis der
CVU 20 auch auf den Zustand des maximalen Übersetzungsverhältnisses
ins Langsame eingestellt werden. Wenn jedoch der Bediener die Drossel
betätigt, kann
sich entweder das Übersetzungsverhältnis der CVU 20 verändern oder
die Motordrehzahl kann sich verändern,
oder beide können
sich verändern.
Das gesamte Übersetzungsverhältnis des
CVT 16 wird entlang der Linie 84 zwischen den
Punkten 86 und 88 arbeiten, wie es in 2 gezeigt
ist. Der Abtrieb der CVU 20 wird entlang der Linie 90 zwischen
den Punkten 92 und 94 des Drehzahl-Diagramms in 2 gesteuert,
und mit der vorliegenden Ausführungsform
variiert das Antriebs/Abtriebs-Verhältnis zwischen –0,40 bis –2,40. Der
mechanische Eingang in die CVU 20 ist durch den Vektor 96 dargestellt
und weist einen Endpunkt 98 auf, der Eins oder +1,0 beträgt. Die ”Y”-Achse
des Diagramms stellt die Drehzahlbeziehung zwischen den Elementen
des Planetenradsatzes 22 dar, und die ”X”-Achse stellt die Übersetzungsverhältnisse
der Elemente des Planetenradsatzes 22 dar. Der Punkt 100 stellt
das Trägerelement 52 dar,
der Punkt 102 stellt das Hohlradelement 48 dar,
der Punkt 104 stellt das Hohlradelement 50 dar
und der Punkt 106 stellt das Sonnenradelement 46 dar.
Die Abstände
entlang der ”Y”-Achse sind
durch die Zähneverhältnisse
der Hohlradelemente zum Sonnenradelement festgelegt.
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Zusammengefasst
weist ein Antriebsstrang einen Motor, ein stufenloses Getriebe (CVT),
einen Anlaufmechanismus und ein Achsantriebsräderwerk auf. Das CVT umfasst
eine stufenlos verstellbare Einheit (CVU) in der Form einer Volltoroid-Traktionseinheit,
eine Planetenradanordnung und zwei mechanische Kupplungen, die mit
dem Anlaufmechanismus über
einen Synchronisieraufbau verbindbar sind. Die Planetenradanordnung
stellt sowohl einen Vorwärtsübersetzungsweg
als auch einen Rückwärtsübersetzungsweg
und eine Funktion einer Drehmomentaufteilung oder -summierung bereit.