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CVT-Getriebe sind moderne Getriebesysteme für Fahrzeug- und Maschinenbau, die
durch eine kontinuierliche Anpassung der Übersetzung an den jeweiligen
Wandlungsbedarf entscheidende Vorteile bezüglich Wirkungsgrad und Leistungsfähigkeit
von Antriebssträngen bieten.
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Die heute verwendeten CVT-Getriebe basieren im Allgemeinen auf einem
kraftschlüssigen Wirkflächenpaar und entsprechenden Anschlusselementen für die
Wellensysteme. Ein Problem solcher Systeme ist der im kraftschlüssigen Kontakt
notwendige hohe Bedarf an Anpresskräften. Dies verschlechtert den Wirkungsgrad.
Ferner kommt dem Verschleiß eine besondere Bedeutung zu. Die Aufgabenstellung
besteht darin, den Reibkontakt in Zugmittelgetrieben mit kontinuierlicher Verstellung im
Funktionskontakt zwischen Kegelscheiben Pully 9, 11 und Zugmittel 34, 10 möglichst zu
erhöhen und andererseits im Zugmittel selbst niedrige Reibungsverluste bei der
Bewegung für die Umschlingung sicher zu stellen (Fig. 1).
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Der gegenwärtige Stand der Technik verwendet metallische Zugmittel in Form von Ketten
34, 10, bei denen die Kraftübertragung über so genannte Wegedruckstücke in einem
Metall-Metall-Kontakt zu den Kegelscheiben erfolgt. Die spezielle Form der
Wegedruckstücke erlaubt eine Reduzierung der Leistungsverluste beim Bewegen des
Zugmittels.
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Ein weiterer Ansatz verwendet so genannte Schubgliederbänder, bei denen ebenfalls
über einen Metall-Metall-Kontakt zwischen Pully und Umschlingungsmittel die Kräfte in
dieses eingeleitet werden. Dort wird aber im wesentlichen durch auf Druck beanspruchte
Elemente die Kraftleitung im Zugmittel selbst realisiert.
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Das so genannte Schubgliederband aber auch die Wegedruckstückkette nutzen einen
Metall-Metall-Kontakt zur reibkraftschlüssigen Übertragung der Leistung zwischen den
Verstellscheiben und den Zugmitteln. Das System muss, um es im Verschleiß
ausreichend sichern zu können, geschmiert werden. Der dabei sich einstellende
Systemreibwert ist niedrig, im Allgemeinen deutlich kleiner als 0,1. Dies führt zu relativ
hohen Anpresskräften, die den Wirkungsgrad eines solchen Getriebes verschlechtern.
Diese Nachteile gelten prinzipiell für die heute verwendeten Druckmittel, Zugmittel und
Umschlingungsmittel.
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Die im folgenden beschriebene Erfindung hat das Ziel, den Reibwert im Kontakt zwischen
Zugmittel und Reibscheibe zu erhöhen und gleichzeitig in den Elementen des Zugmittels
selbst einen möglichst niedrigen Bewegungsreibwert sicherzustellen, um so die
Kettenverluste zu reduzieren.
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Dieses wird durch eine hybride Konstruktion erreicht. Durch geeignete Wahl der
Werkstoffe an beiden Reibflächen, wie beispielsweise Keramik, technische Keramik,
Kunststoff oder geeignete Stähle, ist es möglich, einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die
Definition des Reibwertes im Scheibenkontakt zu erreichen. Durch die Werkstoffpaarung
im Wirkflächenpaar, beispielsweise Keramik-Metall, Keramik-Keramik, Keramik-
Kunststoff, kann der sich einstellende Reibwert und auch das Verschleißverhalten
entscheidend beeinflusst werden. Grundlagenuntersungen haben gezeigt, dass der
Reibwertes durch den Einsatz von der vorgenannten Materialien, wie beispielsweise
Keramik, technische Keramik, Kunststoff oder geeignete Stähle, den gewünschten
Gegebenheiten genau angepasst werden kann. Bevorzugt soll hierdurch eine deutliche
Steigerung des Reibwertes erreicht werden.
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Um jetzt zusätzlich in den Bewegungsgliedern innerhalb des Zugmittels eine niedrige
Reibung zu erzeugen, wird eine hybride Konstruktion vorgeschlagen. Diese besteht im
Prinzip aus einem Hohlkörper bzw. Hohlstift. Eine mögliche einfache Ausprägung wäre
eine Hülse, in die ein keramischer Werkstoff eingearbeitet wird (Fig. 2 und Fig. 3). Der
keramische Werkstoff übernimmt dabei die Funktion der Leistungsübertragung im
Wirkflächenpaar zu den Scheibensätzen, während die metallische Hülse den Kontakt zu
den metallischen Elementen des Zugmittels sicherstellt. Damit können an beiden
Wirkflächenpaaren, Wirkflächenpaar zum Zugmittel und Wirkflächenpaar zu den
Scheibensätzen, unterschiedliche Reibwerte eingestellt werden. Der Kern der Erfindung
ist der hybride Aufbau des Stiftelementes von Zugmitteln mit einer Variation der, in den
Wirkflächenpaaren zu den Triebscheiben und in den Wirkflächenpaaren zu den
Zugmittelelementen innerhalb der Kette unterschiedliche Reibungen und
Verschleißparameter durch jeweils separate tribologische Systeme ermöglichen.
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Der hybride Aufbau bietet eine großen Anzahl weiterer Vorteile. Der Hohlkörper, der in
einer beliebigen Form ausgestaltet werden kann, vorteilhaft z. B. auch als Hülse, lässt
sich beispielsweise aus einem hochfesten Stahl herstellen. Da in einem Kettenzugmittel
diese Bolzen im wesentlichen auf Biegung beansprucht werden, ist der entscheidende
Vorteil, dass die Hülse diese Biegebeanspruchungen sehr gut übertragen kann. Da eine
Hülsenkonstruktion Material dort ansammelt, wo die größten Beanspruchungen auftreten
(Biegeträger), ist es besonders vorteilhaft, diesen Aufbau zu wählen. Durch geeignete
Variation der Form der Hülsen lassen sich nun unterschiedliche weitere technische
Lösungen ableiten, siehe Fig. 3 bis 8.
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Die Keramik ist weniger geeignet, Zug- oder Biegebeanspruchungen zu übertragen. Der
hybride Aufbau ermöglicht somit, diese Nachteile zu umgehen. Durch die vorgeschlagene
vorteilhafte Konstruktion werden die Biegebeanspruchungen von dem keramischen Teil
des Stiftes weitestgehend weggenommen. Dadurch ist es möglich, relativ frei die Art der
technischen Keramik zu wählen. Ein weiterer Vorteil ist es, durch eine entsprechende
Vorspannung des hülsenartig aufgebauten Körpers den keramischen Innenkörper unter
eine Druckvorspannung zu setzen. Dies erhöht die Tragfähigkeit des keramischen Teiles.
Eine Anpassung der Verschleißeigenschaften ist ebenfalls durch vorteilhafte Gestaltung
der keramischen Kontaktflächen möglich. Auch hier gibt es einige weitere Ideen, wie z. B.
in der Fig. 3 angedeutet ist.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil der vorgeschlagenen Konstruktion ist die einfache
Herstellung. Alternative Lösungen, bei denen eine Stahlkette gegen einen keramischen
Scheibensatz verwendet wird, bedingen relativ hohe Kosten für diesen keramischen
Scheibensatz, da der Keramikanteil hoch ist. In der vorgeschlagenen Bauform kann der
Anteil der verwendeten Keramik reduziert werden. Durch Einsatz von technischer Keramik
mit niedriger Dichte kann zusätzlich die Trägheitswirkung in der Kette reduziert werden.
Damit können weitere dynamische Vorteile erreicht werden.
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Der keramische Innenteil des hülsenartigen Körpers kann z. B. durch einsintern eines
Grünkörpers erzeugt werden. Auch hier ist eine vorteilhafte Verbindung zwischen dem
Metall- und dem Keramikpart möglich.
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Ein weiterer Vorteil bei der Herstellung des vorgeschlagenen Prinzips ist nutzbar, wenn
der vorgeschlagene Stift in seinem inneren Bereich nicht vollständig mit Keramik gefüllt
wird. Hier könnte ein Stift mit jeweils stirnseitigen Vertiefungen genutzt werden, um in
diese Vertiefungen hinein direkt die keramischen Anteile einzubringen. Dadurch kann der
Keramikanteil weiter reduziert und auf die Wirkflächen beschränkt werden.
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Eine weitere Idee ist in der Fig. 2 angedeutet. Durch den vorgeschlagenen Aufbau wird
es möglich, Kontakt zwischen zwei Werkstoffen, vorzugsweise einen Keramik-Keramik-
Kontakt, in einem CVT-Scheibensatz zu realisieren. Es wird dazu vorgeschlagen,
zunächst einmal das Zugmittel in dem vorgeschlagenen Aufbau mit einem keramischen
Stiftelement aufzubauen. Ferner könnten die Scheibensätze ebenfalls hybrid aufgebaut
werden, wo auf der Basis eines Stahlträgers (1, 4) jeweils eine dünne Plattierung einer
Schicht aus anderem Material aufgebracht wird (2, 3). Diese dünne Plattierung kann
beispielsweise als keramisches Plattenelement aufgebaut werden bzw. als dünne
Beschichtung. Hierdurch kann zusätzlich durch entsprechende Anpassungen und das
Verschleißverhalten beeinflusst werden.
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Vorteilhaft wäre hier als weitere Möglichkeit die Wahl von unterschiedlichen Keramiken in
den Stiften des Zugmittels und zusätzlich in den Kegelscheiben, wie in Fig. 2 ebenfalls
zu erkennen ist.
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In Fig. 7 ist ein weiterer Vorteil eines solchen Zugmittels dargestellt. Fig. 7 beschreibt
ein Zugmittel, das ähnlich dem so genannten Van-Dorne-Band auf Druckbeanspruchung
die Kraftübertragung im Zugmittel realisiert. Die Hülsen mit deren Keramikseelen, die wie
oben beschrieben aufgebaut sein könnten, werden so geformt, dass sie Druckelemente
bilden, die dann eine Übertragung der Druckkräfte erlauben. Zur Führung dieser Elemente
im Raum werden Bänder (17) vorgesehen, die einen Verbund zwischen diesen
Elementen erzeugen. Hier ist jetzt wieder besonders vorteilhaft, dass der Reibkontakt zur
Scheibe, wo ein hoher Reibwert gewünscht wird, als tribologisches System unabhängig
von dem Kontakt Metall-Metall zwischen den beiden Elementen optimiert werden kann.
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Fig. 1 zeigt die prinzipielle Darstellung eines Umschlingungsmittels 34 mit den
Wirkflächen 10, die reibkraftübertragend mit den Kegelscheiben 9, 11 in Kontakt treten.
Hierbei können auch die Beschichtungen der beiden Scheiben 9,11 unterschiedlich sein.
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Fig. 2 zeigt einen exemplarischen Aufbau des Zusammenspiels in einem CVT-
Scheibensatz. Der Aufbau ermöglicht, einen Keramik-Keramik-Kontakt in einem CVT-
Scheibensatz zu realisieren. Das Zugmittel wird mit einem keramischen Stiftelement
aufgebaut. Die Scheibensätze können ebenfalls hybrid aufgebaut werden, wobei
beispielsweise auf der Basis eines Stahlträgers (1, 4) jeweils eine dünne Plattierung einer
keramischen Schicht aufgebracht wird (2, 3).
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Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Kettenbolzens. Hierbei kann der innere Bereich des Stifts
12 beispielsweise aus Keramik gestaltet sein. 15 stellt das Wirkflächenpaar zwischen
innerem und äußerem Teil des Kettenbolzens dar. Hier ist auch eine feste Verbindung
möglich.
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Fig. 4 zeigt den Kettenbolzen in der Draufsicht mit dem hülsenartigem Außenteil 17 aus
Werkstoff 1 und dem inneren Bolzenbereich 18 aus Werkstoff 2.
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Fig. 5 zeigt beispielhaft die Kombination von Bolzen 29 und Laschen 27, 28 zu einem
Zugmittel, wobei der Bolzen mit der Kontaktzone des Hülsenbereichs 17 zu den Laschen
in getrenntem tribologischen Kontakt steht.
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Fig. 6 zeigt exemplarisch eine Ketten- und Laschenanordnung mit Darstellung eines
hybriden Kontaktes, wobei die Hülsen für die Eigenbewegung und innere Bewegung der
Ketten hier einen getrennten Kontaktbereich zu den Laschen aufbauen, der vom inneren
Werkstoff 32, der den Friktionskontakt zu den Kegelscheiben aufbaut, unabhängig ist.
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Fig. 7 zeigt eine besondere Ausprägung der Hülse als Element für ein
Umschlingungsmittel, das auf Druckübertragung funktioniert. Die Elemente 20 bilden
miteinander Wirkflächenpaare und können so aufeinander abrollen und gleichzeitig im
Schub die Kräfte zwischen den beiden Scheibensätzen übertragen. Die Bänder 19 dienen
zur Aufrechterhaltung des Gesamtverbandes.
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Fig. 8 zeigt eine Anordnung von Kettenbolzen und Laschen mit besonderer Ausprägung,
um so das Abrollen der Bolzen aufeinander zu ermöglichen. Die Laschen des Zugmittels
werden hier vorteilhaft mit Langlöchern versehen. Diese Langlöcher erlauben es, in jeder
Lasche einen vorzugsweise ovalförmig gestalteten Bolzen anzulenken. Zwischen den
Laschen und den Hülsen der Bolzen 25 und 26 entstehen großflächige Kontakte, die eine
gute Kraftübertragung erlauben. Um die Beweglichkeit der Kette und damit
Wirkungsgradverluste zu reduzieren bilden jeweils zwei Bolzen ein weiteres
Wirkflächenpaar, in dem sich ihre Hülsen berühren (26 und 25). Diese Berührbereiche
können aufeinander abrollen und somit vorteilhaft mit geringer Reibung eine
Beweglichkeit der Kette erlauben.
Bezugszeichenliste
1, 4 Kegel-Scheibe (Pully)
2 Beschichtung 1 (Keramik oder anderer Werkstoff)
3 Beschichtung 2 (Keramik oder anderer Werkstoff)
5 Stift mit Innenbereich aus Werkstoff 2
6 Hülse aus Werkstoff 1
7, 8 Kettenlaschen
9 Scheibe 1
10 Wirkflächen der Kontaktstifte
11 Scheibe 2
12 innerer Bereich des Stifts, z. B. aus Keramik
13 Bolzen
14 Wirkflächen
15 Wirkflächenpaar zwischen innerem und äußerem
Teil des Kettenbolzens
16 Hülse
17 hülsenartiges Außenteil aus Werkstoff 1
18 innerer Bolzenbereich aus Werkstoff 2
19 Haltebänder
20 geformte Hülse
21 innerer Bereich der Hülse aus Werkstoff 2 für Friktionskontakt
zu den Scheiben 9, 11
22 Lasche mit Langloch
23 Gegenlasche mit Langloch
24 Kettenbolzen mit Werkstoff 2 im inneren Bereich
25 Hülse des Bolzens, Bolzen
26, 27, 28 Lasche
29 Bolzen
30, 31 Kettenlasche
32 Kettenbolzen Innenbereich
33 Kettenbolzen Außenbereich
34 Umschlingungsmittel