DE10229579A1 - Toroid-Getriebescheibe - Google Patents
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- F16H61/664—Friction gearings
- F16H61/6649—Friction gearings characterised by the means for controlling the torque transmitting capability of the gearing
Abstract
Toroid-Getriebescheibe mit einer konkav gekrümmten Lauffläche, auf der Roller eines Toroidgetriebevariators abrollbar sind. Die Toroid-Getriebescheibe weist zwei Teilscheiben auf, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, nämlich eine Traktionsscheibe, in der die Lauffläche ausgebildet ist und eine Stützscheibe, die koaxial zur Traktionsscheibe angeordnet ist. Die Stützscheibe ist zur Abstützung der Axialkräfte vorgesehen, welche von den Rollern über die Lauffläche in die Traktionsscheibe eingeleitet werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Toroid-Getriebescheibe gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 12.
- Aus der
DE 199 62 694 A1 ist ein Toroid-Getriebe mit einer Eingangsscheibe und einer Ausgangsscheibe bekannt, wobei zur Drehmomentenübertragung von der Eingangsscheibe auf die Ausgangsscheibe verschwenkbare Roller vorgesehen sind. Die Ausgangsscheibe ist auf einer Welle gelagert und über einen Keil drehfest mit einem Abtriebszahnrad verbunden. Zur Drehmomentenübertragung von der Eingangsscheibe auf die Ausgangsscheibe ist eine relativ hohe Kontaktkraft zwischen den Scheiben und dem Roller erforderlich. Die Scheiben sind daher sehr steif, das heißt massiv und schwer ausgeführt. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Toroid-Getriebescheibe zu schaffen, die eine hohe Steifigkeit und ein relativ geringes Gewicht bzw. eine relativ geringe Massenträgheit aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Das Grundprinzip der Endung besteht in einer Toroidgetriebescheibe mit „Hybridbauweise". Unter dem Begriff „Hybridbauweise" sind gemäß der Erfindung folgende beiden Grundvarianten zu verstehen:
- – Eine Toroid-Getriebescheibe bestehend aus einem sehr steifen und leichten Grundkörper mit einer konkav gekrümmten Lauffläche. Auf den Grundkörper ist zumindest im Bereich der Lauffläche eine Lauf- oder Traktionsschicht aufgebracht. Die Lauf- oder Traktionsschicht ist hinreichend hart, um die beim Abrollen von Rollern eines Toroid-Getriebevariators auftretenden Kräfte aufzunehmen.
- – Eine Toroid-Getriebescheibe, die zwei auf einer Welle angeordnete Teilscheiben aufweist, welche aus unterschiedlichen Materialen bestehen. Eine der Teilscheiben fungiert als „Traktionsscheibe", in der die konkav gekrümmte Lauffläche ausgebildet ist. Koaxial zur Traktionsscheibe ist eine Stützscheibe angeordnet, die Axialkräfte, welche von den Rollern über die Lauffläche in die Traktionsscheibe eingeleitet werden, abstützt. Die Stützscheibe ist über eine Welle-Nabe-Verbindung drehfest mit der Welle verbunden. Die Traktionsscheibe und die Stützscheibe können formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig in Drehrichtung miteinander verbunden sein.
- Vorzugsweise besteht die Traktionsscheibe aus einem Material, das einen geringeren Elastizitätsmodul (E-Modul) aufweist als das Material der Stützscheibe. Die Traktionsscheibe besteht im wesentlichen aus einem durchgehärteten oder zumindest im Bereich der Lauffläche bis in eine gewisse Tiefe gehärteten Material, z.B. aus einem hochreinen luftgehärteten Wälzlagerstahl. Aus Gründen der Massenträgheit ist es von Vorteil, wenn das Material der Stützscheibe eine geringere Dichte aufweist als das Material der Traktionsscheibe. Aus Steifigkeitsgründen muss die Stützscheibe nämlich gewisse „Mindestabmessungen" bzw. eine gewisse Mindestgröße aufweisen, so dass die Dichte des Stützscheibenmaterials nicht zu groß, d.h. nicht zu schwer sein sollte. Das Material der Stützscheibe sollte jedoch einen möglichst hohen E-Modul aufweisen.
- Als Material für die Stützscheibe kann beispielsweise ein Metall-Matrixkompositwerkstoft, z.B. ein Stahl-Matrix-Werkstoff verwendet werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Toroidgetrieben, bei denen die Scheiben aus hochreinem Wälzlagerstahl bestehen, weist ein Stahl-Matrixkompositwerkstoff einen um circa 40% größeren E-Modul (292 GPa im Vergleich zu 210 GPa) auf und eine um circa 20% geringere Dichte (
6,5 kg/dm3 im Vergleich zu 7,8 kg/dm3). Durch die „Aufsplittung" der Toroidgetriebescheibe in zwei Teilscheiben kombiniert mit einer geeigneten Werkstoffwahl kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Toroidgetriebescheibe eine deutliche Gewichtseinsparung erreicht werden. - Zur Drehmomentenübertragung von der Traktionsscheibe auf die Stützscheiben bzw. umgekehrt können diese formschlüssig miteinander gekoppelt sein. Die Traktionsscheibe und die Stützscheibe können beispielsweise in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Ausnehmungen aufweisen, in die jeweils eine Kugel eingreift, über die das Drehmoment übertragen wird. Eine derartige Kugel-Kalotten-Mitnahme hat den Vorteil, dass kaum oder nur sehr geringe Kerbwirkungen auftreten.
- Die Traktionsscheibe kann beispielsweise aus hochreinem Wälzlagerstahl hergestellt sein. Die Stützscheibe hingegen kann aus hochfesten und leichten Keramikmaterialen hergestellt sein, wie zum Beispiel
- – Al2O3, E-Modul: 380
GPa, Dichte 3
, 98kg/dm3 - – Si3N4, E-Modul: 305
GPa, Dichte 3
, 20 kg/dm3 - – Al2O3ZrO3, E-Modul: 350 GPa, Dichte 4,37 kg/dm3
- Entsprechend der Volumenaufteilung auf Traktions- und Stützscheibe ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen einstöckigen Toroid-Getriebescheiben aus Wälzlagerstahl eine deutliche Gewichtseinsparung.
- Alternativ dazu kann die Stützscheibe aus einem Metall-Matrixkompositwerkstoff hergestellt sein, zum Beispiel aus einem Titan-MMC, das heißt aus Ti6Al6V2Sn + 10% TiC-Partikeln mit einem E-Modul von 142 GPa und einer Dichte von 4,56 kg/dm3.
- Alternativ zu einer formschlüssigen Drehkopplung der Traktionsscheibe und der Stützscheibe können diese auch rein kraftschlüssig gekoppelt sein. Aufgrund der hohen Axialkräfte, die in einem Toroid-Getriebevariator auftreten, kann nämlich bei einem hinreichend hohem Reibkoeffizienten zwischen der Traktions- und der Stützscheibe das Drehmoment auch rein kraft- bzw. reibschlüssig übertragen werden.
- Wie bereits erwähnt, ist die Stützscheibe über eine Welle-Nabe-Verbindung drehfest mit einer Welle verbunden. Der „stützscheibenseitige" Teil der Welle-Nabe-Verbindung kann vorzugsweise bereits bei der Herstellung der Stützscheibe, d.h. im Urformprozess hergestellt werden, was den Vorteil hat, dass nicht oder nur in geringem Umfang Nacharbeit erforderlich ist. Die Stützscheibe mit einem Kerbzahnprofil als Welle-Nabe-Verbindung wird beispielsweise durch Sintern hergestellt.
- Die aufwändige und insbesondere bei Stahl-Matrix-Werkstoffen sehr kostenintensive Wellenzentrierung erfolgt über die Innenbohrung der Traktionscheibe. Die Innenbohrung kann aus Belastungsgründen ballig ausgeformt sein.
- Im folgenden wird die Erfindung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Toroid-Getriebescheibe in Schnittdarstellung; -
2 eine perspektivische Ansicht der Toroid-Getriebescheibe der1 ; -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Toroid-Getriebescheibe; -
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Toroid-Getriebescheibe; und -
5 eine Toroid-Getriebescheibe, bei der die Traktionsscheibe hydraulisch axial verschiebbar ist. -
1 zeigt eine Toroid-Getriebscheibe1 bestehend aus einer Lauf- oder Traktionsscheibe2 , die eine umlaufende konkav gekrümmte Lauffläche3 aufweist und einer Stützscheibe4 , die hier über eine Keilverzahnung5 drehfest mit einer Welle6 verbunden ist. Alternativ dazu kann auch ein Zahnwellenprofil vorgesehen sein. Die Traktionsscheibe2 weist eine ballige Ausnehmung7 auf, die hier an der Welle6 anliegt. Über die ballige Ausnehmung7 wird die Traktionsscheibe auf der Welle6 zentriert. - Die Stützscheibe
2 weist ferner einen umlaufenden sich in Axialrichtung erstreckenden Zentrierbund8 auf, der den Außenumfang9 der Stützscheibe4 umgreift und der die Traktionsscheibe2 relativ zur Stützscheibe4 zentriert. Am Außenumfang9 bzw. am Zentrierbund8 sind über den Umfang verteilt mehrere Ausnehmungen vorgesehen, in denen jeweils eine Kugel10 vorgesehen ist, welche die Traktionsscheibe2 in Umfangsrichtung formschlüssig, das heißt drehfest mit der Stützscheibe4 koppeln. Die Kugeln10 dienen also zur Drehmomentenübertragung von der Traktionsscheibe2 auf die Stützscheibe4 bzw. umgekehrt (Kugel-Kalotten-Mitnahme). - Ganz wesentlich ist, dass die Traktionsscheibe
2 aus einem anderen Material hergestellt ist als die Stützscheibe4 . Die Traktionsscheibe2 weist einen kleineren E-Modul als die Stützscheibe4 auf. Die Stützscheibe weist einen möglichst großen E-Modul auf. Ferner weist die Traktionsscheibe2 eine größere Dichte als die Stützscheibe4 auf. Die Stützscheibe4 ist somit sehr steif und gleichzeitig leicht. Die Traktionsscheibe2 hingegen weist eine sehr hohe Festigkeit auf und kann daher problemlos die von den Rollern auf die Lauffläche3 ausgeübten hohen Flächenpressungen (Hertz'sche Pressung) aufnehmen und Drehmomente übertragen. -
2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Toroid-Getriebescheibe von der Stützscheibe4 aus gesehen. -
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Traktionsscheibe2 keinen Zentrierbund aufweist. Die Traktionsscheibe2 ist an ihrer Rückseite wie beim Ausführungsbeispiel der1 abgeflacht und liegt flächig an der Vorderseite der Stützscheibe4 an. Die Traktionsscheibe2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel allein über die ballige Ausnehmung7 auf der Welle6 zentriert. Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der1 ist zur Drehmomentenübertragung von der Traktionsscheibe2 auf die Stützscheibe4 bzw. umgekehrt eine Kugel-Kalotten-Anordnung mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Kugeln10 vorgesehen, die formschlüssig in die Traktionsscheibe2 und die Stützscheibe4 eingreifen. Selbstverständlich können anstatt einer Kugel-Kalotten-Anordnung auch andere kerbunempfindliche Formschlusselemente verwendet werden. -
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an der Vorderseite der Stützscheibe4 zwei ringförmige Kontaktflächen11 ,12 vorgesehen sind. Über die ringförmigen Kontaktflächen11 ,12 werden die in die Traktionsscheibe2 eingeleiteten Axialkräfte aufgenommen. Zwischen den ringförmigen Kontaktflächen11 ,12 und radial innerhalb der inneren ringförmigen Kontaktfläche11 weist die Stützscheibe4 Materialaussparungen13 ,14 auf, welche das Gewicht der Stützscheibe4 weiter verringern, ohne die Steifigkeit wesentlich zu beeinträchtigen. Zur Übertragung von Drehmomenten von der Traktionsscheibe2 auf die Stützscheibe4 und umgekehrt sind ähnlich wie bei den Ausführungsbeispielen der1 und3 Kugeln10 vorgesehen. Auch hier ist die Stützscheibe4 über eine Keilverzahnung5 mit der Welle6 drehgekoppelt. -
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Traktionsscheibe2 axial verschieblich in einer ringzylindrischen Ausnehmung15 der Stützscheibe4 angeordnet ist. Die Traktionsscheibe2 ist über Kugeln10 drehfest mit der Stützscheibe4 gekoppelt. An der Rückseite der Traktionsscheibe2 ist ein ringförmiges Stützelement16 angeordnet. Die Traktionsscheibe2 ist mittels Dichtringen17 ,18 fluiddicht bzw. druckdicht gegenüber der Stützscheibe4 abgedichtet. Zwischen der Rückseite der Traktionsscheibe2 bzw. des Stützelementes16 und der Stützscheibe4 ist eine Druckkammer19 vorgesehen, die über eine Verbindungsbohrung20 in Fluidverbindung mit einem Fluidkanal21 steht, der sich axial in der Welle6 erstreckt, die hier einstöckig mit der Stützscheibe4 verbunden ist. - Über den Fluidkanal kann Fluid, z.B. Öl in die Druckkammer eingebracht bzw. daraus abgeführt werden, was ein axiales Verschieben der Traktionsscheibe
2 relativ zur Stützscheibe4 ermöglicht.
Claims (14)
- Toroid-Getriebescheibe (
1 ) mit einer konkav gekrümmten Lauffläche (3 ), auf der Roller eines Toroidgetriebevariators abrollbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Toroid-Getriebescheibe (1 ) zwei Teilscheiben aufweist, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, nämlich eine Traktionsscheibe (2 ), in der die Lauffläche (3 ) ausgebildet ist und eine Stützscheibe (4 ), die koaxial zur Traktionsscheibe (2 ) angeordnet ist und die Axialkräfte, welche von den Rollern über die Lauffläche (3 ) in die Traktionsscheibe (2 ) eingeleitet werden, abstützt. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ), nach Anspruch 1 wobei das Material der Traktionsscheibe (2 ) einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist als das Material der Stützscheibe (4 ). - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach Anspruch 1 oder, wobei das Material der Stützscheibe (4 ) eine geringere Dichte aufweist als das Material der Traktionsscheibe (2 ). - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Traktionsscheibe (2 ) und die Stützscheibe (4 ) in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach einem Ansprüche 1 bis 4, wobei die Traktionsscheibe (2 ) und die Stützscheibe (4 ) jeweils Ausnehmungen aufweisen, in die jeweils eine Kugel (10 ) eingreift, welche die Traktionsscheibe (2 ) und die Stützscheibe (4 ) in Umfangsrichtung formschlüssig verbinden, wobei in Umfangsrichtung verteilt mehrere Kugeln (10 ) vorgesehen sind. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Traktionsscheibe (2 ) und die Stützscheibe (4 ) auf einer gemeinsamen Welle (6 ) angeordnet sind und wobei die Stützscheibe (4 ) drehfest mit der Welle (6 ) verbunden ist. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Traktionsscheibe (2 ) einen axial abstehenden Zentrierbund (8 ) aufweist, der am Außenumfang der Stützscheibe (4 ) anliegt und die Traktionsscheibe (2 ) relativ zur Stützscheibe (4 ) zentriert. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Traktionsscheibe (2 ) und die Stützscheibe (4 ) über zwei radial voneinander beabstandete ringförmige Berührflächen (11 ,12 ) aneinander anliegen. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Traktionsscheibe (2 ) und die Stützscheibe (4 ) in Axialrichtung durch eine mit einem Fluid gefüllte Kammer (19 ) voneinander beabstandet sind, wobei die Traktionsscheibe (2 ) in Axialrichtung relativ zur Stützscheibe (4 ) verschiebbar ist, indem Fluid in die Kammer (19 ) eingebracht oder aus der Kammer (19 ) abgeführt wird. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach einem Ansprüche 1 bis 9, wobei die Stützscheibe (4 ) eine ringzylindrische Ausnehmung (15 ) aufweist, in der die Traktionsscheibe (2 ) axial verschieblich angeordnet ist, wobei durch die Ausnehmung (15 ) und die Traktionsscheibe (2 ) eine mit einem Fluid gefüllte Kammer (19 ) gebildet ist. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach Anspruch 10, wobei die Stützscheibe (4 ) mit einem Wellenabschnitt (6 ) verbunden ist, wobei in der Welle (6 ) ein zentraler Fluidkanal (21 ) vorgesehen ist, der mit der Kammer (19 ) in Fluidverbindung steht. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) mit einer einer konkav gekrümmten Lauffläche (3 ), auf der Roller eines Toroidgetriebevariators abrollbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Toroid-Getriebescheibe (1 ) aus einem Grundkörper und einer unmittelbar darauf aufgebrachten Traktionsschicht besteht, wobei sich das Material des Grundkörpers vom Material der Traktionsschicht unterscheidet. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach Anspruch 12, wobei das Material der Traktionsschicht einen geringeren E-Modul aufweist als das Material des Grundkörpers. - Toroid-Getriebescheibe (
1 ) nach Anspruch 12, oder 13, wobei das Material des Grundkörpers eine geringere Dichte aufweist als das Material der Traktionsschicht.
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