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Die Erfindung betrifft eine Rolleraufhängung für eine Cavity
eines stufenlosen Halbtoroidgetriebes, bestehend aus einer Trägerstruktur,
in der mehrere Trunnion mit auf ihnen gelagerten Rollern kippbeweglich
gelagert sind, und einer vorzugsweise hydraulisch betätigten Verstelleinrichtung,
mittels der die Trägerstruktur
oder zumindest Teile davon gegenüber
einem gehäusefesten
Gestell beweglich gelagert sind und mittels der einstellbare Reaktionsmomente
von der Rolleraufhängung
auf das Gestell übertragen
werden können.
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Moderne Halbtoroidgetriebe und ihre
Rolleraufhängungen
sind aus vielen Schriften, z.B. der
DE 19721445 C2 und der
DE 69017792 T2 bekannt.
Solche Toroidgetriebe bestehen aus zwei Halbgetrieben (cavities),
die axial gegeneinander verspannt sind, um die hohe Vorspannung
zur Erzeugung der Kontaktnormalkräfte innerhalb des Getriebes
kurz zu schließen.
Jedes Halbgetriebe hat eine Antriebs-Torusscheibe und eine Abtriebs-Torusscheibe.
U einer zwischen den Torusscheiben angeordneten Rolleraufhängung hängen mehrere
Roller, die mit beiden Scheiben in Kontakt stehen. In Volltoroidgetrieben schließen die
beiden Kontaktnormalen in den Kontaktstellen zu den Torusscheiben
einen Winkel von 180° ein,
in Halbtoroidgetrieben ist dieser Winkel kleiner als 180°. Zur Verstellung
der Übersetzung
können
die Roller im Torusraum verkippt werden.
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Zur Übersetzungsänderung sind die beiden Cavities
kraft- bzw. momentengeregelt. Durch hydraulischen Druck wird die
zu übertragende
Traktionskraft an jedem einzelnen Roller zwischen den Antriebs-
und Abtriebsscheiben vorgegeben. Stehen diese Druckkräfte nicht
im Gleichgewicht mit den tatsächlich
wirkenden Traktionskräften,
so erlaubt die Rolleraufhängung
eine Auslenkbewegung und eine Kippbewegung der Roller im Torusraum.
Im wesentlichen durch die Auslenkbewegung entsteht Schräglauf, der
Kippmomente erzeugt, die die Roller auf andere Laufradien verstellen
(Kippbewegung). Die Übersetzung ändert sich
und damit ändern
sich die Kräfte
an den Rollern und an der Rolleraufhängung, bis das Kräftegleichgewicht
gefunden wurde. Durch eine Rückführung aller
Rollerbewegungen auf ein Regelventil kann auch eine Übersetzungsregelung aufgebaut
werden.
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Aufgrund elastischer Verformungen,
Fertigungstoleranzen, ungleicher Längen der hydraulischen Leitungen
zu den einzelnen Rollern, etc. und durch Parameteranregungen treten
im dynamischen Betrieb Schwingungen auf, die durch mechanisch-hydraulische
oder auch elektrischhydraulische Regelkreise stabilisiert werden.
Hierbei hilft in manchen Getriebeausführungen auch eine zur Torusmittenebene
schräge
Auslenkbewegung, die dann gleichzeitig eine Kippbewegung erfordert,
um die Roller im Torus zu halten. Dadurch gibt es für stabile Übersetzungspositionen
einen festen Zusammenhang zwischen Auslenkposition und Kippposition.
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Aber allein durch konstruktive Maßnahmen an
der Rolleraufhängung
und ausreichende Dämpfungen
kann man leider kein stabiles Betriebsverhalten in allen Fahrzuständen erreichen.
Simulationen zum Betriebsverhalten und Messungen an Testvariatoren
zeigen, dass die Regelung gegenüber
Parameteränderungen
störanfällig ist.
Schon kleine Schräglaufwinkel
reichen aus, um große
Kippmomente zu erzeugen. Wegen der kleinen Massenträgheiten
führt diese
zu hohen Verstellbeschleunigungen und damit zu schnellen Verstellungen.
Wirkt eine Störung
nur auf einzelne Roller oder auf verschiedene Roller in unterschiedlicher
Richtung – wie
z.B. Stöße auf das Getriebe
beim Fahren über
Schlaglöcher,
etc. – kann dies
schnell zu erheblichen Fehlstellungen zwischen den einzelnen Rollern
führen.
Dies führt
zu einer ungleichmäßigen Leistungsverzweigung
auf alle Roller bis hin zur Drehmomentverspannung und damit zu erhöhten Verlusten.
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Um solche Betriebszustände sicher
zu vermeiden, haben die bekannten Halbtoroidgetriebe ein mechanisches
Sicherheitssystem, dass nur noch in einem kleinen Regelbereich alle
Bewegungen der Roller im Torus und damit die hydraulische Kraftregelung
zulässt.
Größere Abweichungen
der Rollerpositionen werden aber durch Seilzüge und Anschläge in Gelenkstrukturen
mechanisch blockiert.
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Je ein Stellkolben pro Trunnion,
die vielen hydraulischen Leitungen und ein mechanisches Sicherheitssystem
machen aber die Variatorkonstruktion teuer und unnötig schwer.
Deshalb suchen viele Konstrukteure nach leichteren Rolleraufhängungen und
einfacheren und stabileren Regelungen für solche Variatoren.
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Theoretische und experimentelle Untersuchungen
an Toroidgetrieben haben gezeigt, dass bei einer wirkungsgradoptimalen
Anpressung kleine Positionsunterschiede von max. 0,5° Kippwinkel
nur sehr geringe Einflüsse
auf den Kontaktwirkungsgrad haben.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe
zugrunde, eine kompakte und leichte Rolleraufhängung für Halbtoroidgetriebe zu schaffen,
in der die Kippbewegungen der einzelnen Trunnion mechanisch in den
erlaubten Toleranzen gekoppelt sind, die aber trotzdem noch eine
Kraft- bzw. Momentenregelung zulässt.
Darüber
hinaus soll die Rolleraufhängung einfach
und zu niedrigen Kosten herstellbar sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass
die Trägerstruktur
ein einziges, einteiliges Joch beinhaltet, in dem alle Trunnion
einer Cavity kippbeweglich gelagert sind, um die Übersetzungsposition
der Roller stufenlos einzustellen. Nur die Lagerung aller Trunnion
einer Cavity in einem einzigen einteiligen Joch ermöglicht die
in weiteren Ansprüchen
beschriebene Kopplung der Trunnion mittels spielarmer oder sogar
spielfreier Trunniongetriebe. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
hat jeder Trunnion zwei Lager im Joch, deren gemeinsame Mittellinien
in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Getriebemitte steht. Dies
ist eine Voraussetzung dafür,
dass die Rollerdrehachsen in allen Übersetzungspositionen bzw.
Kippwinkeln immer die Drehachsen der Torusscheiben schneiden können und somit
keine ungewollten Kippkräfte
auftreten können. Aufgrund
der Elastizitäten
im Getriebe kommt es zu Verlagerungen der Torusscheiben. Damit die
Roller immer in Kontakt zu beiden Scheiben stehen können, gibt
es zwischen jedem Trunnion und dem darauf angebrachten Roller ein
Koppelgetriebe, dass eine Ausgleichbewegung zwischen Trunnion und
Roller ermöglicht.
Für die
erfindungsgemäße Rolleraufängung ist
es hier wichtig, dass dieses Koppelgetriebe so ausgestaltet ist,
dass diese Ausgleichsbewegung des Rollers gegenüber dem Trunnion nur in einer Ebenen
möglich
ist, die durch die Getriebemitte verläuft.
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Damit alle Roller bei einer Übersetzungsänderung
gleichmäßig im Torusraum
verkippt werden, soll die Trägerstruktur
ein oder mehrere Trunniongetriebe tragen, mittels derer die Trunnionbewegungen synchronisierbar
sind. Bei den heute angestrebten drei Rollern pro Cavity schließen immer
zwei Trunnion einen Winkel von 120° ein. Dann bietet es sich an, dass
die Trunniongetriebe als Kegelradstufen ausgeführt sind, die aus zwei Kegelrädern bestehen,
die mit den zu synchronisierenden Trunnion drehfest verbunden sind
und miteinander kämmen.
Da die Kippwinkel je nach Getriebeausführung in einem Bereich von
vielleicht 80° bis
90° variieren,
reicht es aus, dass die Kegelräder
nur Kegelradsegmente sind.
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An der Rolleraufhängung wirkt ein Reaktionsmoment,
das sich aus den Rollerpositionen und den Traktionskräften an
den Rollern ergibt. Zum Aufbau einer Kraft- bzw. Momentenregelung
ist es nun wichtig, dass das Joch relativ zu einem gehäusefesten
Stern drehbar gelagert ist. Dann müssen die Reaktionsmomente über weitere
Mechanismen abgestützt
werden, die in die Getrieberegelung einbezogen werden können. Zur
Aufnahme der axialen Reaktionskräfte
an der Rolleraufhängung
soll das Joch in axialer Richtung relativ zu dem gehäusefesten Stern
nicht beweglich sein. Darüber
hinaus soll das Joch über
eine Hebelstruktur mit einem Kolben in Verbindung stehen, um das
Reaktionsmoment hydraulisch an diesem Kolben abzustützen. Da
das Joch eine Drehbewegung um den Stern ausführt, der Kolben aber nur linearbeweglich
in der Getriebesteuerung sitzt, besteht die Hebelstruktur aus einem
Hebel und einem mit dem Hebel verbundenen Gleitstein, wobei der
Gleitstein in einer Nut im Kolben gleitet.
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Zur Kopplung der Drehbewegung des
Joches gegenüber
dem Stern mit der Kippbewegung der Trunnion soll die Rolleraufhängung eine
mit dem gehäusefesten
Stern oder direkt mit dem Gehäuse verbundene
Kulissenführung
beinhalten, die eine räumliche
Nut aufweist und in die ein Stift eingreift, der direkt oder indirekt
mit einem der Trunnion fest verbunden ist. Außerdem soll die räumliche
Nut in der Kulissenführung
so ausgeführt
sein, dass die Drehbewegung des Joches relativ zum Stern eine Kippbewegung
der Trunnion im Joch bewirkt.
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Zum Aufbau einer Regelung ist es
nun noch nötig,
dass die Verstelleinrichtung ein Regelventil beinhaltet, mit dem
sich der Kolben mit einstellbaren Drücken einspannen lasst. Unterschiedliche
Drücke erzwingen
ein unterschiedliches Reaktionsmoment am Joch. Ist das Momentgleichgewicht
zwischen dem tatsächlichen
Reaktionsmoment aus den Traktionskräften und den Rollerpositionen
sowie dem von der Regelung vorgegebenen Reaktionsmoment aus dem
Abstützdruck
und den Hebellängen
gestört,
verstellt die Rolleraufhängung
solange die Übersetzung und
damit die Rollerpositionen sowie auch die davon abhängigen Traktionskräfte, bis
entweder ein Gleichgewicht hergestellt ist oder bis die Rollerbewegungen durch
Anschläge
an der Trägerstruktur
begrenzt werden.
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Für
eine Übersetzungsregelung
kann man die Istübersetzung
aus den Istdrehzahlen im Getriebe ermitteln und bei Regelabweichungen
die Übersetzung
anpassen. Bis auf Schlupfeinflüsse
hängt die Übersetzung
mit der Kippposition der Roller zusammen. Über die Kulissenführung ist
die Kippposition mit der Kolbenposition verbunden. Eine sehr schnelle Übersetzungsregelung
lässt sich
aufbauen, wenn die Verstelleinrichtung eine mechanische Rückführung vom
Kolben auf das Regelventil hat.
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Die Erfindung ist nicht nur auf die
Merkmale ihrer Ansprüche
beschränkt.
Denkbar und vorgesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale
und Kombinationsmöglichkeiten
einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu
den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Rolleraufhängung für stufenlose Halbtoroidgetriebe
ist in den 1 bis 3 dargestellt und in seiner
Funktionsweise bezüglich
der gekoppelten Kippbewegungen der Trunnion, der mit den Kippbewegungen
gekoppelten Kolbenbewegung und der Kraft- bzw. Momentregelung erläutert. Dabei
zeigen:
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1 die
komplette Rolleraufhängung
einer Cavity mit samt der Hebelstruktur zum Kolben,
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2 ein
Joch mit drei Trunnion und drei Rollern sowie zwei Trunniongetrieben
in Kegelradbauweise,
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3 ein
Koppelgetriebe für
die Ausgleichbewegung zwischen Roller und Trunnion
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Rolleraufhängung für ein Halbtoroidgetriebe. 2 zeigt Details dieser Rolleraufhängung. Die
Rollerauhhängung 1 sitzt
zwischen einer Antriebsscheibe und einer Abtriebsscheibe einer Variatorcavity 2.
Die drei Roller 5 sind in jeweils einem Trunnion 4 gelagert.
Die drei Trunnion 4 sitzen in einem einzigen einteiligen
Joch 8. Das Joch 8 ist auf einem Stern 12 gelagert,
der mit dem Gehäusegestell 7 fest
verbunden ist. Das Joch 8 kann sich gegenüber dem
Stern 12 drehen, ist aber in axialer Richtung auf ihm fixiert.
Damit können
die in axialer Richtung wirkenden Kräfte vom Joch auf den Stern übertragen
werden. Da in einer Doppelcavityanordnung des Gesamtgetriebes diese
Axialbelastungen in den beiden Cavities betragsmäßig gleich sind, aber in entgegengesetzte
Richtung wirken, lassen sich die beiden Sterne so eines Getriebes
innerhalb des Variators auf kürzestem
Wege gegeneinander abstützen.
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Die drei Trunnion 4 sind
untereinander über zwei
Trunniongetriebe 9 verbunden, die für eine synchrone Verstellung
der Kipppositionen sorgen. Die Kippwinkel der Trunnion können also
niemals weiter voneinander abweichen, als durch die Fertigungs- und
Montagetoleranzen konstruktiv vorgegeben. Bei einer Dreirolleranordnung
schließen
immer zwei Trunnion einen Winkel von 120° ein. Die Kippwinkel für die Übersetzungseinstellung
liegen zwischen –40° bis +40°. Mittels
kleiner Kegelradstufen, die hier beispielhaft als Trunniongetriebe
eingesetzt werden, können
zwei Trunnion zu einem Mastertrunnion geführt werden. Für den eingeschrängten Winkelbereich
von +/–40° benötigen die
Kegelradstufen sogar nur Kegelradsegmente, die mit ausreichender
Genauigkeit gefertigt und lagegerecht auf den Trunnion montiert
werden können.
Die Lagerung aller drei Trunnion in einem gemeinsamen Joch ist auch
dafür vorteilhaft,
dass die Spiele in den Kegelradverzahnungen klein bleiben.
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Die Mittellinien der Trunnion liegen
jeweils in Ebenen senkrecht zur Getriebeachse. Dies ist eine wesentliche
Voraussetzung dafür,
dass sich die Drehachsen der Roller immer mit der Torusachsen schneiden
können,
wenn die Rolleraufhängung
und die Torusscheiben konzentrisch laufen. Dadurch kann Schräglauf vermieden
werden, der ja den ausgenutzten Reibwert reduziert und damit die
Bohrwälzverluste
erhöht.
Der Schräglauf
wird in den Toroidgetrieben nach dem Stand der Technik aber auch für die Übersetzungsänderung
genutzt, was nun anders gelöst
werden muss.
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Die Drehmomentübertragung im Variator führt zu Traktionskräften an
den Rollern 5, die sich mit ihren Wirkradien zu einem Reaktionsmoment
an der Rolleraufhängung
summieren. Dieses Reaktionsmoment muss gegenüber dem Getriebegehäuse abgestützt werden.
Diese Abstützung
kann nun wieder hydraulisch erfolgen. Dazu wird das Joch 8 der
Rollerlagerung 1 nicht direkt mit dem Getriebegehäuse 7 verbunden,
sondern auf einem Stern 12 konzentrisch zu den Torusscheiben
gelagert. Die Rolleraufhängung
kann sich also um die Torusachsen drehen.
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Über
einen Hebel 15 einer Hebelstruktur 13 ist das
Joch 8 mit einem einzigen, relativ großflächigen Kolben 14 verbunden,
der in der Getriebesteuerung im Getriebeboden sitzt, und dort einen
Weg von z.B. +/– 35
mm machen kann. Der Hebel 15 ist in der Hebelstruktur 13 mittels
eines Gleitsteines 16 am Hebel und einer Nut 17 im
Kolben gelenkig, aber spielarm mit dem Kolben verbunden.
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Das Reaktionsmoment am Joch 8 führt nun zu
einer Kraft am Kolben 14, die über hydraulischen Druck abgestützt werden
muss. Ist hier das Gleichgewicht nicht gegeben, verschiebt sich
der Kolben 14 und das Joch 8 dreht sich gegenüber dem
Stern 12.
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An dem Mastertrunnion oder an einem
mit ihm befestigten Teil, z.B. einem Kegelradsegment, ist nun ein
Stift 20 angebracht, der in eine räumliche Nut 19 einer
Kulissenführung 18 eingreift.
Verdreht sich das Joch 8 mit dem Mastertrunnion, so wird
dieser Trunnion 4 durch den Stift 20 in der räumlichen
Nut 19 auf eine andere Übersetzung
verkippt. Dabei nimmt er die beiden anderen Trunnion 4 über die
Kegelradsegmente 23 der Trunniongetriebe 9 mit.
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Wie bei den bisherigen Kraftregelungen
verstellt sich das System, bis durch die Änderungen der Laufradien die
Kontaktkräfte
so groß sind,
dass sich ein Kräftegleichgewicht
am Stellkolben einstellt.
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Die Stellkolbenkraft wirkt auch
als Reaktionskraft vom Joch über
ein Radialgleitlager zum gehäusefesten
Stern 12.
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Durch die Kulissenführung 18 gibt
es nun auch eine Zuordnung zwischen Kolbenweg und Variatorübersetzung.
Führt man
die Stellkolbenposition auf das Regelventil 24 für den Kolbendruck
zurück, so
kann man eine Übersetzungsregelung
ausbauen, wie sie vom Stand der Technik bekannt ist.
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Die große Kolbenfläche und der große Hebelarm
führen
zu einem geringen Druckniveau am Kolben 14. Kolbenfläche und
Kolbenweg sind so abzustimmen, dass mit dem vorhandenen Volumenstrom
die erforderliche maximale Verstellgeschwindigkeit gerade noch erreicht
wird. Die durch die Kippmomente aus dem Schräglauf verstellten Variatoren nach
dem Stand der Technik verstellen in der Regel viel zu schnell und
müssen
für ein
stabiles Betriebsverhalten stark gedämpft werden. Bei dieser neuen Rolleraufhängung wird
das dynamische Verhalten an nur einem einzigen Kolben pro Cavity
gedämpft.
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Da das Regelsystem dieser Rolleraufhängung mit
niedrigem Druck und nur einem einzigen Kolben und damit sehr wenig
Leckage auskommt, ist die Leistungsaufnahme der hydraulischen Verstelleinrichtung 6 sehr
gering.
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Abhängig von Vorspannung und Übersetzung
verformen sich die Torusscheiben und die Roller samt Trunnion werden
aus dem Torus herausgedrückt.
Um die Traktionskörper
in Kontakt zu halten, fährt
das hydraulische Vorspannsystem des Variators auseinander und verschiebt
die Scheiben. Um den Scheiben folgen zu können, müssen sich die Roller ein wenig
gegenüber
den Trunnion verlagern können.
In den bekannten Variatoren nach dem Stand der Technik haben diese
Funktion Exzenterlager übernommen.
In dieser neuen Rolleraufhängung würden solche
Exzenterlager aber dazu führen,
dass bei einer Auslenkung dieser Lager die Rollerdrehachsen nicht
mehr die Torusachsen schneiden. Dadurch entstünden ungewollte Kippmomente.
Deshalb wird, wie in 3 gezeigt,
in dieser neuen Rolleraufhängung
eine Geradführung über ein
Koppelgetriebe 26 eingesetzt, die zwar die Roller gegenüber den
Trunnion auslenken lässt,
die aber immer die Rollerachsen im Schnitt mit den Torusachsen hält.
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- 1
- Rolleraufhängung
- 2
- Cavity
- 3
- Trägerstruktur
- 4
- Trunnion
- 5
- Roller
- 6
- Verstelleinrichtung
- 7
- Gestell
- 8
- Joch
- 9
- Trunniongetriebe
- 10
- Kegelradstufen
- 11
- Kegelrad
- 12
- Stern
- 13
- Hebelstruktur
- 14
- Kolben
- 15
- Hebel
- 16
- Gleitstein
- 17
- Nut
- 18
- Kulissenführung
- 19
- Räumliche
Nut in Kulissenführung
- 20
- Stift
- 21
- Trunnionlager
1
- 22
- Trunnionlager
2
- 23
- Kegelradsegment
- 24
- Regelventil
- 25
- Mechanische
Rückführung
- 26
- Koppelgetriebe