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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Variatoranordnung für ein stufenloses
Getriebe, mit einer Welle, einer drehfest mit der Welle verbundenen
Variatorscheibe und einer hierzu konzentrischen Stützscheibe,
die mit der Welle drehfest verbunden ist und sich an der Welle axial
abstützt,
wobei die Variatorscheibe auf der der Stützscheibe abgewandten Seite eine
Traktionsfläche
zur Drehmomentübertragung aufweist,
und wobei die Variatorscheibe und die Stützscheibe zur drehfesten Verbindung
zwischen der Variatorscheibe und der Welle jeweils wenigstens eine
Ausnehmung aufweisen, die gemeinsam ein Formschlusselement aufnehmen.
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Eine
solche Variatoranordnung ist aus der US 3,727,474 bekannt.
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Derartige
Variatoranordnungen werden bei Toroid-Getrieben, aber beispielsweise
auch bei CVT-Getrieben verwendet.
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Toroid-Getriebe
weisen wenigstens einen Variator mit zwei Variatorscheiben auf.
Die Scheiben weisen einander zugewandte ringförmige Traktionsflächen auf,
die einen Toroidraum definieren. Innerhalb des Toroidraumes sind
Roller angeordnet, die mit den Variatorscheiben in Eingriff treten,
um ein Drehmoment von einer Variatorscheibe auf die andere Variatorscheibe
zu übertragen.
Derartige Toroid-Getriebe sind allgemein bekannt.
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Die
Variatorscheiben sind mit der Welle im Stand der Technik in der
Regel über
Verzahnungen im Nabenbereich zur Drehmomentübertragung formschlüssig verbunden.
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Durch
die hohen axialen Anpresskräfte,
insbesondere auch während
einer Verstellung der Roller, ergibt sich eine hohe Belastung der
Variatorscheiben in der Nähe
der Verzahnung. Dies kann zu Spannungsüberhöhungen führen und folglich ein Versagen
verursachen.
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Ferner
ist die Fertigung der Verzahnungen kostenträchtig, insbesondere, da es
sich bei dem Material der Variatorscheiben in der Regel um einen hochfesten
Wälzlagerstahl
handelt.
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Um
die hohen axialen Kräfte
besser aufnehmen zu können,
ist einer Variatorscheibe häufig
eine Stützscheibe
zugeordnet, die auf der der Traktionsfläche gegenüberliegenden Seite der Variatorscheibe angeordnet
wird. Durch die Stützscheibe
ist es möglich,
die Variatorscheibe weniger massiv und schwer auszuführen. Hierdurch
werden Kosten eingespart. Die Stützscheibe
ist dabei in der Regel in Umfangsrichtung formschlüssig mit
der Welle verbunden. Dies kann über
eine Verzahnung erfolgen. Die Stützscheibe
kann aber auch einteilig mit der Welle ausgebildet sein.
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Obgleich
es auch bei der Verwendung einer Stützscheibe denkbar ist, die
Variatorscheibe über eine
Verzahnung im Nabenbereich mit der Welle zu verbinden, so ist es
doch bevorzugt, die Drehmomentübertragung
von der Variatorscheibe auf die Welle über die Stützscheibe erfolgen zu lassen.
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Dies
kann generell durch Kraftschluss erfolgen. Denn die hohen axialen
Anpresskräfte
können bei
geeigneter Ausführung
von axialen Anlageflächen
an der Stützscheibe
einerseits und der Variatorscheibe andererseits zur Drehmomentmitnahme
benutzt werden. Hierbei wird der Reibkoeffizient von Stahl/Stahl
in dem Anlagebereich ausgenutzt.
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Die Übertragung
des Drehmomentes von der Variatorscheibe auf die Stützscheibe
kann jedoch auch formschlüssig
erfolgen. Hierbei ist es generell denkbar, die Variatorscheibe formschlüssig im
Nabenbereich der Stützscheibe
anzubinden. Um die Umfangskräfte
zu reduzieren, ist es jedoch günstiger, die
Drehmomentmitnahme im Bereich des Außenumfangs der Stützscheibe
bzw. der Variatorscheibe zu realisieren.
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Hierbei
ist es zwar generell ebenfalls denkbar, in dem Umfangsbereich eine
Verzahnung vorzusehen. Als günstiger
wird es jedoch erachtet, formschlüssige Elemente wie z.B. Kugeln
in entsprechende radiale Ausnehmungen der Stützscheibe einerseits und der
Variatorscheibe andererseits einzusetzen.
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Diesen
Ansätzen
ist gemeinsam, dass es im Bereich der formschlüssigen Verbindung von Variatorscheibe
und Stützscheibe
zu Spannungsüberhöhungen aufgrund
von Kerbwirkung kommen kann. Beispiele für unterschiedliche Keilverzahnungsquerschnitte
(rechteckig, quadratisch, linsenförmig, etc.) sind in der
DE 171 098 C angegeben.
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Es
ist demzufolge die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Variatoranordnung
anzugeben, bei der eine formschlüssige
Verbindung zwischen Variatorscheibe und Stützscheibe verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Variatoranordnung dadurch
gelöst,
dass die Ausnehmungen im Querschnitt jeweils annähernd konkav ausgebildet sind
und im Außenumfangsbereich
der Stützscheibe
angeordnet sind und dass das Formschlusselement im Querschnitt annähernd konvex
linsenförmig
ausgebildet ist.
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Durch
diese Maßnahme
lässt sich
eine formschlüssige
Verbindung zwischen der Variatorscheibe und der Stützscheibe
realisieren, ohne dass es zu Kerbspannungsüberhöhungen im Bereich dieser Verbindung
kommt. Bei den konkaven Ausnehmungen und dem konvex linsenförmigen Formschlusselement
handelt es sich um kerbunempfindliche Geometrien.
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Ferner
ist erfindungsgemäß keine
Verzahnung zwischen Variatorscheibe und Stützscheibe notwendig. Hierdurch
entfällt
eine Abstimmung der Materialhärten
und eine Nacharbeit im harten Zustand. Durch die Anordnung der Ausnehmungen
verringern sich Spannungen im Nabenbereich.
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Ferner
lassen sich die Geometrien der Variatorscheibe und der Stützscheibe
einfach und kostengünstig
fertigen.
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Durch
die verringerten Spannungsüberhöhungen kann
insbesondere die Variatorscheibe weniger massiv ausgeführt werden,
und die Variatoranordnung kann insgesamt in axialer Richtung kürzer bauen.
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Die
oben genannte Aufgabe wird demzufolge vollkommen gelöst.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist
die Variatorscheibe oder die Stützscheibe
einen ringförmigen
Bund auf, der einen Gegenabschnitt der Stützscheibe bzw. der Variatorscheibe übergreift.
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Bei
dieser Ausführungsform
lassen sich die hohen axialen Anpresskräfte besonders günstig und materialschonend
von einer Scheibe auf die andere übertragen.
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Dies
gilt insbesondere dann, wenn die Variatorscheibe den ringförmigen Bund
aufweist, der einen Gegenabschnitt der Stützscheibe übergreift. Von besonderem Vorteil
ist es dabei dann bei einer Variatoranordnung für ein Toroid-Getriebe, wenn
der ringförmige
Bund etwa auf der Höhe
des Toroidmittenkreises liegt.
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Ferner
ist es bei dieser Ausführungsform
von besonderem Vorzug, wenn die Ausnehmung der Variatorscheibe am
Innenumfang des ringförmigen Bundes
und die Ausnehmung der Stützscheibe
am Außenumfang
des Gegenabschnittes ausgebildet ist.
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Hierdurch
lassen sich die Ausnehmungen an der Variatorscheibe bzw. der Stützscheibe
besonders günstig
realisieren.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Formschlusselement an wenigstens einer zur Variatorscheibe
hin weisenden Kante abgerundet, und die zugeordnete Ausnehmung der Variatorscheibe
ist entsprechend abgerundet.
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Hierdurch
könnend
die im Übergangsbereich von
Variatorscheibe auf Stützscheibe
auftretenden Kerbspannungen noch weiter reduziert werden.
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Es
versteht sich, dass es von besonderem Vorzug ist, wenn die Ausnehmungen
und Formschlusselemente im Bereich des Außenumfanges der Stützscheibe
bzw. der Variatorscheibe angeordnet sind. Hierdurch können Spannungen
der Variatorscheibe im Nabenbereich verringert werden, so dass sich
die Bauteildicke reduzieren lässt.
Insgesamt ergibt sich ein verringertes Gewicht und eine Verringerung
des Trägheitsmomentes.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematiche Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Variatoranordnung;
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2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1; und
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3 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Gestaltung eines Formschlusselementes
für die
Variatoranordnung der 1 und 2 in perspektivischer
Form.
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In
den 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Variatoranordnung
generell mit 10 bezeichnet.
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Die
Variatoranordnung 10 ist an einer Welle 12 gelagert.
Die Welle 12 ist in der dargestellten Ausführungsform
eine Antriebs- oder Abtriebswelle eines Toroid-Getriebes. Die erfindungsgemäße Variatoranordnung
lässt sich
jedoch in gleichem Maße
auch auf CVT-Getriebe oder andere Getriebe anwenden.
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Die
Variatoranordnung 10 weist eine konzentrisch zu der Welle 12 angeordnete
Variatorscheibe 14 und eine ebenfalls konzentrisch hierzu
angeordnete Stützscheibe 16 auf.
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Die
Stützscheibe 16 ist
mit der Welle 12 über ein
Zahnwellenprofil 18 in ihrem Nabenbereich formschlüssig verbunden.
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Die
Variatorscheibe 14 und die Stützscheibe 16 liegen
in axialer Richtung aneinander an. Dabei berühren sich eine stirnseitige,
quer zur Axialrichtung ausgerichtete Anlagefläche 20 der Variatorscheibe 14 und
eine entsprechende Anlagefläche 22 der Stützscheibe 16.
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Die
Stützscheibe 16 weist
im Nabenbereich eine zur Variatorscheibe 14 hin vorstehende
Schulter 24 auf. Die Schulter 24 dient zur Aufnahme
der Innenverzahnung und zur Zentrierung auf der Welle 12. Die
Stützscheibe 16 kann
jedoch auch ohne Schulter im Nabenbereich ausgebildet sein.
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Die
Abmessungen des Innenumfanges 26 der Variatorscheibe 14 und
des Außenumfanges
der Schulter 24 sind dabei so gewählt, dass über diesen Anlagebereich im
Wesentlichen keine Kraft- oder Drehmomentübertragung erfolgt. Insbesondere
liegt der Innenumfang 26 nicht an dem Außenumfang
der Schulter 24 an.
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Auf
der der Stützscheibe 16 abgewandten Stirnseite
weist die Variatorscheibe 14 eine ringförmige, um die Welle 12 herum
laufende Traktionsfläche 28 auf.
Die Traktionsfläche 28 ist
dabei so geformt, dass sie mit einer entsprechenden Traktionsfläche 28 einer
zugeordneten Variatorscheibe (nicht dargestellt) einen Toroidraum
formt.
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Etwa
auf der Höhe
des Toroidmittenkreises weist die Variatorscheibe 14 einen
zur Stützscheibe 16 hin
ausgerichteten Bund 30 auf. Der Bund 30 übergreift
den Außendurchmesser
der Stützscheibe 16,
genauer gesagt einen (in 1 dargestellten) Gegenabschnitt 31 im
Bereich des Außenumfanges der
Stützscheibe 16.
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Von
dem Bund 30 verläuft
die rückenseitige Kontur
der Variatorscheibe 14 in Anpassung an die Toroidgeometrie,
wie es bei 32 gezeigt ist. Die Rückenseite erstreckt sich bis
zum Außenumfang 34 der
Variatorscheibe 14.
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Der
Innenumfang 36 des Bundes 30 liegt auf dem Außenumfang 37 des
Gegenabschnittes 31 umfänglich
eng an, um zusätzliche
Spannungsspitzen in der Variatorscheibe abzufangen. Die Variatorscheibe 14 wird
folglich durch den Außenumfang 37 des
Gegenabschnittes 31 der Stützscheibe 16 zentriert.
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Die
einander entsprechenden Radien des Außenumfanges 37 der
Stützscheibe 16 und
des Innenumfanges 36 des Bundes 30 der Variatorscheibe 14 sind
in 1 bei 40 dargestellt.
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Der
Gegenabschnitt 31 der Stützscheibe 16 weist über seinen
Umfang verteilt eine Mehrzahl von im Querschnitt konkaven Ausnehmungen 42 auf,
von denen in 1 und 2 jeweils
nur eine aus Übersichtlichkeitsgründen dargestellt
ist.
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Der
Radius 43 der konkaven Ausnehmung 42 ist kleiner
als der Radius 40. Die Radien 43, 40 können jedoch
auch etwa gleich groß sein.
Ferner ist es generell auch denkbar, dass der Radius 43 größer ist
als der Radius 40.
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In
entsprechender Weise weist die Variatorscheibe 14 am Innenumfang 36 ihres
Bundes 30 im Querschnitt konkave Ausnehmungen 44 auf,
von denen wiederum in den 1 und 2 nur
eine dargestellt ist.
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Die
Ausnehmungen 42, 44 sind in Umfangsrichtung etwa
gleich lang. Der Radius 45 der konkaven Ausnehmung 44 am
Innenumfang 36 des Bundes 30 ist dabei zumindest
etwas größer als
der Radius 40.
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Die
Ausnehmungen 42, 44 bilden gemeinsam eine Gesamtausnehmung,
in die ein im Querschnitt konvex linsenförmiges Formschlusselement 50 eingesetzt
ist.
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Das
Formschlusselement 50 stützt sich in axialer Richtung
an der Anlagefläche 20 der
Variatorscheibe 14 ab. An der Stützscheibe 16 ist ein
in radialer Richtung vorstehender Kragen (in 2 nicht näher bezeichnet)
vorgesehen. Das Formschlusselement 50 ist in axialer Richtung
an diesem Kragen gegen Herausfallen gesichert. Das Formschlusselement 50 ist
in axialer Richtung etwas schmäler
als die Ausnehmung 42, um eine axiale Kraft auf den Kragen zu
vermeiden.
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Die
Radien der konkaven Geometrie des Formschlusselementes 50 entsprechen
dabei den Radien 43, 45 der Ausnehmungen 42 bzw. 44.
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Wie
es insbesondere in 3 zu sehen ist, weist das Formschlusselement 50 eine
erste Stirnseite 52 auf, die dem Kragen der Stützscheibe 16 gegenüberliegt.
Die erste Stirnseite 52 ist im Wesentlichen eben ausgebildet.
Hierdurch weist das Formschlusselement 50 im Bereich der
Stirnseite 52 zwei bogenförmige (nicht näher bezeichnete)
Kanten auf.
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Die
gegenüberliegende
Stirnseite 54 des Formschlusselementes 50 ist
lediglich in ihrem unteren Bereich eben ausgebildet. Demzufolge
weist das Formschlusselement 50 im Bereich der Stirnseite 54 eine
bogenförmige
Kante auf, deren Verlauf durch den Radius 43 definiert
ist.
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Die
entsprechende obere Kante ist hingegen abgerundet, wie es in 3 und 2 bei 56 angedeutet
ist.
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Auf
die Traktionsfläche 28 der
Variatorscheibe 14 einwirkende axiale Kräfte, wie
sie in 2 bei F gezeigt sind, werden über die Anlageflächen 20, 22 sowie über den
Bund 30 und den Gegenabschnitt 31 in die Stützscheibe 16 eingeleitet.
Die Stützscheibe 16 stützt sich
in axialer Richtung an einem Absatz der Welle 12 ab. Durch
die kerbunempfindliche Geometrie der konvex linsenförmigen Formschlusselemente 50 kommt
es bei dieser Kraftübertragung
nicht zu lokalen Spannungsüberhöhungen,
auch nicht im Bereich der Formschlusselemente 50.
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Zur
Drehmomentübertragung
von der Variatorscheibe 14 auf die Stützscheibe 16 (oder
umgekehrt) dienen die Formschlusselemente 50. Bei dieser
Belastung in Umfangsrichtung führt
die kerbunempfindliche Geometrie der konvex linsenförmigen Formschlusselemente 50 nicht
zu lokalen Spannungsüberhöhungen.
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Ferner
kann der Formschluss zwischen der Variatorscheibe 14 und
der Stützscheibe 16 relativ großflächig erfolgen,
wobei die Ausnehmungen 42, 44 nur wenig Materialabtrag
erfordern und demzufolge nur zu einer geringen Schwächung der
jeweiligen Elemente führen.
Hinzu kommt, dass die Ausnehmungen 42, 44 im Wesentlichen
vollständig
wieder durch das Formschlusselement 50 ausgefüllt werden,
so dass tatsächlich
nahezu keine Materialschwächung
vorhanden ist, aber eine Bewegung der einzelnen Teile möglich ist.
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Durch
die formschlüssige
Drehmomentübertragung
im Umfangsbereich der Stützscheibe 16 verringern
sich Spannungen der Variatorscheibe 14 im Nabenbereich.
Hierdurch kann die Variatorscheibe 14 mit geringerer Dicke
ausgeführt
werden. Es ergibt sich ein verringertes Gewicht und ein verringertes Trägheitsmoment.
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Durch
die radiale Abstützung
des Bundes 30 etwa auf der Höhe des Torusmittenkreises auf
der Stützscheibe 16 kann
ein ähnliches
Spannungsniveau wie bei einer Vollscheibe erreicht werden. Durch
die Zweiteiligkeit kann die Gesamtscheibe 14, 16 insgesamt
kostengünstiger
hergestellt werden, wobei für
die Variatorscheibe 14 ein teures Material, für die Stützscheibe 16 jedoch
ein kostengünstiges Material
gewählt
wird.