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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit stufenlosen
Getrieben. Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuerung einer
Anfahreinrichtung und eines Variators in einem solchen Getriebe.
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In
jedem stufenlosen Getriebe gibt es eine Einrichtung, die für
die stufenlose Änderung des Übersetzungsverhältnisses
sorgt. Eine solche Einrichtung wird vorliegend als ein "Variator"
bezeichnet.
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Bei
einem Fahrzeuggetriebe müssen Vorkehrungen zum "Anfahren"
getroffen werden, d. h. zum Beschleunigen des Fahrzeugs aus einem
Stillstand heraus. In diesem Zusammenhang vertrauen einige Getriebe
auf die Verwendung einer "Anfahreinrichtung" wie etwa eine Kupplung.
Diese dient dazu, den Motor von den angetriebenen Fahrzeugrädern zu
entkoppeln, während das Fahrzeug stillsteht. Um das Fahrzeug
dazu zu bringen, aus einem Stillstand heraus wegzufahren, wird das
Getriebe in einen niedrigen Gang geschaltet, der Motor wird dazu
eingestellt, ein geeignetes Drehmoment zu erzeugen und die Anfahreinrichtung
wird zunehmend in Eingriff gebracht, was die Geschwindigkeit der
angetriebenen Fahrzeugräder erhöht. Das Management
dieses Vorgangs ist jedoch potentiell komplex.
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Ein
auf dem Gebiet der stufenlosen Getriebe wohlbekanntes, alternatives
Vorgehen besteht darin, den Ausgang des Variators an ein epizyklisches Mischgetriebe
(Planetengetriebe) anzulegen, was es ermöglicht, einen
als "Getriebeleerlauf" bezeichneten Zustand zu erreichen, in dem
das Getriebe gewissermaßen eine unendliche Drehzahlreduktion
bereitstellt, ohne den Getriebeausgang physisch vom Getriebeeingang
zu entkoppeln. Bei dieser Art von Getriebe wird keine Anfahreinrichtung
als solche benötigt. Ein Anfahren wird einfach durch Verschieben
des Variatorübersetzung von dem "Getriebeleerlauf"-Wert
weg erreicht. Inhärent bedingen solche Getriebe jedoch
eine gewisse konstruktive Komplexität hinsichtlich der
Getriebeübersetzung und bestimmte Herausforderungen bezüglich
der Steuerung.
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Es
ist nützlich, eine Unterscheidung zwischen Variatoren zu
treffen, die "übersetzungsgesteuert" sind und solchen,
die "drehmomentgesteuert" sind. Übersetzungsgesteuerte
Variatoren haben irgendeinen physischen Mechanismus zum Einstellen
ihrer eigenen Übersetzung, um einen Sollwert zu erreichen.
Beispielsweise verwen den bekannte Variatoren vom "halbtoroidalen"-Rolltraktionstyp
typischerweise ein Ventil mit einem Teil (z. B. der Ventilschieber),
das betriebsmäßig mit Variatorrollen gekoppelt
ist, deren Stellung einer Variatorübersetzung entspricht,
und einem anderen Teil (z. B. eine bewegliche, die Ventilwege bildende
Hülse), das zum Einstellen der Variatorübersetzung
verschoben wird. Der Ventilzustand hängt von den Relativstellungen
dieser zwei Teile ab und das Ventil steuert einen an Kolben/Zylinderanordnungen,
die auf die Variatorrollen wirken, angelegten Druck. Das Ergebnis
ist eine hydromechanische Rückführschleife, in
der das Ventil ständig die Variatorübersetzung
mit einem gewünschten Wert vergleicht und sie zum Erreichen dieses
Wertes einstellt. Eine zugehörige Elektronik wählt
die gewünschte Variatorübersetzung und schickt
ein diese repräsentierendes Signal zum Getriebe.
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Bei
drehmomentgesteuerten Variatoren gibt es keine solche physische
Anordnung zum Einstellen der Variatorübersetzung auf einen
gewünschten Wert. Stattdessen erhält der Variator
ein Steuersignal, welches ein zu erzeugendes Drehmoment repräsentiert.
Im Fall eines bekannten Variators vom volltoroidalen Typ wie dem
in der internationalen Patentanmeldung
PCT/GB2005/03098 , Veröffentlichungsnummer
WO 2006/027540 (Torotrak
Development Limited) beschriebenen nimmt dieses Signal die Gestalt
eines Hydraulikdrucks an. Als Antwort auf es erzeugt der Variator
das geforderte Drehmoment an seinem Eingang/Ausgang. Der tatsächlichen
Achsantriebsübersetzung des Variators wird erlaubt, sich automatisch
zu ändern, um Drehzahländerungen Rechnung zu tragen,
die aus dem Anlegen dieses Drehmoments an die entsprechenden trägen
Massen resultieren. Somit summieren sich auf der Motor-/Eingangsseite
des Getriebes das vom Variator erzeugte Drehmoment und das Motorausgangsmoment,
um ein auf die drehbeweglichen trägen Massen des Motors
und zugehöriger Teile wirkendes Nettodrehmoment festzulegen
und so die Motorbeschleunigung zu bestimmen. Auf der Rad-/Ausgangsseite
des Getriebes summiert sich vom Variator erzeugtes Drehmoment mit
aufgrund von Bremsen, Straßenneigung etc. extern angelegten
Drehmomenten, um das zum Beschleunigen des Fahrzeugs selbst verfügbare
Nettodrehmoment festzulegen. Entsprechende Drehzahländerungen
sowohl am Eingang als auch am Ausgang bringen Änderungen
der Variatorübersetzung mit sich und der Variator berücksichtigt
diese automatisch.
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Bei
bekannten volltoroidalen Rolltraktionsvariatoren des drehmomentgesteuerten
Typs dient der Variator dazu, ein "Reaktionsmoment" zu erzeugen, das
dem Steuersignal entspricht. Das Reaktionsdrehmoment ist die Summe
der Drehmomente am Eingang und Ausgang des Variators. Entsprechend kann
es als das Drehmoment definiert werden, welches an die Halterungen
des Variators zurückfließen muss, um ihn am Drehen
zu hindern.
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Variatoren
verwenden typischerweise einen Kraftschluss zwischen rotierenden
Teilen zur Übertragung von Antriebskraft. Im Fall der Toroidallaufring-Rolltraktionsvariatoren
beispielsweise treten Rollen in Reibeingriff mit toroidalförmig
ausgenommenen Variatorlaufringen und durch diesen Reibeingriff wird
Antriebskraft von dem Variatoreingang mit variablem Übersetzungsverhältnis
an seinen Ausgang übertragen. Um eine Traktion zwischen
den Rollen und den Laufringen herzustellen, müssen sie gegeneinander
vorgespannt werden. Die in einem Variator zum Erzeugen von Traktion
verwendete Vorspannkraft wird hierin als die "Traktionslast" bezeichnet.
Im Prinzip könnte eine feste Traktionslast verwendet werden.
Jedoch würde diese auf einen Wert eingestellt werden müssen,
der hoch genug ist, um unter allen Bedingungen ein übermäßiges
Durchrutschen zwischen den Rollen und den Laufringen zu vermeiden.
Der gewählte Traktionslastwert würde folglich
für die meisten Bedingungen zu groß sein, was
zu einem schlechten Arbeitswirkungsgrad und zu vorzeitigem Verschleiß der
rollenden Teile führt. Es ist deshalb üblich,
die Traktionslast zusammen mit dem angelegten Drehmoment zu ändern.
Genauer wird bei einem drehmomentgesteuerten Variator die Traktionslast
typischerweise proportional zum Reaktionsmoment variiert. Dies hat
den Vorteil, dass sich ein konstanter Traktionskoeffizient ergibt.
Einstellungen der Traktionslast müssen manchmal sehr rasch erfolgen,
um beim Auftreten plötzlicher "Übergangs"-Zustände
wie etwa einer Notbremsung ein Durchrutschen zu vermeiden. Dies
wird bei manchen bestehenden Systemen durch Verwenden einer Hydraulik
zum Aufbringen der Traktionslast erreicht. Genauer wird ein Hydraulikdruck,
der Steuerkolben zugeführt wird, die mit den Variatorrollen
gekoppelt sind, auch einem hydraulischen Aktuator zugeleitet, der
zum Erzeugen der Traktionslast verwendet wird, so dass die auf die
Variatorrollen aufgebrachte Kraft und die Traktionslast zusammen
variieren.
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Bei
Hydrauliksystemen dieser Art ist es üblich, hydraulische
"Endanschläge" zum Begrenzen der Bewegung der Variatorrollen
vorzusehen und so zu verhindern, dass sie aus den Laufringen herausgedrückt
werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein
Fluidauslass eines Zylinders, der einen der zuvor erwähnten
Kolben enthält, von dem Kolben selbst verschlossen wird,
wenn er das Ende seines vorgesehenen Hubs erreicht, wobei der sich
daraus ergebende Druckanstieg im Zylinder dazu dient, die Bewegung
des Kolbens anzuhalten. Der erhöhte Druck wird auch an
den Traktionslastaktuator angelegt, was so sein muss, wenn die Änderung
des Reaktionsmoments aufgrund der Wirkung der Endanschläge
einer korres pondierenden Änderung der Traktionslast entsprechen
soll, die notwendig ist, falls kein Durchrutschen erzeugt werden
soll, wenn die Endanschläge Wirkung entfalten.
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Die
vorliegende Erfindung soll ein verbessertes stufenloses Getriebe
(CVT) bereitstellen. Insbesondere (aber nicht notwendigerweise ausschließlich)
ist es beabsichtigt, ein stufenloses Getriebe bereitzustellen, das
hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Steuerungsart einfach ist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein
stufenloses Fahrzeuggetriebe mit einem drehbaren Eingang, der mit
einem Drehantrieb verbindbar ist, einem drehbaren Ausgang, der mit
Fahrzeugrädern verbindbar ist, einem zwischen den drehbaren
Eingang und den drehbaren Ausgang geschalteten Variator zum Bereitstellen
einer stufenlosen Änderung einer Übersetzung,
und einer Anfahreinrichtung, die zum wahlweisen Kuppeln/Entkuppeln
des drehbaren Eingangs und des drehbaren Ausgangs angeordnet ist,
wobei der Variator dazu konstruiert und angeordnet ist, ein gefordertes
Drehmoment auszuüben, und die Anfahreinrichtung dazu konstruiert
und angeordnet ist, eine geforderte Drehmomentaufnahmefähigkeit
bereitzustellen, wobei das Getriebe dadurch gekennzeichnet ist,
dass es eine Steueranordnung umfasst, die dasselbe Steuersignal
an den Variator zum Einstellen des geforderten Drehmoments und an
die Anfahreinrichtung zum Einstellen ihrer Drehmomentaufnahmefähigkeit
anlegt.
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Die
Drehmomentaufnahmefähigkeit der Anfahreinrichtung, wobei
diese Einrichtung die Gestalt einer Kupplung haben kann, ist das
maximale Drehmoment, welches sie an den Variator übertragen kann
und ist bestimmt durch das Maß ihres Eingriffs, z. B. durch
den angelegten Fluiddruck bei einer hydraulisch betriebenen Kupplung.
Durch Steuern sowohl des Kupplungs- als auch des Variatordrehmoments
unter Verwendung eines einzigen Signals wird nicht nur die zur Getriebesteuerung
erforderliche Ausrüstung sehr vereinfacht, sondern auch
eine Steuerung des Anfahrvorgangs erleichtert.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Variator bereitgestellt
mit wenigstens einem Paar teiltoroidalförmig ausgenommener
Laufringe, die zusammen eine allgemein torische Variatorkavität
festlegen und die zur Drehung auf einer gemeinsamen Variatorachse
angebracht sind, und zumindest zwei Rollen, die zwischen den Laufringen
angeordnet sind, um auf ihren teiltoroidalförmig vertieften
Flächen zu laufen und so Antriebskraft zwischen sich mit
einer Variatorübersetzung zu übertragen, wobei
die Rollen auf eine Weise angebracht sind, die es ihnen ermög licht
zu kippen, um die Neigung der Rollenachsen zur Variatorachse zu ändern und
so stufenlose Änderungen der Variatorübersetzung
zu gestatten, wobei der Variator dadurch gekennzeichnet ist, dass
einer seiner Laufringe mit einer Verbindungswelle gekoppelt ist
durch eine mechanische Traktionslastaufbringungsanordnung, die sowohl
dazu dient, Drehmoment zwischen der Verbindungswelle und dem Variatorlaufring
zu übertragen als auch eine Traktionslastkraft auf den
Laufring auszuüben, die eine Funktion des übertragenen Drehmoments
ist, wobei die Traktionslastaufbringungskraft die Variatorlaufringe
in Eingriff mit den Rollen drängt, um die zur Übertragung
von Antriebskraft notwendige Traktion bereitzustellen, und dass er
mechanische Anschläge aufweist, die eine Rollenneigung
begrenzen.
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Die
Kombination einer mechanischen Traktionslasteinrichtung (anstelle
einer hydraulischen Einrichtung) und mechanischer Endanschläge
(anstelle hydraulischer Endanschläge) ist höchst
vorteilhaft. Die mechanisch erzeugte Traktionslast ist dazu in der Lage,
sich mit der erforderlichen Drehzahl zu ändern. Weil sie
in Abhängigkeit des Drehmoments generiert wird, welches
auf den betreffenden Variatorlaufring wirkt, und nicht in Abhängigkeit
der Kraft, welche auf die Rollen ausgeübt wird, führen
die Änderungen des Variatordrehmoments, die sich aus der
Wirkung der Endanschläge ergeben, automatisch zu geeigneten Änderungen
der Traktionslast, ohne die Notwendigkeit, dass die Endanschläge
selbst betriebsmäßig mit der Traktionslastaufbringungseinrichtung
gekoppelt sind.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Steuern eines stufenlosen Fahrzeuggetriebes bereitgestellt, das
einen drehbaren Eingang, der mit einem Drehantrieb verbindbar ist,
einen drehbaren Ausgang, der mit Fahrzeugrädern verbindbar
ist, einen zwischen den drehbaren Eingang und den drehbaren Ausgang
geschalteten Variator zum Bereitstellen einer stufenlosen Änderung
einer Übersetzung, und eine Anfahreinrichtung aufweist,
die zum wahlweisen Kuppeln/Entkuppeln des drehbaren Eingangs und
des drehbaren Ausgangs angeordnet ist, umfassend ein Steuern des
Variators zum Bereitstellen eines gewünschten Reaktionsmoments
und ein Steuern einer Drehmomentaufnahmefähigkeit der Anfahreinrichtung
zusammen mit dem Reaktionsmoment des Variators so, dass das vom
Variator auf die Anfahreinrichtung aufgebrachte Drehmoment immer
kleiner als die Drehmomentaufnahmefähigkeit der Anfahreinrichtung
ist.
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Die
aufeinander abgestimmte Steuerung des Reaktionsmoments und der Drehmomentaufnahmefähigkeit
der Anfahreinrichtung wird somit vereinfacht. Darüber hinaus
erleichtert dieses Verfahren ein höchst vorteilhaftes Vorgehen
beim Managen des Anfahrens durch zunehmendes Erhöhen des
Variatorreaktionsmoments und der Drehmomentaufnahmefähigkeit
der Anfahreinrichtung, wobei die Drehmomentaufnahmefähigkeit
der Anfahreinrichtung immer höher ist als das vom Variator
auf sie aufgebrachte Drehmoment, zumindest bis ein Durchrutschen
der Anfahreinrichtung aufhört, so dass bis zu diesem Punkt
das Getriebe durch das Drehmoment, welches ihm durch die Anfahreinrichtung
zugeleitet wird, auf seiner Minimalübersetzung gehalten
wird.
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Eine
spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebauen stufenlosen Getriebes ("CVT") ist,
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2a eine
genauere Darstellung einer in dem CVT verwendeten Traktionslasteinrichtung
ist, gesehen in einer Radialrichtung,
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2b eine
räumliche Wiedergabe eines Variatorlaufrings ist, die seine
Rückseite zeigt,
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3 eine
schematische Darstellung einer hydraulischen Steueranordnung des
CVT ist, und
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4 bestimmte
Bauteile des in dem CVT verwendeten Variators zeigt, gesehen in
einer Axialrichtung.
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1 zeigt
ein CVT, welches einen Variator 10 vom Rolltraktionstyp
mit torischem Laufring verwendet. Genauer ist dies ein volltorischer
Variator mit doppelter Kavität. Er weist erste und zweite
Eingangslaufringe 12, 14 mit entsprechenden Flächen 16, 18 auf,
die halbtorisch vertieft sind. Zwischen den Eingangslaufringen befinden
sich erste und zweite Ausgangslaufringe 20, 22,
und auch diese haben entsprechende, halbtorisch vertiefte Flächen 24, 26,
so dass zwischen den ersten Eingangs- und Ausgangslaufringen 12, 20 eine
erste torische Kavität 28 gebildet ist und zwischen
den zweiten Eingangs- und Ausgangslaufringen 14, 22 eine
zweite torische Kavität 30 gebildet ist. Die Laufringe
haben eine gemeinsame Drehachse, um die sie rotieren und die durch
eine schematisch bei 32 gezeigte Hauptwelle festgelegt ist.
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Jede
Kavität 28, 30 enthält einen
zugehörigen Satz Rollen 34, 36. Jede
Rolle ist zur Drehung um eine Rollenachse wie etwa 38 angebracht
und läuft auf den torischen Flächen ihrer zugehörigen Eingangs-
und Ausgangslaufringe, um Antriebskraft von einem zum anderen zu übertragen.
Die Rollenhalterungen (in 1 nicht
zu sehen, werden jedoch in Kürze beschrieben) erlauben
ihnen auch, ihre Neigung zu ändern, d. h. den Winkel zwischen
der Rollenachse 38 und der Hauptwelle 32 zu ändern,
in Übereinstimmung mit Änderungen der Variatorübersetzung.
Die Hauptwelle 32 dient als der drehbare Eingang des Variators
und ist (entweder unmittelbar oder durch ein Zwischengetriebe, nicht
dargestellt) mit einem Drehantrieb wie etwa einem Motor gekoppelt,
der in dieser besonderen Ausführungsform die Gestalt eines
schematisch bei 40 dargestellten Verbrennungsmotors annimmt.
Die Erfindung könnte ebenso gut unter Verwendung einer
anderen Art von Drehantrieb wie etwa eines Elektromotors, eines
Motors mit äußerer Verbrennung etc. ausgeführt
werden. Die Eingangslaufringe 12, 14 des Variators
sind an der Hauptwelle 32 befestigt, so dass sie mit ihr
rotieren, und werden somit von dem Motor 40 angetrieben.
Die Ausgangslaufringe 20, 22 können sich
relativ zur Hauptwelle 32 drehen. Bei der dargestellten Ausführungsform
wird dies mittels Kugellager 42, 44 erreicht, über
die die Ausgangslaufringe jeweils auf der Hauptwelle 32 angebracht
sind. Antriebskraft wird von den Eingangslaufringen 12, 14 über
die Rollen 34, 36 mit variabler Übersetzung
auf die Ausgangslaufringe 20, 22 übertragen
(oder umgekehrt, in einem "over-run"-Zustand). Die Ausgangslaufringe 20, 22 können
betriebsfähig mit einem zu den Fahrzeugrädern
führenden Achsantrieb 46 gekoppelt werden, und
dies wird in Kürze beschrieben werden.
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Beim
dargestellten Variator 10 wird Traktionslast mittels einer
mechanischen (nicht hydraulischen) Traktionslastaufbringungseinrichtung 48 bereitgestellt,
die dazu dient, die Variatorlaufringe 12, 14, 20, 22 mit
einer Kraft (der "Traktionslast"), die proportional zum Ausgangsmoment
des Variators ist, in Eingriff mit den Variatorrollen 34, 36 vorzuspannen.
Sie tut dies durch Auseinanderdrängen der zwei innersten
Laufringe (die in der dargestellten Ausführungsform die
Ausgangslaufringe 20, 22 sind). Die Traktionslast
wird durch die Rollen 34, 36 auf die äußersten
Laufringe übertragen, die in der dargestellten Ausführungsform
die Eingangslaufringe 12, 14 sind, und diese wiederum
leiten die Kraft zur Hauptwelle 32 weiter, die somit unter
Zug gesetzt wird. Durch Weiterleiten der Traktionslast zur Hauptwelle 32 auf diese
Art und Weise wird jegliches Erfordernis nach Stützlagern,
die der Traktionslast widerstehen, vermieden.
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Die
Traktionslastaufbringungseinrichtung 48 verwendet eine
einfache Rampenanordnung, um das Ausgangsmoment zu übertragen,
und diese Rampenanordnung erzeugt eine Traktionslast in der Axialrichtung,
die eine Funktion von (und genauer bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
proportional zu) dem übertragenen Drehmoment ist.
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Die 2a und 2b verdeutlichen
den Aufbau der Traktionslastaufbringungseinrichtung 48. Ein
Abtriebszahnrad 50 ist starr an der Rückseite
des Ausgangslaufrings 22 befestigt. Auf seiner von dem Ausgangslaufring 22 entfernten
Seite weist das Abtriebszahnrad 50 einen Satz rampenförmiger
Vertiefungen auf, die in 2a bei 52 gestrichelt
zu sehen sind. Auf seiner eigenen Rückseite weist der Ausgangslaufring 20 einen
entsprechenden Satz rampenförmiger Vertiefungen 54 auf,
die am besten in 2b zu sehen sind. Die Vertiefungen 52, 54 haben,
gesehen in einer Umfangsrichtung wie in 1, einen
teilkreisförmigen Querschnitt, um Rollen 56 aufzunehmen,
die in dieser speziellen Ausführungsform durch sphärische
Kugeln gebildet sind. Längs einer Radialrichtung betrachtet
haben die Vertiefungen 52, 54 eine flache "V"-Form.
Ein Abstand zwischen dem Abtriebszahnrad 50 und dem Ausgangslaufring 20 ist
minimiert, wenn sich wie in 2a die tiefsten
Bereiche der Vertiefungen 52, 54 gegenüberliegen,
so dass die Kugeln 56 sich in diesen Bereichen anordnen.
Betrachtet sei jedoch was passiert, wenn der Variatorabtrieb einem
Drehmoment widerstehen muss. Es sei bemerkt, dass der Ausgangslaufring 20 aufgrund
der Lager 42, 44 sich relativ zum Abtriebszahnrad 50 drehen
kann. Sowie das Ausgangsmoment eine Relativdrehung dieser Teile
bewirkt, fluchten die tiefsten Bereiche der Vertiefungen 52, 54 nicht
mehr und die Kugeln 56 laufen somit die "V"-förmigen
Vertiefungen hinauf, wobei sie den Ausgangslaufring 20 vom
Abtriebszahnrad 50 wegdrängen und so die erforderliche
Traktionslast erzeugen. Diese Relativdrehung hört auf,
wenn die sich ergebende Traktionslast mit dem übertragenen
Drehmoment im Gleichgewicht steht. Die Traktionslast ist somit eine
Funktion des Ausgangsmoments, wie zuvor erwähnt. Die genaue
Art dieser Funktion hängt von der Ausbildung der Vertiefungen 52, 54 ab,
jedoch sind sie im dargestellten Ausführungsbeispiel proportional
zueinander.
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Das
dargestellte Getriebe ist dazu in der Lage, sowohl Vorwärts-
als auch Rückwärtsgänge bereitzustellen,
d. h., es kann die Drehrichtung des Achsantriebs 46 umkehren.
Dies wird durch Vorsehen von zwei Wegen zum Leistungsabtrieb von
den Ausgangslaufringen 20, 22 erreicht. Der erste
dieser Wege läuft über einen ersten, auf dem Abtriebszahnrad 50 gebildeten
Satz Zähne 58, die ein Ritzel 60 über
eine Antriebskette antreiben, die aus Klarheitsgründen
in 1 weggelassen ist, die jedoch auf den Zähnen 58 und
dem Ritzel 60 läuft. Das Ritzel 60 wiederum
ist betriebsfähig mit einer Seite einer Vorwärtskupplung 62 gekoppelt,
deren andere Seite betriebsfähig mit dem Achsantrieb 46 gekoppelt
ist. Der zweite Weg zum Leistungsabtrieb läuft über
einen auf dem Abtriebszahnrad 50 gebildeten zweiten Satz Zähne 64.
Diese Zähne 64 kämmen mit einem Zahnrad 66,
welches betriebsfähig mit einer Seite einer Rückwärtskupplung 68 gekoppelt
ist, deren andere Seite wiederum betriebsfähig mit dem
Achsantrieb 46 gekoppelt ist. Es sei bemerkt, dass der
erste Weg 58, 60, 62 zum Leistungsabtrieb
aufgrund der Verwendung eines Kettenantriebs keine Umkehr der Drehrichtung
bietet. Der zweite Weg 64, 66, 68 zum Leistungsabtrieb
schafft aufgrund der Verwendung eines Zahnradpaars eine Richtungsumkehr.
Ein Eingriff der Vorwärtskupplung 62 erzeugt somit
eine Drehung des Achsantriebs in eine Richtung und ein Eingriff
der Kupplung 68 erzeugt eine Drehung des Achsantriebs in
der entgegengesetzten Richtung. Bemerkt sei, dass bei diesem besonderen
Ausführungsbeispiel die Vorwärts- und Rückwärtskupplungen 62, 68 auf
eine Weise aufgebaut sind, die einen gleichzeitigen Eingriff beider
verhindert.
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Der
Achsantrieb 46 umfasst eine schlussendlich zu den Fahrzeugrädern,
die nicht gezeigt sind, führende Getriebeübersetzung 70.
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Wie
oben erwähnt, sind die Halterungen für die Rollen 34, 36 in 1 weggelassen.
Eine geeignete Form einer Halterung ist in 4 wiedergegeben.
In dieser Zeichnung sind einer der Variatorlaufringe 12, 14, 20 oder 22 und
auch zwei Rollen 34 oder 36 zu sehen. Ihre Stellung
wird durch einen Steuerhebel 72 beeinflusst, der schwenkbar
an einem Gelenk 74 angebracht ist, das in einem Schlitz 76 des
Steuerhebels aufgenommen ist. Der Steuerhebel hat einen allgemein
radial vorstehenden Hebelarm 78, der integral mit einem
Querstück 80 ausgebildet ist, um eine umgekehrte
"T"-Form zu bilden. Kugelköpfe 82, 84 an
entgegengesetzten Enden des Querstücks 80 koppeln
es mit entsprechenden Rollenlagern 86, 88, die
zugehörige Rollen tragen und drehbar lagern. Bemerkt sei
auch (obwohl dies in 4 nicht zu sehen ist), dass
die zwei Kugelköpfe 82, 84 nicht in einer
gemeinsamen Radialebene liegen. In 1 ist die
Radialebene im Mittelpunkt des torischen Hohlraums 30 durch
eine gepunktete Linie 90 angegeben. Die zwei Kugelköpfe 86, 88 sind
jeder zu dieser Mittelebene 90 versetzt angeordnet und
liegen auf entgegengesetzten Seiten derselben, so dass eine Linie
vom Mittelpunkt jedes Kugelkopfes zum Mittelpunkt jeder Rolle 34, 36 zu
der Radialebene geneigt ist. Diese Neigung wird als der "Nachlaufwinkel"
bezeichnet. Wenn der Steuerhebel 72 bewegt wird, ist es
aus der Zeichnung ersichtlich, dass beide Rollen sich entsprechend
entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um die Achse der
Hauptwelle 32 bewegen. Wenn sie dies tun, unterliegen sie
(auf eine Fachleuten wohlbekannte Weise) einem Lenkeffekt durch
die Variatorlaufringe. Beide Rollen kippen deshalb um die vorgenannte
Linie/Achse, die durch die Mittelpunkte der Kugelköpfe und
der Rollen verläuft. Der auf die Rollen ausgeübte Lenkeffekt
trachtet immer danach, sie in einen Kippwinkel zu bringen, in dem
die Achsen der Rollen die Achse der Hauptwelle 32 schneiden.
Aufgrund des Nachlaufwinkels sind sie immer dazu in der Lage, einen
Kippwinkel zu finden, der zu diesem Schneiden führt. Das
Ergebnis ist, dass die Neigung der Rollen – und somit die
Variatorübersetzung – eine Funktion der Stellung
des Steuerhebels 72 ist.
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Es
ist wichtig, dass die von den einzelnen Rollen getragenen Lasten
gleich sind und in der Anordnung der 4 erlaubt
eine Bewegung des Steuerhebels 72 entlang der durch den
Schlitz 76 festgelegten allgemeinen Radialrichtung eine
Angleichung der Rollenlast.
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Ein
Aktuator 92 wird dazu benutzt, eine steuerbare Vorspannkraft
auf den Hebelarm 78 aufzubringen. Bei der vorliegenden
Ausführungsform ist der Aktuator 92 eine doppelt
wirkende hydraulische Einrichtung. Das bedeutet, dass sie zwei entgegengerichtete
Hydraulikdrücke empfängt, wobei die Kraft, die
sie ausübt, von der Differenz dieser beiden Drücke
bestimmt wird, so dass sie in 4 entweder nach
links oder nach rechts gerichtet sein kann. Bemerkt sei auch, dass
ein einzelner Aktuator bei diesem Ausführungsbeispiel die
entsprechenden Hebel 72 beider Variatorkavitäten 28, 30 steuert.
Obwohl der zweite Hebel in 4 nicht
zu sehen ist, versteht es sich, dass ein Balken 94 von
einem Steuerhebel 72 zum anderen führt und dass
der Kolben 96 des Aktuators 92 schwenkbar mit
der Mitte dieses Balkens gekoppelt ist. Somit entspricht die Stellung
des Kolbens 96 der Stellung der Mitte des Balkens, jedoch
können sich die Relativstellungen der zwei Steuerhebel
leicht verändern, wie es zum Angleichen einer Rollenbelastung
zwischen den zwei Kavitäten notwendig sein mag.
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Die
zum Steuern des CVT verwendete Hydraulik wird nun unter Bezugnahme
auf 3 beschrieben. In dieser Zeichnung stellt ein
Kasten 98 schematisch eine Anordnung zum Liefern von Hydraulikfluid
mit einstellbarem Druck dar. Geeignete Mittel hierfür sind
Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. Dieser Druck wird einem Variatorumschaltventil 100 zugeführt,
durch das er an beide Seiten des Kolbens 96 angelegt werden
kann, um die Steuerhebel 72 in eine Richtung oder die andere
zu drängen. In 3 ist ein Auslass der Niederdruckseite
des Kolbens als zu einem Sumpf 102 führend gezeigt,
obwohl er in der Praxis stattdessen einer Niederdruckquelle zuge führt
werden kann, um zu vermeiden, dass die entsprechende Kammer vollständig
entleert wird. Der Aktuator 92 bringt eine Kraft auf beide
Steuerhebel 72 auf, deren Größe von der
Druckzufuhr 98 bestimmt ist und deren Richtung vom Variatorumschaltventil 100 gesteuert
ist. Durch Einstellung dieser Kraft wird eine Steuerung über
ein Variatorreaktionsmoment ausgeübt.
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Der
Druck aus der Quelle 98 wird auch einem Kupplungsauswahlventil 104 zugeführt.
Dieses Ventil dient dazu, den vorgenannten Hydraulikdruck wahlweise
entweder an die Vorwärtskupplung 62 oder die Rückwärtskupplung 68 anzulegen.
Die inaktive Kupplung wird durch dasselbe Ventil in den Sumpf 102 entleert.
Das Kupplungsauswahlventil 104 bestimmt somit, ob das Getriebe
in Vorwärtsrichtung oder Rückwärtsrichtung
arbeitet, und die Druckzufuhr 98 bestimmt die Kraft, mit
der die aktive Kupplung in Eingriff kommt, und somit ihre Drehmomentaufnahmefähigkeit.
Ein Absperrventil 105 zwischen der Druckzufuhr 98 und
dem Kupplungsauswahlventil 104 dient dazu, diese Teile
wahlweise voneinander zu trennen, wenn das Fahrzeug sich im Leerlauf
befindet.
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Wie
zuvor erwähnt, sind normalerweise gewisse Mittel vorgesehen,
um die minimale und maximale Variatorübersetzung zu begrenzen.
Ohne solche Mittel bestünde die Gefahr, dass die Rollen 34, 36 so
weit kippen, dass sie die Variatorlaufringe 12, 14, 20, 22 mit
potentiell katastrophalen Folgen verlassen. Wie vorstehend bemerkt
sind solche "Endanschläge" beim Stand der Technik typischerweise
hydraulisch ausgeführt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hingegen werden der Bewegung der Rollen
einfache mechanische Anschläge entgegengesetzt. Genauer
begrenzen diese Anschläge eine Bewegung des einzelnen Aktuators 92, 96,
der zum Steuern aller Rollen eingesetzt wird. Sie können
im Prinzip jegliche Anzahl unterschiedlicher Formen annehmen, sind
jedoch in 3 als Anschlagpuffer 106, 108 innerhalb
des Aktuators 92 gezeigt, die einfach mit dem Kolben 96 in Berührung
kommen, wenn er das Ende seines Hubs erreicht.
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Die
Fläche des Kolbens 96 und die Flächen der
Kolben in der Vorwärts- und der Rückwärtskupplung 62, 68 (wobei
die letzteren Kolben in den Zeichnungen nicht zu sehen sind, obwohl
der Aufbau geeigneter Kupplungen Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt
ist) sind dazu gewählt sicherzustellen, dass die Drehmomentaufnahmefähigkeit
der aktiven Kupplung 62, 68 das Ausgangsdrehmoment
des Variators übersteigt, wobei beide natürlich
denselben Hydraulikdruck aus der Quelle 98 erhalten. Es
sei deshalb betrachtet, was bei einem Fahrzeuganfahrvorgang passiert.
Vor dem Anfahren ist der Druck zum Kupplungsauswahlventil 104 durch
das Absperrventil 105 entlastet. Keine Kupplung ist eingerückt
und die Fahrzeugräder sind somit vom Variator entkoppelt.
Um ein Anfahren auszulösen, wird das Kupplungsauswahlventil 104 dazu
eingestellt, entweder für Vorwärtsfahrt oder Rückwärtsfahrt
zu sorgen, die Druckzufuhr 98 wird auf einen geeignet niedrigen Wert
gestellt und der Zustand des Absperrventils 105 wird dann
geändert, um diesen Druck an die entsprechende Kupplung
anzulegen. Weil die Drehmomentaufnahmefähigkeit der Kupplung
das Ausgangsdrehmoment des Variators immer übersteigt,
wird der Variator anfänglich dazu gezwungen, seine Minimalübersetzung
einzunehmen, wie sie durch den Endanschlagspuffer 106 bestimmt
ist. Dies wird unabhängig vom Zustand des Variatorumschaltventils 100 passieren,
jedoch wird tatsächlich, um jeglichen "dumpfen Schlag"
hervorgerufen durch das den Variator an das Ende seines Übersetzungsbereiches
treibende Kupplungsmoment zu vermeiden, das Umschaltventil 100 anfangs
ebenso zum Drängen des Variators in seine Minimalübersetzung
eingestellt.
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Ein
Einrücken der aktiven Kupplung bringt Drehmoment auf die
angetriebenen Räder auf und das Fahrzeug beginnt somit
zu beschleunigen. An einem Punkt während des Anfahrens
wird der Zustand des Variatorumschaltventils 100 verändert,
so dass der angelegte Hydraulikdruck danach trachtet, den Kolben 96 von
seinem Puffer 106 wegzudrängen, um die Variatorübersetzung
zu erhöhen. Der Zeitpunkt dieser Änderung ist
unkritisch, solange sie stattfindet, während die aktive
Kupplung schleift, da während dieser Zeit der Variator
in jedem Fall durch das von der aktiven Kupplung 62 oder 68 ausgeübte
Drehmoment auf seiner Minimalübersetzung gehalten wird. Der
Druck aus der Quelle 98 wird beim Beschleunigen des Fahrzeugs
zunehmend erhöht und zu einem Zeitpunkt hört das
Schleifen der aktiven Kupplung auf. Danach kann ein weiterer Anstieg
des Hydraulikdrucks den Kolben 96 von seinem Endpuffer 106 wegbewegen,
so dass die Variatorübersetzung sich beim Beschleunigen
des Fahrzeugs erhöhen kann.
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Bei
nachfolgenden Beschleunigungs- und Bremsvorgängen ist ein
Schleifen der aktiven Kupplung nicht zu erwarten, da die vom Variator
auf sie aufgebrachte Last kleiner als ihre Drehmomentaufnahmefähigkeit
ist.
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Im
Ergebnis wird ein Getriebe bereitgestellt, bei dem das Anfahrmanagement
auf eine besonders unkomplizierte Weise gesteuert werden kann und das
hinsichtlich seiner Hydraulik eine beträchtliche Vereinfachung
gegenüber bekannten CVTs darstellt.
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Moderne
Motorfahrzeuge verwenden typischerweise Elektronik, um eine koordinierte
Strategie zur Steuerung des Getriebes und des Motors auszuführen.
Das hier betrachtete CVT würde auf diese Weise gesteuert
werden. Die zu steuernden zwei Haupteinflussgrößen
sind im vorliegenden Beispiel das Variatorreaktionsmoment (eingestellt
mittels der Druckzufuhr 98) und das Motorausgangsdrehmoment,
eingestellt mittels einer einem Motorsteuergerät zugeführten
Drehmomentanforderung.
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Die
vorstehenden Ausführungsformen sind ausschließlich
beispielhaft wiedergegeben und es wird für den erfahrenen
Leser ersichtlich sein, dass die Erfindung in der Praxis auf viele
verschiedene Arten ausgeführt werden könnte. Beispielsweise
verwenden die dargestellten Ausführungsformen mechanische
Anschläge zum Begrenzen des Wegs der Rollen und damit des Übersetzungsverhältnisses
des Variators. Es ist jedoch im Stand der Technik bekannt, stattdessen
eine hydraulische Anordnung zu verwenden, bei der Auslassöffnungen
vom Aktuator 92 in den Seiten seiner Zylinder ausgebildet
sind, so dass ein übermäßiger Arbeitshub
des Kolbens in beiden Richtungen die Auslassöffnungen verschließt und
so eine Endanschlagsfunktion bereitstellt. Dieselbe Art von Anordnung
könnte beim Ausführen der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden. Auch könnte, obwohl die dargestellte
Ausführungsform eine mechanische Kugelrampenanordnung zum
Bereitstellen von Traktionslast verwendet, diese Funktion in anderen
Ausführungsformen ebenfalls durch eine Hydraulik ausgeführt
werden. Es ist beispielsweise wohlbekannt, den gleichen Druck sowohl
den Aktuatoren 92 als auch einer hydraulischen Kolbenzylinderanordnung
zuzuführen, die auf einen der Variatorlaufringe wirkt,
um die Endlast bereitzustellen, und dasselbe könnte in
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung getan werden.
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Zusammenfassung
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Stufenloses Getriebe
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Die
Erfindung betrifft eine Steuerung eines stufenlos veränderbaren
Fahrzeuggetriebes. Das in Rede stehende Getriebe soll einen Variator
(10) aufweisen, der zwischen einen drehbaren Getriebeeingang
(32) und einen drehbaren Getriebeausgang (46)
geschaltet ist, um für eine stufenlose Änderung eines
Getriebeübersetzungsverhältnisses über
eine Anfahreinrichtung wie etwa eine Kupplung (62) oder (68)
zu sorgen, mittels derer die Betriebsverbindung zwischen dem drehbaren
Eingang und dem drehbaren Ausgang vorgenommen und unterbrochen werden
kann. Der in Rede stehende Variator ist dazu aufgebaut und angeordnet,
ein gefordertes, durch ein Eingangssignal festgelegtes Drehmoment
auszuüben. Die Anfahreinrichtung ist dazu aufgebaut und angeordnet,
eine geforderte Drehmomentaufnahmefähigkeit bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird dasselbe Steuersignal dazu
benutzt, sowohl das Variatormoment als auch die Drehmomentaufnahmefähigkeit
der Anfahreinrichtung zu steuern. Bei einer solchen Anordnung kann
ein Fahrzeuganfahren (d. h. ein Starten aus dem Stillstand) auf
eine sehr unkomplizierte Weise durch zunehmendes Erhöhen
des betreffenden Steuersignals gesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 2005/03098 [0006]
- - WO 2006/027540 [0006]