DE19530615A1 - Stufenloses Getriebe mit zwei auf je einer Getriebewelle angeordneten Keilriemenscheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses Getriebe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einem bekannten Getriebe der eingangs genannten Art (US-PS 4 541 821) wird das Übersetzungsverhältnis dadurch eingestellt, daß jeder Keilriemenscheibe eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, welche den der Soll-Übersetzung zugehörigen gegenseitigen Abstand der Scheibenteile an beiden Keilriemenscheiben festlegen (Lageregelung). Lediglich eine der beiden Keilriemenscheiben weist eine zusätzliche Stelleinrichtung zur Erzeugung von drehmomentabhängigen Anpreßkräften auf. Dies macht es erforder­ lich, daß die Anpressung des Keilriemens an der anderen Keilrie­ menscheibe durch höhere Zugkräfte des Keilriemens bewirkt werden muß, die letztlich von der drehmomentabhängigen Stelleinrichtung der einen Keilriemenscheibe erzeugt und durch den Keilriemen zur anderen Keilriemenscheibe übertragen werden müssen.

Stufenlose Getriebe in Kraftfahrzeugen erfüllen Forderungen, die von Handschaltgetrieben sowie von konventionellen Automatikge­ trieben nicht erfüllt werden können.

Die bekannten Vorteile eines stufenlosen Getriebes wie Verbes­ serung des Kraftstoffverbrauches, Anpassung des Übersetzungsver­ hältnisses an die durch die Zugkrafthyperbel gegebene verfügbare Leistung, Reduzierung der Emissionen und Geräuschminderung, las­ sen die Bedeutung dieser Getriebeausführung stetig zunehmen.

Hinsichtlich der Realisierung dieser Getriebeform werden den Um­ schlingungsgetrieben die ausgewogensten Eigenschaften attestiert (VDI-Bericht 579, 1986 Seiten 125-150).

Bei den bisher in Kraftfahrzeugen eingesetzten stufenlosen Um­ schlingungsgetrieben handelt es sich fast ausschließlich um naß­ laufende Kettentriebe nach Reimers bzw. Schubgliederbänder nach dem Van Doorne Prinzip.

Diese Getriebe benötigen aufgrund der Übertragung der Umfangs­ kraft über Grenzreibung an den Kontaktstellen zwischen Umschlin­ gungsmedium und Verstellscheiben und des daraus resultierenden niedrigen Reibwertes hohe Anpreßkräfte. Eine Verstellung des Ge­ triebes im Stillstand ist aufgrund des Schmierspaltes zwischen Umschlingungsmittel und Scheibe zwar möglich, der Nachteil die­ ser Anordnung besteht aber in der Tatsache, daß zum Aufbau einer Verstellkraft bzw. Erhalten einer Anpreßkraft stets eine Pumpe zur Erzeugung des erforderlichen Anpreßdrucks an den Scheiben benötigt wird. Besonders bei geringer motorisierten Fahrzeugen entstehen dadurch erhebliche Verluste, die den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs nachhaltig verschlechtern.

Stufenlos verstellbare trocken laufende Riementriebe werden in Industriegetrieben schon seit geraumer Zeit vor allem zur Dreh­ zahlverstellung eingesetzt. Die Verstellung der Übersetzung er­ folgt während des Betriebs meist durch Verdrehen eines Hand­ rades. Erst die konsequente Funktionstrennung beim Verbundkeil­ riemen ermöglicht aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit den Einsatz in Kraftfahrzeuggetrieben.

Beim Verwenden eines trocken laufenden Verbundkeilriemens - wie von Amÿima, Fujii, Matuoka und Ikeda in "Study on axial force and its distribution for a newly developed blocktype CVT belt" (Int. J. of Vehicle Design, vol. 12, no. 3, 1991) beschrieben - sind aufgrund der veränderten Bedingungen im Reibkontakt, d. h. des höheren Reibwertes, entsprechend niedrigere Anpreßkräfte notwendig. Die theoretischen Grundlagen sowie die Erläuterung des sogenannten Selbsthemmeffektes sind in einer Dissertation an der Universität Hannover 1993 von Pietz zum Thema "Betriebsver­ halten von CVT-Riementrieben für den Antrieb von Automobilen" ausführlich erläutert.

Infolge der niedrigeren Anpreßkräfte ist bei trocken laufenden Riemengetrieben eine hydraulische Anpressung des Umschlingungs­ mediums nicht mehr notwendig, sondern kann durch eine mechani­ sche Anpreß- und Verstelleinrichtung ersetzt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht im wesent­ lichen darin, bei einem stufenlosen Getriebe der eingangs ge­ nannten Art den Keilriemen von zusätzlichen Kräften, welche an sich nicht zur Übertragung der Antriebsleistung des Antriebs­ motores durch das Getriebe erforderlich sind, zu entlasten.

Die erläuterte Aufgabe ist gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 ge­ löst.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Übertragung der Umfangs­ kräfte und die Einwirkung der Verstellkräfte unterschiedliche Bereiche der Umschlingung betreffen.

Die Umschlingung der beiden Keilriemenscheiben kann in zwei Be­ reiche unterteilt werden. Nach dem Einlaufen des Keilriemens in die getriebene Keilriemenscheibe durchläuft dieser zuerst den Ruhebogen, in dem kein Aufbau der Trumkraft stattfindet. Erst nachdem der Keilriemen den Orthogonal-Punkt passiert hat, wird an der getriebenen Keilriemenscheibe eine Trumkraft aufgebaut. Die Übertragung der Trumkräfte und damit des Momentes erfolgt somit im sogenannten Nutzbogen der Umschlingung, die das Einwan­ dern durch die Längsdehnung des Keilriemens zur Folge hat. Auf der treibenden Keilriemenscheibe wird im Nutzbogen infolge der Längselastizität des Keilriemens durch aus Auswandern eine Zug­ kraft abgebaut.

Wird die Übertragung der Umfangskräfte vor allem im Nutzbogen der Umschlingung, d. h. im Auslaufbereich, realisiert, so wirkt sich das Aufbringen einer Verstellkraft im sogenannten Ruhe­ bogen, d. h. im Einlaufbereich, aus.

Beim Verstellvorgang auf einen größeren Wirkdurchmesser muß eine axiale Verstellkraft aufgebracht werden, die die in der Umschlingung befindlichen Riemenelemente zusammenquetscht. Da­ durch wandert der Berührpunkt zwischen Keilriemen und Keilrie­ menscheibe auf einen größeren Wirkdurchmesser. Aufgrund der Selbsthemmbedingung können die in der Umschlingung eingekeilten Riemenelemente nicht aus der Keilrille auswandern. Somit wirken sich die Bedingungen im Einlaufpunkt nicht auf die Verhältnisse im Nutzbogen aus.

Bei der Verstellung auf einen kleineren Wirkradius wird durch die Entlastung der in der Umschlingung befindlichen Riemenele­ mente eine Verlagerung des Berührpunktes zu kleineren Wirkdurch­ messern im Einlaufpunkt bewirkt.

Aufgrund der Tatsache, daß sich die Vorgänge bei der Verstellung im Bereich des Einlaufpunktes abspielen und die Übertragung der Zugkraft im Nutzbogen, d. h. im Auslaufbereich, stattfindet, kön­ nen diese Vorgänge unabhängig voneinander betrachtet werden. Diese Überlegung bildet die Grundlage für die Erfindung, daß die Verstellkräfte und die stationären Anpreßkräfte einfach betrags­ mäßig addiert werden können. Somit wirkt im stationären Be­ triebszustand, d. h. wenn das Umschlingungsgetriebe auf einem konstanten Wirkdurchmesser läuft, nur die stationäre Anpreß­ kraft. Soll zusätzlich eine Verstellung auf einen größeren Wirkdurchmesser erfolgen, muß der stationären Anpreßkraft eine zusätzliche Verstellkraft überlagert werden. Die absolute axiale Kraft auf den Riemen muß erhöht werden.

Reziprok muß zur Verstellung auf einen kleineren Wirkdurchmesser eine negative Verstellkraft addiert werden. Diese Verstellkraft darf nicht ruckartig aufgebracht werden, um ein Durchrutschen des Keilriemens zu verhindern.

Im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Keil­ riemens ist das Getriebe nach der Erfindung von wesentlichem Vorteil, weil bei diesem die Getriebeübersetzung nicht durch eine Lageregelung wie beim Stand der Technik, sondern durch eine Kraftregelung erfolgt. Die Anpreßkräfte an den beiden Keilrie­ menscheiben können hierbei unanhängig voneinander erzeugt werden und müssen nur so groß gewählt werden, wie es zur Übertragung des geforderten Momentes notwendig ist.

Bei dem stufenlosen Getriebe nach der Erfindung stellt sich das Übersetzungsverhältnis entsprechend dem Gleichgewicht der An­ preßkräfte an den beiden Keilriemenscheiben ein.

Das Anpreßsystem an der einen - bspw. der getriebenen - Keil­ riemenscheibe bringt in Abhängigkeit vom Drehmoment und von der Getriebeübersetzung die für den jeweiligen Betriebspunkt nötige Anpreßkraft auf.

Die Erzeugung der Gesamtanpreßkraft an der anderen - bspw. der treibenden - Keilriemenscheibe erfolgt durch zwei Anpreßein­ heiten. Ein Teil der Anpreßkraft wird hierbei von einem mechani­ schen Anpreßsystem, beispielsweise durch eine Nockenanpressung, aufgebracht, das die Anpreßkraft in Abhängigkeit vom Drehmoment und von der Übersetzung einstellt. Der zweite Anteil der Gesamt­ anpreßkraft wird durch ein weiteres Anpreßsystem aufgebracht, das durch die Zuhilfenahme einer Hilfsenergie eine Anpreßkraft erzeugt. Die Summe der beiden Anpreßkräfte ist dann auf die theoretisch benötigte Gesamtanpreßkraft ausgelegt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des stufenlosen Getrie­ bes nach der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 erfolgt die Erzeu­ gung der Anpreßkräfte an beiden Keilriemenscheiben jeweils durch zwei Anpreßeinheiten. An der einen - bspw. der getriebenen - Keilriemenscheibe wird jeweils anteilsmäßig eine Anpreßkraft durch eine drehmomentabhängige Nockenanpressung und eine Anpreß­ kraft durch unter Vorspannung gesetzte federnde Mittel aufge­ bracht. An der anderen Keilriemenscheibe wird ebenfalls anteils­ mäßig eine Anpreßkraft durch eine drehmomentabhängige Nockenan­ pressung und durch eine zusätzliche Anpreß- und Verstelleinheit aufgebracht. Als Ausführungsformen dieser Anpreß- und Verstell­ einheit sind u. a. elektromechanische, pneumatische oder hydraulische Systeme denkbar.

In Anwendung der Erfindung auftrocken laufende Umschlingungsge­ triebe gemäß Patentanspruch 3 kann eine hydraulische Anpressung des Umschlingungsmittels entfallen und durch eine mechanische Anpreß- und Verstelleinrichtung ersetzt werden.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles.

Ein stufenloses Getriebe weist eine auf einer ersten Getriebe­ welle (Eingangswelle) 1 angeordnete Keilriemenscheibe 3 auf, welche durch einen endlosen Keilriemen 11 in bekannter Weise mit einer Keilriemenscheibe 4 in Antriebsverbindung steht, welche auf einer zweiten Getriebewelle 2 (Ausgangswelle) angeordnet ist.

Die Keilriemenscheibe 3 weist einen mit der Getriebewelle 1 einteilig ausgebildeten stationären Scheibenteil 7 und einen in bezug auf die Drehachse 5-5 der Getriebewelle 1 dreh- und axialbeweglich angeordneten Scheibenteil 9 auf. Die Scheiben­ teile 7 und 9 sind mit je einer zueinander in Keilform angeord­ neten Reibfläche 12 bzw. 13 versehen, welche jeweils mit einer der beiden stirnseitigen Reibflächen 16 und 17 des Keilriemens 11 in Reibkontakt stehen.

Die Keilriemenscheibe 4 weist einen zur Getriebewelle 2 bewe­ gungsfest angeordneten stationären Scheibenteil 8 und einen in bezug auf die Drehachse 6-6 der Getriebewelle 2 dreh- und axial­ beweglich angeordneten Scheibenteil 10 auf. Die Scheibenteile 8 und 10 sind mit je einer zueinander in Keilform angeordneten Reibfläche 14 bzw. 15 versehen, welche jeweils mit einer der beiden Reibflächen 16 und 17 des Keilriemens 11 in Reibschluß stehen.

Eine erste Stelleinrichtung 25 an der Keilriemenscheibe 4 arbei­ tet nach dem Prinzip, eine Anpreßkraft an den Reibflächen 14 und 15 aus dem über eine Kurvenbahn 27 einer Stellhülse 28 und Noc­ ken 24 übertragenen Drehmoment zu erzeugen. Die Höhe dieser An­ preßkraft wird bestimmt durch die Größe des Drehmomentes sowie durch die der jeweiligen Übersetzung, welche an der Keilriemen­ scheibe 4 durch den gegenseitigen Abstand 23 der Scheibenteile 8 und 10 und an der Keilriemenscheibe 3 durch den gegenseitigen Abstand 22 der Scheibenteile 7 und 9 definiert ist, zugeordnete Steigung der Kurvenbahn 27. Die Nocken 24 stützen sich hierbei an einer mit einer korrespondierenden Kurvenkontur 29 versehenen Abstützscheibe 30 ab, welche durch Befestigungsmittel 31 auf der Getriebewelle 2 unbeweglich festgelegt ist, so daß die Anpreß­ kräfte und deren Reaktion durch die Getriebewelle 2 abgefangen und somit ohne Auswirkung auf die Wellenlagerung sind. Die Noc­ ken 24 sind in einem Käfig 32 aufgenommen, welcher für sich frei drehbar gelagert ist, um bei einer Richtungsumkehr des Drehmo­ mentes entsprechend reagieren zu können.

Zur Erzeugung eines weiteren Anteiles der Anpreßkraft an der Keilriemenscheibe 4 ist eine zweite Stelleinrichtung in Form ei­ ner vorgespannten Druckfeder 26 vorgesehen, welche vor allem die Aufgabe hat, zu jedem Zeitpunkt eine Mindestvorspannung des Keilriemens 11 zu gewährleisten. Dies betrifft vor allem die Verhältnisse vor dem Anfahrvorgang, weil hierbei über die Nockenanpressung keine Anpreßkraft vorhanden ist. Um die Rela­ tivdrehung der Scheibenteile 8 und 10 zueinander nicht zu behin­ dern, ist an der Schnittstelle zwischen dem Scheibenteil 10 und der Druckfeder 26 ein Axiallager vorgesehen.

Die Erzeugung der an der treibenden Keilriemenscheibe 3 benötig­ ten Gesamtanpreßkraft wird anteilig durch eine mit Nockenanpres­ sung arbeitende Stelleinrichtung 19 und durch eine elektromecha­ nische Stelleinrichtung 20 vorgenommen.

Die Übertragung des Anpreßkraftanteiles über die Nocken 18 der Stelleinrichtung 19 funktioniert, wie bereits am Beispiel der getriebenen Keilriemenscheibe 4 beschrieben, übersetzungs- und drehmomentabhängig. Der elektromechanisch erzeugte Anteil der Anpreßkraft wird über das an einem Schrittmotor 21 anstehende Haltemoment erzeugt. Ein nachgeschaltetes Getriebe überträgt das untersetzte Motormoment auf einen mit einem Zahnkranz versehenen Nockenkäfig 33, welcher die Nocken 39 aufnimmt, die sich einerseits über eine Kurvenbahn 34 eines Gehäuseteiles 35 des Getriebegehäuses 36 und andererseits über eine Kurvenbahn 37 eines drehzahlentkoppelten Stellringes 38 abstützen.

Durch den funktionellen Zusammenhang zwischen der Lage der Nocken 18, d. h., der Übersetzung und der Steigung im jeweils betreffenden Punkt, kann der Verlauf der Anpreßkraft in nahezu beliebiger Weise gestaltet werden.

Claims (3)

1. Stufenloses Getriebe mit zwei auf je einer Getriebewelle an­ geordneten Keilriemenscheiben und Mitteln zur Drehmomentübertra­ gung zwischen jeweils einer Getriebewelle und der auf ihr ange­ ordneten Keilriemenscheibe, und bei dem die Keilriemenscheiben jeweils in bezug auf die Drehachse ihrer Getriebewelle einen axial stationären Scheibenteil und einen axial beweglichen Scheibenteil aufweisen sowie durch einen endlosen Keilriemen derart umschlungen sind, daß die mit einer Reibfläche versehenen Scheibenteile jeweils mit einer von zwei stirnseitigen Reibflä­ chen des Keilriemens in Reibschluß stehen, und bei dem der einen Keilriemenscheibe eine durch Verwendung von Anpreßnocken an den Scheibenteilen in Abhängigkeit von Drehmoment und Getriebeüber­ setzung arbeitende Stelleinrichtung zur Erzeugung von axialen Anpreßkräften zugeordnet ist, aus denen eine dauernde Kraftein­ wirkung auf die Scheibenteile im Sinne eines mit steigendem Drehmoment ansteigenden Reibschlußanteiles resultiert, und bei dem der einen Keilriemenscheibe außer der Stelleinrichtung zur Erzeugung von drehmomentabhängigen Anpreßkräften zusätzlich eine Stelleinrichtung zur Änderung der Getriebeübersetzung zugeordnet ist, welche mittels eines hilfskraftbetriebenen Stellmotores den gegenseitigen Abstand der Scheibenteile und somit den wirksamen Durchmesser der einen Keilriemenscheibe beeinflußt, und bei dem Mittel verwendet sind, welche den gegenseitigen Abstand der bei­ den Scheibenteile der anderen Keilriemenscheibe zur Einstellung der jeweiligen Getriebeübersetzung beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Mittel zur Beeinflussung des gegenseitigen Abstandes (23) der Scheibenteile (8 und 10) der anderen Keilriemenscheibe (4) ebenfalls eine durch Verwendung von Anpreßnocken (24) an den Scheibenteilen (8 und 10) in Abhängigkeit von Drehmoment und Ge­ triebeübersetzung arbeitende Stelleinrichtung (25) zur Erzeugung von axialen Anpreßkräften verwendet ist, aus denen eine dauernde Krafteinwirkung auf die Scheibenteile (8 und 10) der anderen Keilriemenscheibe (4) im Sinne eines mit steigendem Drehmoment ansteigenden Reibschlusses resultiert, und daß über den Stell­ motor (21) von wenigstens einem äußeren Betriebsparameter abhän­ gige Anpreßkräfte einsteuerbar sind, aus denen eine dauernde Krafteinwirkung auf die Scheibenteile (7 und 9) der einen Keil­ riemenscheibe (3) im Sinne eines zusätzlichen, von dem Betriebs­ parameter abhängigen Reibschlußanteiles resultiert, und daß das Übersetzungsverhältnis sich aufgrund des durch den Keilriemen (11) bestimmten Gleichgewichtes der Gesamtanpreßkraft an der einen Keilriemenscheiben (3) und der Anpreßkraft an der anderen Keilriemenscheibe (4) einstellt.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenteile (8 und 10) der anderen Keilriemenscheibe (4) zusätzlich unter einer ständigen Anpreßkraft stehen, welche durch vorgespannte federnde Mittel (26) erzeugt wird.

3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen (12 bis 17) trocken betrieben sind.