DE19530615C2 - Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses Kegelscheiben- Umschlingungsgetriebe mit je einem Kegelscheibenpaar auf An- und Abtriebswelle.

Die bekannten Vorteile eines stufenlosen Getriebes wie Verbesse­ rung 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 des niedrigen Reibwertes hohe Anpreßkräfte. Eine Verstellung des Getriebes im Stillstand ist aufgrund des Schmierspaltes zwischen Umschlingungsmittel und Scheibe zwar möglich, der Nachteil dieser Anordnung besteht aber in der Tatsache, daß zum Aufbau einer Verstellkraft bzw. Erhal­ ten einer Anpreßkraft stets eine Pumpe zur Erzeugung des erfor­ derlichen Anpreßdrucks an den Scheiben benötigt wird. Besonders bei geringer motorisierten Fahrzeugen entstehen dadurch erhebli­ che Verluste, die den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs nachhal­ tig 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 Handra­ des, das im allgemeinen auf das Kegelscheibenpaar der Antriebs­ welle allein einwirkt, während das Kegelscheibenpaar der Ab­ triebswelle entweder ausschließlich unter den Anpreßkräften von federnden Mitteln (DE 30 33 939 C2) oder zusätzlich unter drehmomentabhängigen Anpreßkräften steht (DT-AS 20 12 732).

Erst die konsequente Funktionstrennung in Zugstränge zur Über­ tragung der Zugkräfte und in Blockelemente zur Erhöhung der Quersteifigkeit beim Verbundkeilriemen ermöglicht aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit den Einsatz in Kraftfahrzeuggetrie­ ben, vgl. Pietz "Betriebsverhalten von CVT-Riementrieben für den Antrieb von Automobilen" Dissertation an der Fakultät für Ma­ schinenwesen der Universität Hannover 1993 Sn. 26-29.

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 der Dissertation aus­ führlich erläutert (Seiten 60-67).

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.

So ist es bei Kegelscheiben-Umschlingungsgetrieben bekannt (DE 36 23 116 A1; US 5 378 198), daß beide Kegelscheibenpaare auf An- und Abtriebswelle sowohl mit einer drehmomentabhängig arbei­ tenden Anpreßeinrichtung als auch mit einem den Scheibenabstand, d. h. das Übersetzungsverhältnis festlegenden Einstellmechanismus ausgerüstet sind, wobei die Einstellmechanismen beider Wellen durch Zahnradgetriebe oder dgl. mit einer Stellwelle derart zwangsgekoppelt sind, daß eine Drehung der Stellwelle durch ei­ nen mit Hilfsenergie betriebenen und in Abhängigkeit von äußeren Betriebsparametern steuerbaren Motor zwangsläufig eine Einstel­ lung eines größeren Scheibenabstandes bei dem einen Kegelschei­ benpaar und ebenso einen dem geänderten Übersetzungsverhältnis zugehörigen kleineren Scheibenabstand bei dem anderen Kegel­ scheibenpaar zur Folge hat.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bei einem stufenlosen Getriebe der eingangs genannten Art die An­ preßkräfte zur Verbesserung des Getriebewirkungsgrades noch wei­ ter zu verringern.

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

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 jeweils in zwei Bereiche, den Ruhebogen und den Nutzbogen, unterteilt wer­ den.

Nach dem Einlaufen des Keilriemens in die treibende Scheibe fin­ det im Ruhebogen kein Abbau der Trumkraft statt. Vom Orthogonal­ punkt an läuft der Riemen aus der treibenden Scheibe heraus. Die im gezogenen Trum vorhandene Zugkraft, die zu einer Längsdehnung des Riemens führt, wird in Bewegungsrichtung unter radialer Gleitbewegung abgebaut. Die Riemengeschwindigkeit ist in diesem Bereich kleiner als die Geschwindigkeit im Orthogonalpunkt, was ein Auswandern des Riemens in radialer Richtung zur Folge hat. Somit bewirkt die der radialen Gleitgeschwindigkeit entgegen­ gesetzte Reibkraft einen Abbau der Trumkraft.

Nach dem Einlaufen des Keilriemens in die getriebene Scheibe findet im Ruhebogen kein Aufbau der Trumkraft statt. Vom Ortho­ gonalpunkt an läuft der Riemen in die Keilrille hinein. Verbun­ den mit dem Aufbau der benötigten Zugkraft in Bewegungsrichtung im gezogenen Trum stellt sich eine Gleitbewegung des Riemens in der Keilrille ein. Die Riemengeschwindigkeit ist in diesem Be­ reich größer als die Geschwindigkeit im Orthogonalpunkt, was ein Einwandern des Riemens in radialer Richtung zur Folge hat. Somit bewirkt die der radialen Gleitgeschwindigkeit entgegengesetzte Reibkraft einen Aufbau der Trumkraft.

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 Ruhebo­ gen, d. h. im Einlaufbereich, aus.

Beim Verstellvorgang auf einen größeren Wirkdurchmesser muß eine axiale Verstellkraft aufgebracht werden, die die in der Um­ schlingung befindlichen Riemenelemente zusammenquetscht. Dadurch wandert der Berührpunkt zwischen Keilriemen und Keilriemen­ scheibe auf einen größeren Wirkdurchmesser. Aufgrund der im Ru­ hebogen herrschenden Selbsthemmbedingung können die in der Um­ schlingung 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 Wirk­ durchmesser erfolgen, muß der stationären Anpreßkraft eine zu­ sätzliche Verstellkraft überlagert werden. Die Gesamtanpreßkraft 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 Fixierung des Scheibenabstandes des jeweiligen Kegelschei­ benpaares, sondern durch die Steuerung eines Haltemomentes an einem der beiden Kegelscheibenpaare eingestellt wird. Die Steue­ rung eines Haltemomentes bspw. durch einen Schrittmotor ist aus "Elektronik" Heft 8, 15.4.88, S. 154 bekannt. Die Anpreßkräfte an den beiden Keilriemenscheiben können hierbei unabhängig von­ einander erzeugt werden und müssen nur so groß gewählt werden, wie es zur Übertragung des 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 - Keilrie­ menscheibe bringt in Abhängigkeit vom Drehmoment und von der Ge­ triebeübersetzung die für den jeweiligen Betriebspunkt nötige Anpreßkraft auf.

Die Erzeugung der Gesamtanpreßkraft an der anderen - bspw. der treibenden - Keilriemenscheibe erfolgt durch zwei Anpreßeinhei­ ten. 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 den Einstellmechanismus für das Überset­ zungsverhältnis aufgebracht, welcher durch die Zuhilfenahme ei­ ner Hilfsenergie eine Anpreßkraft erzeugt. Die Summe der beiden Anpreßkräfte ist dann auf die theoretisch benötigte Gesamtan­ preßkraft 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 hydrau­ lische Systeme denkbar.

In Anwendung der Erfindung auf trocken laufende Umschlingungsge­ triebe 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 ein­ teilig ausgebildeten stationären Scheibenteil 7 und einen in be­ zug auf die Drehachse 5-5 der Getriebewelle 1 dreh- und axialbe­ weglich angeordneten Scheibenteil 9 auf. Die Scheibenteile 7 und 9 sind mit je einer zueinander in Keilform angeordneten Reibflä­ che 12 bzw. 13 versehen, welche jeweils mit einer der beiden keilförmig angeordneten 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 durch Pietz a.a.O., Sn. 19/20; Bild 3.14 erläuter­ ten Prinzip, eine Anpreßkraft an den Reibflächen 14 und 15 aus dem über eine Kurvenbahn 27 einer Stellhülse 28 und Nocken-Rol­ len 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-Rollen 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 Anpreßkräfte und deren Reaktion durch die Getriebewelle 2 abgefangen und somit ohne Auswirkung auf die Wellenlagerung sind. Die Nocken-Rollen 24 sind in einem Käfig 32 aufgenommen, welcher für sich frei drehbar gelagert ist, um bei einer Rich­ tungsumkehr des Drehmomentes entsprechend reagieren zu können.

Zur Erzeugung eines weiteren Anteiles der Anpreßkraft an der Keilriemenscheibe 4 ist eine vorgespannte Druckfeder 26 vorgese­ hen, welche vor allem die Aufgabe hat, zu jedem Zeitpunkt eine Mindestvorspannung des Keilriemens 11 zu gewährleisten. Dies be­ trifft vor allem die Verhältnisse vor dem Anfahrvorgang, weil hierbei über die Nockenanpressung keine Anpreßkraft vorhanden ist. Um die Relativdrehung der Scheibenteile 8 und 10 zueinander nicht zu behindern, ist 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 verstärkt und überträgt das Motormoment auf einen mit einem Zahnkranz verse­ henen 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 ei­ nes drehzahlentkoppelten Stellringes 38 abstützen.

Claims (2)

1. Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebe mit drehmomentabhängiger Anpreßkraft der Kegelscheibenpaare (3, 4) auf An- und Abtriebs­ welle (1 u. 2) sowie einem Einstellmechanismus (20) nur auf einer (1) der Wellen (1, 2) für die Übersetzung, der von einem Motor (21) mit Hilfsenergie betrieben wird, der im Stillstand ein bestimmtes Haltemoment ausübt, das durch äußere Betriebs­ parameter verändert werden kann und in eine zusätzliche Anpreß­ kraft umgesetzt wird, die die genannte drehmomentabhängige An­ preßkraft überlagert.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kegelscheibenpaar (4) auf der anderen Welle (2) außer unter der genannten drehmomentabhängigen Anpreßkraft zusätzlich unter der ständigen Anpreßkraft von vorgespannten federnden Mit­ teln (Druckfeder 26) steht.