DE19530615C2 - Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebe - Google Patents
Kegelscheiben-UmschlingungsgetriebeInfo
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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.
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1996
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19841346A1 (de) * | 1998-09-10 | 2000-03-16 | Volkswagen Ag | Stufenlos verstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe, insbesondere für Kraftfahrzeuge |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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DE19530615A1 (de) | 1997-03-06 |
JPH09112641A (ja) | 1997-05-02 |
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