DE19701859A1 - Verlustarmes CVT-insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate - Google Patents

Description

CVT's (Continously Variable Transmission) gehören als KFZ-Antriebskonzeptionen im Zusammen­ hang mit Brennkraftmaschinen zum Stande der Technik. Zu den kurzen typischen Ausführungsmerk­ malen im Oberbegriff des Hauptanspruches sei auf die Literarturhinweise /1 bis 8/ verwiesen. Diese Antriebskonzeptionen haben sich in Studien-, Forschungs- und Serienprojekten als vorteilhaft und zukunftweisend erwiesen. Mit Energiespareffekten, Fahrkomfortsteigerung und vor allem in der durch sie gegebenen Möglichkeit zur optimalen Motorkraftnutzung, sowie günstigere Ausführungskriterien z. B. gegenüber herkömmlichen Getriebeschaltautomaten, bergen sie vorteilhafte Eigenschaften.

Der elektromotorische KFZ-Antrieb bietet einen Lösungsbeitrag für die Imissionsmisere, insbe­ sondere in Ballungsgebieten. Obwohl auch mit Schadstoffemissionen bei der Stromerzeugung in Kraftwerken behaftet, stellt er eine unübertroffene Alternative zu herkömmlichen Antriebskonzeptionen dar /17/. Er hat sich bereits in verschiedenen Forschungs- und auch Vorserienprojekten als realisierbar und nützlich erwiesen. Für die (teilweise schon durch Gesetzeskraft erlangten) Abgasvorschriften hat er sich als eine zukunftsorientierte, alternative Antriebslösung herauskristallisiert. Hierbei ist ein CVT-Einsatz ebenso relevant und zweckmäßig.

Auffallend in dieser Entwicklungssparte ist, daß bei den meisten Entwicklungsprojekten, in denen weitgehend Gleichstrommotore mit Nebenschlußcharakteristik, Drehstrommotore mit induziertem Feld als Asynchronmaschinen oder Drehstromsynchronmaschinen - alle mit weitgehender Nebenschluß- charakterristik - zur Anwendung kommen. Dabei wird die von der Urzeit der KFZ-Entwicklung her bekannte Erfordernis einer Drehmomentenwandlungsmöglichkeit im Antriebspfad nach dem bekannten Begriff "Fahrhyberbel" weitgehend ignoriert. Zwar sind zweistufige Elektromotor-Getriebekombinati­ onen aus Entwicklungsprojekten bekannt, auch gibt es Elektromotormodifikationen, die in ihrem Drehmoment in (Teil-)Drehzahlbereichen Hyperbelcharakter aufweisen, jedoch werden diese "Anpassungen" bei weitem nicht der Fahrhyperbel herkömmlicher KFZ-Getriebe gerecht. Näheres zu dieser Thematik beeinhalten auch die Literaturstellen /9, 10; 11/. Durch eine optimale Drehmomentenwandlung im Übertragungsstrang läßt sich auch die Dimensionierung der Antriebsmaschine kleiner gestalten, womit sich abermals, bzw. wiederum die Verluste in vielen, den häufigsten Betriebsbereichen reduzieren lassen. In Anbetracht der eingeschränkten Energiespeichermöglichkeit beim Elektrofahrzeug ist eine Minimierung der Verluste im Antrieb selbst und im Übertragungsstrang, und nicht zuletzt im Zusammenspiel beider, besonders relevant. Dies wird durch die Gegebenheiten, daß das Elektrofahrzeug mit geringeren Antriebsleistungen ausgestattet ist, so daß sich herkömmliche CVT-Getriebekomponenten, die im unteren Leistungsbereich eine gewisse Grundverlustleistung aufweisen, abermals besonders aktuell.

Bei dem als weiterem Einsatzgebiet zugedachten KFZ-Nebenaggregaten /12; 13/ besteht die bekannte Erfordernis, daß sie bereits im unteren Drehzahlbereich des Antriebsmotors ihre volle Leistung erbringen müssen, in manchen Fällen ihnen sogar in diesen Betriebsbereichen der höchste Leistungsbedarf bzw. das höchste Drehmoment abverlangt wird. Dies bedingt, daß sie für diese unteren Drehzahlbereiche ausgelegt, und somit bei starren Antriebs- bzw. Übertragungskonzeptionen überdimensioniert sein müssen. Dadurch entstehen bei den herkömmlicherweise starr angetriebenen Nebenaggregaten in den oberen Drehzahlbereichen erhöhte Verluste, und überschüssige Leistungs­ angebote /12; 13; 14/. Ein weiterer gravierender Nachteil dabei ist, daß bei hohen Drehzahlen die Geräuschemission stark ansteigt, insbesondere bei Strömungsmaschinen-Nebenaggregaten wie Lüfter, Pumpen und Kompressoren. Diese Verlustproblematik und -Einsparthematiken werden auch unter /12 bis 16/ naher behandelt. Hierzu vorweggenommen erwähnt sei auch der nachteilige Tatbestand, daß häufig Nebenaggregate unter extremen Einsatzbedingungen, sowohl im langsamen, als auch im schnel­ len Drehzahlbereich einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen.

Nachteilig wirkt sich der Leistungsbedarf der Nebenaggregate im innerstädtischen KFZ-Einsatz mit den zunehmenden Go- und Stop-Phasen aus. Bei diesen weitgehenden Leerlaufbetriebsbedingungen des Antriebsmotors (drehzahlmäßig) ist sein Wirkungsgrad extrem schlecht, so daß ein spezifisch hoher Primärenergieverbrauch in diesen ungünstigen Betriebsphasen auftritt, der etwa dem drei- bis vier­ fachen des reinen Leistungsbedarfes der Nebenaggregate entspricht. Neben der Forderung nach Einschränkung des Energieverbrauches generell ist in Anbetracht der CO₂ - und sonstiger Abgas­ miseren somit auch die Verminderung der Verluste der Nebenaggregate im KFZ von essentieller, globaler Bedeutung. Außer dem oben behandelten Kriterium "Verluste" wirkt sich der Bauaufwand von Aggregaten und Komponenten -besonders im aktuellen Fall des Mobilantriebes - auch erheblich auf ihre Wirtschaftlichkeit und Investitionskriterien aus. So können durch eine Drehzahlregelung (Herauf­ setzung bei niedrigen Motordrehzahlen) die Aggregatausführungen kleiner gehalten werden. Ferner wird durch Vermeidung hoher (meist nutzloser) Betriebsdrehzahlen an den Nebenaggregaten deren Verschleißanfälligkeit vermindert und somit die Lebensdauer erhöht. Eine stufenloser Übertragungspfad vom Hauptantrieb zu den Nebenaggregaten ist somit auch hier ideal. Allerdings muß auch hierbei auf eine Verlustminimierung geachtet werden. Herkömmliche, ausgereifte Hauptantrieb-bzw. Fahr­ werks-CVT-Konzeptionen sind für diese relativ niedrigen Leistungsklassen relativ verlustreich und bauauf­ wendig.

Zweck und Aufgabe des Erfindungsgedankens ist die Minimierung der Verluste von CVT's sowie die Vereinfachung seines Bauaufwandes, insbesondere - aber nicht ausschließ- lich - abgestimmt auf die Einsatzbedingungen des elektromotorischen KFZ-Antriebes und auf des Antriebes von KFZ-Nebenag­ gregaten.

Bei herkömmlichen CVT's, wobei die Anpressung und Übersetzungsverstellung durch mitrotierende hydraulische Druckzylinder bewirkt wird, nimmt die Hydraulikversorgung einen großen Anteil an den Getriebegesamtverlusten ein. Dies vor allem , weil für die sporadisch zum Verstellen erforderlichen Druckmittelströme stetig präsent sein müssen. Hierzu /03/. Selbst wenn beispielsweise gegenüber herkömmlichen CVT's nur das halbe Verstellvolumen der kleineren elektromotorischen Antriebs­ konzeption vorausgesetzt wird, sind in einem mittleren Drehzahlbereich mit einer Konstantpumpe aufgebracht, noch etwa 15 l/min Förderleistung erforderlich. Unter einem Betriebsdruck von 20 bar erfordert diese Druckmittelversorgung alleine schon eine Pumpenantriebsleistung von ca. 0,75 kW. Dies ist bei den kleinen Leistungen der z. B. angestrebten "Stadtflitzer" mit 10 bis 20 kW durch­ schnittlicher Antriebsleistung nicht oder zumindest kaum akzeptabel.

Desweiteren bedingen herkömmliche hydraulische Anpreßkonzeptionen, die häufig zur Fliehkraft­ kompensation weitere Druckräume angeordnet haben, einen entsprechend großen Bauaufwand. Ferner bergen Ölzuführeinrichtungen an rotierenden Systemen gewisse Störanfälligkeiten und Verluste. Im Hinblick auf einen gewissen Entwicklungstrend zu rein elektrischen, bzw. elektromotorischen Bau­ elementen können die derzeitigen Ausführungen als nicht zukunftsorientiert angesehen werden.

Zur Verminderung der hydraulischen Verluste bietet sich an, die Anpressung , oder zumindest eine Teil davon, auf mechanischem Wege, z. B. über eine Anpreßkurve drehmomentenabhängig aufzubringen. Solche Lösungen wurden bereits in der Pionierzeit der CVT-Entwicklung praktiziert. Bei einer ausge­ wogenen, den Erfordernissen angepaßten Anpressung, die die Verluste des Friktionstriebes minimiert - be­ steht die Erfordernis, daß sie übersetzungsabhängig unterschiedlich wirkt. Daher müssen Anpreß- kurvenbahnen übersetzungsabhängig unterschiedliche Anpreßwinkel aufweisen. Dies bedingt einen mehr oder weniger großen Aufziehwinkel, der sich bei Drehmomentenumkehr als toter Verdrehwinkel, d. h. Verdrehlose auswirkt. Praktisch wirkt sich dieser Tatbestand während des Fahrens beim Getriebe­ verstellen zum Zwecke eine Fahrgeschwindigkeitstendenzänderung, wobei eine solche Drehmomenten­ umkehr stattfindet, beim Übergang von dem kraftlosen Kurvenmuffenaufziehen zur formschlüssigen Verdrehmitnahme als ein unakzeptierbarer, subjektiv stark spürbarer, störender Ruck aus. Zur Behe­ bung dieses Effektes stammt bereits aus der CVT-Entwicklungszeit ein Anpreßmechanismus /16/ mit einer quasi formschlüssigen mehrseitigen Fesselung der Anpreßelemente ohne Verdrehspiel. Diese Lösung erfordert jedoch einen nicht vertretbaren großen Bauaufwand, deren Einführung sich nicht bewährt und gelohnt hat.

Ein wichtiges Lösungsmerkmal vorliegender Erfindung besteht deshalb auch in in einem, die Verbes­ serung vorstehender Thematik betreffenden mechanischen Anpreßverfahren, in dem bei einfacher Ausführung Verdrehloseauswirkungen vermieden werden, in dem nur eine Reibscheibe 147 eines Reib­ scheibenpaares 146/147 einen "Totweg" ausführt, wogegen die andere 146 mit dem Übertragungsstrang 145 in Kraftschluß bleibt. Es findet also keine Unterbrechung des Kraftflusses statt, da die zweite Reibscheibe 146 die Kraftübertragung aufrechterhält. Natürlich tritt dabei an einer Stelle zwischen den Reibscheiben und dem Übertragungsstrang Zwangsschlupf auf. Dieser liegt jedoch wider subjektiven Erwartens in unschädlichen Grenzen: die spezifische Reibleistung die während eines Durchverstellvorganges, d. h. eines Kurvenmuffenaufziehvorganges auftritt, bzw. verkraftet werden muß, entspricht nur etwa der üblichen, stetig auftretenden, bzw. anfallenden spezifischen Verlustenergie die durch spiraligen Lauf (Radial- und Umfangschlupf) und den üblichen Normalschlupf (ca. 1,5%) im Normalbetrieb zwangsläufig vorliegt. Mildernd wirkt sich hierzu ferner noch aus, daß bei Verstellrichtungsumkehr (Durchfahren der Anpreßkurvenbahn) ohnehin das Drehmoment im Nullbereich liegt, oder zumindest stark reduziert ist.

Diese Lösungen werden durch die in den Ausführungsbeispielen und Ansprüchen angeführten Aus­ führungsmerkmalen erzielt.

Alle vorliegenden erfindungsgemäßen CVT-Ausführungen sind natürlich nicht nur auf die im Oberbegriff angeführten Einsatzfälle beschränkt, sondern können beliebig nutzbringend zum Einsatz kommen. So z. B. auch in CVT's mit brennkraftmotorischem Antrieb, was bei den aktuellen Bestrebungen und Bemühungen nach "sparsameren PKW's" relevant ist. Ein besonderes spezifisches Einsatzgebiet sind dabei auch die global in Entwicklung befindlichen und z. T. auch schon präsentierten Kleinwagenkonzeptionen mit stark verminderter Motorleistung. Weitere Einsatzmöglichkeiten der Erfindungsmerkmale bieten stufenlose Getriebe für Maschinen jeder Art, Antriebe an Ver­ fahrensstrecken u. dgl.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Schemadarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotor-CVT-Antriebes mit einer Hydraulikspar-Versorgungs- und Steuerkonzeption.

Der Elektromotor 1 trägt auf seiner Welle 2 das Antriebs­ scheibenpaar 3a und 3b, mit dem dazwischenliegenden Endlos-Über­ tragungsstrang 4, wobei die Festreibscheibe 3a eine weitgehend gerade, rechtwinklig angeordnete Reibfläche aufweist, die Wegscheibe 3b kegelig ausgebildet ist und einen Hydraulik­ zylinder 5 trägt und mit der Motorwelle 2 und somit auch der Festreibscheibe 3a über die Kurvenmuffen 6a und 6b, dem dazwischenliegenden Klemmkörper 7 in Verdrehverbindung steht. Der Abtriebsreibscheibensatz besteht aus der verdrehfest auf der Abtriebswelle 8 angeordneten Festreibscheibe 9a mit weitgehend gerader, rechtwinkliger Reibfläche und der zugeordneten Wegreibscheibe 9b, welche über Kurvenmuffe 10a und 10b und dem dazwischen befindlichen Klemmkörper 11 mit der Festreibscheibe 9a und somit auch der Abtriebswelle 8 in Drehverbindung steht und ebenfalls einen hydraulischen Druckzylinder 12 aufweist. Der Abtriebsfluß erfolgt weiter über Zahnräder 13 und 14 und dem Differential 15 zum Fahrwerksantrieb 16.

Der Kraftfluß teilt sich in den Scheibensätzen auf:
über die Reibpartien der ungleich ausgebildeten Reibscheiben 3a/3b und 9a/9b. Bei stationärer (statischer) Betriebsweise laufen die Reibscheiben der Paare zwangsläufig synchron. Während eines Verstellvorganges dagegen ist eine Verdrehverstimmung zwischen beiden Reibscheiben 3a, 3b sowie 9a, 9b erforderlich.

Dies setzt eine Verdrehrelativbewegung zwischen Reibpartien auf den Scheibensätzen voraus. Dieser gewollte Tatbestand stellt andererseits die angestrebte Verdrehspielfreiheit sicher. Zur Sicherstellung eines sicheren, stetigen Kraftflusses muß eine Reibpartie immer in Reibschluß bleiben. Hierfür werden folgende Effekte genutzt und Ausgestaltungen gewählt, die einen einseitig sicheren Reibschluß ermöglichen:

• a) die Festreibscheibe weist bei CVT's bekanntlich ohnehin wegen ihrer geringeren inneren Dämpfung einen niedrigeren Reibwert als die "hydraulisch hinterfütterte" Wegreibscheibe auf;
• b) die Wegreibscheibe wird vorteilhafterweise alleine kegelig ausgebildet, so daß die Reibkraft auf dieser Seite dadurch größer ist;
• c) durch den Einsatz anisotroper Materialien an den Reibkontaktstellen. Damit lassen sich relativbewegungs­ abhängig unterschiedliche Reibwerte erzielen, so, daß im normalen statischen Betrieb an der schwächeren Seite, wo der Rutschausgleich stattfinden soll, eine zwar normale Mitnahme, im Gegensatz dazu im Falle des Verdrehens aber eine abgesenkte Reibkraft herrscht.
• d) des weiteren ist zu beachten und zu beanspruchen, daß die Kurvenmuffen-Auslegung weitgehend nicht zur Selbsthemmung neigt, z. B. durch Anordnung steiler Flanken auf einem nicht zu kleinen Wirkradius.

Unter Nutzung der vorstehenden Merkmale a) bis d) dürfte der durch das Verdrehen bedingte Blindfluß, der von der Nutzungsübertragungsreibscheibe ungünstigenfalls abzüglich einwirkt, nicht über 40% betragen. D.h., für den reinen statischen Betriebsfall betrachtet, liegt der Durchzug des gesamten Reibtriebes im stationären Betrieb bei 140% der "sicheren" Reibseite, während er bei Aufziehaktivitäten ungünstigenfalls auf 60% fallen kann - gleichbleibende Anpreßbedingungen vorausgesetzt.

Die praktischen Gegebenheiten dürften jedoch einige Fakten liefern, die vorliegendes Manko der Übertragungsreduzierung entkräften, zumindest aber mindern:

• e) Beim Verstellen liegt obligaterweise - zumindest am Zylinder I beim Verstellen in Richtung schnell - bedingt durch die Staueffekte der Zylinderdrosseln 28, 29 ein erhöhter "Verstelldruck" und am Zylinder II ein erhöhter Ausschiebe-Stau­ druck vor, wodurch die Anpressung in dieser Betriebsphase erhöht wird. Zur Erhöhung des Staudruckes beim Ausschieben am Zylinder II kann eine unterschiedliche Ausführung der Zylinderdrosseln 28/29 nützlich sein; eben so eine Ventildrossel-Bypasskombination 29, 30 und 31, die bei Verstellrichtung langsam und besonders bei Bremsfahrt, wo die Verstellgeschwindigkeitsanforderungen besonders groß sind, wiederum einen erhöhten Stau-Vordruck im Scheibensatz I bewirken.
• f) Beim Verstellen sind die aus statischen Betriebszuständen gewonnenen Reibgesetze bekannterweise total geändert. Auch in diesem Fall sind in Abmilderung der gefürchteten nachteiligen Effekte andere Zustände zu erwarten. So gleitet z. B. die an sich theoretisch selbsthemmend eingekeilte Kette im Scheibenkeil mit Leichtigkeit radial im Laufe beim Verstellen hin und her. Ähnliche Erleichterungen sind auch hier zu erwarten.

Vorstehend diskutierte Fakten sind hauptsächlich für den Grenzbereich des Durchzuges aktuell. Im normalen Betrieb, entfernt von der Durchzugsgrenze, ist ein weitgehend ausgeglichenes Übertragungs-Anteilverhältnis zwischen beiden Reibpartien im Reibscheibenpaar zu erwarten.

Die Druckmittelversorgung erfolgt durch eine Pumpe 18, deren Antriebsmotor 17 über einen Leistungsschalter 19 von einer zentralen, mikroprozessorgesteuerten Regel- und Rechnereinheit 20 drehzahlmäßig geregelt wird. Zur Sicherstellung einer zusätzlichen Grundanpressung oder auch nur einer Schmier- und Kühlölmenge für die Scheibensätze kann ein Vorspannventil 20 nützlich sein, welches beispielsweise über eine Servo­ einrichtung 21, von der Einheit 20 an gesteuert wird. Die Scheibensätze 3 und 9 werden über eine hydraulische Schalt- bzw. Stelleinrichtung 22 mit Fluid versorgt, die durch Stellvorgang 23 ebenfalls von 20 gesteuert wird. Hiermit kann alternativ je nach Getriebeauslegung und praktischer Erfordernis in Schaltstellung 22a Zylinder I mit dem Pumpenkreis und Zylinder II mit dem " Vordruck" -Kreis verbunden sein oder in Schaltstellung 22b Zylinder II mit der Pumpe und Zylinder I mit dem Vordruckkreis. Als Steuer- oder Verstelldruck pI-pII oder pII-pI wird der fördermengenabhängige Staudruck im Pumpenleitungssystem genutzt. Dadurch wird nur soviel Druckmittel produziert, wie vom Wandler, inklusiv seiner Leckagen, gebraucht wird. Zu Kettenschmier- und Kühlzwecken ist ein bedarfsgeregeltes Durchflußventil 24 vorgesehen, welches beispielsweise über Stellglied 25 von der zentralen Regeleinheit 20 oder von einem Spritzöltemperatursensor 26 geregelt wird. Diese auch vom Pumpenkreis entnommene Ölmenge kann somit optimal dosiert und auf ein Minimum beschränkt werden. Alternativ zum variablen motorischen Antrieb 17 der Konstantpumpe 18 kann eine vom Hauptmotor 1 mit an getriebene Regelpumpe 27 Einsatz finden. Doch dürfte der motorische Pumpenantrieb wegen der sicheren Versorgung bei niedrigeren Drehzahlen, vor allem bei Stillstand, vorrangige Trümpfe besitzen.

Für intensive Verstellaktivitäten, bei momentan geringem Kühl- und Schmiermittelbedarf kann es erforderlich sein, zur Abführung des ausgeschobenen Druckmittels aus dem komprimierenden Druckzylinder eine weitere Abflußmöglichkeit zu schaffen. Dieser Druckpfad würde sich, wenn die so anfallenden Mengen größer sind als die, durch das nach anderen Kriterien gesteuerte Ventil 24 abfließenden, aufstauen. Hierfür ist eine Einrichtung vorgesehen, die die ausgeschobene Ölmenge (aus der Zylinder­ leitung niedrigeren Druckes) ab einem vorbestimmten Druckniveau abläßt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist solch eine Funktion in Ventil 24 integriert, nachdem durch ein Selektierventil 33, das den Kreis des niedrigeren Scheiben­ satz-Druckpegels erfaßt und ein Öffnungssignal 34 an Schalt­ element 24 gibt.

Da beim Anfahren ü_min-Getriebestellung anzustreben ist, andererseits nach spontanen Bremsaktionen die Rückstellfähigkeit überfordert würde, kann es nützlich sein, den Wandler stillstandsverstellbar auszuführen. Hierfür ist es bekannter­ weise erforderlich, den Druck im ausschiebenden Scheibensatz gänzlich abzubauen. Bei vorliegender Schaltstrategie erscheint ein Absperrorgan in der Zuleitung vom Pumpenkreis zum Vorspannkreis sinnvoll. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann dies das Vorspannventil 20 mit übernehmen, indem es so geartet ist, daß es den Durchfluß gänzlich zu sperren vermag. Entsprechende Kommandos können über Steuerleitung 34 von der zentralen Regeleinrichtung 20 gegeben werden. Zur Entspannung des Vordruckkreises wird dann des weiteren dieser Kreis durch Ventil 24 geöffnet, was im Rahmen eines entsprechenden Stillstands-Schaltprogrammes ebenfalls von 20 eingeleitet wird.

Das Antriebsmanagement übernimmt die mikroprozessorgesteuerte Regeleinrichtung 20. Die Betriebsweisen bzw. Geschwindigkeitsvorwahl gibt der Fahrer über "Gaspedal" 90 und dem Sensor 91 vor. Vorteilhafterweise - aber nicht aus­ schließlich - wird durch ein festliegendes Programm bei Leistungsmaximierung oder Verlustminimierung oder nach einem bestimmten Algorithmus die für die Batterie schonenste Betriebsweise durch 20 inszeniert. Für den Anfahrfall dürfte Ü_min-Getriebestellung wegen der wirksamen und nützlichen Drehmomentenwandlung immer aktuell sein, während für den Dauereinsatz andere Kriterien vorzuziehen sind.

Zur Rückgewinnung von Bremsenergie (Stromrückspeisung in die Batterie) ist ebenfalls ein Management durch die zentrale Rechen- und Regeleinheit 20 sinnvoll. Diese sollte einerseits vorrangig beim Bremsen Ladebetrieb sicherstellen, andererseits eine lebensdauermindernde Überlastung ausschließen. Um einen gewissen "Dosierbereich des elektrischen Bremsens" sicherzustellen, ist zwischen dem Bremspedal 92 und den Bremselementen 96, 97 (Bremskraftverstärker, Bremszylinder) eine weiche Koppelung 98, 99 vorgesehen, so daß über Sensor 93 solche Kommandos gespreizt gegeben werden können. Eine weitere vorteilhafte Regieweise durch 20 kann darin bestehen, daß sie die Gaspedalstellung (besonders bei rücknehmender Tendenz) zugeordnet zur Fahrgeschwindigkeit oder bei zurücknehmenden Gaspedalaktivitäten durch ein Differenzierglied erfassen, bereits dann Brems- bzw. Ladeaktivitäten einleitet.

Fig. 2 zeigt eine modifizierte Ausführungsvariante von Fig. 1, nur mit alleiniger mechanischer Anpressung und hydraulischer Verstellregelung.

Ihr wesentliches Merkmal besteht darin, daß die quasi "Fest­ kurvenmuffen" 42, 49, die verdrehfest, aber axial verschiebbar auf An- und Abtriebswelle 53 und 54 angeordnet sind, über Drucklager 45 und 52 von einem Abstütz- und Verstellhebel 55, den Wegkurvenmuffen 43 und 51 nach geführt werden. Dadurch bildet sich keine oder nur eine unbedenkliche Verdreh­ lose aus. Es bedarf somit keiner Sondermaßnahmen zur Minderung oder Vermeidung des dadurch ansonsten vorliegenden Lose-Effektes. Vorliegendes Ausführungsbeispiel weist noch zusätz­ liche Anpreßelemente in Form von Tellerfedern 46a/46b auf. Diese gestatten durch ihre möglichen fallenden Kennlinien einen günstigen Voranpressungsverlauf. Die Wegreib­ scheiben 40b und 47b sitzen verdrehfest, aber axial verschiebbar auf den Hälsen 41 und 48 der Festreibscheiben 40a und 47a, so daß die vollen Drehmomente über die Anpreßmechanismen geleitet werden. Ein Mengenventil 24 dosiert bedarfsgerecht auch hier die Schmier- und Kühlölmenge der Reibpartien. Die getriebeübersetzungs-bestimmende Positionierung und Abstützung der Wegreibscheiben durch den Hebel 55 übernimmt der hydraulische Druckzylinder 56. Wegen möglicher -Um­ kehr-Betriebszustände und somit auch für regeltechnische relevante Aspekte erscheint es günstig, die aktiven Kräfte in dieses Stellorgan, einerseits die Kraft der Feder 59, an derer­ seits die hydraulische Kraft aus der Kolbenfläche 58, des Kolbens 57 dominierend gegenüber den resultierenden axialen Abstützkräften auszubilden und so abzustimmen, daß immer, auch bei Ü-Umkehr ein eindeutiger, in der Tendenz mit der Getriebeübersetzung einhergehender Verstelldruck (Pumpendruck) erforderlich wird. Die wirksame Kolbenfläche 58 wird vorteilhafterweise zugunsten niedriger Pumpendrücke und somit -ver­ luste relativ groß ausgelegt. Für die praktische Ausgestal­ tung könnte ein nicht dargestelltes Membran-Stellelement günstiger sein. Die Abstützkraft für die Elemente und somit deren Position bzw. die ü-Regelung erfolgt wiederum - stau­ druckabhängig - durch Fördermengenregelung der Pumpen 18 oder 27. Abweichend von der Darstellung kann es möglich sein, daß je nach Getriebeauslegung eine Zusatzanpressung am Antriebsscheibensatz nicht erforderlich ist. Dies würde auch die Funktion der nützlichen Stillstandsverstellbarkeit nach ü begünstigen. Vorliegende hydraulische Schaltstrategie ermöglicht ebenfalls einen optimalen, d. h. minimalen, Pumpenantriebs­ energieaufwand, da ebenfalls nur der wahre Bedarf gefördert werden muß. Für erhöhte Rückverstellgeschwindigkeitsan­ forderungen kann - sofern nicht der jeweils momentane Abfluß über Ventil 24 ausreicht - wie in Fig. 1 eine zusätzliche Abflußeinrichtung geschaffen werden, z. B. eine von 20 ge­ steuerte Öffnungsfunktion am Ventil 24.

Fig. 3 zeigt eine weitere Modifikation von Fig. 1 und 2 mit nur mechanischer verdrehspielfreier Anpressung, mit elektromoto­ rischer Getriebeverstellung und für den bevorzugten Einsatz von Keilriemen als Übertragungsstrang.

Die Anpreßkurvenanordnung entspricht im Prinzip dem Maurer-Besel-A-Ge­ triebe oder RK-Systemen von PIV. Die Verdrehspielfreiheit wird durch "Nachfahren" einer Festkurvenmuffe und einer Festreibscheibe der diametral angeordneten Scheibensätze erreicht. Der fliegend auf der Motorwelle 60 angeordnete Scheibensatz besteht aus der auf der Welle verdreh- und axiallosen kegeligen Wegreibscheibe 61a, auf deren Hals 63 die (quasi) ebenfalls kegelige Festreib­ scheibe 61b sitzt, welche eine Anpreßkurve 64 a aufweist, die mittels Wälzkörper 65 mit der auf der Motorwelle 60 festen Festkurvenmuffe 64b in Verdrehschluß steht. Der korrespondierende Abtriebsscheibensatz 6 findet sich fliegend auf der Antriebswelle 66, bestehend aus Festreibscheibe 67a und der auf ihrem Hals 68 verdrehfest und axial verschiebbar angeordneten Wegreibscheibe 67b mit Kurvenmuffe 69a und dem zwischen ihr und der wellenfeste Kurvenmuffe 69b angeordneten Anpreßkörper 70. Die Axialabstützung am Antriebsscheibensatz wird durch die wellenfeste Kurvenmuffe 64b und über das Drucklager 71 durch den Abstütz- und Verstellhebel 73, am Abtriebsscheibensatz die Festreibscheibe 67a durch eine An­ lagebasis am Gehäuse 75 und auf der Wegscheibenseite über Lager 72 ebenfalls durch Hebel 73 bewirkt. Das Gehäuse 75 stellt die Lagerbasis für die Abtriebswelle 66 , den Antriebs­ motorsitz und die Basis der Abstütz- und Verstelleinrichtung sowie den Fixier- und Drehpunkt 74 des Hebels 73 und bein­ haltet die Getriebekomponenten wie Untersetzungsstufen 13, 14 und Differentialgetriebe 15. Die Abstütz- und Verstellbasis besteht aus einer axial bevorzugt vom Gehäuse 75 ausgebil­ deten Stellspindellagerung 76, der Stellspindel 77 mit einem anschließenden Übersetzungsgetriebe 78 und einem Elektro­ motor 79, welcher über Leistungsschalter 80 von der mikro­ prozessorgesteuerten Regeleinheit 20 geregelt wird. Eine konstante oder getriebestellungsabhängige Zusatzanpressung bewirken die Federelemente 81 und 82, welche wegen ihrer anpassungsfähigen Kennlinien bevorzugt als Tellerfedern aus­ gebildet sind. Der Abstütz- und Verstellhebel 73 weist eine einstellbare Vorrichtung 83 auf, die ein einfaches Öffnen der Scheibensätze zum Riemenwechsel oder auch zum verdrehspiel­ freien Nachstellen der Riemenspannung ermöglicht. Sie besteht aus einem abschwenkbaren Teilstück 84, welches sich über einem Gelenk 83 abstützend mittels der Spannschraube 84 so positionieren läßt, daß die Zuordnung der Abstützbasen 71 bis 72 axial verändert bzw. eingestellt werden kann.

Fig. 4 zeigt ein weiteres CVT-Antriebsschema, bevorzugt für einen elektromotorischen KFZ-Antrieb.

Im Getriebegehäuse 80 mit einem angeflanschten Elektromotor 81 befindet sich auf dessen Welle 82 axial- und radial starr die Fest-Reibscheibe 83 und verdrehfest, aber axial verschiebbar die Weg-Reibscheibe 84 des Abtriebsreibscheibenpaares. Die Antriebs­ welle 82 weist eine gewindeähnliche Profilierung 85 auf, und wird von einem Druckstück 86 umschlossen, welches innen eine zur Welle 85 dazu passende Profilierung aufweist, so daß beim Verdrehen beider Basen 82/86 und 90/94 zueinander ein axialer Wegversatz bewirkt wird. Dieses Druckstück 86, das die axiale Abstützung und Positionierung der Wegreibscheibe 84 übernimmt, ist in seiner äußeren Partie mit Polpaaren 87 ausgestattet, welche einem gehäuse­ festen weiteren Polpaarkranz 88 zugeordnet ist, der mittels seiner Wicklung 89 ein Drehfeld auf den Druckstückpolkranz 87, und somit auf das Druckstück 86 selbst, ausübt. Der im Gehäuse 80 gelagerte, und analog zum Antriebsscheibensatz ausgebildete Abtriebsscheiben­ satz, bestehend aus der Abtriebswelle 90, der Festreibscheibe 91, der Wegreibscheibe 92, dem Druckstück 94 mit seinem Polkranz 95, dem gehäusefesten Polkranz 96 mit seiner Wicklung 97 steht über dem Übertragungsstrang 97 reibschlüssig mit den Antriebsscheiben­ satz in Drehverbindung. Der Abtrieb wird über Zahnrad 98 dem dem Antriebsscheibensatz in Verbindung. Der Abtrieb wird über Zahnrad 98 dem Differentialgetriebe 99 zugeführt, wonach der Kraftfluß über die Wellen 101, 102 dem Fahrwerk zugeführt wird. Die Intensität der Abstützkräfte an den Reibpartien und die getrie­ beübersetzungs-bestimmende Stellung der Wegreibscheiben 84, 92 wird von den relativen "Aufziehbewegungen" zwischen den Getriebewellen 82, 90 und den Druckstücken 86, 93 bestimmt. Diese Verstellaktionen werden von einer Steuereinrichtung 102 gesteuert. Hierbei wird das Drehfeld der äußeren starr angeordneten Polfeldkränze 88, 95 mit­ tels elektronischer Kommutierung so aufgebaut und gesteuert, daß die Druckstücke 86, 94 eine Relativverdrehung zu den Wellen 82, 90 aufgezwungen bekommen. Sind die Profilierungen 85, 93 so aus­ gebildet, daß Selbsthemmung vorliegt, kann in diesbezüglich nicht aktiven Betriebsphasen diese Einrichtung wirkungslos bleiben. Bei Nichtselbsthemmung, (z. B. für gewollte stetige dynamisches Anpreß- und Verstellregelbereitschaft) kann durch dauernde Drehfeldbereit­ schaft stetig auf Anpressung und Übersetzung Einfluß geübt werden. Vorteilhaft, wenn nicht gar je nach Regelkonzeption obligatorisch, dafür ist, Kennungssignale über die An- und Abriebsdrehzahlen 93, 94, über relative Drehwinkel der Druckstücke 86, 94 zu den Wellen 82, 90 der Steuereinrichtung 102 zuzuführen, die als Referenzgrößen für Synchronisations- oder Steuervorgänge zum Drehfeldaufbau herangezogen werden. Die Antriebsmotorenleistung (über dessen Stromaufnahme) kann z. B. auch zur Anpreßkraftsteuerung heran­ gezogen werden. Vorliegende Schemadarstellung, die die erfind­ ungsgemäße Verstell- und z. T. auch die Anpreßsystematik offenbaren soll, ist bezüglich letzterer Aufgabe nicht vollständig ausge­ staltet: nicht ausgeschlossen sei der Einsatz von weiteren zusätz­ lichen Anpresseinrichtungen z. B. in Form von Federelementen oder mechanischen, drehmomentabhängigen Anpreßvorrichtungen. Die Polkranzausbildung ist vorteilhafterweise so ausgeführt, daß ein synchronmotortypisches und bzw. oder ein schrittmotorenhaftes Funktionsverhalten vorliegt. Dadurch können Istwerte und Regel­ größen in diesem Regelsystem eindeutig und sicher erkannt, defi­ niert und vorgegeben werden können, wodurch gewährleistet ist, daß bestehende oder vorbestimmte Frequenzen in elektrischen Regel­ strecken mit den mechanischen Gegebenheiten übereinstimmen.

Ein vorteilhaftes Regelkonzept für die Aktivierung und Ausführung von Verstellvorgängen oder Anpreßkraftregelungen besteht darin, das äußere gehäusefeste Polfeld 88, 89 in den Antriebs-Elektromotor 81 zu integrieren, bzw. diesen dafür zweckentsprechend auszubilden. Hierzu werden beispielsweise die Statorpolpaare des Antriebsmotors 81 über die rotierenden Druckstückpolfelder 87 herausragend ver­ längert ausgeführt, und der Druckstückrotor 87 mit einer davon gering abweichenden abgestimmten Polzahl versehen, so, daß quasi die Verstelleinrichtung einen zweiten, aber im ersten integrierten Notor bildet. Bei der Ausbildung des Antriebsmotors 81 als Wechsel­ strommotor kann unter Ausnutzung und Abstimmung des zwangsläufigen Schlupfes eine Versteilaktivierung bewirkt werden. Sind z. B. für einen bestimmten definierten Schlupf des Antriebsmotors 81 die Polpaare des mit einer harten Schlupfcharakteristik behafteten Verstellmotors 86/88/89 so abgestimmt, daß dieser Verstellmotor bezüglich seiner Felder "synchron" und somit ohne Verstellkraft läuft, kann bei Änderung des Schlupfes am Antriebsmotor 81 der Versteilmotor 87/88/89 aktiviert werden. Die ist z. B. durch Änderung der Strom- bzw. der Spannungsbeaufschlagung unter Beibehaltung der Frequenz, oder umgekehrt, bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend ist auch eine Stromregelung des Stellmotors 87/88/89 bei einheitlicher Frequenz vorstellbar. Natürlich sind separate Ansteuerungen des Versteilmotors im Rahmen eines vorbestimmten Motormanagements durch eine zentrale Steuereinrichtung 102 ebenso möglich.

Fig. 5 betrifft ein "vereinfachtes CVT" bevorzugt für den Antrieb von KFZ-Nebenaggregaten.

Im Getriebegehäuse 110 sind die An- und Abtriebswellen 111, 112 gelagert. Erstere trägt verdrehfest die Festreibscheibe 113 und die verdrehfest z. B. über Paßfeder 116, aber axial lose angeordnete Wegreibscheibe 114, deren axiale Abstützung Druckstück 115 über­ nimmt, welches reibungsarm durch eine Abstützlagereinrichtung 117 anliegt, und mit einer gewindeähnlichen Einrichtung 118, 119, 120 mit Welle 111 in einer verdrehbaren, aber axial festen Zuordnung gehalten wird. Druckstück 115 ist auf der scheibenabgewandten Seite als Leitstückläufer 121 ausgeführt und bildet mit einem umschließen­ den Ständer-Polpaket 122 und einer innerhalb des Leitstückläu­ fers angeordneten gehäusefesten Erregerwicklung 123 einen Genera­ tor. Der über ein Zug- oder Schubgliederband 124 oder einen Breit­ keilriemen verbundene Abtriebscheibensatz besteht aus der wellen­ festen Reibscheibe 125 und der lose auf der Welle angeordneten Weg­ reibscheibe 126 mit mechanischen Anpreßeinrichtungen. Diese bestehen alternativ, oder ergänzend aus einer drehmomentabhängigen Einrichtung aus scheiben- und wellenfesten Kurvenbahnen 127, 128 mit einem dazwischen angeordneten Rollkörper 129, sowie einer Grund- bzw. Konstantanpreßung mittels eines Federelementes 130, bevorzugt aus einer Tellerfeder bestehend, die zweckmäßigerweise auch nega­ tive Kennlinienverläufe ermöglicht und somit den übersetzungsab­ hängigen, unterschiedlichen Anpreßkraftanforderungen gerecht wird. In vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die erfindungsgemäße Anpreßeinrichtung angewandt, bei der nur die von einer Reibscheibe aufgebrachten Übertragungskraft die axiale Anpressung bewirkt; natürlich können - wenn z. B. die Verdrehlose wie im vorliegend zugedachten Einsatzfall nicht stört - herkömmliche Konzeptionen Einsatz finden. Auf der Abtriebswelle 112 befinden sich außerhalb des Gehäuses verschiedene, den Nebenaggregaten zugeordnete Über­ tragungselemente 131, z. B. Riemenscheiben.

Zur Ausübung der Verstellfunktionen ist der Druck- bzw. Leitstück­ sitz 118, 119, 120 auf der Welle 111 so geartet, daß die abzu­ stützende Scheibenspreitzkraft das Druckstück 115 gegenüber der Welle 111 voreilend verdreht. Mittels einer geregelten Erregung 123 kann ein Beharrungszustand oder ein Verstellvorgang bewirkt werden. Letztenfalls bestehen die Alternativen:

• a) bei Leistungsminderung des Generators 121/122/123 und somit Schwächung der Reaktionskraft fährt die Wegreibscheibe 114 aus­ einander, das Getriebe verstellt ins "Langsame";
• b) bei Leistungssteigerung des Generators und somit Erhöhung der Reaktionskraft fährt die Wegscheibe zusammen, das Getriebe ver­ stellt ins "Schnelle".

In Anbetracht des zunehmenden Strombedarfes an Bord kann jeder zusätzliche Stromerzeuger nur begrüßt werden, zumal auch der zugedachte Einsatzfall, der Nebenaggregateantrieb ohnehin solche Arbeitsmaschinen einschließt. Leistungsregelungen für Generatoren, die hier erfindungsgemäß die Getriebeverstellung bewirken, gehören zum Stande der Technik und bedürfen hier keiner Wittmung. Je nach Nebenaggregateausrüstung und - Bestückung eines KFZ, bzw. -Types, sowie je nach den individuellen des Stromversorgungsbedarfes des Bordnetzes kann es sein, daß die im Rahmen des Übersetzungssteuerns gewinnbare elektrische Energie zur Versorgung des Bordnetzes nicht ausreicht, oder auch Überschuß produziert wird. Abgesehen von kon­ struktionsbedingten Relationen können vor allem einsatzbedingte Umstände stark unterschiedliche Angebote und Bedürfnisse verur­ sachen. Ein weiterer (herkömmlicher) Generator, der als Nebenag­ gregat von den Vorzügen des drehzahlregelnden Zwischengetriebes ebenso profitiert, wird bei dem in der Tendenz steigenden Bord­ strombedarf erforderlich bleiben.

Eine vorteilhafte, diese Thematik betreffende Einrichtung besteht in der Integration einer weitere Elektromaschine in vorliegende Getriebekonzeption. Ein solches Ausführungsbeispiel besteht darin, daß an der antriebseitigen Festreibscheibe 113 Magnetpolpaare 132 angeordnet sind, denen ein gehäusefestes Ständerpaket 133 zuge­ ordnet ist mit einer Ausgestaltung derart, daß sie eine Elektro­ maschine bilden die sowohl als Generator, als auch als Motor be­ trieben werden kann. Wenn der Strombedarf des Bordnetzes (ein­ schließlich der Ladebedürfnisse der Batterie) größer ist als die momentane Lieferfähigkeit der vorrangig als Verstelleinrichtung dienende erste Elektromaschine 121, 122, 123, wird, bevorzugt von einer zentralen elektronischen Regeleinrichtung gesteuert, die zweite Elektromaschine 132, 133 ebenfalls als Generator betrieben, die ihre Stromproduktion in das Bordnetz speist. Im Falle einer Überproduktion der ersten Elektromaschine 121/122/123 wird die zweite Elektromaschine 132/133 als Motor betrieben. Somit wird der größte Teil der "Überschußproduktion" der ersten Elektromaschine in Form mechanischer Energie dem Antriebspfad 111 zurückgeführt. Neben ökonomischen Aspekten birgt die Integration dieser zweiten Elektro­ maschine konstruktive, platzsparende Vorteile für die KFZ-Ausrüs­ tung.

Fig. 6 stellt ein CVT bevorzugt für einen elektromotorischen KFZ-Antrieb dar und ist im wesentlichen eine Modifikation des Getriebes gemäß Fig. 5.

Wie unter "dem Stande der Technik" bereits abgehandelt, ist ein großer Verlustanteil herkömmlicher CVT die Pumpenantriebsleistung zur Erbringung der Anpressung und der Verstellvorgänge, die durch die erfindungsgemäßen Ersatzlösungen weitgehend entfällt, oder zumindest eingeschränkt ist. Unverändert besteht die Erfordernis einer Schmier- und Kühlölförderung, vor allem für die Reibpartien des Friktionstriebes. Diese obligatorischen Förderleistungen be­ tragen etwa 12 l/min pro kW Getriebeleistung, bei geringem Druck von 1 bis 3 bar, im Gegensatz zu den üblichen herkömmlichen Anpreß- und Steuerdrücken von ca. 12 bis 40 bar. In Anbetracht der Erfordernis einer Hydraulikpumpe wird diese in einer konstruktiv günstigen Weise im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu Steuerungs­ zwecken heran- und einbezogen.

An dem Antriebsmotor 135 schließt der in Fig. 5 beschriebene Antriebsscheibensatz 113 bis 120 an. Druckstück 136 weist einen Zahnkranz 137 auf, in dem das Antriebszahnrad 138 der Hydraulik­ pumpe 139 kämmt. Über Filter 140 saugt diese aus dem Ölsumpf Fluid an und fördert es zu den Beölungseinrichtungen 144. Der Pumpe 139 ist ein regelbares Überdruckventil 141 nachgeschaltet, welches durch ein Stellelement 142, bevorzugt einen Proportionalmagneten, angesteuert von einer elektronischen Regeleinrichtung 158 den Pumpendruck und somit das Pumpenantriebsmoment und des weiteren das Reaktionsmoment des Druckstückes 136 bestimmt. Analog zu der unter Fig. 5 beschriebenen Funktionsweise wird hier bei Druckerhöhung eine Getriebeverstellung ins Schnelle, und bei Druckminderung ins Lang­ same bewirkt. Evtl. zwangsläufig über den Schmieröldruckerforder­ nissen liegende Pumpendrücke können immer noch, in Anbetracht des­ sen, daß herkömmliche Schmierölversorgungen den mehrfach druckhö­ heren Steuer-Versorgungskreisen entnommen werden, als geringe Verlustverursacher angesehen und akzeptiert werden. Über den Übertragungsstrang 145 steht der Antriebsscheibensatz mit dem Abtriebsscheibensatz in kraftschlüssiger Verbindung, dessen Reib­ partien und mechanische Anpreßmechanismen ebenfalls bereits unter Fig. 5 beschrieben sind. An der Festreibscheibe 146 ist das üb­ licherweise dem CVT nachgeschaltete Differentialgetriebe 149 an­ grenzend koaxial angeordnet, dessen eine Abtriebswelle 150 durch die hohl ausgebildete Getriebeabtriebswelle 163 geführt ist. Im anderen Abtriebswellenstrang ist auf der Abtriebswelle 153 gelagert eine schaltbare Trennkupplung angeordnet, wobei eine Kupplungs­ scheibe 152 auf der Welle 153 verdrehlose, am Sonnenrad 151 ver­ drehfest sitzt, bzw. mit diesen vorteilhafterweise eine Baueinheit bildet, die andere Kupplungsscheibe 154 auf Welle 153 verdrehfest, aber axial lose von einem Federelement 156 angepreßt, mit ersteren in Reibschluß steht. Ein Elektromagnet(-Polkranz) 157 bewirkt, von der elektronischen Regeleinrichtung 158 angesteuert einen "Auskuppelvorgang".

Aufgabe und Zweck dieser Kupplung ist, bei CVT's die nicht still­ standsverstellfähig sind, Stillstandsverstellvoraussetzungen zu schaffen, in dem vor- oder bei einem Motorstillstand der Kraftpfad zwischen Motor und Fahrwerksantrieb unterbrochen wird um während eines verzögerten Auslaufes oder auch einem dafür praktizierten Schlepplauf eine Getriebeverstellung zu bewirken. Dafür besitzt die Steuereinrichtung 158 Erkennungs- und Kommandofähigkeiten derart, daß im Falle eines momentan langsamen oder verlangsamenden Motor­ laufes, oder bei Motorstillstand der Antriebsmotor 135 auf seiner Drehzahl gehalten, wieder beschleunigt, oder gar wieder­ angefahren wird bis sich eine vorbestimmte Minimalübersetzung eingestellt hat.

Vorteil dieser Differentialgetriebeanordnung 148, Hohlwellenaus­ bildung 163 und Kupplungsanordnung im Differentialgetr. ist ein günstiger, niedriger Bau- und Platzaufwand.

Literaturhinweise
01) Dr.-Ing. O. Dittrich: "Das stufenlose Kettengetriebe als Hauptantrieb im Kraftfahrzeug", VDI-Berichte 803;
02) Prof. Dr.-Ing. R. Höhn: "Warum stufenlose Getr. im KFZ", VDI-Berichte 803;
03) Dipl.-Ing. U. Eggert: "CVT - Elektronische Regelung und Fahrdynamik", VDI-Berichte 803;
04) Dr. Ing. Dittrich: "Der stufenlose Kettenwandler im Kraftfahrzeug", VDI-Berichte 680;
05) Dr. Ing. H. Ötting; Dipl. Ing. P. Heidemeyer; Dipl. Ing. R. Scholz; Dipl. Ing. F. Zimmermann: "Stufenlose Getriebe für Personenkraftwagen" Sem. Nr.: 811120021 Technische Akademie Wuppertal, VDI-Berichte 803;
06) Dipl.-Ing. P. Heidemayer: "Warum stufenlose Getr. im PKW?", Sem. Nr. 811120021 Technische Akademie Wuppertal;
07) Prof. Dr. Ing. W. Bernhardt; Dipl. Ing. P. Heidemeyer: "Auswahl und Strukturen stufenloser PKW-Getriebe", VDI-Berichte 803;
08) Dr. Ing. O. Dittrich: "Stufenlose Getriebe für Personenkraftwagen", Antriebstechnik 27 (1988) Nr. 5;
09) Firmendruck PIV-Antrieb W. Reimers KG Bad Homburg, "RH-Drehzahlregelgetriebe in Elektrofahrzeugen";
10) Dr. Ing. O. Dittrich: "Elektrofahrzeug mit stufenlosem Getriebe", Antriebstechnik 4/76;
11) Firmendruck der Siemens AG (Best. Nr. J71001-AOOOO-AO85), "Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge";
12) Dr. Ing. I. Gorille: "Leistungsbedarf und Antrieb von Nebenaggregaten", 2. Aachener Kollequium Fahrzeug- und Motorentechnik 89, VDI-Bericht;
13) Dr. K. Bolenz: "Entwicklung und Beeinflussung des Energieverbrauchs von Nebenaggregaten", 3. Aachener Kollequium Fahrzeug und Motorentechnik 91;
14) Dipl. Ing. Martin Schlotthauer: "Alternativantriebe für Nebenaggregate von PKW antriebstechnik 24" (1985), Nr. 8;
15) K.-U. Blumenstock: "Dunkle Machenschaften", mot-Technik 10, 1990;
16) Deutsche Patentschrift 11 84 583: "Stufenlos verstellbares Kegelscheibenumschlingungsgetriebe mit drehmomentabhängiger Anpressung der axial verschiebbaren Kegelscheiben";
17) Boris Schmidt: "Kalifornien und die Suche nach dem sauberen Auto", FAZ. vom 31.12.1996.

Claims (24)

1. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate,
bestehend aus einem Friktionsgetriebe im wesentlichen aus zwei verstellbaren Kegelreibscheibenpaaren mit einem dazwischen reibschlüssig angeordneten endlosen Übertragungsband in Form eines Zug- oder Schubgliederbandes, mit Einrichtungen zur Erbringung der Anpreßkraft und zur Übersetzungs-Verstel­ lung und -Regelung,
dadurch gekennzeichnet, daß
es mindestens eines folgender Ausführungsmerkmale aufweist:

• - Anordnung mindestens einer mechanischen, drehmomentenabhängigen Anpreßeinrichtung, bei der nur eine Reibscheibe eines Reibscheibenpaares ihre Übertragungskraft auf ein Anpreßkurvenpaar ausübt,
• - die axiale Fixierung und Verstellung sowie die Abstützung und Anpressung einer Reibscheibe (40b, 47b; 61a, 67b) mindestens eines Reibscheibenpaares durch einen oder mehrere schwenkbare (Steuer-Hebel (55, 73) bewirkt wird, deren getriebeübersetzungsbestimmende Stellung, und bzw. oder die Reibscheibenvoranpressung von einem auf diesen Hebel (55, 73) einwirkenden Stellelement (56, 77) bewirkt wird;
• - mindestens ein Reibscheibenpaar (3a/3b, 40a/40b, 61a/61b, 83/84, 113/114) ist fliegend auf einer Welle (2, 53, 60, 111) angeordnet, bevorzugt auf der eines Elektromotors (1, 135);
• - der Anpreß-oder bzw. und Verstellmechanismus besteht aus einem, an die Reibscheiben angren­ zenden, auf den Getriebewellen (82, 90, 111, 68) sitzenden Druckstück (86, 94, 115, 136) mit einer Sitzbasis derart, daß bei einer Relativverdrehung zur Welle diese Scheibenabstützbasis eine Axial­ bewegung erfährt, wobei ihm ein Verdrehaktuator (87/88/89, 95/96/97, 138/139) zugeordnet ist;
• - ein dem CVT nachgeschaltetes Differentialgetriebe (148) ist koaxial zum Abtriebsscheibensatz (146/147/162) angeordnet, wobei eine der Ausgangswellen (150) durch eine hohle Abtriebs­ scheibensatzwelle (162) geführt ist;
• - in einem der Differentialgetriebeausgangswellenstränge ist eine Trennkupplung (152/154) angeordnet.

2. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische, drehmomentenabhängige Anpreßeinrichtung aus Anpreßkurvenmuffen (6a, 6b, 10a, 10b) besteht, mit einem dazwischen angeordneten Rollkörper (7, 11), die so geartet und angeordnet sind, daß nur eine Reibscheibe eines Reibscheibenpaares (3a, 3b; 9a, 9b) seine Übertragungskraft auf diese Anpreßeinrichtung ausübt und somit auch nur diese Reibscheibe (3b, 9b) beim Aufziehen bzw. Durchfahren der Kurvenbahn einer Verdrehbewegung gegenüber der Welle dieses Scheibensatzes unterliegt.

3. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf, bzw. an seinen Scheibensätzen außer der drehmomentenabhängigen Anpresseinrichtung desweiteren - weitgehend Verstellaufgaben dienende - Hydraulikzylinder (5, 12) angeordnet sind, mit an sich weitgehend bekannten Hydraulik-Versorgungs- und -Steuersystemen, jedoch erweitert mit mindestens einer nachstehender Einrichtungen mit den Funktionsmerkmalen:

• - die Hydraulikpumpe (18) wird durch einen regelbaren Elektromotor (17) bedarfsgerecht nach einem vorbestimmten Modus angetrieben;
• - der Vordruck des hydraulischen Steuersystems durch ein regelbares Ventilelement (20) bestimmt wird, bevorzugt, aber nicht ausschließlich, von einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung (20) angesteuert;
• - im Abfluß des Hydraulikkreises, der bekannter- und üblicherweise Schmier- und Kühlfunktionen hauptsächlich für die Reibpartien erfüllt, sich ein regelbares Ventilelement (24) befindet deren Durchfluß bedarfsgerecht von der zentralen Steuer- und Regeleinrichtung (20) belastungsabhängig nach einem vorbestimmten Algorithmus, oder mittels Temperatursensoren (26) und -Reglern kühlmit­ teltemperaturabhängig geregelt wird;
• - zu den bekannter - und üblicherweise in den Zylinderleitungen angeordneten Dämpfungsdrosseln (28, 29) im Nebenschluß dazu eine weitere, einseitig wirkende Drosseleinrichtung angeordnet ist, wobei nicht ausschließlich diese aus einer Drosselblende (31) und einem Rückschlagventil (30) besteht;
• - eine Einrichtung, die ab einem vorbestimmten Staudruck im ausschiebenden (sich komprimierenden) Druckzylinder den auf diese Weise erhöhten Vordruck senkt, bzw. kompensiert, angeordnet ist, in dem beispielsweise von der Druckdifferenz an der Dämpfungsdrossel (29) gesteuert von einem zweckentsprechenden Schalt- bzw. Regelorgan (33) ein Öffnungssignal (34) an ein vordruck­ bestimmendes Ventil (24), oder an eine beliebig andere vordruckmindernde Einrichtung gegeben wird.

4. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Scheibensatz zusätzlich zur Grund Anpressung ein Federelement (44a, 44b; 81, 82, 126) aufweist.

5. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Übersetzung und Abstützung bestimmende bzw. bewirkende Hebel (55) nur auf einer Seite auf die Scheibensätze einwirkend angeordnet ist, und die Reibflächen der gegenüberliegenden Reibscheiben (40a, 47a) weitgehend gerade, bzw. rechtwinkelig zu den Wellen (53, 54) ausgebildet sind.

6. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Übersetzungsstellung bestimmende und die Abstützung bewirkende Hebel (74) Einrichtungen (83) zum Aufklappen aufweist.

7. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die an die Reibscheiben angrenzenden, die Anpressung und, oder die Getriebeverstellung bewirkenden Druckstücke (86, 94, 115, 136) mit den Wellen (82, 90, 111, 168) durch einen Sitz derart verbunden sind, daß bei einer Relativverdrehung beider zueinander eine Axialbewegung zueinander bewirkt wird, bevorzugt ausgeführt durch ein Kugelgewinde (118/119/120),
ferner diese Druckstücke außen mit Konturen oder Elementen eines Verdrehaktivators ausgestattet sind.

8. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (86, 94, 115) Teil einer Elektromaschine ist, dem weitere Elektromaschinenkom­ ponenten (87/88/89, 96/96/97, 121/122/123) an- oder zugeordnet sind.

9. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine ein Motor ist und der gewindeartige Sitz zwischen den Wellen (82, 90, 111) und den Druckstücken (86, 94, 115) nicht ausschließlich selbsthemmend ausgebildet ist.

10. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine ein Generator ist und der gewindeartige Sitz zwischen den Wellen (82, 90, 111) und den Druckstücken (86, 94, 115) nicht ausschließlich nichtselbsthemmend ausgebildet ist.

11. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in ihm, kraftschlüssig verbunden mit der Antriebsbasis, eine als Motor oder Generator betreibbare weitere Elektromaschine (132/133) integriert ist, bevorzugt angeordnet um die Antriebswelle (111).

12. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Polpaare (88, 96, 118) der der Abstützung und Verstellung dienenden Elektromaschine mit denen des als Wechselstrommotor ausgebildeten Antriebsmotors (81) identisch sind, ferner die ihre Betriebs- und Regelstrategie steuernden elektrischen Komponenten derart ausgebildet sind und ein derartiges Funktionsverhalten aufweisen, sowie die Polpaarausführung des Läufers (87, 94, 116) (polzahlmäßig) dazu so abgestimmt ist, daß auf Grund unterschiedlicher Schlupfkennlinien beider Elektromaschinen (81, 86-89) durch vorbestimmtes Verändern des Schlupfes des Antriebsmotors dieser (Verstell-)Motor (86-89) aktiv wird, wobei der Antriebsmotorschlupf für diesen Verstellvorgang sporadisch bevorzugt durch Verändern seines Frequenz-Stromverhältnisses bewirkt wird.

13. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (136) Übertragungs- bzw. Verbindungseinrichtungen z. B. in Form eines Zahnkranzes (137) aufweist für eine zugeordnete Hydraulikpumpe (139), die bevorzugt der Schmier- und Kühlmittelversorgung der Reibpartien dient.

14. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, 8 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikpumpe (139) ein regelbares Überdruckventil (141) nachgeschaltet ist.

15. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung und Getriebeverstellung bewirkende Elektromaschine (86-89; 115-118) als Generator ausgebildet ist, der gewindeartige Sitz (85/86) des Rotors (86, 115) nicht selbsthemmend und steigungs­ richtungsmäßig so ausgeführt ist, daß durch die auf das als Anker fungierende Druckstück (87) einwirkende Scheibenspreitzkraft dem Anker ein gegenüber der Welle ( 82) voreilendes Drehmoment aufzwingt, welches vom Stator (88/89) durch seinen Magnet-Kraftfluß im Gleichgewicht gehalten wird, desweiteren ihr elektronische Steuer- und Regeleinrichtungen zugeordnet sind mit einem Funktions­ verhalten derart, daß nach vorbestimmten Getriebemanagement-Aspekten die Erregung dieses Generators entsprechend den vorliegenden Verstell- oder Beharrungsbedürfnissen verändert oder gehalten wird, wobei der erzeugte Strom dem Bordnetz, bzw. der Batterie zugeführt wird.

16. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Getriebe mit einer Anpressung- und Übersetzungssteuerung mittels eines Generators (121/122/123) eine weitere Elektromaschine (132/133) zugeordnet ist.

17. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und sonstiger beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
bei elektromotorischem Antrieb und im Kraftpfad angeordneten CVT mit Getriebesteuerkonzeptionen mit einem (bekannten) "elektronischen Gaspedal" (90), wobei Motor- und Getriebemanagement kombiniert, oder zumindest aufeinander abgestimmt sind und von einer elektronischen Steuereinrichtung (20) ("Blackbox") gemanagt werden,
die beteiligten Elektronik-Komponenten nachstehende Funktionsmerkmale aufweisen, bzw. zur Erfüllung dieser Funktionen zweckentsprechende Elemente angeordnet sind:

• - bei Gaspedalrücknahme, unterhalb einer vorbestimmten Stellung wird im Managementablauf die Betriebsweise von Treiben auf Bremsen umgekehrt; nach einer vorbestimmten Verhältnismäßigkeit zwischen Kommandogabe und Regelaktivität wird wird das CVT so verstellt, daß der Elektromotor von der Fahrzeugmasse angetrieben, und somit zum Generator funktioniert wird;
• - bei Wechselstromantrieb Anordnung eines Mehrquadrantenfrequenzumformers;
• - Einrichtungen zur Erkennung und Begrenzung vorgegebener Größen der Energierückspeisung;
• - Einrichtungen zur Einleitung des mechanischen Bremsvorganges unter Beibehaltung des maximal möglichen Bremsenergie-Rückspeiseanteils.

18. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und sonstiger beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei elektromotorischen Antrieb zur Bremsenergierückgewinnung die Bremspedalfunktionen in nachstehender Art und Weise bzw. durch folgende Elemente erweitert werden:

• - Bremspedal (92) wirkt nach einer vorbestimmten Weise weg- oder zeitverzögert, oder beides, auf die bekannten, den Bremsvorgang aktivierenden Komponenten wie z. B. Bremskraftverstärker (96), Druckzylinder (97) ein, z. B. durch eine weiche, elastische Koppelung (98);
• - Anordnung eines vom Pedal (92) betätigten Sensors (93) zur Aufnahme der kommandierten Bremsenaktivität;
• - Verwertungsfunktionen des Bremskommandos durch eine bevorzugt zentrale elektronische Steuer­ einrichtung (20) mit Getriebeverstellkommandogabe nach einem vorbestimmten Algorithmus, unter Einhaltung einer vorbestimmten rückzuspeisenden Bremsenergiegröße;
• - Einrichtungen zur Aktivierung des mechanischen Bremsvorganges mittels mechanischer Elemente, z. B. aufeinander abgestimmter Federelemente und kraftelastischer mechanischer Komponenten (94 bis 98), oder durch Anordnung zweckentsprechender elektronischer Komponenten, die ab einer vorbestimmten Größe eines Weg- oder Kraftsignals des Gaspedals den mechanischen Bremsvorgang einleiten.

19. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und sonstiger beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein dem CVT nachgeschaltetes Differentialgetriebe (148) koaxial zum Abtriebsscheibensatz (146/147/162) angeordnet ist und eine seiner Ausgangswellen (150) durch die Abtriebsscheiben­ satzwelle (162) geführt ist;

20. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und sonstiger beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einen der Differentialgetriebeausgangswellenstränge eine Trennkupplung (152/154) angeordnet ist.

21. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und sonstiger beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsbasis für den Elektro-Antriebsmotor (1), die Getriebeabtriebswelle (66), nachgeschal­ tetes Stufengetriebe (13/14, 98,) einschließlich Differentialgetriebe (15, 99, 148) und nicht ausschließlich die Verstelleinrichtung (76 bis 79) in einem einheitlichen Gehäuse (75, 80) angeordnet, bzw. zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

22. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und sonstiger beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe für mindestens einen nachstehender Kennwerte: Eingangsdrehzahl (161), Abtriebsdrehzahl (162); Druchstückdrehzahl (159), ü-stellungsabhängige Druckstückstellung (160), Motorstrom, Sensoren aufweist.

23. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate nach Anspruch 1 und sonstiger beliebiger vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Getriebe eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung (20, 102, 158) zugeordnet ist mit elektro­ nischen Komponenten zur Bewirkung mindestens einer nachstehender Funktionen:

• - Anpreßkraft-oder Verstellvorgangregelung des in Anspruch 12 beschriebenen Anpreß- und Verstellkonzeptes (85 bis 89) durch vorbestimmte Motordrehzahlkennlinienänderungen, bzw. -Ab­ stimmungen durch Variation der die Motorkennlinien beeinflussenden Betriebsdaten wie z. B. Strom, Spannung und Frequenz;
• - Steuerung der unter Anspruch 19 beschriebenen und angeordneten Elemente zur Rückgewinnung der Bremsenergie beim elektromotorischen KFZ-Antrieb;
• - Steuerung der die Anpreßkraft oder bzw. und die Verstellaktivität bewirkenden Elektromaschinen (86/87/88/89, 95/96/97, 121/122/123) in einer vorbestimmten Weise;
• - Regelung der die Anpreßkraft oder bzw. und die Verstellaktivität bestimmende Drosselung des einstellbaren Überdruckventiles (141);
• - Management der nach Anspruch 10 und 11 beschriebenen Elektromaschinenanordnungen in der Weise, daß bei unzureichender Stromlieferung durch den übersetzungssteuernden Generator (121/122/123) an das Bordnetz die zusätzliche Elektromaschine (132/133) als Generator in das Bordnetz stromspeisend betrieben wird, und bei Überschuß produzierendem ersten Generator (121/122/123) die zweite Elektro­ maschine (132/133) als Elektromotor betrieben wird und die überschüssige elektrische Energie rege­ nerativ wieder dem Antrieb zuführt;
• - bei elektromotorischen KFZ-Antrieb wird nach einem vorbestimmten Modus und Ausmaß beim Bremsen bis zu einem vorbestimmten Bremsenergielevel die Antriebsmaschine als Generator geschaltet bzw. erregt und die Bremsenergie regenerativ dem Bordnetz, bzw. der Bordbatterie zugeführt, erst nach Überschreiten dieses Bremsenergielevels werden die mechanischen Bremsenelemente aktiviert die überschüssige Bremsenergie in herkömmlicherweise mechanisch vernichtet;
• - beim Fahrzeuganhaften, oder bei einer aktiven Fahrtverzögerung wird durch ein abgestimmtes Motor-Ge­ triebemanagement vorrangig und bevorzugt die Getriebeübersetzung ins "Langsame" geregelt;
• - die Regeleinrichtung (158) weist Erkennungsfähigkeiten auf, z. B. durch Sensorsignale (160) und weiterer anderer Betriebsparameter, für den Betriebszustand, daß während oder nach einem Stopvorganges eine untere vorgegebene Getriebeübersetzung nicht erreicht wird oder wurde, sodann ein Öffnungskommandosignal für eine im Antriebspfad angeordnete Trennkupplung (152/154) gibt, wobei im Falle eines momentan langsamen oder verlangsamenden Motorlaufes, oder bei Motorstillstand der Antriebsmotor (135) auf seiner Drehzahl gehalten, wieder beschleunigt, oder gar wiederangefahren wird bis sich eine vorbestimmte Minimalübersetzung eingestellt hat.

24. Verlustarmes CVT, insbesondere für elektromotorische KFZ-Antriebe und KFZ-Nebenaggregate, bestehend aus einem Friktionsgetriebe im wesentlichen aus zwei verstellbaren Kegelreibscheibenpaaren mit einem dazwischen reibschlüssig angeordneten endlosen Übertragungsband in Form eines Zug- oder Schubgliederbandes, mit Einrichtungen zur Erbringung der Anpreßkraft und zur Übersetzungs-Verstel­ lung und -Regelung, mit einer ölstrahlbildenden Ventileinrichtung für die geregelte Entspannung von Druckmittelversorgungskreise bei der der austretende Ölstrahl in weitgehend tangentialer Auftrittsrichtung auf eine rotierende oder translierende Partie des Getriebes gerichtet ist (gemäß DE 196 14 226) und dieser Getriebepartie einen Kraft- oder Drehmomentenimpuls verleiht, nach Anspruch 1, 7 und 13 dadurch gekennzeichnet, daß das ölstrahlbildende Ventilelement so angeordnet und ausgebildet ist, daß es den Druck der die Anpressung oder die Getriebeverstellung bewirkenden Hydraulikpumpe (139) bestimmt.