-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Variatoranordnung für
ein stufenloses Getriebe, mit einer Welle, einer drehfest mit der
Welle verbundenen Variatorscheibe und einer hierzu konzentrischen
Stützscheibe,
die mit der Welle starr verbunden ist, wobei die Variatorscheibe
auf der der Stützscheibe
abgewandten Seite eine Traktionsfläche zur Drehmomentübertragung
aufweist.
-
Derartige Variatoranordnungen werden
bei Toroid-Getrieben, aber beispielsweise auch bei CVT-Getrieben
verwendet.
-
Toroid-Getriebe weisen wenigstens
einen Variator mit zwei Variatorscheiben auf. Die Scheiben weisen
einander zugewandte ringförmige
Traktionsflächen
auf, die einen Toroidraum definieren. Innerhalb des Toroidraumes
sind Roller angeordnet, die mit den Variatorscheiben in Eingriff
treten, um ein Drehmoment von einer Variatorscheibe auf die andere
Variatorscheibe zu übertragen.
Derartige Toroid-Getriebe sind allgemein bekannt.
-
Die Variatorscheiben sind mit der
Welle im Stand der Technik in der Regel über Verzahnungen im Nabenbereich
zur Drehmomentübertragung
formschlüssig
verbunden.
-
Durch die hohen axialen Anpresskräfte, insbesondere
auch während
einer Verstellung der Roller, ergibt sich eine hohe Belastung der
Variatorscheiben in der Nähe
der Verzahnung. Dies kann zu Spannungsüberhöhungen führen und folglich ein Versagen
verursachen.
-
Ferner ist die Fertigung der Verzahnungen kostenträchtig, insbesondere,
da es sich bei dem Material der Variatorscheiben in der Regel um
einen hochfesten Wälzlagerstahl
handelt.
-
Um die hohen axialen Kräfte besser
aufnehmen zu können,
ist einer Variatorscheibe häufig
eine Stützscheibe
zugeordnet, die auf der der Traktionsfläche gegenüberliegenden Seite der Variatorscheibe angeordnet
wird. Durch die Stützscheibe
ist es möglich,
die Variatorscheibe weniger massiv und schwer auszuführen. Hierdurch
werden Kosten eingespart. Die Stützscheibe
ist dabei in der Regel in Umfangsrichtung formschlüssig mit
der Welle verbunden. Dies kann über
eine Verzahnung erfolgen. Die Stützscheibe
kann aber auch einteilig mit der Welle ausgebildet sein.
-
Obgleich es auch bei der Verwendung
einer Stützscheibe
denkbar ist, die Variatorscheibe über eine Verzahnung im Nabenbereich
mit der Welle zu verbinden, so ist es doch bevorzugt, die Drehmomentübertragung
von der Variatorscheibe auf die Welle über die Stützscheibe erfolgen zu lassen.
-
Dies kann generell durch Kraftschluss
erfolgen. Denn die hohen axialen Anpresskräfte können bei geeigneter Ausführung von
axialen Anlageflächen
an der Stützscheibe
einerseits und der Variatorscheibe andererseits zur Drehmomentmitnahme
benutzt werden. Hierbei wird der Reibkoeffizient von Stahl/Stahl
in dem Anlagebereich ausgenutzt.
-
Die Übertragung des Drehmomentes
von der Variatorscheibe auf die Stützscheibe kann jedoch auch
formschlüssig
erfolgen. Hierbei ist es generell denkbar, die Variatorscheibe formschlüssig im
Nabenbereich der Stützscheibe
anzubinden. Um die Umfangskräfte
zu reduzieren, ist es jedoch günstiger, die
Drehmomentmitnahme im Bereich des Außenumfangs der Stützscheibe
bzw. der Variatorscheibe zu realisieren.
-
Hierbei ist es zwar generell ebenfalls
denkbar, in dem Umfangsbereich eine Verzahnung vorzusehen. Als günstiger
wird es jedoch erachtet, formschlüssige Elemente wie z.B. Kugeln
in entsprechende radiale Ausnehmungen der Stützscheibe einerseits und der
Variatorscheibe andererseits einzusetzen.
-
Diesen Ansätzen ist gemeinsam, dass es
im Bereich der formschlüssigen
Verbindung von Variatorscheibe und Stützscheibe zu Spannungsüberhöhungen aufgrund
von Kerbwirkung kommen kann.
-
Es ist demzufolge die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Variatoranordnung anzugeben, bei der
eine formschlüssige
Verbindung zwischen Variatorscheibe und Stützscheibe verbessert ist.
-
Diese Aufgabe wird bei der eingangs
genannten Variatoranordnung dadurch gelöst, dass die Variatorscheibe
und die Stützscheibe
zur drehfesten Verbindung zwischen der Variatorscheibe und der Welle
jeweils wenigstens eine Ausnehmung aufweisen, die im Querschnitt
jeweils annähernd
konkav ausgebildet sind und gemeinsam ein Formschlusselement aufnehmen,
das im Querschnitt annähernd konvex
linsenförmig
ausgebildet ist.
-
Durch diese Maßnahme lässt sich eine formschlüssige Verbindung
zwischen der Variatorscheibe und der Stützscheibe realisieren, ohne
dass es zu Kerbspannungsüberhöhungen im
Bereich dieser Verbindung kommt. Bei den konkaven Ausnehmungen und
dem konvex linsenförmigen
Formschlusselement handelt es sich um kerbunempfindliche Geometrien.
-
Ferner ist erfindungsgemäß keine
Verzahnung zwischen Variatorscheibe und Stützscheibe notwendig. Hierdurch
entfällt
eine Abstimmung der Materialhärten
und eine Nacharbeit im harten Zustand.
-
Ferner lassen sich die Geometrien
der Variatorscheibe und der Stützscheibe
einfach und kostengünstig
fertigen.
-
Durch die verringerten Spannungsüberhöhungen kann
insbesondere die Variatorscheibe weniger massiv ausgeführt werden,
und die Variatoranordnung kann insgesamt in axialer Richtung kürzer bauen.
-
Die oben genannte Aufgabe wird demzufolge
vollkommen gelöst.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist
die Variatorscheibe oder die Stützscheibe
einen ringförmigen
Bund auf, der einen Gegenabschnitt der Stützscheibe bzw. der Variatorscheibe übergreift.
-
Bei dieser Ausführungsform lassen sich die hohen
axialen Anpresskräfte
besonders günstig
und materialschonend von einer Scheibe auf die andere übertragen.
-
Dies gilt insbesondere dann, wenn
die Variatorscheibe den ringförmigen
Bund aufweist, der einen Gegenabschnitt der Stützscheibe übergreift. Von besonderem Vorteil
ist es dabei dann bei einer Variatoranordnung für ein Toroid-Getriebe, wenn
der ringförmige
Bund etwa auf der Höhe
des Toroidmittenkreises liegt.
-
Ferner ist es bei dieser Ausführungsform
von besonderem Vorzug, wenn die Ausnehmung der Variatorscheibe am
Innenumfang des ringförmigen Bundes
und die Ausnehmung der Stützscheibe
am Außenumfang
des Gegenabschnittes ausgebildet ist.
-
Hierdurch lassen sich die Ausnehmungen
an der Variatorscheibe bzw. der Stützscheibe besonders günstig realisieren.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
ist das Formschlusselement an wenigstens einer zur Variatorscheibe
hin weisenden Kante abgerundet, und die zugeordnete Ausnehmung der Variatorscheibe
ist entsprechend abgerundet.
-
Hierdurch könnend die im Übergangsbereich von
Variatorscheibe auf Stützscheibe
auftretenden Kerbspannungen noch weiter reduziert werden.
-
Es versteht sich, dass es von besonderem Vorzug
ist, wenn die Ausnehmungen und Formschlusselemente im Bereich des
Außenumfanges der
Stützscheibe
bzw. der Variatorscheibe angeordnet sind. Hierdurch können Spannungen
der Variatorscheibe im Nabenbereich verringert werden, so dass sich
die Bauteildicke reduzieren lässt.
Insgesamt ergibt sich ein verringertes Gewicht und eine Verringerung
des Trägheitsmomentes.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematiche Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Variatoranordnung;
-
2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1; und
-
3 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Gestaltung eines Formschlusselementes
für die
Variatoranordnung der 1 und 2 in perspektivischer Form.
-
In den 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Variatoranordnung
generell mit 10 bezeichnet.
-
Die Variatoranordnung 10 ist
an einer Welle 12 gelagert. Die Welle 12 ist in
der dargestellten Ausführungsform
eine Antriebs- oder Abtriebswelle eines Toroid-Getriebes. Die erfindungsgemäße Variatoranordnung
lässt sich
jedoch in gleichem Maße
auch auf CVT-Getriebe oder andere Getriebe anwenden.
-
Die Variatoranordnung 10 weist
eine konzentrisch zu der Welle 12 angeordnete Variatorscheibe 14 und
eine ebenfalls konzentrisch hierzu angeordnete Stützscheibe 16 auf.
-
Die Stützscheibe 16 ist mit
der Welle 12 über ein
Zahnwellenprofil 18 in ihrem Nabenbereich formschlüssig verbunden.
-
Die Variatorscheibe 14 und
die Stützscheibe 16 liegen
in axialer Richtung aneinander an. Dabei berühren sich eine stirnseitige,
quer zur Axialrichtung ausgerichtete Anlagefläche 20 der Variatorscheibe 14 und
eine entsprechende Anlagefläche 22 der Stützscheibe 16.
-
Die Stützscheibe 16 weist
im Nabenbereich eine zur Variatorscheibe 14 hin vorstehende
Schulter 24 auf. Die Schulter 24 dient zur Aufnahme
der Innenverzahnung und zur Zentrierung auf der Welle 12. Die
Stützscheibe 16 kann
jedoch auch ohne Schulter im Nabenbereich ausgebildet sein.
-
Die Abmessungen des Innenumfanges 26 der
Variatorscheibe 14 und des Außenumfanges der Schulter 24 sind
dabei so gewählt,
dass über
diesen Anlagebereich im Wesentlichen keine Kraft- oder Drehmomentübertragung
erfolgt. Insbesondere liegt der Innenumfang 26 nicht an
dem Außenumfang
der Schulter 24 an.
-
Auf der der Stützscheibe 16 abgewandten Stirnseite
weist die Variatorscheibe 14 eine ringförmige, um die Welle 12 herum
laufende Traktionsfläche 28 auf.
Die Traktionsfläche 28 ist
dabei so geformt, dass sie mit einer entsprechenden Traktionsfläche 28 einer
zugeordneten Variatorscheibe (nicht dargestellt) einen Toroidraum
formt.
-
Etwa auf der Höhe des Toroidmittenkreises weist
die Variatorscheibe 14 einen zur Stützscheibe 16 hin ausgerichteten
Bund 30 auf. Der Bund 30 übergreift den Außendurchmesser
der Stützscheibe 16,
genauer gesagt einen (in 1 dargestellten) Gegenabschnitt 31 im
Bereich des Außenumfanges der
Stützscheibe 16.
-
Von dem Bund 30 verläuft die
rückenseitige Kontur
der Variatorscheibe 14 in Anpassung an die Toroidgeometrie,
wie es bei 32 gezeigt ist. Die Rückenseite erstreckt sich bis
zum Außenumfang 34 der
Variatorscheibe 14.
-
Der Innenumfang 36 des Bundes 30 liegt
auf dem Außenumfang 37 des
Gegenabschnittes 31 umfänglich
eng an, um zusätzliche
Spannungsspitzen in der Variatorscheibe abzufangen. Die Variatorscheibe 14 wird
folglich durch den Außenumfang 37 des
Gegenabschnittes 31 der Stützscheibe 16 zentriert.
-
Die einander entsprechenden Radien
des Außenumfanges 37 der
Stützscheibe 16 und
des Innenumfanges 36 des Bundes 30 der Variatorscheibe 14 sind
in 1 bei 40 dargestellt.
-
Der Gegenabschnitt 31 der
Stützscheibe 16 weist über seinen
Umfang verteilt eine Mehrzahl von im Querschnitt konkaven Ausnehmungen 42 auf,
von denen in 1 und 2 jeweils nur eine aus Übersichtlichkeitsgründen dargestellt
ist.
-
Der Radius 43 der konkaven
Ausnehmung 42 ist kleiner als der Radius 40. Die
Radien 43, 40 können jedoch auch etwa gleich
groß sein.
Ferner ist es generell auch denkbar, dass der Radius 43 größer ist
als der Radius 40.
-
In entsprechender Weise weist die
Variatorscheibe 14 am Innenumfang 36 ihres Bundes 30 im Querschnitt
konkave Ausnehmungen 44 auf, von denen wiederum in den 1 und 2 nur eine dargestellt ist.
-
Die Ausnehmungen 42, 44 sind
in Umfangsrichtung etwa gleich lang. Der Radius 45 der
konkaven Ausnehmung 44 am Innenumfang 36 des Bundes 30 ist
dabei zumindest etwas größer als
der Radius 4Q.
-
Die Ausnehmungen 42, 44 bilden
gemeinsam eine Gesamtausnehmung, in die ein im Querschnitt konvex
linsenförmiges
Formschlusselement 50 eingesetzt ist.
-
Das Formschlusselement 50 stützt sich
in axialer Richtung an der Anlagefläche 20 der Variatorscheibe 14 ab.
An der Stützscheibe 16 ist
ein in radialer Richtung vorstehender Kragen (in 2 nicht näher bezeichnet) vorgesehen.
Das Formschlusselement 50 ist in axialer Richtung an diesem
Kragen gegen Herausfallen gesichert. Das Formschlusselement 50 ist
in axialer Richtung etwas schmäler
als die Ausnehmung 42, um eine axiale Kraft auf den Kragen zu
vermeiden.
-
Die Radien der konkaven Geometrie
des Formschlusselementes 50 entsprechen dabei den Radien 43, 45 der
Ausnehmungen 42 bzw. 44.
-
Wie es insbesondere in 3 zu sehen ist, weist das
Formschlusselement 50 eine erste Stirnseite 52 auf,
die dem Kragen der Stützscheibe 16 gegenüberliegt.
Die erste Stirnseite 52 ist im Wesentlichen eben ausgebildet.
Hierdurch weist das Formschlusselement 50 im Bereich der
Stirnseite 52 zwei bogenförmige (nicht näher bezeichnete)
Kanten auf.
-
Die gegenüberliegende Stirnseite 54 des Formschlusselementes 50 ist
lediglich in ihrem unteren Bereich eben ausgebildet. Demzufolge
weist das Formschlusselement 50 im Bereich der Stirnseite 54 eine
bogenförmige
Kante auf, deren Verlauf durch den Radius 43 definiert
ist.
-
Die entsprechende obere Kante ist
hingegen abgerundet, wie es in 3 und 2 bei 56 angedeutet
ist.
-
Auf die Traktionsfläche 28 der
Variatorscheibe 14 einwirkende axiale Kräfte, wie
sie in 2 bei F gezeigt
sind, werden über
die Anlageflächen 20, 22 sowie über den
Bund 30 und den Gegenabschnitt 31 in die Stützscheibe 16 eingeleitet.
Die Stützscheibe 16 stützt sich
in axialer Richtung an einem Absatz der Welle 12 ab. Durch
die kerbunempfindliche Geometrie der konvex linsenförmigen Formschlusselemente 50 kommt
es bei dieser Kraftübertragung
nicht zu lokalen Spannungsüberhöhungen,
auch nicht im Bereich der Formschlusselemente 50.
-
Zur Drehmomentübertragung von der Variatorscheibe 14 auf
die Stützscheibe 16 (oder
umgekehrt) dienen die Formschlusselemente 50. Bei dieser
Belastung in Umfangsrichtung führt
die kerbunempfindliche Geometrie der konvex linsenförmigen Formschlusselemente 50 nicht
zu lokalen Spannungsüberhöhungen.
-
Ferner kann der Formschluss zwischen
der Variatorscheibe 14 und der Stützscheibe 16 relativ großflächig erfolgen,
wobei die Ausnehmungen 42, 44 nur wenig Materialabtrag
erfordern und demzufolge nur zu einer geringen Schwächung der
jeweiligen Elemente führen.
Hinzu kommt, dass die Ausnehmungen 42, 44 im Wesentlichen
vollständig
wieder durch das Formschlusselement 50 ausgefüllt werden,
so dass tatsächlich
nahezu keine Materialschwächung
vorhanden ist, aber eine Bewegung der einzelnen Teile möglich ist.
-
Durch die formschlüssige Drehmomentübertragung
im Umfangsbereich der Stützscheibe 16 verringern
sich Spannungen der Variatorscheibe 14 im Nabenbereich.
Hierdurch kann die Variatorscheibe 14 mit geringerer Dicke
ausgeführt
werden. Es ergibt sich ein verringertes Gewicht und ein verringertes Trägheitsmoment.
-
Durch die radiale Abstützung des
Bundes 30 etwa auf der Höhe des Torusmittenkreises auf
der Stützscheibe 16 kann
ein ähnliches
Spannungsniveau wie bei einer Vollscheibe erreicht werden. Durch
die Zweiteiligkeit kann die Gesamtscheibe 14, 16 insgesamt
kostengünstiger
hergestellt werden, wobei für
die Variatorscheibe 14 ein teures Material, für die Stützscheibe 16 jedoch
ein kostengünstiges Material
gewählt
wird.