DE60009769T2

DE60009769T2 - Stufenloses Toroidgetriebe

Info

Publication number: DE60009769T2
Application number: DE60009769T
Authority: DE
Inventors: Hidetaka Fujisawa-shi Koga
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: EP1026424A3; EP1026424A2; EP1026424B1; JP4062809B2; JP2000220719A; DE60009769D1; US6251039B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein stufenloses Toroid-Getriebe mit einer Auslegung für Fahrzeuge wie Automobile, korrespondierend mit dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In den meisten stufenlosen Toroid-Getrieben die gewöhnlich in den Getriebesystems in Automobilen eingebaut sind, sind Eingangs- und Ausgangswellen in einer einzigen Reihe entlang der gemeinsamen Hauptachse angeordnet. Um die zahlreichen Einschränkungen bei der Gestaltung des Übertragungssystems zu berücksichtigen ist ein Vorgelege mit einer Verzahnung, die in ein Ausgangsgetriebe eingreift, welches mit einer Ausgangsscheibe verbunden ist, parallel zu einer Eingangswelle angeordnet und sitzt rittlings auf der Toroidal-Getriebe-Vorrichtung während ein Stirnrad-Mechanismus zwischen dem Vorgelege und der Ausgangswelle vorgesehen ist. Zur Erzielung der Rotation der Ausgangsscheibe zur Abtriebswelle wird somit eine Kupplung, welche sich innerhalb der automobilen Kraftübertragung befindet, entweder eingekuppelt oder ausgekuppelt, womit die Ausgangswelle in einen Zustand, entweder vorwärts, rückwärts oder neutral versetzt wird. Trotzdem ergeben sich aus der bisherigen Konstruktion nach dem Stand der Technik wesentliche Probleme bei der Umsetzung des stufenlosen Getriebes, da es in seinem Durchmesser zu unhandlich für einen sinnvollen Einbau in einem Automobil ist.
Bei den stufenlosen Getrieben mit stufenloser Toroid-Getriebe-Vorrichtung ist ein stufenloses Getriebe bekannt, wie es 3 dargestellt ist, in welchem die Eingangs- und Ausgangswellen in einer einzigen Reihe auf der gemeinsamen Hauptachse angeordnet sind und die Rotation der Eingangswelle kann an die Ausgangswelle übertragen werden mit den Zuständen Vorwärtsgänge, Neutral und Rückwärtsgang durch eine Geschwindigkeitwechselfunktion der Toroidal-Getriebe-Vorrichtung ohne die Einrichtung eines Vorgeleges, so dass das stufenlose Getriebe in seiner Abmessung bezüglich des Durchmessers reduziert ist. Es wird Bezug genommen beispielsweise auf die Of fenbarung des US Patentes Nr. 5 607 372, welches den nächstliegenden Stand der Technik darstellt.
Das in 3 dargestellte stufenlose Getriebe ist ein stufenloses Getriebe, welches eine stufenlose Toroid-Getriebe-Vorrichtung entsprechend dem Doppelkammer-Typ beinhaltet. Die stufenlose Toroid-Getriebe-Vorrichtung weist eine erste Toroid-Getriebe-Einheit 8 und eine zweite Toroid-Getriebe-Einheit 9 auf, die auf einer Eingangswelle 1 jeweils gegenüberliegend angeordnet sind. Die erste Toroid-Getriebe-Einheit 8 beinhaltet eine erste Eingangsscheibe 2, eine erste Ausgangsscheibe 3, die gegenüberliegend der ersten Eingangsscheibe 2 angeordnet ist und drehbare Antriebsrollen 6 um ein Drehmoment von der ersten Eingangsscheibe 2 auf die erste Ausgangsscheibe 3 zu übertragen, während das zweite Toroid-Getriebe 9 eine zweite Eingangsscheibe 4 aufweist, eine zweite Ausgangsscheibe 5, welche der zweiten Eingangsscheibe 4 gegenüberliegt, und drehbare Antriebsrollen 7 um ein Drehmoment von der zweiten Eingangsscheibe 4 auf die zweite Ausgangsscheibe 5 zu übertragen. Die Antriebsrollen 6,7 sind ausgelegt um sich um die jeweils eigene Achse 11 zu drehen und werden abgestützt durch einen nicht dargestellten Zapfen zur drehbaren Bewegung um seine zugehörige Drehachse 12, die senkrecht auf der Drehachse 11 und senkrecht auf der ebenen Oberfläche dieser Seite steht. Dadurch wird ermöglicht die Antriebsrollen 6,7 miteinander zu drehen, wobei das Geschwindigkeitsverhältnis geringfügig variiert werden kann entsprechend der Drehwinkel der Antriebswellen 6,7 um die Drehachse 12.
Während die Übertragung des Drehmomentes zwischen jeweilig paarig gegenüberliegenden Eingangs- und Ausgangsscheiben 2,4 und 3,5 über die Antriebsrollen 6,7 von einer Schubkraft oder Zugkraft (viskose Reibkraft) eines hydraulischen Fluids abhängt, wird die gewünschte Zugkraftwirkung eine wesentliche Kontaktkraft erfordern, welche entlang der Achse des Getriebes in Bereichen wirkt, in denen die Antriebsrollen 6,7 in Rollkontakt mit der Eingangs- und der Ausgangsscheibe 2,4 und 6,7 gelangen. Um dies zu berücksichtigen ist die bisherige Toroid-Getriebe-Vorrichtung allgemein ausgestattet mit einem Belastungsnocken 10 oder mit Mitteln zur Einstellung eines Kontaktdruckes der Antriebsrollen 6,7 gegen die Scheiben in Abhängigkeit von der Größe des Drehmomentes, das auf die Eingangsscheiben 2,4 von der Eingangswelle 1 aufgebracht wird. In dem dargestellten bekannten Getriebe ist ein Paar von Ausgangsscheiben 3,5 im Verbund miteinander hergestellt. Die Bezugszeichen A und B in den begleitenden Zeichnungen beziehen sich auf Rotationsrichtungen der Eingangs- und Ausgangswellen in entsprechender Weise. Die Eingangswelle 1 erstreckt sich bis zum Ausgangsende und führt durch die Eingangs- und Ausgangsscheiben 2,4 und 3,5 der ersten Toroid-Getriebe-Vorrichtung 8,9. Eine Antriebshohlwelle 15, die integral mit den Ausgangsscheiben 3,4 dargestellt ist, ist über der Eingangswelle 1 zur freien Rotation angepaßt und unterstützt darauf ebenso die zweite Eingangsscheibe 4 zur Rotation.
Das auf die Eingangswelle 1 vom Motor aufgebrachte Drehmoment wird an die erste Eingangsscheibe 2 durch den Belastungsnocken 10 übertragen, sowie zur gleichen Zeit zu der zweiten Eingangsscheibe 4 zu der Eingangswelle 1. Die durch das übertragene Drehmoment veranlaßte Rotation der ersten Eingangsscheibe 2, veranlaßt die ersten Antriebsrollen 6 rotieren um die erste Ausgangsscheibe 3 zu drehen. Andererseits treibt das auf die zweite Eingangsscheibe 4 übertragene Drehmoment die zweite Ausgangsscheibe 5 über die zweiten Antriebsrollen 7 an. Dies ist so zu verstehen, dass die erste und zweite Ausgangsscheibe 3,5 integral dargestellt sind um zusammen übereinstimmend zu drehen. Wenn die Antriebsrollen 6,7 um ihre Drehachsen gemeinsam für einen gewünschten Winkel in synchronisierter Form für den Fall, während das Drehmoment übertragen wird, gedreht werden, bewegen sich die Stellen des Rollkontaktes der Antriebsrollen 6,7 mit den Eingangs- und Ausgangsscheiben 2,4 und 3,5 geringfügig, woraus resultiert, dass das Übertragungsverhältnis sich kontinuierlich verändert.
Der zweiten Toroid-Getriebe-Einheit 9 ist eine Steuervorrichtung 46 nachgelagert, die in koaxialer Beziehung steht mit sowohl der Eingangswelle 1, als auch der Antriebshohlwelle 15 und stellt eine Kraftübertragung zwischen der Eingangswelle 1 und der Hohlwelle 15 dar. Die Steuervorrichtung 46 beinhaltet ein erstes Sonnenrad 47, welches integral mit der Eingangswelle 1 ausgebildet ist, eine Halterung 48, welche auf der Eingangswelle 1 befestigt ist und ebenso integral mit der zweiten Eingangsscheibe 4 verbunden ist, ein Torsionsrohr 52, welches zur Drehung auf einer Verlängerung 14 der Eingangswelle 1 gelagert ist, ein zweites Sonnenrad 53, welches auf dem Torsionsrohr 52 am vorgelagerten Ende desselben bereitgestellt ist und ein Ritzel 49, welches allgemein als Wandlergetriebe bezeichnet wird. Das Ritzel 49 wird zur Drehung an einem mittleren Lagerzapfen desselben abgestützt und weist ein Getriebe 50 auf, welches in das erste Sonnenrad 47 eingreift und ein anderes Getriebe 51 steht in Eingriff mit dem zweiten Sonnenrad 53, wobei die Getriebe 50 und 53 an axial gegenüberliegenden Enden des mittleren Lagerzapfen, eines an jedem Ende, angeordnet sind. Bei einem Aufbau wie er gerade beschrieben wurde, umkreist das Ritzel 49, da das erste Sonnenrad 47 sich in entgegengesetzter Richtung zu der Halterung 48 bewegt, das erste Sonnenrad 47 auf seiner eigenen Achse und dreht damit das Torsionsrohr 52 in der gleichen Drehrichtung wie die Antriebshohlwelle 15.
Die Rotation des Antriebsmechanismus 46 wird durch das Torsionsrohr 52 an eine Ausgansgetriebe-Vorrichtung 54 übertragen, die aus einem ersten und einem zweiten Planetengetriebesatz 55 und 56 besteht. Der erste Planetengetriebesatz 55 beinhaltet ein drittes Sonnenrad 57, welches an dem Torsionsrohr 52 angebracht ist, ein erstes Ritzel 58, welches drehbar auf einem Befestigungsorgan 60 abgestützt ist und an einem stationären Gehäuse fixiert ist und mit dem dritten Sonnenrad 57 in Eingriff steht, und einem ersten Zahnkranz (Umlaufgetriebe) 59, welches in das erste Ritzel 58 eingreift. Der zweite Planetengetriebesatz 56 beinhaltet ein viertes Sonnenrad 61, welches an dem Torsionsrohr 52 angebracht ist, ein zweites Ritzel 62, welches drehbar an der Halterung 64 gelagert ist und einen zweiten Zahnkranz 59, der mit dem Ansatz 14 auf der Eingangswelle 1 verbunden ist und in das zweite Ritzel 62 eingreift. Der erste Zahnkranz 59 des ersten Planetengetriebesatzes 55 und die Halterung 64 des zweiten Panetengetriebesatzes 56 erstrecken sich nachgelagert derart, dass sie selektiv mit der Abtriebswelle 40 entweder über eine Kupplung 65 für den oberen Bereich oder eine Kupplung 66 für den untere Bereich verbunden werden können.
Wenn die Kupplung 65 für den oberen Bereich in Eingriff steht, während die Kupplung 66 für den unteren Bereich ausgekuppelt ist, wird das Kaftübertragungs-Verhältnis eine Funktion im oberen Bereich annehmen. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Kupplung 66 für den unteren Bereich im Eingriff steht, um die unteren Bereichsfunktionen zu selektieren, der zweite Zahnkranz 63 in der gleichen Richtung rotieren wie die Richtung A der Eingangswelle 1. Das vierte Sonnenrad 61 rotiert jedoch in der entgegengesetzten Richtung B, aber mit einer wechselnden Geschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Größe des Kaftübertragungs-Verhältnisses der Toroid-Getriebe-Einheiten 8,9. Obwohl die Abtriebswelle 40 mit einer Drehgeschwindigkeit des zweiten Ritzels 62 gedreht wird, kann jedoch in jede der Stellungen, -vorwärts, -neutral und -rückwärts, verschoben werden, in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des vierten Sonnenrades 61, welche entsprechend der Geschwindigkeitwechselfunktion an den Toroid-Kraftübertragungs-Einheiten 8,9 variiert. Darüber hinaus wirkt sich die Drehgeschwindigkeit des vierten Sonnenrades 61 auf die Größe der Rotationsgeschwindigkeit der Ausgangswelle 40 bei Vorwärts- und Rückwärtsdrehung aus. Wenn die Toroid-Kraftübertragungs-Einheiten 8,9 das Übertragungsverhältnis des höchsten Schnellganges bereitstellen, so wird die gesamte Kraftübertragung rückläufig sein. Im Gegensatz dazu wird, wenn die toridalen Kraftübertragungs-Einheiten 8,9 das Übertragungsverhältnis der maximalen Reduktion bereit stellen, die insgesamte Kraftübertragung hervortreten. Somit kann irgendein Kaftübertragungsverhältnis zwischen dem maximalen Schnellgang und der maximalen Reduktion die insgesamte Kraftübertragung neutral stellen und es wird kein Drehmomentenwandler oder eine Kupplung nötig sein, sogar unter einigen Bedingungen, wie sie beim Starten eines stationären Fahrzeuges vorliegen. Die wie beschrieben aufgebaute Getriebe ermöglicht es auf das Vorgelege zu verzichten, welches parallel zu einer Eingangswelle rittlings auf der Eingangsscheibe angeordnet ist, woraus eine Verminderung der insgesamten Durchmessergröße der Getriebe resultiert.
Trotzdem benötigt das stufenlose Getriebe mit der toroidalen stufenlosen Kraftübertragung wie oben beschrieben folgende Bestandteile: das Wandlergetriebe für das Ritzel 49, welches sich genauso, wie der Planet in dem Antriebsmechanismus 64 dreht, und entsprechende erste und zweite Ritzel 58,62 in den ersten und zweiten Planetengetriebesätzen 55,56 in der Ausgangsgetriebe-Vorrichtung 54. Zusätzlich sind die Antriebs-Vorrichtung 46 und die Ausgangsgetriebe Vorrichtung 54 seriell entlang der axialen Richtung angeordnet. Somit weist das erste variable Getriebe ein wesentliches Problem auf indem es über die gesamte Länge des Getriebes wesentlich länger wird.
Wird das hauptsächliche Problem der seriellen Anordnung der Ansteuer-Vorrichtung in Betracht gezogen und sich folglich die Ausgangsgetriebe-Vorrichtung entlang der gemeinsamen Hauptachse über die gesamte Länge des Getriebes vergrößern, so kann die Einbeziehung oder Vereinheitlichung irgendeines der Planetengetriebesätze in der Antriebs-Vorrichtung und die Anordnung eines weiteren Planetengetriebesatzes, der Antriebs-Vorrichtung nachgelagert, wesentlich sein, um die Pantetengetriebesätze in zwei Reihen anzuordnen womit selektiv für jeden, die Vorwärtsbewegung, der neutrale Zustand und die Rückwärts in dem gesamten Getriebe entsprechend der Geschwindigkeitswechsel-Funktion an den toroidalen Getriebe-Einheiten bereitgestellt wird, und weiterhin wird ermöglicht die gesamte Länge des Getriebes zu vermindern.
Ein vornehmliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Lösung des im Stand der Technik beschriebenen Problems wie oben dargelegt, insbesondere die Bereitstellung eines stufenlosen Getriebes mit einer geringeren Gesamtlänge, welches eine Bereitstellung eines breiten und großen Getriebeübersetzungs-Verhältnisses, welches über das gesamte Getriebe verteilt ist, vorhanden ist, unabhängig davon wie klein das Getriebeübersetzungs-Verhältnis ist, das von der Toroid-Getriebe-Vorrichtung abgedeckt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein stufenloses Getriebe welches eine toproidale Getriebe-Vorrichtung aufweist, einen ersten Planetengetriebesatz und einen zweiten Panetengetriebesatz, wobei die Toroid-Getriebe-Vorrichtung zumindest ein Paar von Toroid-Getriebe-Einheiten beinhaltet, von denen jede eine Eingangsscheibe enthält, die umlaufend mit einer Antriebswelle integriet ist, einer Ausgangsscheibe, die gegenüberliegend der Eingangsscheibe angeordnet ist und zur Rotation auf der Antriebswelle abgestützt ist und Antriebsrollen, die zwischen den gegenüberliegenden Eingangs- und Ausgangsscheiben angeordnet sind und zur drehbaren Bewegung auf einem stationären Gehäuse abgestützt sind, wobei der erste Planetengetriebesatz eine Antriebshohlwelle enthält, die integral verbunden ist mit der Ausgangsscheibe und zur relativen Rotation über der Antriebswelle eingebaut ist, ein erstes Sonnenrad, welches integral verbunden ist mit der Antriebshohlwelle, ein erstes Zahngetriebe, eine erste Halterung, die integral mit der Antriebswelle verbunden ist und das erste Zahngetriebe zur Rotation darauf abstützt, und einen ersten Zahnkranz, wobei der zweite Planetengetriebesatz ein zweites Sonnenrad aufweist, auf das ein Drehmoment von dem ersten Zahngetriebe übertragen wird, ein zweites Zahngetriebe, eine zweite Halterung auf die das zweite Zahngetriebe zur Rotation abgestützt ist und einen zweiten Zahnkranz aufweist, wobei das erste Zahngetriebe in einem ersten Planetengetriebesatz durch ein Doppelritzelgetriebe dargestellt ist, welches wiederum aus einem ersten Panetengetriebe besteht, welches im Eingriff steht mit dem ersten Sonnenrad und einem zweiten Planetengetriebe, welches sowohl in das erste Planetengetriebe als auch in den ersten Zahnkranz eingreift, wobei das zweite Zahngetriebe in dem zweiten Planetengetriebesatz ein Doppalritzelgetriebe ist, welcher mit einem dritten Planetengetriebe hergestellt ist, welches im Eingriff steht mit dem zweiten Sonnenrad und einem vierten Planetengetriebe, welches im Eingriff steht sowohl mit dem dritten Planetengetriebe, als auch dem zweiten Zahnkranz, wobei der erste Zahnkranz an der zweiten Halterung über eine erste Kupplung angreift und der zweite Zahnkranz an das stationäre Gehäuse über eine zweite Kupplung angreift, wobei das Drehmoment der zweiten Halterung an eine Antriebswelle übertragen wird, welche integral verbunden ist mit der zweiten Halterung.
Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein stufenloses Getriebe offenbart, worin die Toroid-Getriebe-Vorrichtung als ein Doppelkammertyp ausgeführt ist, beinhaltend eine erste Toroid-Getriebe-Einheit, die eine erste integral mit der Antriebswelle umlaufende Eingangsscheibe umfasst, eine der ersten Eingangsscheibe gegenüberliegend angeordnete und zur Rotation auf der Antriebswelle abgestützte erste Ausgangsscheibe und erste Antriebsrollen, die zwischen den sich gegenüberliegenden ersten Eingangs- und ersten Ausgangsscheiben angeordnet sind und zur drehbaren Bewegung auf dem stationären Gehäuse abgestützt sind und eine zweite Toroid-Getriebe-Einehit, die eine zweite integral mit der ersten Ausgangsscheibe dargestellte Ausgangsscheibe aufweist, eine zweite der zweiten Ausgangsscheibe gegenüberliegend angeordnete und mit der Antriebswelle verbundene Eingangsscheibe aufweist und zweite Antriebsrollen, die zwischen den gegenüberliegenden zweiten Eingangs- und zweiten Ausgangsscheiben angeordnet sind und zur drehbaren Bewegung auf dem stationären Gehäuse abgestützt sind. Weiterhin erstreckt sich die Eingangswelle derart, dass sie sich sowohl durch die erste Toroid-Getriebe-Einheit als auch durch die zweite Toroid-Getriebe-Einheit hindurch erstreckt und die Antriebshohlwelle die zweite Eingangsscheibe zur Rotation abstützt.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein stufenloses Getriebe offenbart, worin bei der Auswahl des unteren Funktionsbereiches die erste Kupplung in Eingriff kommt, während die zweite Kupplung ausgekuppelt ist und im Gegensatz dazu, wenn der obere Funktionsbereich ausgewählt ist, die zweite Kupplung in Eingriff kommt, während die erste Kupplung ausgekuppelt ist, so dass ein jeweiliger Wechsel zwischen dem oberen und dem unteren Bereich unter Bedingungen abläuft, bei denen das Geschwindigkeits-Verhältnis in der Toroid-Getriebe-Vorrichtung im wesentlichen eine obere Grenze erreicht.
Entsprechend dem wie beschrieben aufgebauten stufenlosen Getriebe wird das auf die Eingangsscheibe von der Eingangswelle aufgebrachte Drehmoment über den Rollkontakt der Antriebsrollen auf die Ausgangsscheibe übertragen, die integral verbunden ist mit der Antriebshohlwelle. Somit wird das aufgebrachte Drehmoment an das mit der Antriebshohlwelle verbundene Sonnenrad übertragen. Bei Auswahl des unteren Funktionsbereiches wird das an das Sonnenrad in dem ersten Planetengetriebesatz übertragene Drehmoment durch das erste Ritzel zu dem ersten Zahnkranz übertragen und weiterhin über die erste Kupplung und die zweite Halterung auf die Ausgangswelle. Im Gegensatz dazu wird, wenn der obere Funktionsbereich ausgewählt ist, das zu dem Sonnenrad in dem ersten Planetengetriebesatz übertragene Drehmoment auf das zweite Sonnenrad in dem zweiten Planetengetriebesatz übertragen und schließlich über die zweite Halterung, die das zweite Ritzel abstützt, welches sowohl mit dem zweiten Sonnenrad, als auch mit dem zweiten Zahnkranz in Eingriff steht, auf die Ausgangswelle gelegt.
Entsprechend der Toroid-Getriebe-Vorrichtung des Doppelkammertypes in welchem die Eingangs- und die Ausgangswellen entlang der gemeinsamen Hauptachse angeordnet sind und die Eingangswelle zur relativen Drehung in der Antriebshohlwelle angepasst ist und an einem Ende derselben mit der zweiten Scheibe verbunden ist, während sie am anderen Ende derselben mit dem Sonnenrad verbunden ist, wird eine Eliminierung des Vorgeleges ermöglicht, welches parallel zur Eingangswelle rittlings auf der zweiten Eingangsscheibe und der zweiten Ausgangsscheibe lagert, womit folglich eine Verminderung des gesamten Durchmessers des Getriebes erreicht wird.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Ritzel des Dual-Types als ein Planetenrad in dem Planetengetriebesatz eingesetzt, welches sich darauf mit einem ersten Planetengetriebe und einem zweiten Planetengetriebe befindet. Dieser Aufbau ermöglicht eine Übertragung des Drehmomentes von einem Sonnenrad mit geringerer Anzahl von Zähnen im Verhältnis zu einem Zahnkranz mit einer wesentlich größeren Anzahl von Zähnen, was in der Bereitstellung des großen Getriebe-Verhältnis/Kennzahl resultiert, die über das gesamte stufenlose Getriebesystem verteilt ist.
Bei dem wie oben beschrieben aufgebauten stufenlosen Getriebe ist der Antriebsmechanismus koaxial mit den Toroid-Getriebe-Einheiten aufgebaut und kombiniert oder vereinigt mit jedem Getriebesatz aus den Planetengetriebesätzen, die in herkömmlicher Weise in zwei Reihen nachgeschaltet zu dem Antriebsmechanismus angeordnet sind. Diese Gestaltung erlaubt eine Eliminierung einer Getriebestufe womit die insgesamte Länge des Getriebes reduziert wird. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die zweite der beiden Kupplungen für den oberen Funktionsbereich mit dem stationären Gehäuse verbunden und mit einem Hydraulikdruckkolben montiert. Dieser Aufbau ermög licht einen leichteren Abbau von hydraulischen Leitungen. Zudem wird der Druckkolben zur Betätigung der Kupplung stationär gehalten und deshalb keiner zentrifugalen Kraft unterworfen wodurch andererseits der hydraulische Fluiddruck für eine Kupplungsfunktion schwanken würde, was Veränderungen in der Rotationsgeschwindigkeit der Kupplung zur Folge hätte.
In dem stufenlosen Getriebe, welches die Toroid-Getriebe-Vorrichtung des Doppelkammertypes verwendet, werden die Eingangs- und die Ausgangswelle entlang der gemeinsamen Hauptachse angeordnet und die Eingangswelle ist zur relativen Rotation in der Antriebshohlwelle angepasst, welche mit Ihrem einen Ende mit der zweiten Ausgangsscheibe verbunden ist während das andere Ende derselben mit dem Sonnenrad verbunden ist, nachdem dies durch die zentrale Bohrung der zweiten Eingangsscheibe hindurch geführt ist. Dieser Aufbau ermöglicht es das Vorgelege zu elimimnieren, welches konventionell parallel zu der Eingangswelle rittlings auf der zweiten Eingangsscheibe angeordnet ist, womit sich eine Reduzierung der insgesamten Durchmessergröße des Getriebes ergibt.
Ein weiteres Ziel und viele der erbrachten Vorteile dieser Erfindung werden genau erklärt, da das Gerät mit einem Bezug auf die folgende Beschreibung besser zu verstehen ist, wenn dies mit den begleitenden Zeichnungen verbunden wird.
1 zeigt eine schematische Ansicht, die eine bevorzugte Ausgestaltung eines stufenlosen Getriebes entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt:
2 zeigt eine graphische Präsentation welche den Zusammenhang zwischen dem Geschwindigkeitsverhältnis I in einem stufenlosen Getriebe und dem Geschwindigkeitsverhältnis ICVT in einer Toroid-Getriebe-Vorrichtung darstellt: und
3 zeigt eine schematische bildliche Darstellung eines stufenlosen Getriebes.
Eine Ausgestaltung eines stufenlosen Getriebes entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gegeben. Das stufenlose Getriebe entsprechend 1, sowie mit dem vorherigen stufenlosen Getriebe in 3, ist mit zwei Sätzen von stufenlosen Toroid-Getriebe-Einheiten 8,9 des Doppelkammertypes ausgestattet, welche einander gegenüberliegend entlang der gemeinsamen Hauptachse angeordnet sind. Da die stufenlosen Toroid-Getriebe-Einheiten 8,9 in dieser Ausgestaltung im Aufbau identisch sind mit den stufenlosen Toroid-Getriebe-Einheiten 8,9 wie sie in Bezug auf 3 beschrieben sind bezeichnen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente oder Bestandteile in der folgenden Beschreibung und die vorausgehende Beschreibung ist ebenso anwendbar.
Die mit der zweiten Ausgangsscheibe 5 verbundene Antriebshohlwelle 15 erstreckt sich durch eine zentrale Bohrung der zweiten Eingangsscheibe 4 hindurch, wobei diese der zweiten Ausgangsscheibe 5 gegenüberliegt und die zweite Eingangsscheibe 4 rotationsmäßig abstützt. Die Eingangswelle 1 paßt in die Antriebshohlwelle 15, welche somit zur Rotation relativ zu der Eingangswelle 1 abgestützt ist. In der Zeichnung bezieht sich ein Buchstabe A auf die Rotationsrichtung der Eingangsscheiben 2,4, während ein Bezugszeichen B die Rotationrichtung der Ausgangsscheiben 3,5 kennzeichnet.
Die Toroid-Getriebe-Einheiten 8,9 sind mit der Ausgangswelle 40 über erste und zweite Planetengetriebesätze 16,30 gekoppelt und relativ zu der gemeinsamen Hauptachse der Toroid-Getriebe-Einheiten 8,9 versetzt. Der erste Planetengetriebesatz 16 ist vom Zwei-Ritzel-Typ, der ein erstes Sonnenrad 17 aufweist, welches integral verbunden ist mit der Antriebshohlwelle 15, an dem Ende, welches gegenüber der ersten Eingangsscheibe 2 liegt, und eine erste Halterung 18, die integral verbunden ist sowohl mit der Eingangswelle 1, als auch mit der Eingangswelle 4, einem Wandlergetriebe 19, welches zur Rotation auf der ersten Halterung 18 abgestützt ist und welches ausgestattet ist mit einem ersten Planetengetriebe 20, das mit dem ersten Sonnenrad 17 in Eingriff steht, einem zweiten Planetengetriebe 23, welches zur Rotation auf der Welle 24 abgestützt ist um in ein erstes Planetengetriebe 20 einzugreifen, als auch einem ersten Zahnkranz 25, der mit dem zweiten Planetengetriebe 23 in Eingriff steht. Das erste und das zweite Planetengetriebe 20,23 stellt in Kombination ein erstes Planetenzahngetriebe in dem ersten Planetengetriebesatz 16 dar.
Ein weiteres Getriebe 21 in dem Wandlergetriebe 19 kommt in Eingriff mit einem Getriebe 27 eines Wandlergetriebes 28, das mit der Eingangswelle 1 koaxial angeordnet ist. Der zweite Planetengetriebesatz 30, welcher neben dem ersten Getriebesatz 16 angeordnet ist, stellt einen Zwei-Ritzel-Typ dar, ähnlich wie der erste Planetengetriebesatz 16. Der zweite Planetengetriebesatz 30 besteht aus einem zweiten Sonnenrad 28 welches an dem Wandlergetriebe 26 am Ende gegenüberliegend dem Getriebe 27 dargestellt ist, einem dritten Panetengetriebe 33 welches auf einer Welle 34 gelagert ist, getragen zur Rotation von zweiten Halterungen 31,32, einem vierten Planetengetriebe, abgestützt auf einer Welle 36, getragen zur Rotation durch die zweiten Halterungen 31,32 zum Eingriff mit dem dritten Planetengetriebe 33 und einen zweiten Zahnkranz 37, in Eingriff mit dem vierten Planetengetriebe 35. Das dritte und das vierte Planetengetriebe 33,35 stellen in Kombination ein zweites Planetenzahngetriebe in dem zweiten Planetengetriebesatz 30 dar.
Der erste Zahnkranz 25 in dem ersten Planetengetriebesatz 16 kann eingekoppelt werden mit der zweiten Halterung 31 in dem zweiten Planetengetriebesatz 30 durch eine erste Kupplung 38. Andererseits kann der zweite Zahnkranz 37 mit dem zweiten Planetengetriebesatz 30 über eine zweite Kupplung 39 mit dem Gehäuse 13 gekoppelt werden. Bei der Kraftübertragung, deren Ausgestaltung oben beschrieben ist, ist das erste Ritzel zugehörig zu dem Wandlergetriebe 19 und ausgebildet als ein du ales Ritzel, welches in der Peripherie desselben mit dem ersten Zahnkranz 25 zusammen wirkt um den ersten Planetengetriebesatz 16 auszubilden. Verglichen mit dem stufenlosen Getriebe entsprechend 3 spart das stufenlose Getriebe, welches eine Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, jegliche Planetengetriebesätze, die am Ausgangsgetriebe-Vorrichtung 54 mit ausgebildet worden sind.
Die wie oben beschrieben aufgebaute Toroid-Getriebe-Vorrichtung in dem stufenlosen Getriebe kann ebenso mit der Toroid-Getriebe-Vorrichtung entsprechend 3 betrieben werden, so dass die vorherige Beschreibung auch darauf anwendbar ist. Beim Betrieb der Toroid-Getriebe-Einheiten 8,9 werden die Ausgangsscheiben 3,5 und die Antriebshohlwelle 15, die mit den Ausgangsscheiben 3,5 verbunden sind, in einer Richtung gedreht, die gegenläufig zu den Eingangsscheiben 2,4 ist. In dem ersten Planetengetriebesatz 16 bewirkt die Rotation der Antriebshohlwelle 15 eine Drehung des ersten Sonnenrades 17, während die Eingangswelle 1 die erste Halterung 15 in der entgegengesetzten Richtung zu dem ersten Sonnenrad 17 dreht.
Wenn die Eingangswelle 1 unter der Bedingung angetrieben wird, dass die erste Kupplung 38 für den unteren Betriebsbereich in Eingriff steht und die zweite Kupplung 39 für den oberen Betriebsbereich ausgekuppelt bleibt, so verweilen sowohl der erste Zahnkranz 25 in dem ersten Planetengetriebesatz 16 als auch die zweiten Halterungen 31,32 stationär für die Bereitstellung eines Betriebs im unteren Bereich. In diesem Fall kann das Drehmoment von dem ersten Zahnkranz 25 auf die Ausgangswelle 40 über die zweiten Halterungen 31,32 übertragen werden. Im Betrieb der Toroid-Getriebe-Vorrichtung mit einem Übersetzungsverhältnis oder einem Untersetzungsverhältnis gilt Folgendes: Eingangs-/Ausgangs-Umdrehungszahl ist im absoluten Wert gering, mit anderen Worten ausgedrückt ist das Geschwindigkeitsverhältnis: reziprok zu dem Übersetzungsverhältnis, welches im absoluten Wert groß ist, wobei des erste Sonnenrad 17 ausgelegt ist um schneller zu drehen und der erste Planetengetriebesatz 20 dreht vorwärts, während der zweite Planetengetriebesatz rückwärts dreht. Somit übersteigt die rückwärtige Drehung des ersten Zahnkranzes 25 die Vorwärtsdrehung der ersten Halterung 18, so das die insgesamte Drehung des stufenlosen Getriebes negativ wird wie es einem Betriebsbereich R in 2 entspricht, indem das Geschwindigkeitsverhältnis in der Toroid-Getriebe-Vorrichtung dargelegt wird durch negative Zahlen, da die Ausgangsscheibe der Toroid-Getriebe-Vorrichtung in der Drehungsrichtung umgekehrt ist in Bezug auf die Eingangsscheibe.
Wenn das Übersetzungsverhältnis oder das Untersetzungsverhältnis der Toroid-Getriebe-Vorrichtung im absoluten Wert anwächst, oder anders ausgedrückt, wenn das Geschwindigkeitsverhältnis im absoluten Wert gering wird, so verlangsamt sich die Drehung des Sonnenrades 17. Somit wird die Wirkung der Vorwärtsdrehung der ersten Halterung 18 viel größer werden mit der Drehung der Eingangswelle, wobei der erste Zahnkranz 25 eine Vorwärtsdrehung startet um die Ausgangswelle 40 in Vorwärtsbetrieb zu versetzten. Dies sorgt für eine Veränderung des Geschwindigkeitsverhältnisses des gesamten stufenlosen Getriebes um entlang der durchgezogenen Linie entsprechend 2 langsam anzusteigen oder über einen Betriebsbereich FL entsprechend 2. Während des Verlaufes entlang dessen das Geschwindigkeitsverhältnis der Toroid-Getriebe-Vorrichtung anwächst taucht eine neutrale Bedingung oder ein Betriebspunkt in 2 auf, wo die Rotationsgeschwindigkeit der Ausgangswelle 40 zu Null wird.
Die Überwachung der Kraftübertragung kann dadurch ausgeführt werden, dass die erste Kupplung 38 entkoppelt ist und die zweite Kupplung 39 in Eingriff steht, wenn das Geschwindigkeitsverhältnis des gesamten Getriebes bei eingekuppelter erster Kupplung 38 das Maximum erreicht hat entsprechend einem Signal, welches das Übersetzungsverhältnis der Toroid-Getriebe-Vorrichtung erfasst. Bei diesem Ereignis, bei dem die erste Kupplung 38 ausgekuppelt ist, während die zweite Kupplung 39 eingekuppelt ist, besteht für den Zahnkranz die Möglichkeit der freien Drehung so dass sich die insgesamte Kraftübertragung in den oberen Funktionsbereich verschiebt. Da das Übersetzungsverhältnis oder das Untersetzungs-Verhältnis der Toroid-Getriebe-Vorrichtung sich im absoluten Wert vermindert, mit anderen Worten, das Geschwindigkeitsverhältnis im absoluten Wert sehr viel mehr wird, wird die Drehung des ersten Sonnenrades 17 schneller werden und die Drehgeschwindigkeit der Wandlergetriebe 19, 26 erhöht sich. Als Ergebnis wird die Drehgeschwindigkeit der dritten und der vierten Getriebe 33,35 um ihre eigenen Achsen schneller werden in Bezug auf das zweite Sonnenrad 37, welches stationär gehalten wird, so dass die Drehung der zweiten Halterung 30,31, mit anderen Worten die Drehung der Ausgangswelle 40 immer schneller wird, wobei das Geschwingigkeitsverhältnis des gesamten stufenlosen Getriebes sich verändert und ständig schneller wird, wie es durch die unterbrochene Linie in 2 dargestellt ist.
Im Folgenden wird der Bereich des erreichbaren Geschwindigkeitsverhältnisses entsprechend dem stufenlosen Getriebe der vorliegenden Erfindung näher erklärt. Die Bezeichnungen sind wie folgt definiert:
I = Geschwindigkeitsverhältnis des gesamten stufenlosen Toroid-Getriebes
I_CVT = Geschwindigkeitsverhältnis der Toroid-Getriebe-Vorrichtung
Z₁ = Anzahl der Zähne in dem ersten Sonnenrad
Z₂ = Anzahl der Zähne in dem Getriebe 27
Z₃ = Anzahl der Zähne in dem zweiten Sonnenrad
Z₄ = Anzahl der Zähne in dem ersten Planetengetriebe 20
Z₅ = Anzahl der Zähne in dem ersten Zahnkranz
Z₆ = Anzahl der Zähne in dem Getriebe 21
Z₇ = Anzahl der Zähne in dem zweiten Zahnkranz 37
Bei ausgewähltem unteren Funktionsbereich ist eine Umdrehungszahl W_S1 des ersten Sonnenrades 17 gegeben durch WS1 = ICVT × Wi
Da eine Abtriebsumdrehungszahl W₀ identisch ist mit einer Umdrehungszahl des ersten Zahnkranzes 25 W0 = (Z1/Z5) × WS1 + (1 – Z1/Z5) × Wi = [(ICVT × (Z1/Z5) + 1 –Z1/Z5] × Wi
Ein Geschwindigkeitsverhältnis I_L des stufenlosen Toroid-Getriebes der vorliegenden Erfindung im unteren Funktionsbereich kann dann entsprechend ausgedrückt werden IL = W0/Wi = ICVT × (Z1/Z5) + 1 – (Z1/Z5) (Gleichung 1)
Im Gegensatz dazu ist eine Umdrehungszahl W_S3 des zweiten Sonnenrades 28 im oberen Funktionsbereich gegeben durch WS3 = I0 × WS1 + (1 – I0) × Wi = (I0 × ICVT + 1 –I0) × Wi wobei I₀ = (Z₆ × Z₁)/(Z₂ × Z₄)
Die folgende Gleichung sollte aufgestellt werden zwischen der Ausgangsumdrehungszahl W₀ und der Umdrehungszahl W_S3 des Sonnenrades 28: (1 – Z3/Z7) × W0 = (Z3/Z7) × WS3
Somit kann die Ausgangsumdrehungszahl W₀ durch die folgende Gleichung erhalten werden: W0 = [(Z3/Z7)/(1 – Z3/Z7)] × (I0 × ICVT + 1 – I0] × Wi
Ein Geschwindigkeitsverhältnis I_H des stufenlosen Toroid-Getriebes der vorliegenden Erfindung im oberen Funktionsbereich kann dadurch abgeleitet werden zu: IH = W0/Wi = [(Z3/Z7)/(1 – Z3/Z7)] × (I0 × ICVT + 1 – I0] + 1 – I0) (Gleichung 2)
Es wird nun bei sowohl dem ersten als auch dem zweiten Planetengetriebesatz 16,30 angenommen, dass die Anzahl der Zähne in dem ersten Sonnenrad 17 31 ist; die Anzahl Z2 der Zähne in dem Getriebe 27 ist 32; die Anzahl Z3 der Zähne in dem zweiten Sonnenrad 28 ist 35; die Anzahl Z4 der Zähne in dem ersten Planetengetriebe 20 ist 32; die Anzahl der Zähne Z5 in dem ersten Zahnkranz 25 ist 99; die Anzahl Z6 der Zähne in dem Getriebe 21 ist 33; und die Anzahl Z7 der Zähne in dem zweiten Zahnkranz 37 ist 82. Durch Ersetzen dieser Werte in dem Bereich von –0,54 bis –2,3 des Geschwindigkeitsverhältnisses I_CVTin der Toroid-Getriebe-Vorrichtung werden die Übersetzungsverhältnisse I_L und I_H des gesamten stufenlosen Getriebes von den obigen Gleichungen 1 und 2 abgeleitet und in der folgenden Tabelle 1 entsprechend 2 beschrieben. Es soll angemerkt werden, dass in 2 eine durchgezogene Linie das Übersetzungsverhältnis I_L in dem unteren Funktionsbereich anzeigt und die unterbrochene Linie das Übersetzungsverhältnis I_H in dem oberen Funktionsbereich.
Tabelle 1
In 2 wird das Geschwindigkeitsverhältnis (T/M-Verhältnis) I des stufenlosen Getriebes an der Ordinate aufgetragen und das Geschwindigkeitsverhältnis I_CVTder Toroid-Getriebe- Vorrichtung an der Abszisse. Es ist aus Tabelle 1 und 2 sichtbar, dass das stufenlose Toroid-Getriebe der vorliegenden Erfindung große Übersetzungsverhältnisse liefern kann verglichen mit stufenlosen Toroid-Getrieben nach dem Stand der Technik.
Nach der Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit dem Bezug auf die Ausgestaltung in der der erste Planetengetriebesatz 16 auf der Seite des ersten Sonnenrades 17 in der ersten Halterung 18 angeordnet ist kann der erste Panetengetriebesatz 16 auf der Seite eines weiteren Getriebes 21 des Wandlergetriebes 19 in der ersten Halterung 18 angeordnet werden. Darüber hinaus kann, obwohl der Planetengetriebesatz 30, der in der oben beschriebenen Ausgestaltung vom Doppelritzeltyp mit dem ersten und vierten Planetengetriebesatz 32,35 ist, es für den Fachmann so zu verstehen sein, dass die gleiche Wirkung durch eine Modifizierung in der der zweite Planetengetriebesatz 35 als ein Einzelritzeltyp ausgeführt ist, erzielt werden kann, wobei das Drehmoment durch den ersten Zahnkranz 25, zweiten Zahnkranz 37 und die Ausgangswelle 40 übertragen wird.

Claims

Stufenloses Toroidgetriebe, welches Folgendes aufweist: eine Toroidgetriebevorrichtung, einen ersten Planetengetriebesatz (16) und einen zweiten Planetengetriebesatz (30), wobei die Toroidgetriebevorrichtung zumindest ein Paar von Toroidgetriebeeinheiten (8,9) beinhaltet, von denen jede eine Eingangsscheibe (2,4) enthält, die umlaufend mit einer Antriebswelle (1) integriert ist, eine Ausgangsscheibe (3,5), die gegenüberliegend der Eingangsscheibe (2,4) angeordnet ist und zur Rotation auf der Antriebswelle (1) abgestützt ist, und Antriebsrollen (6,7), die zwischen den gegenüberliegenden Eingangs- und Ausgangsscheiben (2,4,3,5) angeordnet sind und zur drehbaren Bewegung auf einem stationären Gehäuse (13) abgestützt sind, wobei der erste Planetengetriebesatz (16) eine Antriebshohlwelle (15) enthält, die integral verbunden ist mit der Ausgangsscheibe (3,5) und zur relativen Rotation über der Antriebswelle (1) eingebaut ist, ein erstes Sonnenrad (17), integral verbunden mit der Antriebshohlwelle (15), ein erstes Zahngetriebe (20,23), eine erste Halterung (18), die integral mit der Antriebswelle (1) verbunden ist und das Zahngetriebe (20,23) zur Rotation darauf abstützt, und einen ersten Zahnkranz (25), wobei der zweite Planetengetriebesatz (30) ein zweites Sonnenrad (28) aufweist, auf das ein Drehmoment von dem ersten Zahngetriebe übertragen wird, ein zweites Zahngetriebe (33,35), eine zweite Halterung (31,32), auf die das zweite Zahngetriebe zur Rotation abgestützt ist und einen zweiten Zahnkranz (37), wobei das erste Zahngetriebe (20,23) in dem ersten Planetengetriebesatz (16) durch ein Doppelzahngetriebe dargestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahngetriebe (20,23) dargestellt ist durch ein erstes Planetengetriebe (20), welches im Eingriff steht mit einem ersten Sonnenrad (17) und einem zweiten Planetengetriebe (23), welches sowohl in das erste Planetengetriebe (20), als auch in den ersten Zahnkranz (25) eingreift, wobei das zweite Zahngetriebe (33,35) in dem zweiten Planetengetriebesatz (30) ein Doppelzahngetriebe ist, dargestellt mit einem dritten Planetengetriebe (33), welches im Eingriff steht mit einem zweiten Sonnenrad und ein viertes Planetengetriebe (35), welches im Eingriff ist mit sowohl dem dritten Planetengetriebe (33), als auch dem zweiten Zahnkranz (37), wobei der erste Zahnkranz (25) zum Eingriff kommt mit der zweiten Halterung (31,32) über eine erste Kupplung (38) und der zweite Zahn- kranz (37) zum Eingriff kommt mit dem stationären Gehäuse (13) über eine zweite Kupplung (39), wobei das Drehmoment der zweiten Halterung (31,32) an eine Abtriebswelle (40) übertragen wird, welche integral verbunden ist mit der zweiten Halterung (32).
Stufenloses Toroidgetriebe, welches entsprechend Anspruch 1 aufgebaut ist, worin die Toroidgetriebevorrichtung als ein Doppelraumtyp ausgeführt ist, beinhaltend eine erste Toroidgetriebeeinheit, die eine erste integral mit der Antriebswelle umlaufende Eingangsscheibe umfasst, eine der ersten Eingangsscheibe gegenüberliegend angeordnete und zur Rotation auf der Antriebswelle unterstützte erste Ausgangsscheibe, und erste Antriebsrollen, die zwischen den sich gegenüberliegenden ersten Eingangs- und ersten Ausgangsscheiben angeordnet sind und zur drehbaren Bewegung auf dem stationären Gehäuse abgestützt sind und zweite Toroidgetriebe-Antriebsrollen (6), die zwischen den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Ausgangsscheiben (2,3) angeordnet sind und zur drehbaren Bewegung auf dem stationären Gehäuse (13) abgestützt sind, und eine zweite Toroidgetriebeeinheit (9), die eine zweite integral mit der ersten Ausgangsscheibe (3) dargestellte Ausgangsscheibe (5) aufweist, eine zweite der zweiten Ausgangsscheibe (5) gegenüberliegend angeordnete und mit der Antriebswelle (1) verbundene Eingangsscheibe (4) und zweite Antriebsrollen (7), die zwischen den gegenüberliegenden zweiten Eingangs- und zweiten Ausgangsscheiben (4,5) angeordnet sind und zur drehbaren Bewegung auf dem stationären Gehäuse (13) abgestützt sind, und worin die Antriebswelle (1) sich derart erstreckt, dass sie sich sowohl durch die erste Toroidgetriebeeinheit (8), als auch durch die zweite Toroidgetriebeeinheit (9) hindurch erstreckt, und die Antriebshohlwelle (15) stützt die zweite Eingangsscheibe (4) zur Rotation ab.
Stufenloses Toroidgetriebe, welches entsprechend Anspruch 1 aufgebaut ist, worin falls der untere Betriebsbereich ausgewählt ist, die erste Kupplung (38) zum Eingriff kommt während die zweite Kupplung (39) ausgekuppelt ist und im Gegensatz dazu, falls der obere Betriebsbereich ausgewählt ist, die zweite Kupplung (39) zum Eingriff kommt, während die erste Kupplung (38) ausgekuppelt ist, so dass der gegenseitige Wechsel zwischen oberem und unterem Bereich unter der Bedingung stattfindet, dass die Geschwindigkeitsrate in der Toroidgetriebevorrichtung einen stabilen oberen Grenzwert erreicht.