DE69113631T2 - Getriebe mit toroidumlaufbahn und rollreibungskraftübertrang. - Google Patents

Getriebe mit toroidumlaufbahn und rollreibungskraftübertrang.

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Description

  • Die Erfindung betrifft stufenlose bzw. kontinuierlich veränderliche Getriebe ("CVT's") mit Toroidumlaufbahn- und Rollreibungskraftübertragung, die in mehr als einem Bereich betrieben werden können. Sie betrifft insbesondere Verbesserungen und Modifikationen desjenigen Typs eines CVT, der in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und in der Patentbeschreibung EP-A-0 149 892 beschrieben ist.
  • Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen ist eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten und Kraftflüsse in einen typischen Zweibereich CVT, bei dem der Wechsel zwischen den Bereichen synchron durchgeführt wird, wie dies auf diesem Gebiet bekannt ist. Der Ausgang des Motors E ist sowohl mit dem Variator V, d. h. der übersetzungsändernden Komponente des CVT, als auch mit einer Getriebeeinheit G verbunden. Die Ausgänge des Variators V und der Einheit G stellen separate Eingänge zu einer Getriebeeinheit M dar, die üblicherweise als "Misch"-Getriebeeinheit bezeichnet wird und ein Umlaufgetriebe ist. Der Ausgang O der Einheit M stellt den Ausgang des CVT dar. Gesteuerte Eingriffsvorrichtungen G' und M' sind mit der Einheit G bzw. der Einheit M verbunden: Die Vorrichtungen G' und M' werden als Bremse bzw. als Kupplung bezeichnet, da sie dies in verschiedenen bekannten Getrieben sind.
  • Der erste der zwei Bereiche, in denen das CVT betrieben werden kann, ist typischerweise als "niedriger" Bereich bekannt. In diesem Bereich befindet sich die Bremse G' in Eingriff und die Kupplung M' ist offen, so daß die Ausgänge der Einheit G und des Variators V zwei der Komponenten des Mischers M antreiben und der Ausgang O, von einer dritten Komponente entnommen, das Ergebnis dieser zwei Eingänge ist. Wenn sich das CVT im niedrigen Bereich befindet, bewirkt ein voller Durchlauf durch den Übersetzungsbereich des Variators V, angefangen damit, daß der Variator so eingestellt ist, daß er ein hohe Übersetzung ausgibt, typischerweise, daß die Drehgeschwindigkeit des Ausgangs O von einem maximalen Rückwärtswert zu einem Zustand fortschreitet, bei dem O sich in Ruhe befindet, während sich die anderen Komponenten der Einheiten G und M in Bewegung befinden und das CVT sich in "Neutralschaltung" befindet, und dann in Vorwärtsrichtung ansteigt, wobei es einen relativ niedrigen Wert einer Vorwärtsdrehzahl erreicht, wenn der Variator V das gegenüberliegende - d. h. niedrige - Ende des Übersetzungsbereichs, van dem aus es angefangen hat, erreicht. Wenn die Übersetzungen des Variators V und der Einheiten G und M geeignet ausgewählt werden und die Bremse G'und die Kupplung M' in diesem Moment entsprechend gelöst sind bzw. sich im Eingriff befinden, kann der zweite oder "hohe" Bereich von dem niedrigen Bereich übernehmen, ohne irgendeine sofortige Änderung der Drehgeschwindigkeit des Ausgangs O. Ein derartiger Bereichswechsel ist im Stand der Technik als ein "synchroner Wechsel" bekannt.
  • Anschließend, wenn die von dem Variator V ausgegebene Übersetzung zurück zu dem ursprünglichen Ende ihres Bereichs fortgeschritten ist, steigt die Vorwärtsgeschwindigkeit des Ausgangs O stetig an. In diesem Moment synchronen Wechsels und in dem hohen Bereich sperrt die Kupplung M' die Mischeinheit M, d. h. sie sperrt die drei Komponenten der Umlaufeinheit oder einer ähnlichen Einheit, so daß sie gemeinsam miteinander drehen. Bei hoher Übersetzung sind die Drehgeschwindigkeiten des Ausgangs O und des Ausgangs des Variators V daher gleich, sowohl in Größe und Richtung, und die Einheit G ist inaktiv. Fig. 1 zeigt ebenfalls die Kraftflüsse an, die innerhalb des CVT während der Vorwärtsbewegung im niedrigen Bereich vorliegen. Unter der Annahme eines vernünftigen Wirkungsgrads wird die Leistung P&sub0; am Ausgang O etwa gleich der Motorleistung Pe sein, es wird jedoch in dem "Kreis" der Einheiten G, M und V Leistung rezirkulieren, im wesentlichen so wie angezeigt, wobei die Leistung in zwei der verbundenen Glieder um ein Inkrement δ größer ist als die Motorleistung und die Leistung in den verbleibenden zwei Gliedern, die gleich diesem Inkrement ist. Bekanntlich sollten zwei Bedingungen erfüllt sein, wenn es möglich ist, einen Zustand zu erreichen, in dem die drei Komponenten der Mischeinheit M gesperrt sind und so einen synchronen Wechsel zwischen niedrigem und hohem Bereich erlauben. Erstens muß die Größe des Eingangs von der Einheit G zu der Mischeinheit M, sowohl in Größe als auch Richtung, gleich dem Eingang sein, den diese von dem Variator V empfängt, wenn der Variator in der niedrigen Übersetzungsstellung ist, in der der synchrone Wechsel durchgeführt wird. Zweitens muß irgendwo in dem Leistungsrezirkulationskreis eine Umkehr der Drehung erreicht werden, da es eine notwendige Richtungsumkehr zwischen dem Eingang und Ausgang eines Variators mit Toroidumlaufbahn- und Rollreibungskraftübertragung gibt und das System daher eine weitere Richtungsumkehr aufweisen muß, damit notwendigerweise die Drehrichtungen der zwei Eingänge zu der Mischeinheit M gleich sind.
  • Vor der in der Patentbeschreibung EP-A-0 502 061 beschriebenen Erfindung, die zur vorliegenden Erfindung einen Stand der Technik gemäß Art. 54 (3) EPÜ darstellt, war es üblich, die Umkehr und die Drehzahlreduktion innerhalb der Einheit G selbst zu bewirken. Dies geschieht beispielsweise innerhalb der Drehzahlreduziereinheit 107, die in Fig. 4 der Patentbeschreibungen GB-A-20 23 753 und GB-A-21 00 372 gezeigt sind. Die unausweichliche Konsequenz dieser Kombination an Anforderungen bestand darin, die mögliche Effizienz der Einheit G in gewisser Weise zu reduzieren, die wie die Einheit M von epizyklischem Typ (Umlaufgetriebe) sein kann, wie Bauteil 107 in den zwei vorgenannten Patentveröffentlichungen.
  • Fig. 2 der Zeichnungen ist ein Axialschnitt durch das in der EP-A-0 502 061 beschriebene CVT und zeigt, daß in diesem CVT die zwei notwendigen Merkmale des Leistungsrezirkulationskreises, der zuvor beschrieben wurde - nämlich Drehzahlreduktion und Richtungsumkehr - getrennt sind, so daß die Effizienz oder der Wirkungsgrad der Drehzahlreduktionseinheit erhöht wird. Bezugszeichen 10 zeigt die einfache epizyklische Einheit, die der Einheit G nach Fig. 1 entspricht, und in der keine Richtungsumkehr stattfindet: der Eingang zur Einheit 10 von der Antriebsmaschine 6, mittels der gleichen Welle 1, die als das Eingangselement zu dem Variator 2 wirkt, entspricht dem Glied 40 des Leistungsrezirkulationswegs nach Fig. 1. Die notwendige Umkehr relativ zur Motorrichtung, die im Eingang zu dem Mischumlaufgetriebe 15 vorhanden sein muß, kommt statt dessen mittels der Verbindung dieser Einheit mit der Ausgangsscheibe 8 des Variators zustande; die Scheibe 8 ist mit einer Vorgelegewelle 23 über eine Kette 29 verbunden, so daß jedwede Änderung der Drehrichtung vermieden wird, die Vorgelegewelle 23 und das Sonnenrad 18 der Einheit 15 sind jedoch durch den Eingriff der Zahnräder 22 und 21 verbunden, so daß die Richtung an einer Stelle - schematisch durch das Bezugszeichen 41a angedeutet - innerhalb des Glieds 41 des Schaubilds in Fig. 1 umgekehrt wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und wird nunmehr beispielhaft unter Bezug auf Fig. 3 der Zeichnungen beschrieben, die ein schematischer Axialschnitt durch die Hauptkomponenten eines anderen CVT ist, das innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fällt und worin Bauteile mit Gegenstücken in Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen angezeigt sind. Eine Antriebseinheit 6, ein Variator 2, eine Reduktionsgetriebeeinheit 10 und Bremse 13, eine Mischumlaufgetriebeeinheit 15 und Kupplung 20, und eine Ausgangswelle 17 sind wie in Fig. 2 vorhanden. In Fig. 3 fällt die Betriebsachse 5 des Variators 2 nicht länger mit der gemeinsamen Achse der Antriebseinheit 6 und der Ausgangswelle 17 zusammen, wie im Fall gemäß Fig. 2, sondern ist von dieser versetzt und parallel hierzu. Die Richtungsumkehr, die für einen der Eingänge zu der Mischeinheit 15 notwendig ist, wird jedoch wiederum im Glied 41 des Leistungsrezirkulationsweges erzielt und nicht innerhalb der Getriebeeinheit 10. In Fig. 3 wird das zentrale Eingangselement 42 des Variators 2 ohne Richtungsumkehr von der Eingangswelle 1 mittels einer Kettenverbindung 43 angetrieben, die Ausgangswelle 44 des Variators treibt jedoch das Sonnenrad 18 der Einheit 15 mit Richtungsumkehr über kämmende Zahnräder (45 und 46) wie zuvor an.
  • Fig. 3 verdeutlicht die vorliegende Erfindung, derzufolge ein bereits beschriebenes CVT einfach so umgebaut werden kann, daß es in einem dritten Bereich betrieben werden kann, der speziell für Reisen mit einer hohen Geschwindigkeit geeignet ist und somit effektiv ein Overdrive hinzufügt. Es ist eine Kupplung 48 vorgesehen, mittels derer die Eingangswelle 1 direkt mit dem Ausgangselement gekoppelt werden kann, d. h. dem Planetenträger 26 der Drehzahlreduktionseinheit 10. Wie zuvor ist in dem ersten oder "niedrigen" Bereich die Bremse 13 in Eingriff und die Kupplung 20 gelöst: Die Kupplung 48 ist ebenfalls gelöst. Im zweiten oder "hohen" Bereich ist die Kupplung 20 in Eingriff und die Bremse 13 gelöst und die Kupplung 48 ist wiederum ebenfalls gelöst. Zum Wechsel von dem hohen zum dritten - oder "Overdrive"-Bereich wird die Kupplung 20 gelöst und die Kupplung 48 eingerückt und die Bremse 13 verbleibt gelöst. Um die maximal mögliche Ausdehnung der Ausgangsdrehzahl des Getriebes zu erreichen, wird der Wechsel zwischen hohem und Overdrive-Bereich typischerweise am äußersten Ende des Variatorübersetzungsbereichs durchgeführt, der demjenigen gegenüberliegt, in dem der synchrone Wechsel zwischen niedrigem und hohem Bereich durchgeführt wird. Daher muß die in der Hälfte des Rezirkulationswegs, die den Variator V und das Glied 41 (Fig. 1) enthält, erzielte Übersetzungsreduktion gleich der "Overdrive"-Übersetzung des Variators sein und die Reduktion in der anderen Hälfte des Weges (die die Einheit G und das Glied 40 einschließt) muß gleich dem Produkt des Overdrive und der Reduktionsübersetzungen des Variators sein, d. h. gleich dem gesamten Übersetzungsbereich des Variators, der typischerweise von 1:2 bis 2:1 ist, d. h. ein Gesamtbereich von 4:1.
  • Da die Mischgetriebeeinheit 15 im "gesperrten" Zustand in dem hohen Bereich arbeitet, muß sie in diesem Zustand sein, wenn der Wechsel zum Overdrive-Bereich durchgeführt wird: Der Wechsel muß somit ebenfalls synchron sein. Im Overdrive- Bereich, in dem sich die Kupplung 48 in Eingriff befindet, die Bremse 13 und die Kupplung 20 jedoch gelöst sind, wird das Sonnenrad 18 der Mischgetriebeeinheit 15, wie im niedrigen Bereich, durch den Ausgang des Variators 2 angetrieben, wobei die Richtungsumkehr mittels der Zahnräder 45 und 46 erfolgt. Der Planetenträger 25 der Einheit 15 wird nunmehr direkt mit Motordrehzahl angetrieben ohne die Drehzahlreduktion, die die Einheit 10 im niedrigen Bereich bereitstellt. Die Resultierende dieser zwei Eingänge wird, wie im niedrigen Bereich, zur Ausgangswelle 17 mittels des Innenzahnrads 16 übertragen.
  • Unter der Annahme der folgenden Größen:
  • ein Übersetzungsbereich des Variators von 1:2 zu 2:1;
  • ein 1,5:1 Schritt nach oben in der Übersetzung von der Eingangswelle 1 zur Variatoreingangsscheibe 42 infolge der Kette 43;
  • eine 1:3 Reduktion in der Drehgeschwindigkeit von der Variatorausgangswelle 44 zum Sonnenrad 18 infolge der Zahnräder 45, 46;
  • ein Innenzahnrad:Sonnenrad Verhältnis von 3:1 für die Drehzahlreduktionsumlaufgetriebeeinheit 10, und
  • ein Innenzahnrad:Sonnenrad Verhältnis von 2:1 für die Mischumlaufgetriebeeinheit 15,
  • werden die folgenden Drehzahlbereiche für die Ausgangswelle 17 erhalten:
    • Niedriger Bereich
  • Rückwärts - 1/8 Motordrehzahl
  • Vorwärts - 1/4 Motordrehzahl
    • Hoher Bereich
  • Niedrig 1/4 Motordrehzahl (synchroner Wechsel vom niedrigen Bereich)
  • Hoch 1 Motordrehzahl (synchroner Wechsel zum Overdrive-Bereich)
    • Overdrive -Bereich
  • Niedrig 1 Motordrehzahl (synchroner Wechsel zum hohen Bereich)
  • Hoch 1 1/8 Motordrehzahl
  • Der Overdrive-Bereich wird typischerweise zum Reisen mit hoher Geschwindigkeit verwendet und sollte eine wirkungsvolle Übersetzungsspanne, in diesem Zusammenhang, von 1,375:1 (d. h. nicht unähnlich bekannten fünften und sechsten Gängen) bereitstellen. Des weiteren variiert die Variatorleistung in diesem Bereich typischerweise zwischen 50 % des Gesamten am niedrigen Ende und 9 % am hohen Ende. Die Gesamteffizienz sollte daher hoch sein und die Lebensdauerbeeinträchtigung bei kontinuierlichem Betriebs gering. Ein CVT mit einem derartigen dritten und höchsten Bereich ist daher möglicherweise geeignet für Fahrzeuge wie Reiseomnibusse und Lastkraftwagen, die geringe und große Steigungen bewältigen müssen, in Innenstädten verkehren und in Verkehrsstaus kriechen - alles Bedingungen, für die ein Getriebe mit stufenloser Übersetzung geeignet ist - die jedoch ebenfalls in der Lage sein müssen, stundenlang bei konstanten Geschwindigkeiten betrieben zu werden und somit Getriebe aufweisen müssen, die bei derartigen Anforderungen sehr effizient arbeiten.

Claims (4)

1. Stufenloses Getriebe mit variabler Übersetzung (CVT) mit koaxialem Eingang (von 6) und Ausgang (17) und dazu geeignet, in mehr als einem Bereich betrieben zu werden, das eine Reihenanordnung einer übersetzungsändernden Einheit ("Variator") (2) mit Toroidumlaufbahn- und Rollreibungskraftübertragung aufweist sowie eine Getriebeanordnung mit sowohl einer Drehzahlreduziergetriebeeinheit (10) als auch einer Mischgetriebeeinheit (15), wobei die letztere ein Umlaufgetriebe ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischumlaufgetriebeeinheit so angeordnet ist, daß ihre Komponenten (18, 25, 16) gesperrt sind (d. h., sie drehen gemeinsam) in mindestens einem der Bereiche, daß die Drehzahlreduziergetriebeeinheit eine Reduktion der Drehzahl bewirkt, jedoch keine Umkehr der Richtung zwischen ihrem Eingang (1) und ihrem Ausgang (von 26), daß erste (13) und zweite (20) Eingriffsmittel der Reduzier- bzw. Mischgetriebeeinheit zugeordnet sind und selektiv betrieben werden können, um in einem ersten und einem zweiten Bereich des CVT in Eingriff zu gelangen, und daß ein drittes Eingriffsmittel (48) vorgesehen und so betreibbar ist, daß es mit dem CVT in einem dritten Bereich in Eingriff gelangt.
2. CVT nach Anspruch 1, bei dem das dritte Eingriffselement eine Kupplung ist, die so betreibbar ist, daß sie den Motorausgang (von 6) direkt mit dem Ausgangselement (26) der Reduziergetriebeeinheit (10) verbindet.
3. CVT nach Anspruch 2, bei dem die Reduziergetriebeeinheit ein Umlaufgetriebe ist und das Ausgangselement der Einheit der Planetenträger ist.
4. CVT nach Anspruch 1, bei dem die Betriebsachse (5) des Variators von der gemeinsamen Achse des Eingangs und Ausgangs des CVT versetzt, jedoch parallel zu dieser ist.
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