DE69116698T2 - Stufenlos arbeitendes toroidal-reibrollen-getriebe - Google Patents

Stufenlos arbeitendes toroidal-reibrollen-getriebe

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein stufenlos einstellbares Reibrollengetriebe. Sie bezieht sich insbesondere auf Toroidalreibrollengetriebe diesen Typs, bei dem eine Komponente zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses (Variator) und eine Getrieberadkombination in Reihe zwischen einem Motor und dem Ausgang des Reibrollengetriebes geschaltet sind, wobei die Getrieberadkombination von den Ausgangselementen des Motors und des Variators angetrieben wird und die Getrieberadkombination in zwei verschiedene Stellungen gebracht werden kann, so daß das Reibrollengetriebe in zwei verschiedenen Betriebsbereichen arbeiten kann und somit der effektive Übertragungsbereich des Reibrollengetriebes erweitert wird. Typischerweise führt in einem Betriebsbereich und bei konstanter Motorgeschwindigkeit ein vollständiges Durchfahren des Übertragungsbereiches von einem Extrem zum anderen dazu, daß die Ausgangsgeschwindigkeit des Reibrollengetriebes anfängt, ab einem maximalen Umkehrwert sich auf Null zu verringern (ein Zustand, der auf dem Fachgebiet als "Leerlaufgang" bezeichnet wird), wobei es dann bei zunehmender Geschwindigkeit zu einer Vorwärtsdrehung kommt, so daß der untere Wert der Geschwindigkeit der Vorwärtsdrehung erreicht wird, wenn das entgegengesetzte Ende des Variatorbereiches erreicht wurde. Wenn die Übersetzungsverhältuis dementsprechend ausgewählt werden, ist es möglich, die Einstellung der Getrieberadkombination zu ändern, so daß das Reibrollengetriebe von einem Leistungsbereich in den anderen
  • synchron übergeht, das heißt, ohne Momentanänderung der Drehgeschwindigkeit des Ausganges des Reibollengetriebes. Jetzt befindet sich das Reibrollengetriebe in dem oberen Leistungsbereich. Wenn der Variator an das ursprüngliche Ende seines Übertragungsbereiches zurückgefahren wird, erhöht sich die Vorwärtsdrehgeschwindigkeit des Ausgangs des Reibrollengetriebes kontinuierlich bis zum Maximalwert.
  • Beispiele für solche Zweibereichs-Toroidalreibrollengetriebe sind in der Patentspezifikation GB-A- 1078791
  • beschrieben, welches als übergreifendes Dokument betrachtet werden kann, von dem die Merkmale des ersten Teils von Anspruch 1 bekannt sind. Dazu zählen auch das Dokument GB-B-2150240 und viele andere vorangegangene Veröffentlichungen. Ein gemeinsames Merkmal der meisten dieser Reibrollengetriebe besteht darin, daß im ersten oder unteren Übertragungsbereich die Getrieberadkombination, die typischerweise eine epizyklische Kombination ist, in Verbindung mit dem Variator als Ausgangsseite oder einer nachgeschalteten Weiche verwendet worden ist: in diesem Leistungsbereich ist die Energie zurückgefühnt worden, und durch den Variatorausgang wurde die Geschwindigkeit von dem motorbetriebenen Eingang subtrahiert. Im Gegensatz zu dem zweiten oder hohen Leistungsbereich bestand in der Tat eine direkte Antriebskopplung zwischen dem Motor und dem Ausgang des Reibrollengetriebes: der Variator hat die volle Motorkraft übernommen, und der Ausgangsbereich der Übertragung war derselbe wie der des Variators.
  • Bei einem Variator, durch den die Drehrichtung zwischen Ein- und Ausgang umgekehrt wird, ist die Drehmomentreaktion (auf das Gehäuse) die Summe aus Eingangs- und Ausgangsdrehmoment. Die Reibungskräfte zwischen den Scheiben und Rollen sind proportional zur Drehmomentreaktion. Das Verhältnis zwischen Reibungskraft und Normal zwischen jeder Scheibe-Rolle-Kombination, der unter Fachleuten allgemein als "Vorgabe-Reibungskoeffizient" bekannt ist, ergibt sich in der Regel aus dem Layout des Variators. Durch die Normalkräfte werden die Kontaatbeanspruchungen bestimmt und damit die Größe des Variators für eine vorgegebenen Lebensdauer. Bei jeder Betriebsbedingung ist die Größe etwa proportional zur dritten Wurzel der Normalkraft. d.h. die dritte Wurzel der Drehmomentreaktion. Daher ist es vorteilhaft, die Drehmomentreaktionen so weit wie möglich zu reduzieren.
  • Wenn beispielsweise ein Variator mit einem Übersetzungsverhältnis von 0,5:1 bis 2,0:1 im hohen Übertragungsverhältnis an ein Eingangsteil angeschlossen wird, das ein Drehmoment von 100 Nm erzeugt, wurden die Drehmomentreaktionen von 300 Nm an dem Ende mit der niedrigen Ausgangsgeschwindigkeit bis 150 Nm an dem Ende mit der hohen Ausgangsgeschwindigkeit reichen. Die Größe des Variators wird durch seinen Beanspruchungszyklus beeinflußt, d.h. durch die Zeit, die bei Voll- und Teillast aufgewendet wird, und die Zeit, die bei jedem Übertragungsverhältnis aufgewendet wird.
  • Bei den meisten Straßenfahrzeugen wird im niedrigen Leistungsbereich wenig Zeit aufgwendet. Bei einer starken Beschleunigung oder einer Fahrt bergauf im oberen Leistungsbereich werden bei hohen Motordrehmomenten weitgehend niedrige Variatorverhältnis verwendet. Vorteile bezüglich Größe und Gewicht (Gewicht in dritter Potenz) können daher durch Verminderung der maximalen Drehmomentreaktion erreicht werden, die bei dem oberen Leistungsbereich am unteren Ende des Variatorübertragungsbereiches auftritt.
  • Die vorliegende Erfindung ergibt sich aus der Möglichkeit der Reduzierung der maximalen Drehmomentreaktion im oberen Leistungsbereich innerhalb des Variators eines Zweibereichs- Reibrollengetriebes, indem man einen direkten Antrieb im oberen Leistungsbereich vermeidet und anstelle eine Art Getriebeweiche in diesem Leistungsbereich sowie in dem niedrigen Leistungsbereich verwendet. Insbesondere kann die typisch epizyklische Getriebekombination, die dem Variator nachgeschaltet ist, eine Stellung im unteren Leistungsbereich einnehmen, bei der die Energie zuruckgeführt wird, und eine alternative Stellung im oberen Leistungsbereich einnehmen, bei der der Energiefluß vom Motor zum Ausgang gesplittet wird. Durch Begrenzung der Anteile der Gesamtenergie, die direkt durch den Variator fließen, bietet die vorliegende Erfindung eine Aussicht auf einen Variator mit Komponenten mit kleineren Abmessungen als notwendig gewesen wären, wenn ein direkter Antrieb verwendet worden wäre. Die Designökonomie kann durch Maximierung der Anzahl der Anzahl der Getriebekomponenten, die in beiden Leistungsbereichen verwendet werden, und durch Minimierung der Anahl der Komponenten, die nur in einem Leistungsbereich verwendet werden, erreicht werden.
  • Die vorliegenden Erfindung wird durch Ansprüche definiert, deren Inhalt als in der Veröffentlichung der vorliegenden Spezifikation enthalten zu betrachten sind, und beinhaltet ein Reibrollengetriebe, wie es unter Verweis auf die Begleitzeichnungen beschrieben wird. Eine Ausführung der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben, auf der einige Komponenten des Reibrollengetriebes schematisch und andere mit axialem Querschnitt dargestellt sind.
  • Ein Reibrollengetriebe mit einem Ausgang 1, einer epizyklischen Getriebekombination 2 und einem Toroidalreibrollenvariator 3 wird von einem Motor 4 angetrieben. An der Ausgangswelle 5 des Motors befinden sich ein Getrieberad 6 und ein Kettenrad 7. Das Getrieberad 6 treibt ein Getrieberad 8 an, das sich an einem zentralen Eingangsteil des Variators 3 befindet, mit Richtungsumkehrung und leichtem Anstieg der Drehgeschwindigkeit. Das Eingangsteil des Variator enthält zwei Scheiben 10 und 11, die Rücken an Rücken angeordnet sind, wobei jede der Scheiben mit einer teiltoroidalen Reibfläche 12 versehen ist. Zwei koordinierte Sätze von Rollen, von denen die Einzelrollen 13 und 14 als Beispiel dargestellt sind, übertragen die Reibungskraft von den Reibflächen 12 auf die entsprechenden Reibflächen 15,16, die in die Flächen der Ausgangsscheiben 17 und 18 eingearbeitet sind, die an der Ausgangswelle 19 angebracht sind und sich mit dieser drehen, von welcher das Getrieberad 8 und die Scheiben 10,11 durch ein Drehlager 20 getrennt sind. Wenn die Rollen 13,14 durch Kippen die Drehrichtung gemeinsam ändern, wie durch den Pfeil 21 dargestellt, wird auch das Verhältnis der Drehgeschwindigkeit geändert, das von den Eingangsscheiben 11,12 auf die Ausgangsscheiben 17 und 18 und damit auf die Ausgangswelle 19 übertragen wird.
  • Die Ausgangswelle 19 ist direkt mit einem zentralen Sonnenrad 25 des Epizykels 2 gekoppelt, und das Getrieberad 7 ist über eine Kette 26 mit dem Kettenrad 27 gekoppelt, das an einem hohlen Verlängerungsteil 28 des Teils 29 montiert ist, welches die Planetenräder 30 in gestaffelter Form trägt und ein größeres Rad 31 sowie ein kleineres Rad 32 enthält. Durch die Kettenverbindung 26 treibt die Motorausgangswelle 5 das Teil 29 ohne Umkehrung und mit einiger Geschwindigkeitsreduzierung an.
  • Die großen Räder 31 des Planetengetriebes 30 greifen in das zentrale Getrieberad 25 ein. Die kleinen Räder 32 desselben Planetengetriebes greifen zuerst in ein zentrales Getrieberad 32 ein, an dessen Welle 34 sich des weiteren ein Flansch 35 befindet, den man in die Ausgangswelle 1 des Reibrollengetriebes durch Betätigung einer Kupplung 38 für den oberen Leistungsbereich einklinken kann. Des weiteren greifen die kleineren Räder 32 nach außen hin in ein ringförmiges Getrieberad 36 ein, das sich an einer Hülse 37 befindet, die man durch Betätigung einer Kupplung 39 für den unteren Leistungsbereich in dieselbe Ausgangswelle 1 einklinken kann.
  • Im oberen Übertragungsbereich ist die Kupplung 38 eingekoppelt und die Kupplung 39 ausgekoppelt. Der Träger 29 wird durch die Motorausgangswelle 5 über eine Kette 26 angetrieben, wobei das zentrale Getrieberad 25 von der Variatorausgangswelle 19 in derselben Richtung gedreht wird, und die kleineren Planetenräder 32 das zentrale Getrieberad 33 und damit die Ausgangswelle 1 mit der Summe der beiden Eingangsleistungen (bei 25,29) für das Epizykel 2 antreiben.
  • Im unteren Leistungsbereich ist die Kupplung 38 ausgekoppelt und die Kupplung 39 an ihrer Stelle eingekoppelt. Das Getrieberad 25 bzw. der Träger 29 werden von der Variatorausgangswelle 19 und der Motorausgangswelle 5 wie zuvor angetrieben, wobei aber hier das ringförmige Getrieberad 36 und die Hülse 37 die Antriebskraft von den radialen Außenseiten der kleineren Planetenräder 32 zum Ausgangsteil 1 übertragen. Auf der Zeichnung ist daher ein Epizykel 2 dargestellt, in dem zwei der Komponenten - das zentrale Getrieberad 25 und der "Träger" 29 - beiden Leistungsbereichen des Reibrollenbetriebes gemein sind, bei dem aber durch Änderung über die dritte Komponente zwei verschiedene epizyklische Verhältnisse erreicht werden, und zwar für den oberen bzw. den unteren Leistungsbereich.
  • Für ein mögliches Reibrollengetriebe entsprechend der vorliegenden Erfindung wurden Berechnungen angestellt, wobei von folgenden Annahmen ausgegangen wurde:
  • 1. ein Gesamtübertragungsbereich des Reibrollengetriebes von -5 bis +40 m/h, 1000 U/min;
  • 2. ein Bereich für den Variator 3 von 0:4:1 bis 2,5:1 mit einem Übersetzungsverhältnis im oberen Leistungsbereich von 3,5:1;
  • 3. das maximale Ausgangsdrehmoment entspricht dem Vierfachen maximalen Drehmoment bei dem höchsten Vorwärtsverhältnis;
  • 4. die maximale Drehmomentreaktion des Variators erfolgt im Leerlaufgang und steigt im Rückwärtsgang nicht höher an;
  • 5. die Abstufung des Verhältnisses zwischen Motor und Variator (Getrieberäder 6,8) beträgt 1,2:1;
  • 6. die synchrone Übergang zwischen dem unteren und dem oberen Leistungsbereich erfolgt bei dem niedrigsten Verhältnis des Variators 3.
  • Ausgehend von diesen Annahmen sowie mit einem effektiven Verhältnis E von 3,65 für den Epizykel 2 im niederen Leistungsbereich und 1,1 im oberen Leistungsbereich wurden die folgenden korrelierten Werte für das Variatorverhältnis R, die Variator-Drehmomentreaktion Tr und die Variatorleistung Pv für die Geschwindigkeiten (in Meilen/h/1000) aufgestellt, wobei die Zahlen über der Linie die Leistung im oberen Leistungsbereich und die unter der Linie die Leistung im niederen Leistungsbereich darstellen. (Die Werte von Tr und Pv beziehen sich auf die Momentanwerte des Motordrehmoments bzw. der Motorleistung).
  • Bei den oben stehenden Zahlen sind die relativ niedrigen Werte der Drehmomentreaktion Tr bei niedrigen Werten von V im oberen Leistungsbereich besonders anzumerken, wenn sich typischerweise der Motor
  • wahrscheinlich in starker Beschleunigung befindet und wo bei einem konventionellen Reibrollengetriebe mit direktem Antrieb im oberen Leistungsbereich die Drehmomentreaktion die doppelten Werte in bezug auf die angegebenen Werte annehmen würden.

Claims (7)

1. Ein Toroidalreibrollengetriebe mit durchgängig veränderbarem Übertragungsverhältnis, einschließlich einer Komponente zur Änderung des Übertragungsverhältnisses (Variator) (3) und ein dazugehöriger Getriebesatz (2), das man in einem niedrigen und einem hohen Leistungsbereich mit synchronem Übergang zwischen beiden Bereichen betreiben kann, bei dem die Komponenten des Getriebesatzes in verschiedenen Kombinationen für den niedrigen und den hohen Leistungsbereich eingestellt werden können und bei dem die Ausgangsleistung des Getriebesatzes an ein Ausgangselement (1) des Toroidalreibrollengetriebes angeschlossen werden kann, wobei der genannte Getriebesatz eine erste Ausgangskomponente (25) und eine zweite Ausgangskomponente (29) hat, die man an das Ausgangsteil (19) des genannten Variators bzw. an das Ausgangsteil (5) eines Motors (4) anschließen kann; dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Getriebesatz (2) so angeordnet ist, daß
(a) der Getriebesatz (2) im niedrigen Leistungsbereich so eingestellt ist, daß eine Leistungsrückführung erfolgt und daß an das genannte Ausgangselement (1) eine Ausgangsleistung geliefert wird, die der Differenz zwischen dessen beiden Eingangsleistungen entspricht, und
(b) der Getriebesatz (2) im hohen Leistungsbereich so eingestellt ist, daß der Kraftfluß geteilt wird und eine Ausgangsleistung an das genannte Ausgangselement (1) geliefert wird, die der Summe aus den beiden Eingangsleistungen entspricht.
2. Ein Toroidalreibrollengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Komponenten des Getriebesatzes (2) koaxial zueinander angeordnet sind.
3. Ein Toroidalreibrollengetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Getriebesatz (2) und das Toroidalreibrollengetriebe koaxial zueinander angeordnet sind.
4. Ein Toroidalreibrollengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Eingangskomponente (25 und 29) des genannten Getriebesatzes (2) in epizyklischer Form ineinandergreifen.
5. Ein Toroidalreibrollengetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Eingangskomponente (29) mit einem Planetengetriebe (30) ausgestattet ist.
6. Ein Toroidalreibrollengetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung des Getriebesatzes (2)
(a) im hohen Leistungsbereich über eine dritte Komponente (33) übertragen wird, die innerhalb des Planetengetriebes (30) radial angeordnet ist und in dieses eingreift, und
(b) im niedrigen Leistungsbereich über eine vierte Komponente (36) übertragen wird, die außerhalb desselben Planetengetriebes (30) radial angeordnet ist und in dieses eingreift.
7. Ein Toroidalreibrollengetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe (30) in Form von stufenweise angeordneten Zahnräder mit verschiedenen Radien vorliegt, bei dem das eine Zahnrad mit dem größeren Radius (31) in die erste Eingangskomponente (25) eingreift und das andere Zahnrad mit dem kleineren Radius (32) in die dritte und vierte Komponente (33 und 36) eingreift.
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