DE69606026T2 - Toroidales stufenlos regelbares getriebe - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Variatoren - d. h. das Übersetzungsverhältnis verändernde Mechanismen des Reibrollentyps mit toroidaler Bahn für Getriebe mit stufenlos regelbarem Übersetzungsverhältnis ("CVTs") und insbesondere Variatoren des sogenannten "halbtoroidalen" Typs, bei denen die Rollen innenseitig vom Zentrum des Hohlraums angeordnet sind, der durch die in den Eingangs- und Ausgangsscheiben ausgebildeten teiltoroidalen Bahnen festgelegt ist. Dies steht im Gegensatz zu Variatoren des sogenannten "volltoroidalen" Typs, bei denen sich die Rollen im wesentlichen diametral durch den toroidalen Hohlraum erstrecken.
• Bei bekannten Variatoren des halbtoroidalen Typs ist es für den Bediener üblich, das übertragene Übersetzungsverhältnis durch eine auf dem Fachgebiet als "tangentiale Verschiebung" bekannte Maßnahme zu ändern. Jeder Wagen und seine zugeordnete Rolle sind bisher um ihre sogenannte Präzessionsachse drehbar angeordnet, so daß sie die Radien ändern, bei denen die Rolle in Kontakt mit den Eingangs- und Ausgangsscheiben ist, und so das übertragene Übersetzungsverhältnis ändern. Jede Rolle und ihr Wagen sind auch so angebracht worden, daß sie gesteuert werden können, um sich körperlich längs der Präzessionsachse in eine Richtung etwa tangential zum Mittelkreis des von den beiden Scheiben dargestellten Torus zu bewegen. Eine Drehung einer Rolle um ihre Präzessionsachse, die zu einer Änderung des übertragenen Übersetzungsverhältnisses führt, wird somit durch eine tangentiale Bewegung bewirkt, als deren Ergebnis ein Lenkwinkel zwischen der Rolle und der Scheibe an der Kontaktstelle so gebildet wird, daß die Rolle zu einem neuen Übersetzungsverhältnis gelenkt wird. Es ist jedoch in der Technik halbtoroidaler CVTs bekannt, daß, wegen der großen nach außen gerichteten Kräfte auf die Rollenwagen, die in Lagern aufgenommen werden müssen, die sowohl eine lineare als auch eine rotierende Bewegung mit minimaler Reibung ermöglichen müssen, ein Ändern des Übersetzungsverhältnisses durch tangentiale Verschiebung Konstruktionsprobleme stellt.
• Es sind jedoch einige Alternativen zu einer solchen Betätigung durch tangentiale Verschiebung für CVTs des halbtoridalen Typs vorgeschlagen worden. Ein solcher Vorschlag ist in US-A-3008337 beschrieben, bei dem der Wagen von jeder der Rollen - drei an der Zahl -, die den toroidalen Hohlraum zwischen den Eingangs- und Ausgangsscheiben überspannen, nicht nur, wie bereits beschrieben, um eine Präzessionsachse drehbar, sondern auch um eine zweite, sogenannte "Kipp"-Achse drehbar angebracht ist, die zu der gemeinsamen Achse der Scheiben parallel liegt. Das Ändern des Übersetzungsverhältnisses wird bewirkt, indem jeder Rollenwagen um seine Kippachse so rotiert, daß er einen Lenkwinkel einleitet und ein Drehen des Wagens um die Präzessionsachse verursacht.
• Diese Geometrie ermöglicht ein CVT des sogenannten "drehmomentgesteuerten" Typs, bei dem die Rollen dazu tendieren, einen Übersetzungsverhältniswinkel anzunehmen, bei dem die Summe der durch die Eingangs- und Ausgangsscheiben übertragenen Drehmomente mit der Steuerkraft zusammenpassen, die auf die Einrichtung zum Schwenken jeder Rolle um ihre Kippachse aufgebracht wird. Diese Kraft wird in US-A-3008337 hydraulisch aufgebracht.
• In der Technik von CVTs mit allgemein toroidaler Bahn und insbesondere halbtoroidalen Konstruktionen ist es bekannt, daß das CVT bei einem bestimmten übertragenen Übersetzungsverhältnis nur im Gleichgewicht sein kann, wenn die Drehachse jeder Rolle die gemeinsame Achse der Scheiben kreuzt. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, haben die Rollen einen "Lenkwinkel" und müssen daher im Verlauf des Änderns des übertragenen Übersetzungsverhältnisses einen neuen Wert erreichen, bei dem das Kreuzen wieder hergestellt ist. Die Geometrie aus US-A-3008337 und insbesondere die Orientierung der Präzessions- und Kippachsen ist so, daß ein Gleichgewicht nur existieren kann, wenn die Schräglage jeder Rolle um ihre Kippachse eine Mittelstellung einnimmt. Mit anderen Worten, jeder Übergang des Übersetzungswinkels der Rollen von einem Gleichgewichtswert zu einem anderen muß durch eine Abweichung jeder Rolle von ihrer Mittelkippstellung ausgelöst werden und kann nur enden, wenn diese Mittel kippstellung wiederhergestellt wird, sobald der neue Übersetzungsverhältniswert erreicht ist. Es gibt somit keine eindeutige Korrelation zwischen jedem Gleichgewichtsübersetzungsverhältnis des Getriebes und einer bestimmten Orientierung jeder Rolle um ihre Kippachse, denn jeder Gleichgewichtsübersetzungsverhältniswert muß von dem gleichen Kippmittelwert begleitet sein. Diese Art der Betätigung kann zu enttäuschenden Reaktions- und insbesondere Stabilitätseigenschaften führen.
• US-A-3008337 offenbart alle Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
• DE-B-1450777 beschreibt einen Reibrollenvariator mit volltoroidaler Bahn, der eine Präzessionsachse und eine Kippachse, wie sie hierin später festgelegt wird, aufweist, wobei die Präzessionsachse um einen Nachlaufwinkel relativ zu einer Ebene geneigt ist, die sich quer zu der Achse erstreckt, um die sich die Scheiben des Variators drehen.
• Die vorliegende Erfindung rührt daher, daß die Möglichkeit einer anderen Geometrie erwogen worden ist, die zu einem schwenkungsgesteuerten CVT mit möglicherweise besserer Reaktion und Stabilität führt, bei dem jeder Gleichgewichtsübersetzungsverhältniswinkel jeder Rolle mit einer eindeutigen Orientierung dieser Rolle um eine Kippachse korreliert.
• Demgemäß stellt die Erfindung einen Reibrollenvariator mit halbtoroidaler Bahn für ein stufenlos regelbares Getriebe bereit, wobei der Variator ein Paar Scheiben hat, die um eine Variatorachse drehbar angebracht sind; eine Rolle, die zwischen den Scheiben zum Übertragen von Mitnahmekraft zwischen diesen angebracht ist; einen Träger, an dem die Rolle um eine Rollenachse drehbar und um eine Kippachse kippbar angebracht ist; und ein Stützelement, an dem der Träger getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement seinerseits um eine Präzessionsachse drehbar angebracht ist, die in einem Winkel zu einer lotrecht zur Variatorachse liegenden Ebene geneigt ist, so daß eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses erfolgt, wenn das Stützelement eine Bewegungsfreiheit durch Drehen um eine Präzessionsachse ausübt, und bei dem ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, wenn jeder Kippwinkel um die Kippachse mit einem zugeordneten eindeutigen Drehwinkel um die Präzessionsachse korreliert.
• Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten, vereinfachten und schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 ungefähr ein Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung ist;
• Fig. 2 ein Axialschnitt durch dieselbe Ausführungsform ist,
• Fig. 3 ein Bauteil darstellt, das in Richtung des Pfeils III in Fig. 1 gesehen wird, und
• Fig. 4 dasselbe Bauteil detaillierter darstellt.
• Fig. 2 zeigt zwei Scheiben 1, 2 des Variators eines CVT des halbtoroidalen Reibrollentyps. Die Scheiben weisen teiltoroidale Bahnen 3 sowie 4 auf und sind unabhängig um eine gemeinsame Variatorachse 5 drehbar. Der Rand einer Rolle 6, die in einer unten beschriebenen Weise angebracht ist, ist in Kontakt mit den Bahnen 3 sowie 4 und überträgt zwischen ihnen Mitnahmekraft. Die Rolle ist in der Praxis eine aus einem Satz von zwei oder drei, möglicherweise mehr Rollen, die in Winkelintervallen um die Achse 5 voneinander beabstandet sind. Wie dargestellt und wie es immer der Fall sein wird, wenn der Variator bei dem von ihm übertragenen Übersetzungsverhältnis im Gleichgewichtsustand ist, kreuzt die Rollenachse 7 die Variatorachse 5. Jedoch ist, wie in Fig. 3 am besten dargestellt, das Hauptbauelement 8 des Rollenwagens, das die Rollenpräzessionsachse 10 festlegt, zu der Querebene 11 um einen Winkel C geneigt, der als Nachlaufwinkel bezeichnet wird.
• Wie Fig. 1 und 2 darstellen, ist das Wagenelement 8 auf der ortsfesten Struktur 12 des CVTs in Drehlagern 13 angeordnet, so daß es sich frei um die Achse 10 drehen kann. Eine axiale Bewegung des Elements 8 innerhalb seiner Halterung ist durch Axiallager 14 verhindert. Vom Element 8 getragene Drehlager 15 legen eine weitere Drehachse 16 (Fig. 2) fest, die im wesentli chen parallel zur Variatorachse 5 ist und als Kippachse bezeichnet wird. Die Lager 15 ermöglichen vorzugsweise eine Bewegungsfreiheit des Elements 8 in der Richtung der Achse 16. Dies, kombiniert mit einer begrenzten Freiheit der Rolle 6, sich längs der Achse 5 zu bewegen, hilft, einen richtigen Kontakt zwischen der Rolle und den Scheiben selbst dann sicherzustellen, wenn Herstellungs- oder Montagefehler oder Verwindung während des Betriebs bestehen. Im Element 8 sind Hydraulikzylinder 18 ausgebildet und durch einen Kanal 19 mit einer Pumpe 20 sowie einem Abfluß 21 mittels Ventilen 22 verbunden, die durch das zentrale, elektronische Steuersystem 23 des CVTs gesteuert werden. Das System 23 erhält Eingaben, die alle die Parameter angeben, die für das Fahrzeug oder einen anderen Triebstrang zweckmäßig sind, von dem das CVT ein Teil ist, inklusive eines Fahrerwunsches von einer bei 24 dargestellten Pedalsteuerung.
• Die Zylinder 18 enthalten mit Zentralbohrungen 28 versehene Kolben 27. Die Kolben lagern mit Hilfe von Buchsen 29 mit runden Enden auf einer Scheibe 30, die mit einem Ansatz 31 ausgebildet ist, der eine in den Lagern 15 drehbar angeordnete Achse 32 trägt. Ein zylindrisches Gehäuse 34 ist so angeordnet, daß es sich relativ zu der Scheibe 30 in der Art eines Zylinders über einen Kolben bewegt. Die Rolle 6 ist axial durch ein Axiallager 35 gestützt, das sie vom Gehäuse 34 trennt. Ein Drehlager 36 und ein Zapfen 37, der einen Dichtring 40 trägt und einstückig mit der Scheibe 30 ausgebildet ist, halten die Rolle 6 in der Scheibe 30 ausgerichtet. Die zentralen Bohrungen 28 in den Kolben 27 kommunizieren mit Hilfe von zugehörigen Bohrungen in den Buchsen 29 mit einem in der Scheibe 30 ausgebildeten Kanal 42 und von dort über ein Einwegventil 43 mit einem Hohlraum 44 zwischen der Scheibe 30 und dem Gehäuse 34. Das Ventil 43 wirkt so, daß es in den Hohlraum 44 den höheren der beiden hydraulischen Drücke weitergibt, die zu irgendeiner Zeit in den linken und rechten Zylindern 78 bestehen. Die runden Enden der Buchsen 29 nehmen den Versatz zwischen den Gegenständen 27 und 30 auf, wann auch immer ein Kippen um die Achse 16 auftritt.
• Wie bereits beschrieben, ist das Wagenelement 8 durch die ortsfeste Struktur 12 so eingezwängt, daß es sich nur um die Präzessionsachse 10 drehen kann, und die erforderliche "Endlast", um einen angemessenen, traktionsübertragenden Kontakt zwischen den Bahnen 3 sowie 4 und dem Rand der Rolle 6 zu erhalten, wird durch den hydraulischen Druck im Hohlraum 44 erzeugt, in dem eine durch Federn 45 erzeugte Vorspannung günstig sein kann, um sicherzustellen, daß eine minimale Kraft die Scheibe 30 und den Zylinder 34 selbst dann trennt, wenn das CVT anfangs angetrieben wird. Die Ausmaße der Gegenstände 30 und 34, die Leistung der Pumpe 20 und die Programmierung des Steuersystems 23 müssen so gewählt werden, daß ein für die erforderliche Endlast passender Hydraulikdruck erzeugt wird.
• Da die Rolle 6 im wesentlichen vom Zentrum 46 (Fig. 1) des durch die Bahnen 3 und 4 erzeugten Torus weg versetzt ist, erzeugen die Traktionskräfte an der Rolle ein Kippmoment um das Zentrum. Angenommen, daß das Zentrum angemessen nahe an der Kippachse 16 liegt (wie dargestellt stimmen die beiden tatsächlich überein), so kann ein hydraulisch erzeugtes Gegenmoment die Traktionskraft steuern, das proportional zur Summe der Eingangs- und Ausgangsdrehmomente auf den Variator ist. Dann können die "idealen", normalen Kräfte zwischen der Rolle 6 und den Scheiben 2, 3 durch Anwenden desselben hydraulischen Steuerdrucks auf die Rollen längs der Drehachsen aufgebracht werden. Die Resultierende der Drücke in den Zylindern 18 erzeugt ein Kippmoment um die Achse 16 und eine Kippbewegung, die dazu führt, daß die Rollen zu einem neuen Übersetzungsverhältnis und einem neuen Gleichgewicht lenken, was stattfindet, wenn ein Ungleichgewicht zwischen diesem Moment und dem von den Traktionskräften herrührenden besteht. Der Kippwinkel (um die Achse 16) ist somit durch die algebraische Summe der Kipp- und Traktionskraftmomente bestimmt. Die Geometrie des Variators schreibt eine Drehung um die Präzessionsachse 10 vor, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, bei dem die Lasten in den Zylinderhohlräumen 18 und 44 für die geforderten Traktionskräfte angemessen sind, und bei einem solchen Gleichgewichtszustand korreliert der Kippwinkel um die Achse 16 mit einem eindeutigen Präzessionswinkel um die Achse 10. Wie bereits in der Einleitung erklärt worden ist, steht dies im Gegensatz zum Verhalten der in den Zeichnungen der US-A-3008337 beschriebenen Konstruktion, bei der es keinen Nachlaufwinkel gibt, bei der jede Winkelstellung des Gleichgewichtsübersetzungsverhältnisses der Rollen (20) nur mit ihrer Mittelstellung bezogen auf die "Kippachse" (festgelegt durch eine Rippe 70) zusammentreffen kann, und jede Abweichung von dieser Mittelstellung nur einen Übergang der Rolle von einem Winkel des Gleichgewichtsübersetzungsverhältnisses zu einem anderen begleiten kann.
• Die Lager 36 übertragen die Traktionskräfte von der Rolle 6 auf das Wagenelement 8, und das Axiallager 35 übermittelt die hydraulische "Endlast" vom Gehäuse 34 zur Rolle. Es sei bemerkt, daß, obwohl es gemäß der Erfindung möglich wäre, die Endlast zwischen den Rollen und Scheiben unterschiedlich zu erzeugen - z. B. durch Aufbringen dieser Last direkt und axial an den Scheiben, anstatt an den Rollen, oder indem man sie an den Rollen in einer anderen Art aufbringt -, es wie veranschaulicht bevorzugt wird, sie innen auf die Rollen wie dargestellt auszuüben. Es ist günstig, die Last im Hohlraum 44 zu erzeugen, der zwischen der Rolle und den Lagern (13) angeordnet ist, wo sie um die Präzessionsachse 10 schwenkt. Dies steht im Gegensatz mit früheren Vorschlägen, wie beispielsweise US-A-4484487, bei der wegen Fehlen eines Nachlaufwinkels die Reaktion einer hydraulisch erzeugten, inneren Endlast durch die ortsfeste Struktur des Variators aufgenommen wird.

Claims (5)

1. Reibrollenvariator mit halbtoroidaler Bahn für ein stufenlos regelbares Getriebe, mit:

(a) einem Paar Scheiben (1, 2), die um eine Variatorachse (5) drehbar angebracht sind;

(b) einer Rolle (6), die zwischen den Scheiben zum Übertragen von Mitnahmekraft zwischen diesen angeordnet ist;

(c) einem Träger (30), an dem die Rolle (6) um eine Rollenachse (7) drehbar und um eine Kippachse (16) kippbar angebracht ist; und

(d) einem Stützelement (8), an dem der Träger getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

das Stützelement (8) seinerseits um eine Präzessionsachse (10) drehbar angebracht ist, die in einem Winkel (c) zu einer lotrecht zur Variatorachse (5) liegenden Ebene (11) geneigt ist, so daß eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses erfolgt, wenn das Stützelement (8) eine Bewegungsfreiheit durch Drehen um die Präzessionsachse (10) ausübt, und bei dem ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, wenn jeder Kippwinkel um die Kippachse (16) mit einem zugeordneten eindeutigen Drehwinkel um die Präzessionsachse (10) korreliert.

2. Variator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1, 2) sich um koaxiale und im wesentlichen ortsfeste Zentren drehen, und die erforderliche Endlast zum Drängen der Rolle (6) in Mitnahmekraft übertragenden Kontakt mit den Scheiben (1, 2) auf die Rolle (6) in einer mit ihrer ersten Achse (7) ausgerichteten Richtung ausgeübt wird.

3. Variator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlast hydraulisch durch Kolben- und -Zylinder-Einrichtungen (30, 34) erzeugt ist, die sich mit der Rolle (6) um die Präzessionsachse (7) drehen.

4. Variator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehen der Rollen (6) -halterung um die Kippachse (16) auf eine hydraulisch erzeugte Steuerkraft reagiert, und bei dem die Größe der Endlast eine Funktion der Größe dieser Kraft ist.

5. Variator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Rollenhalterung um die Kippachse durch die algebraische Summe des durch die Steuerkraft erzeugten Moments und des durch die Mitnahmekraft an der Rolle erzeugten Moments bestimmt ist.