DE69915200T2

DE69915200T2 - Stufenlos verstellbares Toroidreibradgetriebe

Info

Publication number: DE69915200T2
Application number: DE1999615200
Authority: DE
Inventors: Clinton Frederick Northville Justice; Albert John Plymouth Nielsen; Robert Clayton Howell Roethler
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: EP0987469A2; EP0987469B1; US5961415A; DE69915200D1; EP0987469A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft automatische Getriebe für Kraftfahrzeuge, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben sind.
Stufenlose Getriebe vom Typ des ringförmigen Laufring-Rollen-Traktionsvariators sind wohlbekannt. CVTs (Continuous Variable Transmissions; stufenlose Getriebe) dieses Typs stellen durch die Anordnung von möglicherweise mehr als einem Umlaufgetriebe einen stufenlosen Bereich von Übersetzungsverhältnissen bereit. Der Motortriebs-Variator besitzt eine Ausgangsscheibe, die Leistung an ein Umlaufgetriebe liefert, das außerdem von einer Ausgangswelle angetrieben ist. Spezieller treibt eine Variator-Ausgangsscheibe direkt ein zentrales Ritzel eines Planeten-Sammelgetriebes an.
CVT-Einheiten vom Typ des ringförmigen Laufring-Rollen-Traktionsvariators, in denen die Ausgangsscheibe direkt ein zentrales Ritzel eines Planeten-Sammelgetriebes antreibt, sind in den U.S.-Patenten 4,756,211, EP-Dokument 84,724, dem U.K.-Patent 1,228,749 und dem U.K.-Patent 2,136,893 beschrieben.
Die bisherige Technik legt mehrere variable Getriebe offen, die einen Variator und mehrere Planeten-Sammelgetriebe einschließen. Zum Beispiel beschreibt EP-A-0 084 724, welches die in dem Oberbegriff von Anspruch l beschriebenen Merkmale beschreibt, ein für ein Geländefahrzeug geeignetes Getriebe, in welchem der Variator benutzt wird um eine Zwischenhülse bei einer Drehzahl anzutreiben, welche – abhängig von der Neigung der Laufrollen des Variators – höher oder niedriger sein kann als die Drehzahl der Eingangswelle. Umlaufgetriebe werden benutzt um das Abgabe-Drehmoment der Zwischenhülse mit dem der Eingangswelle zu kombinieren, um zu erreichen daß ein Gesamt-Übersetzungsverhältnis, durch einen übersetzten Vorwärtsgang bis zum Rückwärtsgang, in Vorwärtsrichtung stufenlos hoch ist.
Andere bekannte Getriebe, wie etwa U.S. 5,238,460 und U.S.-5,194,052 definieren getrennte Drehmoment-Durchflußwege durch einen ringförmigen Variator und durch Umlaufgetriebe hindurch, und diese werden durch Betätigung von Kupplungen gezielt verfügbar gemacht.
Ein weiteres CVT-Getriebe vom Ringtraktions-Typ, das mehrere Planeten-Sammelgetriebe beinhaltet, ist in U.S.-Patent 4,768,398 beschrieben. Das dort beschriebene Anriebssystem schließt zwei Umlaufgetriebe ein. Ein erstes Sammelgetriebe stellt mittels eines zweiten Satzes von Zahnrädern in dem System ein zusammengesetztes Planetensystem bereit. Der Kreisring des ersten Umlaufgetriebes stellt einen Antrieb für eine abschließende Antriebswelle bereit, und stellt mittels eines zweiten Satzes von Zahnrädern Rückwärtsantrieb bereit. Abhängig vom Variatorverhältnis stellt das erste Umlaufgetriebe einen Vorwärtsgang, Leerlauf oder einen Rückwärtsgang im niedrigen Drehzahlbereich bereit. Der Ring des zweiten Umlaufgetriebes stellt im hohen Drehzahlbereich den Antrieb zu der abschließenden Anstriebswelle bereit. Dieses Verfahren, ebenso wie die der anderen erwähnten Patente, erfordern komplexe Sammelgetriebe-Anordnungen.
Es ist daher wünschenswert ein einfacheres aber ebenso effektives Antriebsverfahren zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein stufenloses Getriebe für ein Motorfahrzeug gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Der Planeten-Getriebeblock kann zwei Planeten-Sammelgetriebe einschließen, die jedes ein antriebsfähig an der zweiten Scheibe angeschlossenes zentrales Ritzel besitzen; Hohlräder; Träger; und einen Satz von drehbar auf einem entsprechenden Träger drehbar getragenen und mit einem entsprechenden zentralen Ritzel und Hohlrad in Eingriff befindlichen Planetenritzel. In dem Traktionsantrieb-Getriebe der Erfindung ist ein Drehmomentminderungs-Sammelgetriebe zwischen der Eingangswelle und der Variator-Eingangsscheibe angeordnet. Diese Anordnung erlaubt es dem Variator unter einer Kombination von zu seinen Charakteristika am besten passenden Zuständen zu arbeiten, d. h. geringem Drehmoment und hoher Drehzahl. Ein einfaches Planeten-Sammelgetriebe, das sein vom Hohlrad gehaltenes zentrales Ritzel an den Eingang angeschlossen und das zentrale Ritzel an den Variator-Eingang angeschlossen aufweist, übersteuert den Variator in der bezüglich des Getriebeingangs entgegengesetzten Richtung.
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 ein schematisches Diagramm eines stufenlosen Traktionsantrieb-Getriebes ist; und
2 eine tabellarische Zusammenstellung des Kupplungs- und Bremsen-Eingriffs und – Lösens gemäß den Bereichen des Getriebes von 1 ist.
In dem in 1 zu sehenden Querschnitt des Getriebes bezeichnet Ziffer 10 einen in einem Getriebegehäuse angeordneten hydrokinetischen Drehmomentwandler.
Der Wandler 10 schließt einen mit Schaufeln versehenen Impeller 16, eine mit Schaufeln versehene Turbine 18 und einen mit Schaufeln versehenen Stator 20 ein. Die Wandlerelemente 16, 18 und 20 bilden in bekannter Art und Weise einen ringförmigen Fluid-Durchflußweg, wobei Impellerdrehmoment hydrokinetisch vervielfacht wird, um ein Turbinendrehmoment zu erzeugen, das durch Turbinennabe 22 zu der Turbinenwelle oder Eingangswelle 24 übertragen wird. Der Impeller ist innerhalb eines Impellergehäuses 26 eingeschlossen, welches bei 28 an eine Motor-Kurbelwelle durch die Nabe einer Antriebsplatte 30 angeschlossen ist, wobei die letztere an dem äußeren Umfang des Impellergehäuses 26 gesichert ist.
Stator 20 ist auf einer Ein-Wege-Bremse 32 montiert und wird von der stationären Turbinen-Hülsenwelle 34 getragen.
Eine allgemein bei 36 gezeigte Drehmoment-Umgehungskupplung schließt eine Kupplungsplatte 38 ein, die angepaßt ist um Impellergehäuse 26 antriebsfähig anzugreifen. Sie ist mittels eines Dämpferaufbaus 40 an Turbinenwelle 24 gesichert.
Welle 24 ist durch Betätigung einer Reibungskupplung 42 antriebsfähig an ein erstes Planeten-Sammelgetriebe 44, einen Planeten-Getriebeblock, Variator 78 vom Typ eines Ringtraktions-Antriebs, und verschiedene Elemente angeschlossen, die Bauteile des Variators und der Sammelgetriebe antriebsfähig verbinden.
Planeten-Sammelgetriebe 44 schließt ein zentrales Ritzel 46 ein; jenes das zentrale Ritzel umgebende Hohlrad 48, Planetenträger 50, antriebsfähig dauerhaft an dem Getriebegehäuse 52 gegen Drehung gehalten; und einen Satz von Planetenritzeln 54, in einem fortwährend verzahnten Eingriff mit Hohlrad 48 und zentralem Ritzel 46 auf Träger 50 drehbar getragen.
Planeten-Sammelgetriebe 56 schließt ein zentrales Ritzel 58 ein; jenes das zentrale Ritzel umgebende Hohlrad 60, Planetenträger 62, antriebsfähig an Ausgangswelle 38 angeschlossen; und einen Satz von Planetenritzeln 64, in einem fortwährend verzahnten Eingriff mit Hohlrad 60 und zentralem Ritzel 58 auf Träger 62 drehbar getragen. Träger 62 wird wechselnd an dem Gehäuse gegen Drehung getragen und freigegeben, um sich durch Betätigung von Bremse 55 frei zu drehen.
Das zentrale Ritzel 58 ist dauerhaft an dem zentralen Ritzel 66 eines dritten Planeten-Getriebeblocks 68 angeschlossen, welcher ein Hohlrad 70, Planetenträger 72 und einen Satz von drehbar auf Träger 72 getragenen Planetenritzeln einschließt. Hohlrad 60 ist dauerhaft antriebsfähig an Träger 72 angeschlossen, welcher Ausgangswelle 74 antreibt. Bremse 76 hält wechselnd antriebsfähig das zentrale Ritzel 70 an dem Gehäuse 52 gegen Drehung, und löst es zur freien Drehung.
Der Ringvariator 78 schließt Eingangsscheibe 80 ein, Ausgangsscheibe 82, einen durch die inneren Oberflächen von 80, 82 beschriebenen, ringförmigen Hohlraum 84, und einen Satz von mit Abstand angeordneten, drehenden, im Winkel zu verdrängenden Rollen 86, wobei jede Rolle sich mit der Eingangsscheibe und der Ausgangsscheibe antriebsfähig in Eingriff befindet. Die Rollen übertragen Drehmoment zwischen Scheibe 80 und Scheibe 82. Ein Verhältnis-Regelmechanismus neigt oder dreht die Achse der Rollen, um dadurch den radialen Berührungsort der Rollen auf den Scheiben zu verändern, und in dieser Weise das Verhältnis der Drehzahl der Ausgangsscheibe und der Drehzahl der Eingangsscheibe. Eingangsscheibe 80 ist durch den Drehmomentwandler, Eingangswelle 24, Kupplung 42 und Sammelgetriebe 44 antriebsfähig an die Motorwelle 28 angeschlossen. Ausgangsscheibe 82 ist durch Bauglied 88 antriebsfähig an die zentralen Ritzel 58, 66 angeschlossen, welche gegenseitig dauerhaft verbunden sind.
Die Winkelstellung des in dem ringförmigen Hohlraum 84 angeordneten Satzes von Rollen 86 wird auf Drehzapfen um eine Achse geneigt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse gerichtet ist. In dieser Weise wird Scheibe 82 schneller angetrieben als Scheibe 80, wenn die Rollen 86 geneigt werden, so daß sie Scheibe 82 bei einer radial inneren Position berühren, und Scheibe 80 bei einer radial äußeren Position. Wenn die Rollen 86 in der entgegengesetzten Winkelrichtung geneigt werden, so treibt Scheibe 80 die Scheibe 82 langsamer an als die Drehzahl von Scheibe 42. Scheibe 82 dreht in der von Scheibe 80 entgegengesetzten Richtung. In einer Anwendung dieser Erfindung besitzen die zentralen Ritzel vorzugsweise jedes 47 Zähne, die Hohlräder 60, 70 besitzen 133 Zähne, die Ritzel besitzen jedes 43 Zähne, Ritzel 36 besitzt 46 Zähne, und Hohlrad 44 besitzt 47 Zähne. Der von Variator 78 erzeugte Drehzahlverhältnis-Bereich liegt bevorzugt im Bereich von 4 : 1 für den niedrigen Bereich und 0,5: 1 für den hohen Bereich, und 1 : 1 für den Zwischenbereich.
Wenn der Motor im Leerlauf läuft und das Getriebe für Fahrbetrieb im Vorwärtsgang, Leerlauf oder Rückwärtsgang eingestellt ist, so rückt Kupplung 42 bevorzugt aus um Energie zu sparen und Abnutzung aufgrund eines Rutschens der Kupplung zu vermeiden.
Ein niedriger Vorwärtsbereich, der eine Drehzahl vom 0,193-fachen des Motors aufweist, wird durch Einrücken von Bremse 76 und Kupplung 42 erzeugt, und indem man die Winkelstellung der Rollen 86 so einstellt, daß Ausgangsscheibe 82 und die zentralen Ritzel 58, 66 sich mit dem 0,739-fachen der Drehzahl von Eingangswelle 24 drehen. Die Drehzahl des zentralen Ritzels 46 und von Scheibe 80 ist –2,957 mal der Eingangswellen-Drehzahl. Das zentrale Ritzel 66 wird durch den Variator und Sammelgetriebe 44 angetrieben, das zentrale Ritzel 70 wird gehalten, und die Ausgabe wird bei Träger und Ausgangswelle 74 abgenommen.
Ein Vorwärts-Schnellgang oder hoher Bereich, der ein gesamtes Drehzahlverhältnis von 5,915 aufweist, wird erzeugt indem man Kupplung 42 und Bremse 76 einrückt, und die Winkelstellung der Rollen 86 so einstellt daß die Ausgangsscheibe 82 sich beim 5,915-fachen der Eingangswellen-Drehzahl dreht. Die Drehzahl von Scheibe 80 und dem zentralen Ritzel 46 ist aufgrund der von Sammelgetriebe 44 erzeugten Drehzahlminderung –2,957 mal die Motordrehzahl. Das zentrale Ritzel 66 wird von Scheibe 82 in der gleichen Richtung angetrieben wie Eingangswelle 24, und die Ausgabe wird bei Träger 72 und Welle 74 abgenommen.
Ein Rückwärtsgang resultiert durch Einrücken von Kupplung 42 und Bremse 52, und durch Lösen von Bremse 76. Diese Aktion verschiebt die Drehmomentreaktion von Hohlrad 70 zu Träger 62 und treibt Hohlrad 60, Träger 72 und Welle 74 in der zu Scheibe 82 umgekehrten Richtung an. Die Ausgabe ist 0,353 mal die Drehzahl von Scheibe 82, was ungefähr 0,739 mal die Drehzahl von Welle 24 ist.
Das Drehzahlverhältnis von Variator 78 beträgt sowohl für den Rückwärts- wie auch für niedrige Vorwärtsbereiche bevorzugt 4 : 1.

Claims

Ein stufenloses Getriebe für ein eine Kraftquelle besitzendes Motorfahrzeug, das umfaßt: eine Eingangswelle (24); eine Ausgangswelle (74) einen Zugtrieb-Variator (78) einschließlich einer ersten Scheibe (80), einer zweiten Scheibe (82) und Rollen (86), die antriebsfähig die erste Scheibe (80) und die zweite Scheibe (82) an variablen radialen Positionen angreifen, um an der zweiten Scheibe einere langsamere Drehzahl zu erzeugen als die Drehzahl an der ersten Scheibe (80); ein erstes Sammelgetriebe (44), das antriebsfähig an die Eingangswelle (24) und Variator (78) angeschlossen ist, um die erste Scheibe (80) bezüglich der Drehzahl der Eingangswelle (24) zu untersetzen; ein Planeten-Sammelgetriebe (56, 68), das antriebsfähig an die zweite Scheibe (82) und die Ausgangswelle (74) angeschlossen ist, um ein höheres Drehmoment und eine langsamere Drehzahl an der Ausgangswelle (74) zu erzeugen als das Drehmoment und die Drehzahl an der zweiten Scheibe (82); dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe außerdem umfaßt: eine Kupplung (42), um die Eingangswelle (24) und das erste Sammelgetriebe (44) gezielt antriebsfähig zu verbinden und zu lösen; eine Bremse für Rückwärtsfahrt (55), um eine erste Komponente (62) des Planeten-Sammelgetriebes (56, 68) gezielt gegen Drehung zu halten und freizugeben, um dadurch eine Rückwärtsfahrt zu erzeugen; und eine Bremse für Vorwärtsfahrt (76), um eine zweite Komponente (70) des Planeten-Sammelgetriebes gezielt gegen Drehung zu halten und freizugeben, um dadurch eine Vorwärtsfahrt zu erzeugen.
Ein Getriebe gemäß Anspruch 1, in dem das erste Sammelgetriebe (44) umfaßt: ein erstes zentrales Ritzel (46), das antriebsfähig an die erste Scheibe (80) angeschlossen ist; ein erstes Hohlrad (48), das antriebsfähig an die Kupplung (42) angeschlossen ist; einen ersten, gegen Drehung gesicherten Träger (50); und einen ersten Satz von Planetenritzeln (54), die drehbar auf dem ersten Träger (50) getragen sind und antriebsfähig mit dem ersten zentralen Ritzel (46) und dem ersten Hohlrad (48) eingreifen; und wobei die Kupplung (42) die Eingangswelle (24) und das erste Hohlrad (48) gezielt antriebsfähig verbindet und freigibt.
Ein Getriebe gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem ein Sammelgetriebe weiterhin umfaßt: ein zweites Sammelgetriebe (56) einschließlich eines zweiten zentralen Ritzels (58), eines zweiten Hohlrades (60), eines zweiten antriebsfähig an der Rückwärtsbremse ( 55) angeschlossenen Trägers (62), und eines zweiten Satzes von Planetenritzeln (64), die drehbar auf dem zweiten Träger (62) getragen werden und antriebsfähig mit dem zweiten zentralen Ritzel (58) und dem zweiten Hohlrad (60) eingreifen; und ein drittes Sammelgetriebe (66) einschließlich eines dritten zentralen Ritzels (66), das gemeinsam an dem zweiten zentralen Ritzel (58) und der zweiten Scheibe angeschlossen ist; ein drittes Hohlrad (70), das antriebsfähig an die Vorwärtsbremse (76) angeschlossen ist; ein dritter antriebsfähig an dem zweiten Hohlrad (60) und der Ausgangswelle (74) angeschlossener Träger (72); und ein dritter Satz von Planetenritzeln (73), die drehbar auf dem dritten Träger getragen werden und antriebsfähig mit dem dritten zentralen Ritzel (66) und dem dritten Hohlrad (70) eingreifen; wobei die Bremse für Rückwärtsfahrt (55) den zweiten Träger (62) gezielt gegen Drehung hält und freigibt; und die Bremse für Vorwärtsfahrt (76) das dritte Hohlrad (70) gezielt gegen Drehung hält und freigibt.
Ein Getriebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das weiterhin umfaßt: einen Drehmomentwandler (10) einschließlich eines mit Schaufeln versehenen Impellerrades (16), das antriebsfähig an einer Kraftquelle (28) angeschlossen ist; ein mit Schaufeln versehenes Turbinenrad (18), das antriebsfähig an der Eingangswelle (24) angeschlossen ist; und ein mit Schaufeln versehenes Statorrad (20); wobei der Impeller (16), die Turbine (18) und das Statorrad (20) in einer Anordnung kreisförmigen Fluidstroms angeordnet sind, um den Impeller (18) und Turbine (18) hydrokinetisch antriebsfähig zu verbinden.