DE69922002T2

DE69922002T2 - Treibriemen und Getriebe worin gleiches verwendet ist

Info

Publication number: DE69922002T2
Application number: DE69922002T
Authority: DE
Inventors: Ir Arjen Brandsma; Johannes Hendrikus Van Lith
Original assignee: Van Doornes Transmissie BV
Current assignee: Bosch Transmission Technology BV
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: KR20010015437A; DE69922002D1; ES2232076T3; EP1089013A1; ATE282783T1; EP1089013B1; JP2001065642A; US6468174B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Treibriemen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Riemen ist allgemein bekannt, zum Beispiel aus der EP-A-0 522 612, und eignet sich insbesondere zur Anwendung in einem kontinuierlich veränderbaren Getriebe oder KVG für Kraftfahrzeuge.
Der bekannte Riemen eignet sich zur Anwendung in einem KVG, das mit einer primären veränderbaren Rolle auf einer primären Welle und einer sekundären veränderbaren Rolle auf einer sekundären Welle ausgestattetet ist. Der Treibriemen ist um die Rollen gewickelt, um Drehmoment zwischen ihnen zu übertragen. Jede der beiden veränderbaren Rollen umfasst zwei konische Scheiben, von denen mindestens eine gegenüber der anderen axial verschiebbar ist, um einerseits einen Laufradius des Treibriemens zwischen den Scheiben einer Rolle zu verändern und um andererseits eine Klemmkraft auf den Treibriemen auszuüben. Der Betrag der auf den Treibriemen ausgeübten Klemmkraft bestimmt den Betrag an Drehmoment, der zwischen den Wellen übertragen werden kann, ohne dass Schlupf zwischen dem Treibriemen und der Rolle auftritt. Der maximale Betrag an Klemmkraft, der ausgeübt werden kann, wird durch die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens bestimmt, d.h. der Maximalbetrag an Drehmoment, mit der der Treibriemen belastet werden darf. Wird die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens überschritten, kann die Lebensdauer des Treibriemens deutlich sinken, und der Treibriemen kann vorzeitig ausfallen.
Der bekannte Treibriemen umfasst wenigstens ein kontinuierliches, d.h. kreisförmiges Band, das von einer Anzahl Querelemente verschiebbar gestützt wird. Die Querelemente haben eine vordere und eine hintere Hauptfläche, die durch Seitenflächen über der Dicke der Querelemente getrennt sind. Ein Abschnitt jeder Hauptfläche ist trapezförmig ausgebildet, wobei die breiteste Seite des Trapezes auch die Breite der Querelemente ist. Zwei Seiten dieses Abschnitts sind abgeschrägt und gegenseitig in einem Winkel, dem so genannten Riemenwinkel, ausgerichtet. Die an diesen Abschnitt angrenzenden Seitenflächen des Querelements sind so angepasst und ausgelegt, dass sie mit den konischen Rollenscheiben zusammenwirken. Die Querelemente sind normalerweise mit wenigstens einem Stützteil ausgestattet, das mit dem Kopfteil des Querelements verbunden ist, um einen wenigstens teilweise geschlossenen Raum zu bilden, der das Endlosband aufnimmt.
Bei Benutzung des Treibriemens üben die Rollenscheiben die Klemmkraft auf die Seitenflächen der Querelemente an der Stelle des trapezförmigen Abschnitts aus. Zusammen mit der konischen Form der Rollenscheiben drängen die durch die primäre Rolle und die sekundäre Rolle ausgeübten Klemmkräfte die Querelemente radial nach außen, wobei das Endlosband gespannt wird. Die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens bezieht sich auf den maximal zulässigen Spannungsgrad in dem Endlosband und ist somit proportional zu dem Oberflächen bereich eines Querschnitts des Endlosbands quer zur Längsrichtung des Treibriemens.
Eine bekannte Maßnahme, um die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens zu steigern, besteht darin, den Oberflächenbereich zu vergrößern, indem die radiale Dicke des Endlosbands erhöht wird. Um jedoch die erforderliche Biegsamkeit des Treibriemens und seine Beständigkeit gegenüber Ermüdungserscheinungen aufrecht zu erhalten, ist die radiale Dicke des Endlosbands beschränkt. Deshalb ist der Treibriemen normalerweise mit einer Anzahl Endlosbänder ausgestattet, die radial eines um das andere übereinander liegen und dabei einen Laminatring bilden. Oft werden zwei Laminatringe, die axial voneinander beabstandet sind, in einem einzelnen Treibriemen angewendet.
Eine weitere bekannte Maßnahme zur Steigerung der Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens ist die Anwendung eines kleinen Berührungswinkels zwischen dem Treibriemen und der Rollenscheibe, wie in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 798 492 beschrieben. Unter dem Einfluss einer festgelegten Klemmkraft werden die Querelemente mit einer Kraft radial nach außen gedrängt, die im Wesentlichen proportional abhängig von dem Berührungswinkel ist. Wird nun der Berührungswinkel verkleinert, ist das Endlosband bei einer gegebenen Klemmkraft weniger gespannt. Das bedeutet in der Tat, dass die zulässige Klemmkraft und somit die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens durch die Verkleinerung des Berührungswinkels gesteigert werden kann. Für den Treibriemen bedeutet dies, das der Riemenwinkel, nach dem die beiden abgeschrägten Seiten des trapezförmigen Abschnitts gegenseitig ausgerichtet sind, zu verkleinern ist.
Noch eine weitere bekannte Maßnahme zur Steigerung der Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens ist die Vergrößerung der axialen Breite des Endlosbands oder der -bänder. Dabei muss die axiale Abmessung, d.h. die Breite der Querelemente, entsprechend vergrößert werden, um das Endlosband oder die -bänder hinreichend zu stützen. In dem Artikel „Is CVT the car transmission of the future" (Ist das KVG das Autogetriebe der Zukunft), veröffentlicht im November 1994 im Journal of Mechanical Engineering, werden Treibriemen mit 24, 30 und 40 Millimeter breiten Stahlquerelementen diskutiert. Solche Treibriemen bestanden aus zwei Laminatringen, die jeweils durch 9, 10 oder 12 Endlosbänder aus martensitaushärtendem Stahl geformt waren. Aus diesem Artikel geht hervor, dass durch die Vergrößerung der Breite der Querelemente oder durch die Erhöhung der Anzahl der Endlosbänder die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens gesteigert werden kann.
In der Praxis scheinen jedoch solche breiteren Riemen nicht automatisch zu einer gesteigerten Leistungsübertragung des Treibriemens zu führen. Darüber hinaus führt die Änderung des Berührungswinkels zu immensen technischen Konsequenzen und hohen Kosten durch die gesamte Autoindustrie hindurch, da dies mit Änderungen im Rollendesign, dem Getriebesteuersystem, der hydraulischen Pumpe usw. einhergeht und ist infolgedessen nicht in jedem Fall erwünscht. Eine Änderung der Zahl der Endlosbänder wird oft aus Logistik-, Herstellungs- und Kostengründen nicht bevorzugt. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe umfasst die Frage, wie die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens mit den oben genannten Beschränkungen beeinflusst werden kann.
Die Erfindung befasst sich somit mit der Bereitstellung eines Treibriemens unter den oben genannten Beschränkungen. Die Erfindung berücksichtigt ebenfalls das Material, aus dem die Querelemente bestehen. Gemäß der Erfindung kann die Breite der Querelemente und somit des Endlosbands oder der -bänder, abhängig vom spezifischen Gewicht der Querelemente, durch die Anwendung der Gleichung gemäß dem Charakterisierungsteil des Anspruchs 1 bestimmt werden. Darüber hinaus liefert die Gleichung ein einfaches Mittel, um das Design eines Treibriemens mit im Wesentlichen maximaler Drehmomentübertragungsleistung im beschränkenden Bereich eines festgelegten Berührungswinkels und einer festgelegten Anzahl von Endlosbändern zu bestimmen. Die Erfindung bedient sich der Erkenntnis, dass während der Benutzung des Treibriemens die Spannung in dem Endlosband oder den -bändern nicht nur von dem Oberflächenbereich eines Querschnitts des Endlosbands oder der -bänder quer zur Längsrichtung des Antriebs abhängt, sondern auch zu einem bedeutenden Teil von dem Gewicht des Querelements. Die Drehmomentübertragungsleistung eines Treibriemens ist beschränkt und kann nicht deutlich über einen bestimmten Wert hinaus gesteigert werden, indem die Breite eines Endlosbandes und der stützenden Querelemente weiter erhöht wird. Gemäß der Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass die Drehmomentübertragungsleistung eines Treibriemens sogar unter eine bestimmte Breite der Querelemente fallen kann. Die Anspruch 1 zugrunde liegende technische Erkenntnis besagt, dass es während des Betriebs eines kontinuierlich veränderbaren, mit einem Treibriemen ausgestatteten Getriebes zu Situationen kommen kann, in denen die auf den Treibriemen wirkende Zentrifugalkraft in der gleichen Größenordnung liegt wie die Kräfte in dem Treibriemen, die aufgrund des durch den Riemen übertragenen Drehmoments entstehen. Gemäß der Erfindung führt dies zu einer Obergrenze im Hinblick auf die brauchbare Breite der Querelemente und infolgedessen des Endlosbands oder der -bänder.
Diese Erkenntnis kann wie folgt verstanden werden. Die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens ist im Wesentlichen proportional zur Breite seines Endlosbandes oder -bänder. Wenn diese Breite erhöht wird, muss die Breite, d.h. die axiale Abmessung, der stützenden Querelemente entsprechend erhöht werden, um die Endlosbänder stützen zu können. Da die Querelemente der zusammendrückenden Klemmkraft zwischen den Rollenscheiben ausgesetzt sind, müssen die Höhe und die Dicke der Querelemente entsprechend erhöht werden, um die Stärke der Querelemente und insbesondere ihre Beulfestigkeit beizubehalten. Ein Dickenanstieg bei den Querelementen erhöht nicht die Gesamtmasse des Treibriemens, sondern bedeutet lediglich, dass weniger Querelemente benötigt werden, um den Treibriemen aufzustellen. Dennoch ist die Masse des Treibriemens und somit die auf den Treibriemen wirkende Zentrifugalkraft im Wesentlichen proportional zur Breite und Höhe der Querelemente. Aus dem oben Genannten kann geschlossen werden, dass die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens im Wesentlichen proportional zur Breite seines Endlosbandes oder -bänder, und folglich zur Breite der Querelemente, zunimmt, aber auch aufgrund der Zentrifugalkraft im Wesentlichen proportional zur Breite und Höhe der Querelemente abnimmt. Wie zuvor erwähnt wird angenommen, dass die Höhe mit zunehmender Breite zunimmt, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Drehmomentübertragungsleistung im Wesentlichen proportional zur Breite der Querelemente im Quadrat abnimmt.
Die Erfindung liefert einen Treibriemen mit im Wesentlichen maximaler Drehmomentübertragungsleistung. Gemäß der Erfindung ist ein solcher Treibriemen durch Querelemente mit einer Breite B gekennzeichnet, die die folgende Relation erfüllt: B2·p = 9,0 [kg/m]
Gemäß der Erfindung ist die Anzahl der Endlosbänder, die einen Laminatring bilden, ebenfalls festgelegt. Die Anzahl der Querelemente darf maximal 15 betragen. Es hat sich herausgestellt, dass der Anstieg der Drehmomentübertragungsleistung, der mit dem Hinzufügen eines 16tel Endlosbandes verbunden ist, die zugehörigen Nachteile, wie zusätzliche Montagekosten, Gewichts- und Reibungsverluste während des Betriebs, nicht ausgleicht.
Die Erfindung bevorzugt außerdem den Einsatz von Querelementen, wobei die beiden abgeschrägten Seiten des trapezförmigen Abschnitts in einem Riemenwinkel von über 0,14 rad, aber weniger als 0,38 rad, ausgerichtet sind und der vorzugsweise im Wesentlichen 0,26 rad entspricht. Ist der Riemenwinkel kleiner als 0,14 rad, wird es nahezu unmöglich, den Laufradius des Treibriemens zu ändern und somit das Übersetzungsverhältnis des KVG zu ändern, ist jedoch der Riemenwinkel größer als 0,38 rad, wird die Spannung der Endlosbänder aufgrund der Klemmkraft ineffizient groß. Ein Wert von etwa 0,26 rad wurde als Optimum zwischen den beiden Randwerten ermittelt.
Die Erfindung wird nun weiter mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines kontinuierlich veränderbaren Getriebes mit einem Treibriemen und Rollen.
2 zeigt einen vereinfachten Querschnitt eines kontinuierlich veränderbaren Getriebes.
3 zeigt zwei Arten von Querelementen.
4 stellt die Abhängigkeit von Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens und Breite der Querelemente graphisch dar.
5 ist eine graphische Darstellung der Gleichung gemäß Anspruch 1.
In 1 ist ein kontinuierlich veränderbares Getriebe 1 schematisch dargestellt, das zwischen einem Motor M und einer Last L angeordnet ist, um ein Geschwindigkeitsverhältnis und ein Drehmomentverhältnis zwischen dem Motor M und der Last L zu ändern. Das Getriebe umfasst eine von dem Motor M angetriebene primäre Welle 2 sowie eine sekundäre Welle 8, die die Last L antreibt. Eine primäre Rolle 2, 3 und 4, die eine feste Scheibe 3 und eine axial verschiebbare Scheibe 4 umfasst, ist auf der primären Welle 2 vorgesehen. Eine sekundäre Rolle 8,9 und 10, die eine feste Scheibe 9 und eine axial verschiebbare Scheibe 10 umfasst, ist auf der sekundären Welle 8 vorgesehen. Die verschiebbare Scheibe 4 der primären Rolle 2, 3 und 4 wird durch Bewegungsmittel 5, 6 und 13 betrieben, die den Druck in der Kammer 5 abhängig von einer Anzahl von Parametern bestimmt, wie zum Beispiel dem Gaspedaltreten α und der Rota tionsgeschwindigkeit Ns der sekundären Welle 8. Die verschiebbare Scheibe 10 der sekundären Rolle 8, 9 und 10 wird durch die Bewegungsmittel 11, 12 und 14 bewegt, die den Druck in der Kammer 11 in Abhängigkeit von einer Anzahl Parameter, wie zum Beispiel der Drosselklappenöffnung p, der Rotationsgeschwindigkeit Nm des Motors M, der Rotationsgeschwindigkeit Np der primären Welle 2 und Ns, bestimmen. Ein Treibriemen 7 ist um die Rollen 2, 3, 4, 8, 9 und 10 zur Übertragung von Drehmoment von der primären Welle 2 zur sekundären Welle 8 angeordnet. Das Verhältnis der Drücke in den Kammern 5 und 11 bestimmt das Übersetzungsverhältnis, wohingegen das Niveau der Drücke den maximalen Betrag an Drehmoment bestimmt, der durch den Treibriemen 7 zwischen dem Motor M und der Last L übertragen werden kann.
In 2 ist ein vereinfachter Querschnitt des kontinuierlich veränderbaren Getriebes 1 dargestellt. Der Treibriemen 7 besteht aus einem durch eine Anzahl Endlosbänder gebildeten Laminatring 16 und aus Querelementen 15, von denen eine Anzahl dargestellt ist. Der als Pfeil markierte Rs bezeichnet den Laufradius des Treibriemens 7 in der sekundären Rolle 8, 9 und 10, und der als Pfeil markierte Rp bezeichnet den Laufradius des Treibriemens 7 in der primären Rolle 2, 3 und 4. Das Verhältnis zwischen den Längen der Pfeile Rs und Rp ist ein Maß des Übersetzungsverhältnisses des kontinuierlich veränderbaren Getriebes 1.
In 3 sind zwei Arten von Querelementen 15 dargestellt. Die vorderen Hauptseiten 17 der Querelemente 15 haben einen trapezförmigen Abschnitt, dessen obere und untere Seiten durch die gestrichelten Linien 19 dargestellt sind. Der Abschnitt hat eine Breite B und eine Höhe H. Die beiden abgeschrägten Seiten 18 des Trapezes sind in dem Riemenwinkel ausgerichtet. Die (nicht dargestellten) Seitenflächen eines an die vordere Hauptseite 17 und an eine hintere Hauptseite (nicht dargestellt) angrenzenden Hauptelements sind so angepasst und ausgelegt, dass sie mit den Rollenscheiben 3, 4, 9 und 10 wenigstens an einer an den trapezförmigen Abschnitt angrenzenden Stelle zusammenwirken. Die Laminatringe 16 sind ebenfalls dargestellt. Die Querelemente 15 sind des Weiteren mit einem Kopfteil 20 und/oder einem Stützteil(en) ausgestattet, worin die Laminatringe 16 sicher eingeschlossen sind.
In 4 ist ein Graph dargestellt, der die Änderung der Drehmomentübertragungsleistung ΔC eines Treibriemens 7 in Abhängigkeit von der Breite B der Querelemente 15 für ein vorbestimmtes Treibriemendesign aufzeigt, wobei von der Annahme ausgegangen wird, dass die Endlosbänder angesichts der Breite B der Querelemente 15 so breit wie möglich sind. Die gepunktete Linie 22 zeigt die positive lineare Abhängigkeit von ΔC von der Breite B der Querelement 15, d.h. von der Breite des Endlosbands oder der -bänder. Die gestrichelte Linie 23 zeigt die negative und quadratische Abhängigkeit gemäß der Erfindung von ΔC von der Breite B der Querelemente 15. Schließlich zeigt die durchgezogene Kurve 24 die Summe aus der gepunkteten Kurve 22 und der gestrichelten Kurve 23. Letztere Kurve zeigt, dass bis zu einer Breite B, die mit der Bezugszahl 25 versehen ist, die Drehmomentübertragungsleistung ansteigt, da bis zu der Breite B die Änderung der Drehmomentübertragungsleistung ΔC positiv ist, wohingegen die oben genannte Breite B der Drehmomentübertragungsleistung sinkt.
In 5 ist eine graphische Darstellung gezeigt, in der die Kurve 26 die Abhängigkeit des maximal anwendbaren Wertes der Breite B der Querelemente 15 abhängig von der spezifischen Masse p des Materials, aus dem das Querelement besteht, aufzeigt. Dabei wird der maximal anwendbare Wert von B als die Breite B definiert, bis zu der sich die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens 7 steigert. Der Graph stellt die Gleichung gemäß Anspruch 1 dar. Der Grenzwert von 10 kg/m wurde empirisch ermittelt und als allgemein anwendbar erachtet, insbesondere für Treibriemen mit relativ hohem Drehmoment. In 5 werden zwei Beispiele gezeigt. Für Stahlquerelemente 15 wurde eine Breite B von bis zu circa 36 mm ermittelt, und für Querelemente aus einer Aluminiumlegierung wurde eine Breite B von bis zu etwa 60 Millimeter ermittelt.
Anzumerken ist, dass aus Gründen der leichteren und kostengünstigeren Herstellung sowie des erzeugten Geräuschpegels während des Betriebs des Treibriemens, die Dicke D und die Höhe H eines belasteten Querschnitts des Querelements 15 in der Praxis vorzugsweise jeweils 2 mm und höchstens 8 mm betragen. Dies bedeutet, dass die Breite B eines Querelements 15 ebenfalls festgelegt ist, da es, wie zuvor erörtert, erforderlich ist, die Breite B, die Höhe H und die Dicke T der Querelemente 15 gleichzeitig zu erhöhen, um die erforderliche Stärke und die Beulfestigkeit aufrecht zu erhalten. Die maximale Breite B_B wird aufgrund des Beuleffekts im Folgenden angenähert. Bei der Annäherung wird der Einfluss der Zentrifugalkraft vernachlässigt, was zulässig ist, da die höchste Klemmkraft bei niedriger Geschwindigkeit auftritt, z.B. beim Anfahren eines Kraftfahrzeugs, und das Risiko des Beulens somit bei niedriger Geschwindigkeit des Treibriemens am kritischsten ist. Wie zuvor erwähnt ist die Drehmomentübertragungsleistung des Treibriemens 7, d.h. der maximale Betrag an durch den Treibriemen 7 übertragenem Drehmoment T_MAX ist im Wesentlichen proportional zur Breite B seiner Querelemente 15, demnach ist: TMAX = C1·Bwobei C1 eine Konstante ist.
Um den maximalen Betrag an Drehmoment T_MAX zwischen dem Treibriemen und den Rollen ohne Schlupf zu übertragen, ist eine minimale Klemmkraft F_CL erforderlich: FCL = C2·TMAX wobei C2 eine Konstante ist. Und somit: FCL = C3·BAus den Beschreibungen der bekannten Treibriemenanwendungen und -designs wurde ein Wert von circa 5·10⁴ als für C3 anwendbar errechnet.
Mit der Euler'schen Gleichung kann die Kraft F_B, bei der ein Objekt ausbeult, berechnet werden:
worin E der Young'sche Elastizitätsmodul ist, I das Flächenträgheitsmoment und L die Länge des Objekts in Richtung F_B gesehen. Hier kann L durch die Breite B des Querelements 15 ersetzt werden.
Durch Kombination der letzten beiden Gleichungen kann eine Gleichung abgeleitet werden, um die maximale Breite B_B zu berechnen:
Benutzt man letztere Gleichung für Stahlquerelemente ergibt sich ein Wert von 59 mm für B_B. Dieser Wert ist viel größer als die 36 mm, die durch die Anwendung der Gleichung gemäß Anspruch 1 ermittelt wurden, und somit ist das Abknicken der Querelemente hier kein Thema. Bei den aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Querelementen ist jedoch B_B in etwa gleich 42 mm, was deutlich kleiner ist als die meisten gefundenen Werte in 5. In diesem Fall ist die Breite B der Querelemente somit nicht durch die auf den Riemen wirkende Zentrifugalkraft, sondern durch den Beuleffekt beschränkt. In diesen Situationen ist es jedoch weiterhin möglich, die maximale Breite B_B zu erhöhen, indem die Querelemente dicker und/oder höher gemacht werden oder indem der Elastizitätsmodul erhöht wird.

Claims

Treibriemen (7) für ein stufenloses Getriebe (1) für Kraftfahrzeuge aufweisend eine Anzahl von radial übereinander liegenden Endlosbändern, die einen Laminatring (16) bilden, der gleitbar von einer Anzahl von Querelementen (15) gestützt wird, wobei die Bänder in zwei Laminatringen (16) bereit gestellt werden, die axial von einander beabstandet sind, wobei die Elemente (15) zwei Hauptflächen (17) haben, die im Wesentlichen quer zur Längsrichtung des Treibriemens (7) ausgerichtet sind, wobei die Hauptflächen (17) der Querelemente (15) einen im Wesentlichen trapezförmigen Abschnitt haben und wobei die Querelemente eine Breite B und ein spezifisches Gewicht ρ haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der radial übereinander liegenden Endlosbänder in einem Laminatring (16) 14 oder 15 ist, und dass die Parameter der Breite B und des spezifischen Gewichts ρ folgender Gleichung entsprechen: B2·ρ = 9 [kg/m]
Treibriemen (7) nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Seiten (18) des trapezförmigen Abschnitts gegenseitig in einem Riemenwinkel von mehr als 0,14 rad, aber weniger als 0,38 rad orientiert sind.
Treibriemen (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Riemenwinkel ungefähr gleich 0,26 rad ist.