DE102004051360A1

DE102004051360A1 - Oberflächentexturkonfiguration für ein CVT-Riemenscheibe

Info

Publication number: DE102004051360A1
Application number: DE102004051360A
Authority: DE
Inventors: Yucong West Bloomfield Wang; Beizhi Troy Zhou; Serge V. Sylvania Guillot; Robert J. Clinton Porter; Sohail A. Farmington Khan; Chester N. Ortoville Grant
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2005-06-02
Also published as: US7276002B2; US20050090340A1

Abstract

Eine Riemenscheibe, die mit einem Riemen zur Nutzung in einem stufenlosen Getriebe in Eingriff gebracht werden kann, umfasst eine erste und zweite Riemenscheibenhälfte, die um eine Achse drehbar und in einer Richtung der Achse relativ bewegbar sind. Die Riemenscheibenhälften weisen kegelstumpfförmige Abschnitte, die einander symmetrisch gegenüberliegen, und Außenflächen auf, die einander axial gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse geneigt sind. Die Außenflächen weisen einen Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangssrichtung, gemessen in einer Umfangsrichtung (y) zur Achse, zwischen ungefähr 0,15 und 1,0 mum auf. Die Außenflächen haben einen radialen Mittenrauwert (Ra,x), gemessen in einer Richtung (x) radial zur Achse, und ein Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen ungefähr 0,5 und 2,5.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Riemenscheibe für ein stufenloses Getriebe (CVT) mit einer Oberflächentextur, die für hohe Drehmomente ausgelegt ist, indem ein vorbestimmter Mittenrauwert in einer Umfangsrichtung und ein Verhältnis der Rauigkeit in radialer Richtung und Umfangsrichtung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vorgesehen werden.

Stufenlose Getriebe (CVT) mit Riemenscheiben oder Rillenscheiben nutzen Riemenscheibenanordnungen mit zumindest einem Glied, das bewegbar ist, um den Durchmesser zu steuern, bei dem ein biegsamer Transmitter wie z.B. ein Riemen oder eine Kette arbeitet. Das Getriebe weist eine Eingangsriemenscheibe und eine Ausgangsriemenscheibe auf, die beide ein verstellbares Glied aufweisen. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Eingangs- und der Ausgangsriemenscheibe schwankt zwischen einem Underdrive-Verhältnis und einem Overdrive-Verhältnis.

Das CVT-Verhältnis ist zwischen den Extremen des Underdrive- und Overdrive-Verhältnisses stufenlos veränderlich. Während der Underdrive-Verhältnisse ist der biegsame Transmitter mit einem kleinen Durchmesser auf der Eingangsriemenscheibe und einem großen Durchmesser auf der Ausgangsriemenscheibe angeordnet. Folglich macht die Eingangsriemenscheibe bei je einer Umdrehung der Ausgangsriemenscheibe mehr als eine Umdrehung. Wenn der Durchmesser der Eingangsriemenscheibe zunimmt, nimmt der Durchmesser der Ausgangsriemenscheibe ab, bis ein 1:1-Verhältnis über die Riemenscheiben vorliegt. Wäh rend der Overdrive-Verhältnisse wird der Durchmesser der Eingangsriemenscheibe größer als der Durchmesser der Ausgangsriemenscheibe gehalten. Folglich hat jede Umdrehung der Eingangsriemenscheibe mehr als eine Umdrehung der Ausgangsriemenscheibe zur Folge.

Um die Verhältnisänderung zu ermöglichen bzw. auszuführen, ist mindestens ein Glied jeder Riemenscheibe so angeordnet, dass es in Bezug auf das andere Glied der Riemenscheibe axial gleitet. Diese Bewegung wird typischerweise hydraulisch gesteuert.

CVTs wurden in den letzten Jahren zunehmend populär, weil sie einen verbesserten Kraftstoffverbrauch, die Fähigkeit, den Motor bei niedrigeren UpM über einen weiteren Bereich kraftstoffsparend zu betreiben, ein sanfteres Schalten (Verhältniswechsel), eine effizientere Anordnung am vorderen Ende des Fahrzeugs sowie die Austauschbarkeit mit Handschaltgetrieben und die Kompatibilität mit Allradantrieb liefern können. In Fahrzeugen mit Motoren höherer Leistung sind CVTs erforderlich, um eine höhere Drehmomentkapazität und ausgezeichnete Lebensdauer oder einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand von Komponenten zu haben. Die Fähigkeit, ein hohes Drehmoment zu übertragen, wird erreicht, indem ein starker reibschlüssiger Eingriff zwischen den Riemen und den Riemenscheiben aufrechterhalten wird. Die Lebensdauer wird durch Beschränken des Verschleißwiderstandes der Oberflächen der Riemenscheiben erreicht.

Es wurde festgestellt, das Riemenscheiben mit höherer Rauigkeit eine höhere Reibung mit minimalem Schlupf übertragen können. Dementsprechend wird die Oberfläche der Riemenscheiben gewöhnlich auf einen in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse der Riemenscheibe gemessenen hohen Mittenrauwert (Ra) ausgelegt, worauf auch als "durchschnittliche Mittellinienrauigkeit" verwiesen wird. Beispielsweise lehrt das US-Patent Nr. 6,254,503 eine Riemenscheibe mit einem Mittenrauwert (Ra) auf der Mittellinie von 0,1 bis 0,5 Mikrometer und einer Vickers-Härte von nicht weniger als 850 bei einer Last von 200g. Die Steuerung der durchschnittlichen Rauigkeit (Ra) in radialer Richtung der Riemenscheibe hat sich jedoch als ineffektiv erwiesen.

Bei der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, dass die Fähigkeit CVT-Riemenscheibe, ein Drehmoment der zu übertragen, durch die Beziehung zwischen den gemessenen Parametern der Oberflächentextur in sowohl Umfangs- als auch Radialrichtung der Riemenscheibe bestimmt ist. Früher wurde eine durchschnittliche Rauigkeit mit einem Oberflächenprofilmessgerät mit herkömmlichem Taststift gemessen, das die Rauigkeit nur entlang der radialen Richtung der Riemenscheibe maß, weil er geradlinig war, und war daher die einzige Größe, die der herkömmliche Taststift messen konnte. Unter Anwendung der Tribologie kann jedoch die Oberflächenrauigkeit in der Umfangsrichtung der Riemenscheibe so gemessen und ausgelegt werden, um die Reibung zwischen dem Riemen und der Riemenscheibe zu bestimmen und zu steuern, was bestimmt, ob ein Schlupf auftritt oder nicht.

Konkreter liefert die Erfindung eine Riemenscheibe, die mit einem Riemen zur Verwendung in einem stufenlosen Getriebe (CVT) in Eingriff gebracht werden kann, mit einer ersten und zweiten Riemenscheibenhälfte, die um eine Achse drehbar und in Richtung der Achse relativ bewegbar sind. Die Riemenscheibenhälften weisen kegelstumpfförmige Abschnitte, die einander symmetrisch gegenüberliegen, und Außenflächen auf, die einander axial gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse geneigt sind. Die Außenflächen haben einen in einer Umfangsrichtung zur Achse gemessenen Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung zwischen ungefähr 0,15 und 1 Mikrometer. Die Außenflächen weisen ebenfalls einen in einer Richtung radial zur Achse gemessenen radialen Mittenrauwert (Ra,x) und ein Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen ungefähr 0,5 und 2,5 auf.

Die Oberflächentextur kann durch Strahlhämmern, Schleifen, Steinpolieren oder Bandpolieren erhalten werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in dieser zeigt:

1 eine repräsentative Querschnittansicht eines stufenlosen Getriebes (CVT) mit Riemenscheibenflächen, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert sind; und

2 eine schematische Vorderansicht einer Riemenscheibe. gemäß der Erfindung.

In 1 ist eine repräsentative Querschnittansicht eines Teils eines stufenlosen Getriebes (CVT) 10 dargestellt. Das CVT 10 enthält eine Riemenscheibe 12 mit einer ersten und zweiten Riemenscheibenhälfte 14, 16, die um eine Achse 18 drehbar sind. Die Riemenscheibenhälfte 16 ist bezüglich der Achse fixiert, und die Riemenscheibenhälfte 14 ist entlang der Achse 18 bewegbar, wenn unter Druck gesetztes Fluid in die Beaufschlagungskammer 20 geliefert wird, um den Kolben 22 und die Nabe 24 der Riemenscheibe 14 in 1 nach rechts zu bewegen.

Zusätzliche Informationen in Bezug auf Entwurf und Aufbau stufenloser Getriebe kann man in den US-Patenten Nr. 6,287,227; 6,254,503 und 5,895,335 finden, die jeweils in ihrer Gesamtheit hiermit durch Verweis einbezogen sind.

Wieder nach 1 weisen die Riemenscheibenhälften 14, 16 kegelstumpfförmige Abschnitte 26 bzw. 28 mit Außenflächen 30, 32 auf, die einander axial gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse 18 geneigt sind. Die Außenflächen 30, 32 berühren die Seiten 34, 36 des Elements 38 des Riemens 40. Der Eingriff der Seiten 34, 36 des Elements 38 mit den Außenflächen 30, 32 der ersten und zweiten Riemenscheibenhälfte 14, 16 ist ein wichtiger reibschlüssiger Eingriff, der infolge der hohen Reibung die Fähigkeit, ein hohes Drehmoment zu übertragen, sowie eine signifikante Lebensdauer oder einen signifikanten Verschleißwiderstand aufrechterhalten muss.

Die Rauigkeit der Außenflächen der Riemenscheiben wurde herkömmlicherweise durch ein Oberflächenprofilmessgerät mit Taststift gemessen, das nur entlang einer geraden Linie misst. Daher erfolgte die herkömmliche Messung immer in der radialen Richtung x bezüglich der Achse 18, wie in 2 veranschaulicht ist. Durch die Schaffung einer aussagekräftigen Datenbank von Parametern der 3D-Oberflächentextur über eine Vielzahl von Riemenscheiben, die Ra, Rv, Rp sowie den Mittenrauwert in der radialen Richtung (Ra,x) und den Mittenrauwert in der Umfangsrichtung (Ra,y) einschließen, wurde eine klare Beziehung zwischen der Leistung der Riemenscheibe und der in den x- und der y-Richtungen gemessenen durchschnittlichen Rauigkeit offensichtlich. Da der Riemen 40 die Riemenscheibe entlang der Umfangsrichtung y der Außenfläche 30 der Riemenscheibe 14 berührt, erkennt die vorliegende Erfindung die Bedeutung der Rauigkeit entlang der Dimension y. Die dreidimensionalen Messungen der verschiedenen Riemenscheiben in der Datenbank, auf die oben verwiesen wurde, wurden mit einer Veeco- Maschine vorgenommen, die statt eines Taststifts ein optisches Mikroskop nutzt. Ein Beispiel solch einer Maschine ist ein Wyko NT 8000 Optical Profiler, die von Veeco Instruments, Inc. aus Tuscon, Arizona, erhältlich ist. Diese Maschine enthält einen Signalgenerator, einen Strahlteiler, einen Illuminator, eine Verschiebungseinrichtung und ein Mirau-Interferometer. Nach Prüfen aller Daten aus der Datenbank, die sich aus diesen Messungen ergab, wurde geschlossen, dass die folgenden Kriterien zur Auslegung der Oberflächentextur erfüllt sein sollten, um Schlagbelastungstests für eine Oberfläche einer Riemenscheibe zu bestehen, deren Ergebnis eine Riemenscheibenoberfläche ist, die ein hohes Drehmoment übertragen kann und eine hohe Lebensdauer aufweist. Konkret sollte der entlang der y-Richtung gemessene Durchschnitt der Rauigkeit (Ra,y) von 2 zwischen ungefähr 0,15 und 1,0 Mikrometer liegen. Der Mittenrauwert (Ra,x) entlang der Dimension x sollte ebenfalls überwacht werden, und das Verhältnis oder Ra,x/Ra,y sollte zwischen ungefähr 0,5 und 2,5 liegen, um ein Drehmoment ausreichend übertragen zu können und eine ausreichende Lebensdauer zu erzielen.

Die Kriterien zur Auslegung der Oberflächen von Riemenscheiben sind vom Herstellungsprozess für Riemenscheiben wie z.B. Strahlhämmern, Steinpolieren, Schleifen oder Bandpolieren unabhängig. Der wahrscheinliche Grund, dass strahlgehämmerte Riemenscheiben in den gewünschten Bereich fallen, ist, dass durch Strahlhämmern eine erhebliche Anzahl von Grübchen erzeugt wird, was die Größe Ra,y erhöht. Der gleiche Grund trifft für steinpolierte Riemenscheiben zu, die ein gekreuztes Schraffurmuster aufweisen, was die Größe Ra,y erhöht.

Das Verhältnis von Ra,x/Ra,y ist ein isotroper (richtungsunabhängiger) Faktor. Aufgrund der Art der Herstellungsprozesse ist dieses Verhältnis gewöhnlich größer als 1 (eine Kreuzschraffur mit 45 Grad kann dieses Verhältnis gleich 1 machen). Falls dieses Verhältnis bei 4 liegt, bedeutet dies, dass die durchschnittliche Rauigkeit in der x-Richtung viermal höher als in der y-Richtung ist. Dies ist vom Standpunkt der Reibung aus nicht gut. Es sollte besonders erwähnt werden, dass Bandpolieren ebenfalls genutzt werden kann, um die geforderte Textur der Riemenscheibenoberfläche gemäß den oben definierten Parametern zu bilden. Ein Bandpoliergerät Suppfina oder Thielenhaus kann verwendet werden, um diese Ergebnisse zu erzielen.

Die Riemenscheibenhälften sind aus halbweichem Stahl mit einer aufgekohlten bzw. carburierten Oberfläche hergestellt. Die Riemenscheibenhälften werden hergestellt, indem sie zuerst maschinell bearbeitet, dann carburiert und danach endgültig maschinell bearbeitet (d.h. geschliffen, steinpoliert, bandpoliert oder stahlgehämmert) werden, um die gewünschten Oberflächeneigenschaften zu erhalten. Beispielsweise kann beim Steinpolieren der Stein während des Vorgangs der maschinellen Bearbeitung entlang der Oberfläche der Riemenscheibe radial bewegt werden, um ein mehr gewinkeltes Muster zu erhalten, um die Größe Ra,y zu erhöhen.

Wenn ein kleines CVT für einen verhältnismäßig großen Motor verwendet wird, wird die Auslegung der Oberflächentextur der Riemenscheibe aufgrund des höheren Reibungsbedarfs ein wichtiges Element. Dementsprechend liefert diese Erfindung die Kriterien zur Auslegung der Oberflächentextur von Riemenscheiben, welche den Entwurf und Aufbau eines CVT mit einer Auslegung für hohe Drehmomente ermöglicht. Die Auslegung des CVT für höhere Drehmomente kann die CVT-Kosten reduzieren, die Produktlebensdauer verbessern und die Gelegenheit für einen verbesserten Einbau schaffen.

Zusammengefasst sind die Auslegung für hohe Drehmomente durch hohe Reibung zwischen Elementen und Riemenscheiben sowie die gute Lebensdauer (oder der hohe Verschleißwiderstand) die beiden grundlegenden Anforderungen für Hochleistungs-CVTs. Werden diese Anforderungen nicht erfüllt, kann dies zu heftigen Geräuschen, instabilem Betrieb und Ausfall der CVTs führen. CVT-Hersteller haben über Jahre verschiedene Techniken zur maschinellen Bearbeitung von Oberflächen von Riemenscheiben versucht; aber keine der veröffentlichten Arbeiten hat die fundamentale Beziehung zwischen der Riemenscheibenreibung und der CVT-Auslegung für hohe Drehmomente verstanden. Mit anderen Worten behandelt keine der veröffentlichten Arbeiten die Messung und Steuerung des Mittenrauwerts entlang der y-Umfangsrichtung der Riemenscheibe bezüglich der Rotationsachse der Riemenscheibe. Die vorliegende Erfindung hat diese Mängel überwunden.

Obgleich das beste Verfahren zum Ausführen der Erfindung ausführlich beschrieben wurde, erkennt der Fachmann für die Technik, auf die sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen, um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen. Eine Riemenscheibe, die mit einem Riemen zur Nutzung in einem stufenlosen Getriebe in Eingriff gebracht werden kann, umfasst eine erste und zweite Riemenscheibenhälfte, die um eine Achse drehbar und in einer Richtung der Achse relativ bewegbar sind. Die Riemenscheibenhälften weisen kegelstumpfförmige Abschnitte, die einander symmetrisch gegenüberliegen, und Außenflächen auf, die einander axial gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse geneigt sind. Die Außenflächen weisen einen Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung, gemessen in einer Umfangsrichtung (y) zur Achse, zwischen ungefähr 0,15 und 1,0 Mikrometer auf. Die Außenflächen haben einen radialen Mittenrauwert (Ra,x), gemessen in einer Richtung (x) radial zur Achse, und ein Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen ungefähr 0,5 und 2,5.

Claims

Riemenscheibe, die mit einem Riemen zur Nutzung in einem stufenlosen Getriebe (CVT) in Eingriff gebracht werden kann, mit: einer ersten und zweiten Riemenscheibenhälfte, die um eine Achse drehbar und in einer Richtung der Achse relativ bewegbar sind, wobei die Riemenscheibenhälften kegelstumpfförmige Abschnitte aufweisen, die einander symmetrisch gegenüberliegen, und Außenflächen, die einander axial gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse geneigt sind, wobei die Außenflächen einen Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung, gemessen in einer Umfangsrichtung (y) zur Achse, zwischen ungefähr 0,15 und 1 Mikrometer aufweisen.
Riemenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen einen radialen Mittenrauwert (Ra,x), der in einer Richtung (x) radial zur Achse gemessen wird, und ein Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen ungefähr 0,5 und 2,5 aufweisen.
Riemenscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Außenflächen durch Strahlhämmern, Schleifen, Steinpolieren oder Bandpolieren maschinell bearbeitet werden.
Riemenscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung zwischen 0,17 und 0,3 Mikrometer liegt und das Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen 1, 7 und 2, 3 liegt.
Riemenscheibe, die mit einem Riemen zur Nutzung in einem stufenlosen Getriebe (CVT) in Eingriff gebracht werden kann, mit: einer ersten und zweiten Riemenscheibenhälfte, die um eine Achse drehbar und in einer Richtung der Achse relativ bewegbar sind, wobei die Riemenscheibenhälften kegelstumpfförmige Abschnitte, die einander symmetrisch gegenüberliegen, und Außenflächen aufweisen, die einander axial gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse geneigt sind, wobei die Außenflächen einen radialen Mittenrauwert (Ra,x), gemessen in einer Richtung (x) radial zur Achse, einen Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung, gemessen in einer Umfangsrichtung (y) zur Achse, und ein Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen ungefähr 0,5 und 2.5 aufweisen.
Riemenscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung zwischen ungefähr 0,15 und 1 Mikrometer liegt.
Riemenscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung zwischen 0,17 und 0,3 Mikrometer liegt und das Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen 1,7 und 2,3 liegt.
Riemenscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen durch Strahlhämmern, Schleifen, Steinpolieren oder Bandpolieren maschinell bearbeitet werden.
Riemenscheibe, die mit einem Riemen zur Nutzung in einem stufenlosen Getriebe in Eingriff gebracht werden kann, mit: einer ersten und zweiten Riemenscheibenhälfte, die um eine Achse drehbar und in einer Richtung der Achse relativ bewegbar sind, wobei die Riemenscheibenhälften kegelstumpfförmige Abschnitte, die einander symmetrisch gegenüberliegen, und Außenflächen aufweisen, die einander axial gegenüberliegen und in Bezug auf die Achse geneigt sind, wobei die Außenflächen einen radialen Mittenrauwert (Ra,x), gemessen in einer Richtung (x) radial zur Achse, einen Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung, gemessen in einer Umfangsrichtung (y) zur Achse, zwischen ungefähr 0,15 und 1,0 Mikrometer und ein Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen ungefähr 0,5 und 2,5 aufweisen.
Riemenscheibe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert (Ra,y) in Umfangsrichtung zwischen 0,17 und 0,3 Mikrometer liegt und das Verhältnis Ra,x/Ra,y zwischen 1,7 und 2,3 liegt.
Riemenscheibe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen durch Strahlhämmern, Schleifen, Steinpolieren oder Bandpolieren maschinell bearbeitet werden.