DE102006016955A1

DE102006016955A1 - Stufenloses Reibradgetriebe mit Leerlauf und Rückwärtsgang

Info

Publication number: DE102006016955A1
Application number: DE200610016955
Authority: DE
Inventors: Erich Schuermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein stufenlos schaltbares mechanisches Getriebe mit sphärischen Wälzkörpern insbesondere für Fahrzeuge und selbstfahrende Arbeitsmaschinen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches CVT-Getriebe mit Leerlaufstellung durch Übersetzung gleich Null und eine Richtungsumkehr zu realisieren, bei dem sich eine Kupplung zwischen Motor und Getriebe erübrigt. Als Lösung dieser Aufgabe zeigt Figur 1 das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen CVT-Getriebes in verschiedenen Verstellpositionen. Die Eingangswelle (1) des Getriebes ist mit der konkaven Kugelkalotte (2) verbunden. Die Ausgangswelle (1) und die Eingangswelle (3) haben die gemeinsame Mittelachse (4). Die Ausgangswelle (3) ist mit der konkaven Kugelkalotte (5) verbunden, die den gleichen Kugelmittelpunkt (6) hat wie die konkave Kugelkalotte (2). Die Wälzrolle (7) ist mit der Achse (8) drehfest mit der Wälzrolle (9) verbunden. Die Achse (8) verläuft nicht durch den Kugelmittelpunkt (6). Die Wälzrollen (7) und (9) haben einen geringeren Krümmungsradius als die konkaven Kugelkalotten (2) und (5). Die Drehachse (10) zur Verstellung des Getriebes liegt senkrecht zur Drehachse (8) und verläuft durch den Kugelmittelpunkt (6). Die Querschnittsfläche (11) zeigt einen Schnitt durch die Betätigungswelle mit der Achse (10), mit der das Getriebe verstellt werden kann. Die Darstellung zeigt mögliche Getriebestellungen, als hervorgehoben dargestellte Position die maximale Übersetzung ins ...

Description

Zunächst betrifft die Erfindung ein Fahrzeuggetriebe mit stufenloser Verstellbarkeit des Übersetzungsverhältnisses. Das besondere Merkmal dieses Getriebes ist die Möglichkeit den Leerlauf durch das Übersetzungsverhältnis Null zu erreichen, was eine Kupplung überflüssig macht und mit einer Richtungsumkehr einen variablen Rückwärtsgang zu realisieren.
EINLEITUNG
Hier geht es um stufenlose Getriebe, sogenannte CVT-Getriebe, mit einem mechanischen Wirkprinzip. Bei derartigen Getrieben werden die Drehmomente durch Reibkräfte an Hebelarmen übertragen. Getriebe mit einem mechanischen Wirkprinzip gibt es einerseits als Umschlingungsgetriebe mit einem Zug- oder mit einem Schubriemen oder mit einem Ring zwischen verstellbaren Kegelscheiben und andererseits als Wälzkörpergetriebe.
Bei dem in Rede stehenden Getriebe handelt es sich um ein Wälzkörpergetriebe. Bei den Wälzkörpergetrieben unterscheidet man die Getriebetypen nach der Form der abwälzenden Flächen. Die stufenlose Änderung der Übersetzung ergibt sich aus einem veränderlichen Abgriff von Wälzradien. Die bekanntesten CVT-Getriebe nach dem Wälzkörperprinzip sind die Toroid-Getriebe. Die Toroid- Getriebe haben zwei Wälzflächen in Form eines Halbtoroids, die aus einem, senkrecht zu seiner Rotationsachse geschnittenen Toroid, einer Kreisringfläche, entstanden sind. Die Toroid- Getriebe besitzen zur Drehmomentübertragung zwischen den Halbtoroiden mehrere synchron verstellbare Wälzrollen. Die Wälzpunkte zwischen den Rollen und den Halbtoroiden sind veränderbar und ergeben unterschiedliche Radien zur Drehachse des Getriebes und damit unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse.
STAND DER TECHNIK
Bei den Toroid-Getrieben, die bereits für die Anwendung in Kraftfahrzeugen einen hohen Reifegrad besitzen, ist es prinzipiell nicht möglich eine Richtungsumkehr und damit einen Rückwärtsgang zu realisieren. Der Grund dafür ist die Toroid-Form, die es nicht erlaubt, dass ein Wälzpunkt einer verstellbaren Wälzrolle oberhalb und der andere Wälzpunkt der Wälzrolle unterhalb der Drehachse des Toroiden liegen kann. Wenn auch der Toroid für ein hohes übertragbares Drehmoment sehr vorteilhaft ist, da er mehreren Wälzrollen Platz bietet, so ist zwar durch eine Stellung ohne Wälzpunkt ein Leerlauf zu erreichen, jedoch ist der Leerlauf nicht durch das Übersetzungsverhältnis gleich Null erreichbar. Eine Leerlaufstellung wird bei den Toroid – Getrieben durch Aufhebung des Wälzkontaktes realisiert. Könnte bei einem stufenlos verstellbaren Wälzkörpergetriebe der Wälzkontakt bei einem eingestellten Übersetzungsverhältnis von Null aufgehoben werden, so könnte auf eine Anfahrkupplung verzichtet werden. Insbesondere für kleinere Kraftfahrzeuge, Boote und selbstfahrende Arbeitsmaschinen, wie z.B. Rasenmäher, wären einfachste CVT- Getriebe ohne Kupplung, mit Leerlauf und mit Rückwärtsgang sehr vorteilhaft.
Um hohe Drehmomente übertragen zu können, ist es sinnvoll zwischen den Wälzkörpern eine hohe Normalkraft zu erzeugen, die vorzugsweise durch eine Federkraft erzeugt wird, um Verschleiß und Toleranzen ausgleichen zu können. Zudem ist es sinnvoll die Wälzpunkte mit einem speziellen Öl zu versehen, welches hohe Scherkräfte übertragen kann, aber für eine Lagerschmierung völlig ungeeignet ist. Deshalb sollten die Friktionsräume und die Lagerräume im Getriebe hermetisch getrennt werden können.
DAS NEUARTIGE
Das vorliegende Schutzrechtsbegehren soll die Nachteile, wie die nicht erreichbare Leerlaufstellung durch die Übersetzung gleich Null und der nicht realisierbare Rückwärtsgang durch eine Richtungsumkehr, bei einem CVT-Getriebe beseitigen. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Wälzgeometrie gewählt wird, die sowohl den Wälzradius Null als auch negative Wälzradien zulässt. Die durch Schwenken der verstellbaren Wälzrollen um eine Achse, die senkrecht zur Drehachse der Wälzrolle und senkrecht zur Drehachse des Toroiden liegt, erzeugte Kurve der Wälzpunkte, ergibt einen Kreis. Damit dieser Kreis die Drehachse der Toroiden schneiden kann, um den Radius zu Null werden zu lassen, muss der Halbtoroid zu einer Halbkugel entarten.
Damit ist jetzt die Bedingung für die Übersetzung gleich Null erfüllt. Wenn aber, wie bei den Toroid-Getrieben üblich, die Schwenkachse der Wälzrolle durch den Mittelpunkt des Kreises geht, der die einstellbaren Wälzpunkte darstellt, so kann das Getriebe lediglich die Richtung umkehren aber nicht das Übersetzungsverhältnis ändern. Weil die Halbkugel nur einen Mittelpunkt hat, kann in dieser Konstellation auch nur eine Wälzrolle verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe, das Übersetzungsverhältnis trotzdem verändern zu können wird dadurch gelöst, dass zwei Wälzrollen drehfest auf einer Achse angeordnet sind und die Achse zwischen den Halbkugeln positioniert wird, die Achse der beiden Wälzrollen erfindungsgemäß nicht durch den Kugelmittelpunkt geht. Jetzt verändern sich die Radien der Wälzpunkte senkrecht zur Drehachse der Halbkugeln nicht mehr gleichsinnig, sondern gegensinnig. Damit ergibt sich ein mechanisches Wälzgetriebe mit variabler Übersetzung inklusiv der Übersetzung Null und inklusiv der Richtungsumkehr.
Die erfindungsgemäße Aufgabe, bei dem eingestellten Übersetzungsverhältnis von Null den Wälzkontakt aufzuheben, damit sich eine schaltbare Kupplung zwischen einem Verbrennungsmotor und dem erfindungsgemäßen Getriebe erübrigt, wird dadurch gelöst, dass die antriebsseitige, konkave Kugelkalotte im Zentrum der Wälzfläche eine Vertiefung als Abweichung von der Kugelform aufweist, die den Wälzkontakt verhindert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe, die Normalkraft zu erzeugen, wir gelöst, indem die beiden Wälzkörper zwar drehfest, aber längsbeweglich entlang der gemeinsamen Drehachse angeordnet sind und mit einer Feder auseinander gedrückt werden. Diese Lösung erlaubt eine feste Lagerung der Halbkugeln und damit einen einfachen Aufbau des Getriebes. Damit der Wälzkontakt bei der Leerlaufstellung durch die o.g. Vertiefung in der Kugelkaotte verhindert werden kann, erhält die o.g. Feder eine Begrenzung des Federweges beim Ausfedern. Diese Lösung ermöglicht den Betrieb von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren ohne eine Kupplung, da der Anfahrvorgang bei Übersetzung Null erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe, die Trennung der Ölräume zu gewährleisten, wird durch die sich ergebende Konstellation mit einfachen Wellendichtringen möglich.
BESCHREIBUNG
1 zeigt das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen CVT-Getriebes in verschiedenen Verstellpositionen. Die Eingangswelle (1) des Getriebes ist mit der konkaven Kugelkalotte (2) verbunden. Die Eingangswelle (1) und die Ausgangswelle (3) haben die gemeinsame Achse (4). Die Ausgangswelle (3) ist mit der anderen konkaven Kugelkalotte (5) verbunden, die den gleichen Kugelmittelpunkt (6) hat wie die konkave Kugelkalotte (2). Die Wälzrolle (7) ist mit der Achse (8) drehfest mit der Wälzrolle (9) verbunden. Die Achse (8) verläuft nicht durch den Kugelmittelpunkt (6). Die Wälzrollen (7) und (9) haben einen geringeren Krümmungsradius als die Kugelkalotten (2) und (5). Die Drehachse (10), hier nur als Punkt erkennbar, zur Verstellung des Getriebes liegt senkrecht zur Drehachse (8) und verläuft durch den Kugelmittelpunkt (6) der Kugelkalotten (2) und (5). Die Querschnittfläche (11) zeigt einen Schnitt durch die Betätigungswelle mit der Achse (10), mit der das Getriebe verstellt werden kann. Die Darstellung zeigt eine Auswahl an möglichen Getriebestellungen. Hervorgehoben dargestellt ist die maximale Übersetzung ins Schnelle und in den weiteren Positionen sind sowohl die Leerlaufstellung als auch weitere Vorwärtsübersetzungen als auch einige Rückwärtsübersetzungen dargestellt.
2 zeigt einen Längsschnitt durch die Mittelachse einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen CVT-Getriebes. Dargestellt ist das Übersetzungsverhältnis 1 zu 1. In Ergänzung zur Prinzipdarstellung in 1 sind in 2 die Lagerungen der Getriebewellen, das Getriebegehäuse und insbesondere die beiden Wälzrollen (7) und (9) detailliert dargestellt. Das Lagergehäuse (12) ist verbunden mit einer nach außen geführten Betätigungswelle mit der Achse (10), die jedoch in dieser Abbildung nur als Punkt erkennbar ist. Die Wälzrollen (7) und (9) besitzen die gemeinsame Achse (8) und sind über die Hülsen (13) und (14) zueinander mit einer Stirnverzahnung (15) drehfest verbunden und sind entlang ihrer Längsachse (8) längs verschiebbar. Die Lagerung (16) besteht vorzugsweise aus einem Nadellager mit den Dichtungen (17). Das Lager wird mit Öl von außen versorgt, welches durch eine Bohrung (18) in der Betätigungswelle zugeführt wird. Der Bolzen (19) begrenzt den Federweg der Feder (20), die für die erforderliche Anpresskraft der Wälzrollen zur Drehmomentübertragung an die konkaven Kugelkalotten (2) und (5) sorgt. Die Begrenzung des Federweges mit dem Bolzen (19) ist erforderlich, da in der Leerlaufstellung keine Reibleistung durch Gleiten erzeugt werden soll und zu diesem Zweck die antriebsseitige Kugelkalotte (2) eine Vertiefung (21) besitzt, die den Kontakt zur Wälzrolle (7) aufhebt.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen CVT-Getriebes in verschiedenen Stellungen.
Die Darstellung (a) zeigt die maximale Übersetzung im Rückwärtsgang.
Die Darstellung (b) zeigt die Leerlaufstellung.
Die Darstellung (c) zeigt die maximale Übersetzung im Vorwärtsgang.

Claims

Stufenloses Reibradgetriebe mit Reibradpaaren mit sphärischen Wälzflächen, mit koaxialer Antriebs- und Abtriebswelle, gekennzeichnet dadurch, dass, wie in 2 dargestellt, die Antriebswelle (1) eine konkave Kugelkalotte (2) und die Abtriebswelle (3) eine konkave Kugelkalotte (5) aufweist, wobei die gemeinsame Mittelachse (4) der Antriebs- (1) und Abtriebwelle (3) gleichzeitig die Symmetrieachse der konkaven Kugelkalotte (2) und (5) darstellt und die Öffnungen der Kugelkalotten gegeneinander gerichtet sind, beide Kugelkalotten einen gemeinsamen Mittelpunkt (10) aufweisen und jede Kugelkalotte mit je einer der beiden Rollen (7) und (9) im Wälzkontakt steht, wobei beide Rollen (7) und (9) eine gemeinsame Achse (8) besitzen und drehfest miteinander verbunden sind und diese Achse (8) und die Mittelachse (4) vorzugsweise in einer Ebene liegen und die Achse (8) nicht durch den Mittelpunkt (10) der beiden Kugelkalotten (2) und (5) verläuft und die Achse (8) schwenkbar ist um eine Achse, die senkrecht zur Mittelachse (4) und vorzugsweise senkrecht zu der Ebene positioniert ist auf der die Mittelachse (4) und die Achse (8) liegen und durch den gemeinsamen Mittelpunkt (10) der beiden Kugelkalotten (2) und (5) verläuft.
Stufenloses Reibradgetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Rollen (7) und (9) mit ihrer gemeinsamen Achse (8) drehfest und in Achsrichtung (8) gegeneinander um einen festen Betrag längs verschiebbar sind und die Rollen (7) und (9) mit einer Feder (20) in Achsrichtung (8) auseinander gedrückt werden.
Stufenloses Reibradgetriebe nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die antriebsseitige Kugelkalotte (2) im Bereich der Mittelachse (4) der Antriebswelle (1) eine konkave Vertiefung (21) aufweist.