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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet mechanischer Antriebsketten für stufenlose
Getriebe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kettenband eines stufenlosen
Getriebes (CVT = continuously variable transmission), das von einem
Lasche-und-Bolzen-Typ
ist.
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BESCHREIBUNG
DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIK
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In
den letzten Jahren wurde bedeutende Forschung und Entwicklung stufenlosen
Getrieben (CVT) für
automobile Anwendungen gewidmet. Ein CVT stellt einen Teil der mechanischen
Verbindung zwischen dem Motor des Fahrzeugs und den Antriebsrädern bereit,
das zur Steuerung der Drehmomentabgabe des Motors verwendet wird.
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Ein
CVT arbeitet im Allgemeinen unter der Verwendung von mehreren veränderlichen
Riemenscheiben, die auf parallelen Achsen befestigt, durch ein endloses
Kettenband verbunden sind und typischerweise aus Metall oder elastomeren
Materialien bestehen. Eine erste veränderliche Riemenscheibe ist
auf einer Antriebswelle angeordnet und wird mechanisch durch den
Fahrzeugmotor angetrieben. Eine zweite veränderliche Riemenscheibe ist
auf einer Antriebswelle angeordnet und wird durch die erste Riemenscheibe über das
Kettenband angetrieben. Die zweite Riemenscheibe wirkt über zusätzliche
Antriebskomponenten, um das Drehmoment auf die Antriebsräder des
Fahrzeugs zu übertragen.
Jede Riemenscheibe dreht sich um eine unabhängige Welle und wird durch
das Zusammenwirken von zwei Scheiben der Riemenscheibe gebildet,
während
eine davon in einer Richtung entgegengesetzt von der anderen axial
bewegbar ist. Die auf der Riemenscheibenachse befestigten Scheibenpaare
bilden die Innenflächen
der Riemenscheibe. Die Profile der inneren Flächen sind im Allgemeinen derart
geneigt, dass die zwei inneren Scheibenflächen in Richtung der Riemenscheibenachse
konvergieren. Wenn zumindest eine der Scheiben in Bezug auf die
andere Scheibe axial bewegbar ist, kann eine Änderung des die gegenüberliegenden
inneren Flächen
trennenden Abstands erzielt werden.
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Die
Kontaktoberfläche
der Kette oder des Bandes beziehungsweise Riemens, der als ein Energieübertragungselement
wirkt, ist im Eingriff mit den Innenflächen der Scheiben der Riemenscheibe
und überträgt das Drehmoment
durch Reibung. Die konventionellsten Lastblockkonfigurationen umfassen Lastblöcke mit
einer Kontaktoberfläche,
die eine ebene Oberfläche
umfasst. In derartigen Konfigurationen sind die Kontakte beziehungsweise
Verbindungen mit konventionellen konischen Scheiben Linienkontakte
(das heißt
das kontaktierte beziehungsweise verbundene Gebiet ist ein Band)
und keine Punktkontakte. Wenn das Kettenband über die Riemenscheibe läuft, ist
der Punkt, wo der Lastblock oder die Erfindung gelagert ist, als
die Teillinie definiert. Die Teilung P (P = pitch) ist der Abstand
zwischen aufeinander folgenden Gliederungen.
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Während des
Betriebs des CVT kann eine bewegbare Scheibe an der ersten Riemenscheibe axial
entlang der Riemenscheibenachse bewegt werden, so dass der Abstand
vergrößert oder
verkleinert wird, der die Innenflächen der Scheiben der ersten Riemenscheibe
trennt. Gleichzeitig verringert oder vergrößert eine bewegbare Scheibe
an der zweiten Riemenscheibe den Abstand, der die Innenflächen der
Scheiben der zweiten Riemenscheibe trennt, so dass die geforderte
Gesamtkettenlänge
für die Schleife
um die zwei Riemenscheiben erhalten bleibt.
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Wenn
die Scheibenelemente geradlinig entlang der Achse der Riemenscheibe
bewegt werden, wird der effektive Riemenscheibenradius aufgrund der
geneigten inneren Flächen
der Scheiben vergrößert oder
verkleinert. Die Lage der Gelenkverbindung des Kettenbands oder
die neutrale Achse (das heißt die
Teilungslinie) um den Zwischenumfang der Innenflächen der Riemenscheibe definiert
den effektiven Radius der Riemenscheibe. Wenn sich der Trennungsabstand
der Innenflächen
der Scheiben der ersten Riemenscheibe verringert, wird das Kettenband
dazu gezwungen, eine Verbindung bei einer größeren radialen Entfernung herzustellen,
wenn es entlang der geneigten inneren Scheibenfläche aufwärts wandert und sich die Teilungslinie ändert. Gleichzeitig
wird der effektive Radius der zweiten Riemenscheibe durch die Beabstandung
der Scheiben darin zu gleichem Anteil verringert. In gleicher Weise
wie bei der ersten Riemenscheibe wird das Kettenband dazu gezwungen,
die Riemen scheibe bei einer kleineren radialen Entfernung zu kontaktieren
und die Teilungslinie wird verändert.
Daher kann das Verhältnis
der Riemenscheibenradien stufenlos verändert werden, um das gewünschte abschließende Antriebsverhältnis für die spezifischen
Betriebsbedingungen des Fahrzeugs zu erhalten. Durch diesen Vorgang ändert das
CVT das „Gang"-Verhältnis des Getriebes – das Verhältnis der
Geschwindigkeiten der Antriebs- und der Abtriebswelle – in einer
kontinuierlichen Weise.
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Typischerweise
verlaufen die geneigten inneren Scheibenflächen im Allgemeinen linear
(konisch). Es werden jedoch ebenfalls krummlinige Profile der inneren
Scheibenflächen
verwendet, um den Gesamtquerschnitt der CVT-Riemenscheiben zu reduzieren.
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In
der Vergangenheit war die allgemeinste Konfiguration eines Kettenbands,
das mechanisch die Riemenscheiben verbindet, ein konventionelles Kettenband
mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Belastungsblöcken. Das
Kettenband kann eine Vielzahl von Kettenglieder- und Blockkonfigurationen
aufweisen, wie zum Beispiel Bolzen- oder Hebelketten, Gliederbänder, etc.
Eine derartige Kette überträgt Energie
in konventioneller Weise, indem eine Zugkraft über die Kettenglieder und Bolzen
der Kette übertragen
wird. Dieser Kettentyp hat Nachteile während des Betriebs des CVT,
weil sehr große Druckkräfte erforderlich
sind, um die Energie von den Scheiben auf das Getriebeband zu übertragen.
Wenn in einem CVT eine konventionelle Kette verwendet wird, bewirkt
diese Druckkraft einen Verschleiß der Kette, und sie kann die
Bolzen und Kettenglieder bzw. Laschen der Kette verformen.
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Im
Stand der Technik wurden verschiedene Versuche unternommen, um das
Problem der Kettenabnutzung im CVT anzugehen. Das US-Patent mit
der Nummer 3,431,724 von Steuer offenbart eine Kette mit Gliedern
einheitlicher Konstruktion, die in der Mitte der äußeren Oberfläche der
Glieder angeordnete Verschleißkissen
aufweisen. Das US-Patent mit der Nummer 4,944,715 von Ueda et al.
offenbart eine Kette, in der die äußeren Gliederplatten mittige Verschleißkissen
aufweisen, die integral mit den Kettengliederplatten ausgebildet
sind. Ein Problem mit derartigen Ketten des Standes der Technik
besteht jedoch darin, dass wegen der Anordnung der Verschleißkissen
an den Kettengliedern selbst die großen Druckkräfte der CVT-Riemenscheiben
die Kettenlaschen zusammendrücken,
wodurch ungewollte Reibung zwischen den einander zugewandten Paaren
von Gliederplatten erzeugt wird und ein potentielles Biegen und
Zerbrechen der Kettenglieder stattfindet. Die US-Patente mit den
Nummer 5,052,985 und 5,306,214 von Masuda et al. offenbaren Ketten
mit Verschleißkissen,
die über
den Bolzen angeordnet sind. Ein Problem mit diesen Ketten des Standes
der Technik besteht darin, dass aufgrund der Anordnung der Verschleißkissen über den
Bolzen die hohe Druckkraft der CVT-Riemenscheiben die Bolzen zusammen
drückt,
wodurch ein potentielles Verbiegen der Bolzen und ein Beschädigen der
entsprechenden Glieder stattfindet. In einer Mehrfachplattenverbindungskette
kann der Druck der äußeren Platten
mit den Belastungsblöcken
die inneren Glieder zusammen drücken,
wodurch ein gesteigerter Widerstand gegenüber dem erforderlichen Biegen
der Kette erzeugt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist durch ein Kettenband gemäß Anspruch 1 definiert.
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Das
Kettenband für
ein CVT umfasst eine Mehrzahl von Kettengliedern, während jedes
Kettenglied eine Mehrzahl von parallelen Zuggliederplatten beziehungsweise
Zugverbindungslaschen aufweist. Jede Gliederplatte umfasst Verbindungslöcher, die im
Wesentlichen in Richtung der Enden der Gliederplatten bzw. -laschen
angeordnet sind, während
jedes Kettenglied mit einem angrenzenden Kettenglied durch einen
Bolzen verbunden ist, dessen zwei Enden durch die überlappenden
Verbindungslöcher
in angrenzenden Gliederplatten laufen. Verschleißkissen sind an den äußeren Gliederplatten
angeordnet. Eine Hülse,
die zumindest so lang ist wie die Dicke der Zuggliederplatten, umgibt
koaxial die Kettenbolzen, die durch die überdimensionierten Löcher in
den Gliederplatten laufen. Durch die Hülse werden Druckkräfte zwischen
den Verschleißkissen übertragen,
so dass die durch die Scheiben aufgebrachten Druckkräfte nicht
den Bolzen deformieren oder die Gliederplatten zusammendrücken. Die
Verschleißkissen
sind mittig an der Mittellinie der Kette ausgerichtet und verjüngen sich,
um mit der Verjüngung
der Scheiben der Riemenscheibe zusammenzupassen. Die Verschleißkissen
sind ebenfalls derart konstruiert, dass die Mittellinie der Verschleißkissen
die Mittelachse der Riemenscheibe schneidet, wenn die Kette verwendet
wird.
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Für ein besseres
Verständnis
dieser und anderer Aspekte der Erfindung sollte auf die folgende detaillierte
Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Figuren Bezug genommen
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine Schnittansicht der bewegbaren Hälften der Riemenscheibe (minus
eine) eines CVT, um den Kettenweg und ein Kettensegment in einer
1:1-Antriebsphase zu illustrieren.
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2 zeigt
ein Kettensegment, das die Komponenten der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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3 zeigt
ein Segment des Kettenbandes der vorliegenden Erfindung, um darzustellen,
wie die Oberflächen
der Verschleißkissen
mit dem konischen Winkel der Riemenscheibe zusammenpassen und wie
das Verschleißkissen
um die Riemenscheibenachse angeordnet ist und von ihr strahlförmig ausgeht
und wie es die Kettenteilungslinie zwischen zwei Bolzen halbiert.
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4 zeigt
ein Kettensegment, um die Komponenten einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darzustellen, in der doppelt so viele
Verschleißkissen
durch Anbringen eines Verschleißkissens
an jedem Ende jedes Bolzens verwendet werden.
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5 stellt
dar, wie ein minimaler Spielraum zwischen den Verschleißkissen
vom Bolzen zum großen
Ende die Kissenoberflächen
in einem geraden Strang ausgerichtet hält, um einen geeigneten Eingriff
mit den Kegeln der Riemenscheibe zu realisieren.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist ein Kettenband für
ein stufenloses Getriebe, wie zum Beispiel der Typ mit den Riemenscheibenhälften oder „Scheiben", die sich axial
zueinander und voneinander weg bewegen, wodurch der Abstand zwischen
ihnen an einer gegebenen radialen Entfernung vergrößert oder
verkleinert wird. Das erfindungsgemäße Kettenband weist eine definierte
Breite auf mit radialen Verschleißkissen, die bevor zugt entlang
und von der Mittelachse der Riemenscheibe ausgehend und in dem gleichen Winkel
wie die Riemenscheibenoberfläche
hervorspringen. Die Verschleißkissen
stellen einen beinah linienförmigen
Kontakt mit der Riemenscheibe unabhängig von der radialen Anordnung
her, weil sie im Verhältnis
zu den Bolzen positioniert sind. Gemäß einer Ausführungsform
ist die Breite der Verschleißkissen
relativ schmal aber ausreichend, um kleinere Abweichungen zu berücksichtigen,
und die Seiten sind winklig oder parallel. Die Länge kann dem Bedarf entsprechend
ausgebildet sein, um die Reibung zum Übertragen des erforderlichen
Drehmoments bereitzustellen.
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1 zeigt
ein Schnittbild der bewegbaren Riemenscheibenhälften 2 eines CVT,
um den Kettenweg 4 und ein Segment der Kette 6 in
einer 1:1-Antriebsphase (das heißt bei der gleichen radialen
Anordnung in jeder Riemenscheibe) darzustellen. Eine Scheibe 2 wurde
weggelassen, um die Kettenverbindungen 6 zu veranschaulichen.
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Bezug
nehmend auf 2 ist ein Kettensegment gezeigt,
um die Komponenten der vorliegenden Erfindung darzustellen. Das
CVT-Kettenband der Erfindung umfasst eine Kette mit einer Mehrzahl
von Kettengliedern, während
jedes Kettenglied eine Mehrzahl von inneren Zuggliederplatten beziehungsweise
-laschen 14 mit einem Paar von äußeren Kettengliedern 13 an
jeder Seite aufweist. Die äußeren Kettenglieder 13 besitzen
Verschleißkissen 8 für eine Reibungsverbindung
zu den Scheiben. In der Ausführungsform
der 1 bis 3 sind die Verschleißkissen 8 auf
halbem Wege zwischen den Enden der äußeren Kettenglieder 13 angeordnet.
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Jede
Gliederplatte 13 oder 14 weist Gliederöffnungen 11 auf,
die im Wesentlichen in Richtung der Enden davon angeordnet sind.
Jedes Glied ist mit einem angrenzenden Glied durch einen Bolzen 12 verbunden,
der durch die überlappenden
Gliederöffnungen 11 in
angrenzenden Gliederplatten läuft.
Die Bolzen 12 sind von einer Hülse 10 umgeben. Der Durchmesser
der Öffnung
in der Hülse 10 und
der Durchmesser der Bolzen 12 kann derart ausgewählt werden,
dass sie durch einen festen Presssitz verbunden sind, oder die Verbindung
kann lose sein. In ähnlicher
Weise können
die Zugglieder 14 relativ lose über die Hülsen 10 passen, um
ein Drehen der Kettenglieder um die Hülsen zu gestatten, oder sie
können
einen festen Sitz aufweisen. Die äußeren Glieder 13 passen
ziemlich fest auf die Bolzen 12, um die äußeren Glieder
in ihrer Position zu halten.
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Die
Länge der
Hülse 10 ist
bevorzugt ungefähr
die gleiche wie die Gesamtdicke der geschichteten inneren Kettenglieder 14,
so dass die innere Oberfläche
der äußeren Kettenglieder 13 gegen
die Enden der Hülse 10 drückt, wenn
die Löcher 11 in den äußeren Kettengliedern 13 auf
den Bolzen 12 angebracht sind. Auf diese Weise wird jede
Druckkraft, die auf die Verschleißkissen 8 und daher
auf die äußeren Kettenglieder 13 aufgebracht
wird, auf die Hülsen 10 und
nicht auf die inneren Kettenglieder 14 oder die Bolzen 12 übertragen.
Der Bolzen 12 wird nur die Zugkräfte der Kette wahrnehmen und
wird sich nicht deformieren oder durch die Druckbelastung verformen,
und die inneren Kettenglieder werden nicht zusammen gedrückt und
gemeinsam blockiert. Alternativ können die Hülsen 10 etwas länger als
die Gesamtdicke der inneren Kettenglieder, aber noch etwas kürzer als
die Länge
der Bolzen 12 ausgebildet werden, und die Löcher 11 in
den äußeren Kettengliedern 13 könnten dann
in einer abgestuften Weise mit einem größeren Durchmesseranteil in Richtung
der Innenseite und einem kleineren Durchmesseranteil in Richtung
der Außenseite
hergestellt sein, so dass die Hülsen 10 in
einem größeren Durchmesserteil
der Löcher
auslaufen würden
und der Bolzen durch einen kleineren Durchmesserteil läuft.
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Die
Einschnürung
der Zugglieder beziehungsweise Zuglaschen sowie die Dicke und die
verwendete Anzahl der Zugglieder (die die Kettenbreite bestimmen)
werden durch die Kettenbelastung sowie durch viele andere Bedingungen
bestimmt, die dem Fachmann bekannt sind.
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Bezugnehmend
auf 3 ist ein Segment des Kettenbandes der vorliegenden
Erfindung gezeigt, um die Form der Verschleißkissenoberflächen 8 darzustellen.
Die Verschleißkissen 8 sind
zentriert auf der Mittellinie der Kette 21 und sie sind
nicht nur konisch zulaufend oder verjüngt, um mit dem Winkel 23 der
Scheibe, mit der sie in Verbindung stehen werden, zusammen zu passen,
sondern sie sind ebenfalls verjüngt,
so das sich die Linie 22 der Verschleißkissen 8 mit der
Mittellinie 20 der Riemenscheibenwelle schneidet.
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4 zeigt
ein Kettensegment, das die Komponenten einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert, in der die äußeren Kettenglieder
die Verschleißkissen
darstellen, während ein
Verschleißkissen 8 an
jedem Ende eines jeden Bolzens 12 angeordnet ist im Gegensatz
zu einer äquidistanten
Anordnung zwischen den Bolzen. In dieser Ausführungsform würden zweimal
so viele Verschleißkis sen
wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform vorhanden sein und
die Druckkraft würde
direkt von dem Verschleißkissen 8 auf
die Hülse 10 übertragen
werden im Gegensatz zu einer Übertragung über ein
getrenntes äußeres Kettenglied 13 (1).
Die äußeren Konstruktionsdetails – innere
Kettenglieder 14, Bolzen 12, Hülsen 10, entsprechen
den oben beschriebenen.
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Nun
Bezug nehmend auf 5 hält ein minimaler Spielraum 25 zwischen
den Verschleißkissen 8 von
dem Bolzen bis zum großen
Ende die Kissenoberflächen
ausgerichtet in einem geraden Strang für einen genauen Eingriff mit
der Mittelachse 20 der Kegel der Riemenscheibe. Ein Aussparungswinkel 26 von
dem Bolzen zum schmalen Ende gestattet der Kette, den kleinsten
Durchmesser der Riemenscheibe zu umlaufen.
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Der
Kontakt der Riemenscheibenkegel erfolgt über die Mittellinie der Kette.
Die Verwendung der Hülse 10 um
den Bolzen 12 bewirkt, dass die Last über die Kette übertragen
wird, wodurch die Bolzen 12 nur Zugkräfte über die Kettenlänge wahrnehmen, während die
Druckkraft der Riemenscheibe auf die Hülsen 10 und nicht
auf die Bolzen selbst aufgebracht wird. Verschiedene Materialien
und Prozesse sind für
die Komponenten der Erfindung in Abhängigkeit von der geplanten
Nutzung anwendbar. Zum Beispiel wird die Reibung betrachtet, wenn
das Material, die Zusammensetzung und die Oberflächenbeschaffenheit der Verschleißkissen
ausgewählt
werden. Andere Variationen der hierin beschriebenen Ausführungsformen
kommen in Betracht, wie zum Beispiel das Kombinieren eines Bolzens
und einer Hülse
in einem abgestuften Bolzen, das Vernieten des Bolzens an dem Verschleißkettenglied,
das Hinzufügen
einer Unterlegscheibe zwischen dem Ende der Hülse und dem Verschleißkettenglied.
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Demgemäß sollte
man anerkennen, dass die Ausführungsformen
der hierin beschriebenen Erfindung lediglich illustrierend für die Anwendung
der Prinzipien der Erfindung sind. Die Bezugnahme auf Details der
dargestellten Ausführungsformen
ist nicht dazu gedacht, den Rahmen der Ansprüchen zu beschränken, die
selbst jene als wesentlich für
die Erfindung angesehenen Merkmale wiedergeben.