DE102016216280A1

DE102016216280A1 - Gleitschiene für ein Umschlingungsmittel eines Umschlingungsgetriebes und Messverfahren zum Ermitteln eines anliegenden Drehmoments an einem Kegelscheibenpaar

Info

Publication number: DE102016216280A1
Application number: DE102016216280.2A
Authority: DE
Inventors: Pierre Werny; Reinhard Stehr; Andreas Götz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2017-03-30
Also published as: CN108027060A; US20180274674A1; WO2017054808A1; US10895307B2; DE112016004409A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleitschiene für ein Umschlingungsmittel eines Umschlingungsgetriebes, wobei die Gleitschiene zumindest eine Gleitfläche zum Führen eines Umschlingungsmittels und weiterhin zumindest einen Beschleunigungssensor aufweist, wobei der zumindest eine Beschleunigungssensor derart eingerichtet ist, dass mittels des zumindest einen Beschleunigungssensors eine Beschleunigung der Gleitschiene senkrecht zur zumindest einen Gleitfläche erfassbar ist. Mit dem hier vorgeschlagenen Umschlingungsgetriebe und Messverfahren ist eine besonders exakte Ermittlung des aktuell anliegenden Drehmoments ohne zusätzlichen Bauraum benötigende und kostspielige Bauteile ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitschiene für ein Umschlingungsmittel eines Umschlingungsgetriebes, ein Umschlingungsgetriebe für einen Antriebsstrang und einen Antriebsstrang, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Messverfahren zum Ermitteln eines anliegenden Drehmoments an einem Kegelscheibenpaar, ein Regelprogramm, ein Regelprogrammprodukt und eine Regeleinheit.
Aus dem Stand der Technik sind Umschlingungsgetriebe bekannt, mit welchen zumindest bereichsweise eine stufenlose Veränderung der Übersetzung (beziehungsweise Untersetzung) möglich ist. Ein solches Umschlingungsgetriebe ist beispielsweise aus der DE 100 17 005 A1 bekannt. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Umschlingungsgetriebes wird als CVT-Getriebe (engl.: continuous variable transmission) bezeichnet.
Das Umschlingungsgetriebe umfasst zwei Kegelscheibenpaare, welche jeweils zwei Kegelscheiben aufweisen. Die Kegelscheiben sind jeweils mit ihrer Kegelfläche aufeinander zu ausgerichtet. Zwischen den Kegelscheiben eines Kegelscheibenpaars wird somit ein Scheibenkeil gebildet. Die beiden Kegelflächen sind entlang ihrer gemeinsamen Rotationsachse relativ zueinander zwischen einer maximal beabstandeten Stellung und einer minimal beabstandeten Stellung verschiebbar. Meist ist eine Kegelscheibe axial fixiert und die andere Kegelscheibe axial verschiebbar. Somit ist der Scheibenkeil veränderlich gebildet. Mittels eines gemeinsamen Umschlingungsmittels, zum Beispiel einer Übertragungskette, sind die beiden Kegelscheibenpaare drehmomentübertragend miteinander verbunden. Das Umschlingungsmittel weist eine Mehrzahl von Beugeachsen auf, zum Beispiel bei einer Übertragungskette mittels einer Mehrzahl von Kettenbolzen oder bei einem Riemen unendlich viele theoretische Beugeachsen. Das Umschlingungsmittel wandert in einem Kegelscheibenpaar radial nach außen, wenn dessen Kegelscheiben aufeinander zu geführt werden, und das Umschlingungsmittel wandert in einem Kegelscheibenpaar radial nach innen, wenn sich die Kegelscheibenpaare voneinander entfernen. Diese Bewegung wird in einem Umschlingungsgetriebe an den Kegelscheibenpaaren in der Regel jeweils genau entgegengesetzt ausgeführt, während der Abstand zwischen den Kegelscheibenpaaren fixiert ist, sodass die Spannung des Umschlingungsmittels (nahezu) konstant bleibt, ohne dass ein Umlenkmechanismus beziehungsweise Spannmechanismus für das Umschlingungsmittel vorgesehen werden muss.
Relativ zu einem ersten Kegelscheibenpaar ist eine Getriebeeingangswelle rotatorisch fixiert, und relativ zu einem mittels des Umschlingungsmittels drehmomentübertragend verbundenen zweiten Kegelscheibenpaar ist eine Getriebeausgangswelle rotatorisch fixiert. Je nach gewähltem Abstand der Kegelscheiben eines Kegelscheibenpaares zueinander im Verhältnis zum gewählten Abstand des anderen Kegelscheibenpaars ist eine Übersetzung einstellbar.
In manchen Anwendungsgebieten wird das Umschlingungsgetriebe mit einem üblichen Schaltgetriebe mit festen Übersetzungsgängen kombiniert, sodass eine größere Übersetzungsspreizung mit einer vergleichsweise geringeren Anzahl von festen Übersetzungsgängen erreicht wird.
Im Stand der Technik wird ein (hydraulischer) Drehmomentfühler eingesetzt, wie zum Beispiel aus der DE 42 34 294 A1 bekannt. Diese Steuerung ist sehr genau, dafür aber teuer und nicht bauraumneutral umsetzbar. Alternativ wird eine elektronische Steuerung eingesetzt, mittels derer eine Anpressung des Umschlingungsmittels basierend auf einem im Motorsteuergerät aus Größen wie Drosselklappenwinkel, Einspritzmenge, und weiteren Motorkennwerten das Motormoment errechnet wird. Diese Steuerung ist kostengünstig und bauraumneutral umsetzbar, jedoch für einige Anwendungen zu ungenau. Insbesondere unter Teillast, besonders bei down-sized Motoren, erweist sich dieses Momentensignal als relativ ungenau.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft eine Gleitschiene für ein Umschlingungsmittel eines Umschlingungsgetriebes, wobei die Gleitschiene zumindest eine Gleitfläche zum Führen eines Umschlingungsmittels und weiterhin zumindest einen Beschleunigungssensor aufweist, wobei der zumindest eine Beschleunigungssensor derart eingerichtet ist, dass mittels des zumindest einen Beschleunigungssensors eine Beschleunigung der Gleitschiene senkrecht zur zumindest einen Gleitfläche erfassbar ist.
Wegen des nicht verbindungstangentialen Verlassens des Umschlingungsmittels aus dem zwischen den Kegelscheiben eines Kegelscheibenpaars gebildeten Scheibenkeil, insbesondere aufgrund eines polygonalen Laufs, welcher aus einer (meist) endlichen Teilung einer Kette resultiert, und anderen dynamischen Effekten beim Einlauf in den und Auslauf aus dem Scheibenkeil, sowie infolge von Veränderungen der Übersetzung beziehungsweise infolge von Drehungleichförmigkeiten und sonstigen Vibrationen wird das Umschlingungsmittel um die Umschlingungsmittelebene in Schwingung versetzt. Die Umschlingungsmittelebene (oder kurz: Schwingungsebene) ist die kürzeste Tangentialverbindung des eingestellten Wirkkreises der Kegelscheibenpaare, also der Abstand des zwischen den Kegelscheiben gebildeten Scheibenkeilstumpfs, welcher der Breite des Umschlingungsmittels entspricht. Somit ist die Lage der Schwingungsebene mit der Änderung der Übersetzung veränderlich. Die Schwingungsebene deckt sich in der Regel mit der Mittelebene in Laufrichtung des jeweiligen Trums, das heißt des Lasttrums, teilweise auch Zugtrum genannt, beziehungsweise des Leertrums, teilweise auch Schubtrum genannt, des Umschlingungsmittels. Um diese Schwingungen zu reduzieren, werden im Stand der Technik Gleitschienen mit zumindest einer Gleitfläche, bevorzugt zwei gegenüberliegenden Gleitflächen beidseits der Schwingungsebene, eingesetzt. Die zumindest eine Gleitfläche liegt mit möglichst geringem Spiel über eine möglichst lange Erstreckung an dem Umschlingungsmittel an. Solche Gleitschienen sind zum Beispiel aus der oben genannten DE 100 17 005 A1 oder aus der WO 2014/012 741 A1 bekannt. Bevorzugt ist die Gleitschiene für einen Lasttrum und für einen Leertrum, mit gegebenenfalls baulichen Anpassungen, eingerichtet.
Es wurde erkannt, dass die Schwingung des Umschlingungsmittels beziehungsweise der Trume als Information für das aktuell anliegende Drehmoment genutzt werden kann und dabei sehr genaue Werte liefert. Im Folgenden wird der mathematisch-physikalische Zusammenhang erläutert.
Das anliegende Drehmoment (M_D) lässt sich durch die Trumspannkräfte, nämlich die Spannkraft (T_Z) des Lasttrums und die Spannkraft (T_L) des Leertrums, berechnen, indem deren Spannungsdifferenz gebildet wird und mit dem Radius (Hebelarm) (r_a) des aktuell eingestellten Umschlingungskreises multipliziert wird: MD = T_Z·r_a – T_L·r_a = (T_Z – T_L)·r_a (1.1)
Der aktuell anliegende Radius (r_a) ist eine veränderliche Größe, welche jedoch für das Einstellen einer erwünschten Übersetzung bereits im Stand der Technik ermittelt wird und daher bekannt ist. Die Spannkraft (T_Z) des Lasttrums wird im Weiteren als Zugspannkraft (T_Z) und die Spannkraft (T_L) des Leertrums als Leerspannkraft (T_L) bezeichnet.
Die Schwingfrequenz (f_Z beziehungsweise f_L) eines Trums ist eine Funktion der Trumspannkraft (T_Z beziehungsweise T_L), welche sich in ausreichend genauer Näherung durch den physikalischen Schwingungszusammenhang einer idealen Saite mit einer Länge (L) und Massebelag (μ) wie folgt darstellen lässt:
Stellt man diese Funktion entsprechend um erhält man: T_Z = μ·(2·L·f_Z)² beziehungsweise T_L = μ·(2·L·f_L)² (1.3)
Die Länge (L) und Massebelag (μ) der Trume sind näherungsweise konstante und bekannte Größen. Der Massebelag (μ) weist die Einheit Masse (der Saite) pro Länge (der Saite) auf [kg/m]. Diese Werte sind für den Leertrum und den Lasttrums Prinzip bedingt identisch und aufgrund der Auslegung und/oder durch empirische Anpassung bekannt und konstant.
Setzt man diese Formel (1.3) zur Berechnung der Trumspannkraft (T_Z beziehungsweise T_L) in der oben angegebenen Formel (1.1) zur Berechnung des Drehmoments (MD) ein, erhält man aus den Schwingfrequenzen (f_Z und f_L) und dem bekannten aktuell eingestellten Radius (r_a) direkt das anliegende Drehmoment (MD): ⇒ e M_D = (μ·(2·L·f_Z)² – μ·(2·L·f_L)²) (1.4) ⇔ M_D = r_a·μ·4·L²(f_Z – f_L)² (1.5)
Es ergibt sich also ein einfacher Zusammenhang zwischen den Schwingfrequenzen (f_Z und f_L) und dem anliegenden Drehmoment (M_D), welcher hier in einfacher Weise nutzbar ist, indem ein Beschleunigungssensor in den Gleitschienen vorgesehen wird. Der Beschleunigungssensor ist dabei derart eingerichtet, dass die Beschleunigungen senkrecht zur Gleitfläche ermittelt werden. Mit der Befestigung des Beschleunigungssensors mit der (jeweiligen) Gleitschiene ist sichergestellt, dass dieser mit seiner (Haupt-)Messrichtung stets senkrecht zur Schwingungsebene ausgerichtet ist, weil die Gleitschiene entsprechend beweglich aufgehängt ist. Dies hat zudem den Vorteil, dass zugleich die Trumspannkräfte (T_Z und T_L) überwachbar sind.
Alternativ oder zusätzlich sind eine Mehrzahl von Beschleunigungssensoren vorgesehen, welche zur Bereinigung der Messwerte, zum Beispiel für Querbeschleunigungsanteile oder thermische Effekte (als Wheatstone'sche Brücke), eingesetzt sind. Bevorzugt wird im Folgenden von einem Beschleunigungssensor gesprochen, wobei damit die gesamte Messanordnung auf einer Baueinheit oder auch eine Mehrzahl von Messanordnungen beziehungsweise Baueinheiten gemeint ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Gleitschiene ein Gusselement und der zumindest eine Beschleunigungssensor ist in das Gusselement eingegossen.
Für viele Anwendungen ist es zweckmäßig die Gleitschiene, bevorzugt vollständig, aus Kunststoff herzustellen und diese als Spritzgussteil zu fertigen. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen sind einfache Beschleunigungssensoren direkt in das Gusselement beim Spritzgießen integrierbar. Dadurch ist der Beschleunigungssensor im Fertigungsprozess direkt richtig ausrichtbar und für die gesamte Lebensdauer in dieser Position gesichert. Darüber hinaus ist der Beschleunigungssensor in einer bevorzugten Ausführungsform baumraumneutral in eine ansonsten konventionelle Gleitschiene integriert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Umschlingungsgetriebe für einen Antriebsstrang vorgeschlagen, welches zumindest die folgenden Komponenten aufweist:

– zumindest eine Getriebeeingangswelle mit einem ersten Kegelscheibenpaar;
– zumindest eine Getriebeausgangswelle mit einem zweiten Kegelscheibenpaar;
– zumindest ein Umschlingungsmittel, welches das erste Kegelscheibenpaar mit dem zweiten Kegelscheibenpaar drehmomentübertragend verbindet und dabei einen Lasttrum und einen Leertrum bildet. Das Umschlingungsgetriebe ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Beschleunigungssensor für den Lasttrum und für den Leertrum vorgesehen ist, wobei der zumindest eine Beschleunigungssensor derart eingerichtet ist, dass mittels des Beschleunigungssensors eine Beschleunigung des jeweiligen Trums senkrecht zur Schwingungsebene erfassbar ist, wobei bevorzugt weiterhin eine Regeleinheit zum drehmomentabhängigen Einstellen des Anpressdrucks eines jeweiligen der Kegelscheibenpaare umfasst ist.

Mit dem hier vorgeschlagenen Umschlingungsgetriebe ist ein Drehmoment übersetzbar beziehungsweise untersetzbar übertragbar, wobei die Übertragung zumindest bereichsweise stufenlos einstellbar ist. Die Übersetzung wird dabei über die zwei Kegelscheibenpaare wie oben beschrieben eingestellt. Das Umschlingungsmittel wird dabei zwischen den jeweils relativ zueinander beweglichen Kegelscheiben eines Kegelscheibenpaars angeordnet und überträgt ein Drehmoment von einem Kegelscheibenpaar auf das andere Kegelscheibenpaar. Die zumindest eine Gleitschiene ist hierbei stets anliegend parallel zum Umschlingungsmittel ausgerichtet. Die Schwingungen eines Trums sind mittels eines Beschleunigungssensors ermittelbar, welcher extern angeordnet ist, beispielsweise mittels eines hochfrequent abstandmessenden Lasersensors. Bevorzugt sind ein erster Beschleunigungssensor für den Lasttrum und ein zweiter Beschleunigungssensor für den Leertrum vorgesehen.
Mittels des zumindest einen Beschleunigungssensors sind die Schwingfrequenzen der Trume erfassbar. Die Schwingfrequenzen wiederum sind nach der oben aufgezeigten mathematischen Näherung zur Ermittlung des Drehmoments nutzbar.
Bevorzugt wird mittels des derart ermittelten Drehmoments der Anpressdruck an beiden Kegelscheibenpaaren oder dem jeweiligen Kegelscheibenpaar, für welches das Drehmoment berechnet wurde (durch Einsetzen des jeweiligen Radius und entsprechender Vorzeichenumkehr), durch eine Regeleinheit gesteuert. Die Regeleinheit ist bevorzugt ein integraler Bestandteil des Umschlingungsgetriebes. Alternativ ist die Regeleinheit durch eine zentrale oder (mehrere) dezentrale Recheneinheit gebildet, mittels welcher nur das Umschlingungsgetriebe oder weitere Bestandteile eines Antriebsstrangs oder auch andere Aufgaben prozessiert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Umschlingungsgetriebes ist zumindest einer der Beschleunigungssensoren in einer Gleitschiene nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung angeordnet.
Durch das Befestigen des Beschleunigungssensors an einer Gleitschiene ist ein besonders einfacher Aufbau der Messanordnung, und besonders bevorzugt bauraumneutral, möglich. Bevorzugt werden zwei Gleitschienen mit jeweils zumindest einem Beschleunigungssensor für je einen Trum vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, welcher eine Antriebsaggregat mit einer Abtriebswelle, zumindest einen Verbraucher und ein Umschlingungsgetriebe nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung aufweist, wobei die Abtriebswelle zur Drehmomentübertragung mittels des Umschlingungsgetriebes mit dem zumindest einen Verbraucher mit veränderbarer Übersetzung verbindbar ist.
Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einem Antriebsaggregat, zum Beispiel einer Energiewandlungsmaschine, zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Elektromotors, bereitgestelltes und über seine Abtriebswelle abgegebenes Drehmoment für eine Nutzung bedarfsgerecht zu übertragen, also unter Berücksichtigung der benötigten Drehzahl und des benötigten Drehmoments. Die Nutzung ist beispielsweise zumindest ein Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs und/oder ein elektrischer Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Antriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie, die dann das Antriebsaggregat bildet, mittels des Umschlingungsgetriebes auf einen elektrischen Generator zur Rekuperation, also der elektrischen Speicherung der Bremsenergie, mit einem entsprechend eingerichteten Drehmomentübertragungsstrang umsetzbar. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebsaggregaten vorgesehen, die in Reihe oder parallel geschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind und deren Drehmoment mittels eines Umschlingungsgetriebes gemäß der obigen Beschreibung jeweils bedarfsgerecht zur Nutzung zur Verfügung gestellt werden kann. Beispiele sind Hybridantriebe aus Elektromotor und Verbrennungskraftmaschine, aber auch Mehrzylindermotoren, bei denen einzelne Zylinder(-gruppen) zuschaltbar sind. Um das Drehmoment gezielt und/oder mittels eines Schaltgetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen zu übertragen, ist das oben beschriebene Umschlingungsgetriebe besonders vorteilhaft, weil eine große stufenfreie Übersetzungsspreizung auf geringem Raum erreichbar ist. Die hier vorgeschlagene Messeinrichtung zur Erfassung der Schwingfrequenzen der Trume ist mit geringem Bauraum oder sogar bauraumneutral umsetzbar. Zudem ist das Messverfahren beziehungsweise Regelverfahren einfach mit nur drei Stellgrößen, nämlich den beiden Schwingfrequenzen und dem aktuell eingestellten Radius des Umschlingungskreises, umsetzbar und erfordert keine aufwendige Regelungstechnik.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest ein Antriebsrad aufweist, welches mittels eines Antriebsstrangs nach obiger Beschreibung antreibbar ist.
Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen teilweise die Antriebsaggregat, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder einen Elektromotor, vor der Fahrerkabine und längs zur Hauptfahrrichtung an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, Umschlingungsgetriebe kleiner Baugröße zu verwenden. Ähnlich gestaltet sich der Einsatz eines Umschlingungsgetriebes in motorisierten Zweirädern, für welche eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichbleibendem Bauraum gefordert wird. Zugleich muss die Zuverlässigkeit solcher Systeme konstant gehalten oder sogar gesteigert werden, weil die Akzeptanz für Wartungen bei den Nutzern gering ist.
Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Aggregate in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der oben beschriebene Antriebsstrang weist ein Umschlingungsgetriebe auf, welches keinen konventionellen Drehmomentfühler benötigt oder bei einer höheren Erfassungsgenauigkeit des Drehmoments gegenüber einem Umschlingungsgetriebe mit konventionellem Drehmomentfühler bauraumneutral oder sogar kompakter ausführbar ist. Die Erfassungsgenauigkeit ist dabei gegenüber einer indirekten elektronischen Ermittlung des aktuell anliegenden Drehmoments aus Motorkennwerten deutlich verbessert.
Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Messverfahren zum Ermitteln eines anliegenden Drehmoments an einem Kegelscheibenpaar, bevorzugt dem eingangsseitigen (ersten) Kegelscheibenpaar, eines Umschlingungsgetriebes mit einem Umschlingungsmittel, welches ein erstes Kegelscheibenpaar mit einem zweiten Kegelscheibenpaar drehmomentübertragend verbindet und dabei einen Lasttrum und einen Leertrum bildet, bevorzugt eines Umschlingungsgetriebes nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, vorgeschlagen, wobei das Messverfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:

a. Erfassen der ersten Beschleunigung des Lasttrums quer zur Schwingungsebene des Lasttrums und Erfassen der zweiten Beschleunigung des Leertrums quer zur Schwingungsebene des Leertrums;
b. Ermitteln der Schwingfrequenz des Lasttrums und Ermitteln der Schwingfrequenz des Leertrums auf Basis der in Schritt a. erfassten Beschleunigungen;
c. basierend auf dem physikalischen Schwingungszusammenhang einer idealen Saite mit Massebelag, Ermitteln der Zugspannkraft im Lasttrum und Ermitteln der Schubspannkraft im Leertrum auf Basis der in Schritt b. ermittelten Schwingfrequenzen; und
d. Ermitteln des Drehmoments an dem Kegelscheibenpaar durch Bilden einer Spannkraftdifferenz aus der in Schritt c. ermittelten Schubspannkraft und Zugspannkraft und Multiplikation dieser Spannkraftdifferenz mit dem aktuell eingestellten Umschlingungsradius an dem betreffenden Kegelscheibenpaar.

Mittels des hier aufgezeigten Messverfahrens ist es möglich, das Drehmoment an einem Kegelscheibenpaar ohne einen erheblichen Messaufwand, und bevorzugt ohne die Notwendigkeit von zusätzlichem Bauraum, exakt zu erfassen. Hierzu wird lediglich die Beschleunigung des Lasttrums und des Leertrums quer zur jeweiligen Schwingungsebene erfasst. Aus der jeweiligen Beschleunigung wird die Schwingfrequenz (f_Z beziehungsweise f_L) des Lasttrums beziehungsweise des Leertrums ermittelt. Hieraus lässt sich wie oben dargestellt die jeweilige Trumspannkraft (T_Z beziehungsweise T_L) ermitteln. Die hierzu zusätzlich notwendigen Informationen, also die Länge (L) der Trume und der Massebelag (μ) der Trume sind für den Leertrum und den Lasttrums Prinzip bedingt identisch und aufgrund der Auslegung und/oder durch empirisch ermittelte Anpassung bekannt und konstant. Nun lässt sich hieraus das Drehmoment an einem Kegelscheibenpaar bestimmen, indem die Spannkraftdifferenz (±[T_Z – T_L]) mit dem aktuell eingestellten Radius an dem betreffenden Kegelscheibenpaar multipliziert wird. Sofern die Richtung des Drehmoments bekannt ist, kann mit dem Betrag der Spannkraftdifferenz (|T_Z – T_L|) gearbeitet werden. Alternativ wird zur Ermittlung der Richtung des Drehmoments für das eingangsseitige Kegelscheibenpaar die (positive) Schubspannkraft von der (positiven) Zugspannkraft abgezogen und für das ausgangsseitige Kegelscheibenpaar die (positive) Zugspannkraft von der (positiven) Schubspannkraft abgezogen.
Die Beschleunigung des Lasttrums beziehungsweise des Leertrums quer zur jeweiligen Schwingungsebene ist in beliebiger konventioneller Weise ermittelbar. Besonders bevorzugt wird die jeweilige Beschleunigung mittels eines Beschleunigungssensors in der jeweiligen Gleitschiene ermittelt, bevorzugt nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung. Hierdurch ist ein einfacher, und besonders bevorzugt ein bauraumneutraler, Aufbau möglich.
Besonders bevorzugt wird das ermittelte Drehmoment in einem Regelverfahren zur Regelung des Anpressdrucks für das jeweiligen Kegelscheibenpaar oder beider Kegelscheibenpaare genutzt. Der Zusammenhang zwischen dem anliegenden Drehmoment und dem benötigten Anpressdruck ist beispielsweise aus der DE 42 34 294 A1 bekannt. In diesem Regelverfahren wird also anschließend an den Schritt d. ein Schritt e. ausgeführt, wobei auf Basis des in Schritt d. ermittelten Drehmoments der Anpressdruck des betreffenden Kegelscheibenpaars oder beider Kegelscheibenpaare angepasst wird. Dabei wird erreicht, dass ein Drehmoment sicher von dem Kegelscheibenpaar auf das Umschlingungsmittel beziehungsweise von dem Umschlingungsmittel auf das andere Kegelscheibenpaar übertragbar ist.
Gemäß am weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Regelprogramm vorgeschlagen, welches in einer Regeleinheit ausführbar ist, welches das Messverfahren oder ein Regelverfahren nach einer Ausführungsform gemäß der vorhergehenden Beschreibung umfasst, wobei der Anpressdruck des Kegelscheibenpaars auf Basis des ermittelten Drehmoments eingestellt wird.
Das Regelprogramm ist auf einem Regler, welcher einen Prozessor umfasst, ausführbar und wird mittels der jeweiligen Aktuatoren in eine konkrete Maschinenaktion umgesetzt. Der Regler selbst bildet eine Regeleinheit oder der Regler bildet zusammen mit den entsprechenden Aktuatoren eine Regeleinheit. Hierbei wird beispielsweise der pneumatische oder hydraulische Druck auf die axial bewegbare Kegelscheibe des Kegelscheibenpaars abhängig vom ermittelten Drehmoment durch die Erfassung der Schwingfrequenz und des aktuell eingestellten Radius des Umschlingungsmittels in dem Kegelscheibenpaar eingestellt. Bevorzugt ist das Regelprogramm auch, zum Beispiel zu Testzwecken, auf einem externen (Multifunktion-)Regler und/oder in einer Simulation ausführbar. Das Regelprogramm umfasst dabei bekannte und bereits ausgearbeitete Verfahrensbestandteile, die zur Ausführung notwendig und/oder etabliert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Regelprogrammprodukt vorgeschlagen, welches das Regelprogramm nach einer Ausführungsform gemäß der vorhergehenden Beschreibung umfasst.
Das Regelprogrammprodukt umfasst das Regelprogramm gespeichert auf einem Festkörper, wie zum Beispiel einer CD, DVD, Blue-Ray-Disc, einem USB-Flashspeicher, einer (Server-)Festplatte oder einer speziell eingerichtete Platine. Wird das Regelprogrammprodukt eingelesen, so ist es auf einer Recheneinheit, bevorzugt einem speziell eingerichteten Regler beziehungsweise Regelsystem, bevorzugt nach einem Kopieren des Regelprogramms oder nach Installation, betriebsfertig ausführbar. Das als Regelprogramm und/oder das auf dem Regelprogrammprodukt gespeicherte Verfahren können dabei modular ausgeführt sein und notwendige bekannte und bereits ausgearbeitete Verfahrensbestandteile zur Ausführung des Verfahrens aus anderen Quellen, wie zum Beispiel einem Server im Internet, beziehen. Darüber hinaus kann zusätzliche Hardware, wie zum Beispiel Sensoren, zur Ausführung des Verfahrens eingebunden werden.
Gemäß am weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Regeleinheit für ein Umschlingungsgetriebe vorgeschlagen, mittels welcher das Messverfahren nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung oder ein Regelprogramm nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ausführbar ist.
Die Regeleinheit ist bevorzugt Bestandteil eines konventionellen Regelsystems eines Umschlingungsgetriebes und/oder einer Motorsteuerung. Bevorzugt ist die Regeleinheit im Gehäuse des Umschlingungsgetriebes angeordnet und kommunizierend mit den entsprechenden Sensoren oder indirekt mit Auswerteeinheiten verbunden, sodass die Regeleinheit Zugriff auf die Rohdaten und/oder auf aufbereitete Daten hat. Die Regeleinheit weist hierzu eine Mehrzahl von Regeloperatoren auf, welche bevorzugt in einen (Mikro-)Prozessor beziehungsweise eine entsprechende Speichereinheit implementiert sind. Die Operatoren führen die Unterschritte des Messverfahrens, beziehungsweise des Regelverfahrens zum Regeln des Anpressdrucks, aus. Die Regeleinheit umfasst Aktuatoren zur Umsetzung der Regelung und/oder greift zu diesem Zweck auf externe Aktuatoren zu.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
1: ein Umschlingungsgetriebe mit Regeleinheit;
2: eine Gleitschiene mit Beschleunigungssensor; und
3: ein Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug mit Umschlingungsgetriebe.
In 1 ist ein Umschlingungsgetriebe 4 gezeigt, bei welchem eine erste Gleitschiene 1 und eine zweite Gleitschiene 2 für das gemeinsame Umschlingungsmittel 3 vorgesehen sind. Beidseits der Trume 16 und 17 des Umschlingungsmittels 3 weisen die Gleitschienen 1 und 2 Gleitflächen 5 und 6 auf (hier nur an der ersten Gleitschiene 1 bezeichnet). Von dem Umschlingungsmittel 3 sind beim Lasttrum 16 und beim Leertrum 17 jeweils drei Kettenglieder Aars pro toto angedeutet und im Übrigen ist das Umschlingungsmittel 3 für eine bessere Übersichtlichkeit mit gestrichelten Linien dargestellt. Hier ist das Umschlingungsmittel 3 beim ersten Kegelscheibenpaar 13 auf einem minimalen Umschlingungsradius 27 angeordnet und beim zweiten Kegelscheibenpaar 15 entsprechend auf dem maximalen Umschlingungsradius 27 (hier nicht explizit bezeichnet) angeordnet. Mittels der unterschiedlichen Umschlingungsradien 27 ist ein Drehmoment 24 von der Getriebeeingangswelle 12 übersetzt oder untersetzt an einer Getriebeausgangswelle 14 und umgekehrt übertragbar. Um das Drehmoment 24, hier beispielhaft an der Getriebeeingangswelle 12, zu bestimmen wird hier die erste Beschleunigung 9 des Lasttrums 16 quer zur Schwingungsebene 31 des Lasttrums 16 und die zweite Beschleunigung 10 des Leertrums 17 quer zur Schwingungsebene 32 des Leertrums 17 erfasst. Daraus lässt sich, wie in der vorhergehenden Beschreibung dargelegt, die Zugspannkraft 25 beziehungsweise die Schubspannkraft 26 basierend auf bekannten Werten (Länge und Massebelag) und dem physikalischen Zusammenhang einer Saite mit Massebelag einfach berechnen. Bildet man nun die Spannungsdifferenz zwischen den Trumspannkräften 25 und 26 und multipliziert diese mit dem aktuell eingestellten Umschlingungsradius 27, so erhält man das aktuell anliegende Drehmoment 24. Auf Basis des so ermittelten Drehmoments 24 ist der Anpressdruck eines Kegelscheibenpaars 13 oder beider Kegelscheibenpaare 13 und 15 mittels einer Regeleinheit 18 angemessen einstellbar.
In 2 ist eine Gleitschiene 1 beziehungsweise 2, beziehungsweise eine Hälfte einer paarig aufgebauten Gleitschiene, dargestellt, welche sowohl für den Lasttrum 16 als auch für den Leertrum 17 (vergleiche 1) baugleich einsetzbar ist. Hierbei ist nur die erste Gleitfläche 5 zu erkennen und die zweite Gleitfläche 6 in dieser Darstellung verdeckt. Zwischen der ersten Gleitfläche 5 und der zweiten Gleitfläche 6 ist die jeweilige Schwingungsebene 31 beziehungsweise 32 angeordnet, welche stets parallel zu den Gleitflächen 5 und 6 angeordnet ist. Somit ist ein Beschleunigungssensor 7 beziehungsweise 8, welcher in die Gleitschiene 1 beziehungsweise 2 integriert ist, bevorzugt eingegossen ist, mit der (Haupt-)Messrichtung quer zu der Schwingungsebene 31 beziehungsweise 32 ausgerichtet. Somit ist hier eine richtig-weisende Messung und zugleich eine bauraumneutrale Anordnung ermöglicht, wodurch das oben beschriebene Messverfahren beziehungsweise Regelungsverfahren im beispielsweise einem Umschlingungsgetriebe 4 wie in 1 dargestellt in besonders einfacher und zuverlässiger Weise umsetzbar ist.
In 3 ist ein Antriebsstrang 11, umfassend ein Antriebsaggregat 19, hier als Verbrennungskraftmaschine dargestellt, eine Abtriebswelle 20, ein Umschlingungsgetriebe 4 und ein drehmomentübertragend verbundenes linkes Antriebsrad 21 und rechtes Antriebsrad 22, schematisch dargestellt. Die Abtriebswelle 20 des Antriebsaggregats 19 bildet hierbei zugleich die Getriebeeingangswelle 12. Die Welle zu den Antriebsrädern 21 und 22 sind mit der Getriebeausgangswelle 14 drehmomentübertragend verbunden. Der Antriebsstrang 11 ist hier in einem Kraftfahrzeug 23 angeordnet, wobei das Antriebsaggregat 19 mit seiner Motorachse 30 quer zur Längsachse 29 vor der Fahrerkabine 28 angeordnet ist.
Mit dem hier vorgeschlagenen Umschlingungsgetriebe und Messverfahren ist eine ohne zusätzlichen Bauraum benötigende und kostspielige Bauteile besonders exakte Ermittlung des aktuell anliegenden Drehmoments ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: erste Gleitschiene
2: zweite Gleitschiene
3: Umschlingungsmittel
4: Umschlingungsgetriebe
5: erste Gleitfläche
6: zweite Gleitfläche
7: erster Beschleunigungssensor
8: zweiter Beschleunigungssensor
9: erste Beschleunigung
10: zweite Beschleunigung
11: Antriebsstrang
12: Getriebeeingangswelle
13: erstes Kegelscheibenpaar
14: Getriebeausgangswelle
15: zweites Kegelscheibenpaar
16: Lasttrum
17: Leertrum
18: Regeleinheit
19: Antriebsaggregat
20: Abtriebswelle
21: linkes Antriebsrad
22: rechtes Antriebsrad
23: Kraftfahrzeug
24: Drehmoment
25: Zugspannkraft
26: Schubspannkraft
27: Umschlingungsradius
28: Fahrerkabine
29: Längsachse
30: Motorachse
31: Lasttrum-Schwingungsebene
32: Leertrum-Schwingungsebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10017005 A1 [0002, 0009]
DE 4234294 A1 [0006, 0036]
WO 2014/012741 A1 [0009]

Claims

Gleitschiene (1, 2) für ein Umschlingungsmittel (3) eines Umschlingungsgetriebes (4), wobei die Gleitschiene (1, 2) zumindest eine Gleitfläche (5, 6) zum Führen eines Umschlingungsmittels (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschiene (1, 2) weiterhin zumindest einen Beschleunigungssensor (7,8) aufweist, wobei der zumindest eine Beschleunigungssensor (7, 8) derart eingerichtet ist, dass mittels des zumindest einen Beschleunigungssensors (7, 8) eine Beschleunigung (9, 10) der Gleitschiene (1, 2) senkrecht zur zumindest einen Gleitfläche (5, 6) erfassbar ist.
Gleitschiene (1, 2) nach Anspruch 1, wobei die Gleitschiene (1, 2) ein Gusselement umfasst und der zumindest eine Beschleunigungssensor (7, 8) in das Gusselement eingegossen ist.
Umschlingungsgetriebe (4) für einen Antriebsstrang (11), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: – zumindest eine Getriebeeingangswelle (12) mit einem ersten Kegelscheibenpaar (13); – zumindest eine Getriebeausgangswelle (14) mit einem zweiten Kegelscheibenpaar (15); – zumindest ein Umschlingungsmittel (3), welches das erste Kegelscheibenpaar (13) mit dem zweiten Kegelscheibenpaar (15) drehmomentübertragend verbindet und dabei einen Lasttrum (16) und einen Leertrum (17) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Beschleunigungssensor (7, 8) für den Lasttrum (16) und für den Leertrum (17) vorgesehen ist, wobei der Beschleunigungssensor (7, 8) derart eingerichtet sind, dass mittels des Beschleunigungssensors (7, 8) eine Beschleunigung (9, 10) des jeweiligen Trums (16, 17) senkrecht zur Schwingungsebene (31) erfassbar ist, wobei bevorzugt weiterhin eine Regeleinheit (18) zum drehmomentabhängigen Einstellen des Anpressdrucks eines jeweiligen der Kegelscheibenpaare (13, 15) umfasst ist.
Umschlingungsgetriebe (4) nach Anspruch 3, wobei zumindest einer der Beschleunigungssensoren (7, 8) in einer Gleitschiene (1, 2) nach Anspruch 1 oder 2 angeordnet ist.
Antriebsstrang (11) aufweisend eine Antriebsaggregat (19) mit einer Abtriebswelle (20), zumindest einen Verbraucher (21, 22) und ein Umschlingungsgetriebe (4) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Abtriebswelle (20) zur Drehmomentübertragung mittels des Umschlingungsgetriebes (4) mit dem zumindest einen Verbraucher (21, 22) mit veränderbarer Übersetzung verbindbar ist.
Kraftfahrzeug (23) aufweisend zumindest ein Antriebsrad (21, 22), welches mittels eines Antriebsstrangs (11) nach Anspruch 4 antreibbar ist.
Messverfahren zum Ermitteln eines anliegenden Drehmoments (24) an einem Kegelscheibenpaar (13, 15), bevorzugt dem eingangsseitigen Kegelscheibenpaar (13), eines Umschlingungsgetriebes (4) mit einem Umschlingungsmittel (3), welches ein erstes Kegelscheibenpaar (13) mit einem zweiten Kegelscheibenpaar (15) drehmomentübertragend verbindet und dabei einen Lasttrum (16) und einen Leertrum (17) bildet, bevorzugt nach Anspruch 3, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a. Erfassen der ersten Beschleunigung (9) des Lasttrums (16) quer zur Schwingungsebene (31) des Lasttrums (16) und Erfassen der zweiten Beschleunigung des Leertrums (17) quer zur Schwingungsebene (32) des Leertrums (17); b. Ermitteln der Schwingfrequenz des Lasttrums (16) und Ermitteln der Schwingfrequenz des Leertrums (17) auf Basis der in Schritt a. erfassten Beschleunigungen (9, 10); c. basierend auf dem physikalischen Schwingungszusammenhang einer idealen Saite mit Massebelag, Ermitteln der Zugspannkraft (25) im Lasttrum (16) und Ermitteln der Schubspannkraft (26) im Leertrum (17) auf Basis der in Schritt b. ermittelten Schwingfrequenzen; und d. Ermitteln des Drehmoments (24) an dem Kegelscheibenpaar (13) durch Bilden einer Spannkraftdifferenz aus der in Schritt c. ermittelten Schubspannkraft (25) und Zugspannkraft (26) und Multiplikation dieser Spannkraftdifferenz mit dem aktuell eingestellten Umschlingungsradius (27) an dem betreffenden Kegelscheibenpaar (13).
Regelprogramm, welches in einer Regeleinheit (18) ausführbar ist, umfassend das Messverfahren nach Anspruch 7, wobei der Anpressdruck des Kegelscheibenpaars (13, 15) auf Basis des ermittelten Drehmoments (24) eingestellt wird.
Regelprogrammprodukt, welches das Regelprogramm nach Anspruch 8 umfasst.
Regeleinheit (18) für ein Umschlingungsgetriebe (4), mittels welcher das Messverfahren nach Anspruch 7 oder ein Regelprogramm nach Anspruch 8 ausführbar ist.