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Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe, insbesondere in Form eines Riemengetriebes. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektromechanischen Verstellung eines solchen Getriebes, welches beispielsweise in einem motorisierten Zweirad, insbesondere in einem Motorroller, nutzbar ist.
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Ein kontinuierlich verstellbarer Umschlingungsmitteltrieb ist beispielsweise aus der
DE 199 46 336 A1 bekannt. Der bekannte, insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehene Umschlingungsmitteltrieb umfasst einen Variator mit Kegelscheiben, wobei eine der Kegelscheiben axial verschiebbar ist und zwischen den Kegelscheiben auf einem verstellbaren Radius ein Umschlingungsmittel in Form eines Riemens aufgenommen ist. Eine Anpresseinrichtung sorgt für einen Reibschluss zwischen den Kegelscheiben und dem Umschlingungsmittel. Die Anpresseinrichtung des verstellbaren Getriebes nach der
DE 199 46 336 A1 umfasst Zwangsführungsmittel, die in Abhängigkeit vom zu übertragenden Moment und/oder einer von außen einzustellenden Übersetzung eine axiale Verschiebung der Kegelscheibe bewirken.
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Weitere stufenlos verstellbare, mit Umschlingungsmitteln arbeitende Getriebe, welche zur Verwendung in zwei- oder vierrädrigen Fahrzeugen vorgesehen sind, sind zum Beispiel in den Dokumenten
EP 3 387 295 B1 und
US 11,320,023 B2 beschrieben. Im letztgenannten Fall umfasst ein Riemen eine Vielzahl an Einzelelementen.
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Die
US 11,326,244 B2 offenbart einen metallischen Werkstoff für eine Riemenscheibe eines stufenlosen Getriebes sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Riemenscheibe. Die Riemenscheibe nach der
US 11,326,244 B2 soll sich durch eine hohe Verschließfestigkeit auszeichnen.
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Ein in der
DE 102 22 520 A1 beschriebenes Automatgetriebe umfasst zwei Kegelscheibensätze, wobei eine Anordnung der Drehachsen zweier Kegelscheiben mindestens eines Kegelscheibensatzes zueinander variierbar ist. Auf diese Weise soll einem Aufspreizen der Kegelscheiben entgegengewirkt werden können.
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Die
EP 1 743 107 B1 offenbart ein koaxiales elektrisches Stellglied für ein stufenloses Getriebe. In diesem Fall umfasst ein elektrischer Aktuator einen axial beweglichen Anker. Auch in diesem Fall ist ein Riemen als Umschlingungsmittel vorgesehen.
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Die
EP 1 413 802 B1 beschreibt Details einer Riemenscheibe für ein stufenloses Getriebe. Als mögliche Anwendungsfelder sind Motorroller und Kleinstwagen genannt. Ferner ist in der
EP 1 413 802 B1 auf die grundsätzliche Möglichkeit hingewiesen, Riemenscheiben eines stufenlos einstellbaren Getriebes mittels eines elektronisch gesteuerten Stellantriebs axial zu bewegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektromechanisch stufenlos verstellbare Getriebe, insbesondere Riemengetriebe, welche unter anderem für die Verwendung in Zweirädern, beispielsweise Motorrollern, geeignet sind, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand und Funktionalität angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein stufenloses Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur elektromechanischen Verstellung eines stufenlosen Getriebes gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verstellverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Getriebe mit per elektromechanischer Aktuatorik stufenlos verstellbarem Übersetzungsverhältnis, und umgekehrt.
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Das anmeldungsgemäße Getriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen Variator mit zwei gegeneinander verschiebbaren Kegelscheiben, wobei dem Variator ein elektromechanischer Aktuator zuzurechnen ist. Gemäß Anspruch 1 umfasst der Aktuator eine zweistufige Getriebeanordnung mit einem Schneckengetriebe als erster Getriebestufe und einem Gewindetrieb als zweiter Getriebestufe. Durch die Hintereinanderschaltung der beiden genannten Getriebestufen ist insgesamt ein für die vorgesehene Anwendung passendes Untersetzungsverhältnis erreichbar. Zur Betätigung der Getriebeanordnung ist ein Elektromotor gängiger Bauart, beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, geeignet.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst die zweistufige Getriebeanordnung ein um die gemeinsame Rotationsachsachse der gegeneinander verschiebbaren Kegelscheiben verschwenkbares Zahnradsegment, welche als Abtriebselement der ersten Getriebestufe und zugleich als Antriebselement der zweiten Getriebestufe, das heißt des Gewindetriebs, vorgesehen ist.
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Das Zahnradsegment kann grundsätzlich ein- oder mehrteilig aufgebaut sein und ist beispielsweise um einen Winkel von mindestens 30° und maximal 180° um die gemeinsame Rotationsachsachse der Kegelscheiben verdrehbar. Im Fall eines mehrteiligen Aufbaus ist eine dem Gewindetrieb zuzurechnende Innenverzahnung des Zahnradsegments beispielsweise durch einen gesonderten Ring gebildet. Dieser Ring ist mit einem weiteren, als Komponente des Schneckengetriebes fungierenden Element des Zahnradsegments verbunden.
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Gemäß einer ersten möglichen Bauform ist der Gewindetrieb als einfaches Bewegungsgewinde ausgebildet. Hierbei können die in der Art eines Gewindes miteinander zusammenwirkenden Bauteile, das heißt Gewindespindel und Spindelmutter, beispielsweise trapezförmig profiliert sein.
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Alternativ kann es sich bei dem Gewindetrieb zum Beispiel um einen Wälzgewindetrieb, insbesondere einen Kugelgewindetrieb, handeln. Ein Wälzgewindetrieb weist im Vergleich zu einem Gewindetrieb ohne Wälzkörper typischerweise eine geringere Reibung auf.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung umfasst der Gewindetrieb ein abtriebseitiges, hülsenförmiges Getriebeelement, welches als verschiebbare, den Abstand zwischen den Kegelscheiben variierende Gewindespindel fungiert und zusätzlich steigungsbehaftet innenverzahnt ist. Hierbei wirkt das hülsenförmige Getriebeelement derart mit einem drehfesten, gehäusestarren, außenverzahnten Element zusammen, dass eine Verschiebung des hülsenförmigen Getriebeelementes zwangsläufig mit einer Verdrehung desselben Getriebeelementes einhergeht. Durch diese kinematisch mit dem Vorschub gekoppelte Verdrehung ist insgesamt eine schraubende Bewegung des hülsenförmigen, außen- und innenverzahnten Getriebeelementes gegeben. Damit ist ein abweichendes Übersetzungsverhältnis im Vergleich zu einem Gewindetrieb mit ausschließlich verschiebbarem, verdrehgesicherten Abtriebselement festlegbar.
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Das anmeldungsgemäße Verfahren dient allgemein der elektromechanischen Verstellung eines stufenlosen Getriebes, nämlich Umschlingungsgetriebes, insbesondere Riemengetriebes, wobei mittels einer ersten Getriebestufe eine erste, durch einen Elektromotor bewirkte Rotation in eine zweite Rotation gewandelt und mittels eines der ersten Getriebestufe nachgeschalteten Gewindetriebs, dessen Mittelachse mit der gemeinsamen Rotationsachse eines verstellbaren Kegelscheibenpaares des Getriebes zusammenfällt, die zweite Rotation in eine das Übersetzungsverhältnis des Getriebes verändernde lineare Stellbewegung umgesetzt wird.
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Die Ansteuerung des Getriebes kann wahlweise gemäß einer von mehreren Kennlinien erfolgen. Durch die Kennlinien wird insbesondere die Relation zwischen Motordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt, wobei in die Festlegung dieser Relation eine Vielzahl an Einflüssen, unter anderem die Drosselklappenstellung, eingehen können. In den durch die verschiedenen Kennlinien bestimmten Betriebsmodi des Getriebes treten unterschiedliche Geräuschemissionen, insbesondere beim Anfahren, auf, wobei in jedem Modus ein im Vergleich zu älteren Getriebekonzepten günstiges Geräuschverhalten gegeben ist. Dies gilt auch für Fälle, in denen das Getriebe einen Leerlaufmodus aufweist, welcher eine Fliehkraftkupplung eines herkömmlichen Antriebsstrangs ersetzt.
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Eine Umschaltung zwischen verschiedenen Kennlinien oder Kennfelder kann durch den Nutzer des Fahrzeugs und/oder automatisch erfolgen. Beispielsweise sind verschiedene Charakteristika unter den Begriffen Normal , Eco , das heißt verbrauchsoptimiert, und Sport, das heißt leistungsoptimiert, auswählbar. Optional sieht die Getriebesteuerung die Auswahl virtueller Getriebestufen vor.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 u. 2 ein stufenloses Getriebe in perspektivischen Ansichten,
- 3 das stufenlose Getriebe in Explosionsdarstellung,
- 4 Komponenten der Anordnung nach 3 in vergrößerter Darstellung,
- 5 Komponenten eines Gewindetriebs des stufenlosen Getriebes in Explosionsdarstellung,
- 6 Komponenten der Anordnung nach 5 in geschnittener Darstellung,
- 7 Merkmale der Ansteuerung des stufenlosen Getriebes in einem Blockschaubild,
- 8 in einem Diagramm die Abhängigkeit zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrehzahl bei einem mit dem stufenlosen Getriebe ausgestatteten Fahrzeug in verschiedenen Betriebsmodi des Getriebes,
- 9 das stufenlose Getriebe in frontaler Ansicht,
- 10 hintereinander geschaltete Getriebestufen, nämlich ein Schneckengetriebe und ein Gewindetrieb, des stufenlosen Getriebes in perspektivischer Ansicht,
- 11 die Anordnung nach 9 in einer zweiten Einstellung,
- 12 die Getriebekomponenten nach 10 in der Einstellung nach 11,
- 13 u. 14 das stufenlose Getriebe in der Einstellung nach den 9 und 10 in Draufsicht beziehungsweise Seitenansicht,
- 15 u. 16 das stufenlose Getriebe in der Einstellung nach den 11 und 12 in Ansichten analog 13 beziehungsweise 14.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes stufenloses Getriebe, welches allgemein auch als CVT-Getriebe bezeichnet wird, ist für die Verwendung in einem motorisierten Zweirad, insbesondere einem Motorroller, vorgesehen. Das Zweirad wird verbrennungsmotorisch durch einen ein- oder mehrzylindrigen Zweitakt- oder Viertaktmotor angetrieben. Alternativ kann das Zweirad einen Hybridantrieb, das heißt eine Kombination aus verbrennungsmotorischem und elektromotorischem Antrieb, aufweisen. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion des stufenlosen Getriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Zur Variation des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 1 weist dieses einen Variator 2 auf, welcher ein vorderes, aktiv verstellbares Kegelscheibenpaar 3 umfasst. Zwischen den mit 4, 5 bezeichneten Kegelscheiben des Kegelscheibenpaars 3 läuft ein Riemen als Zugmittel 8. Die außen, im vorliegenden Fall an der linken Fahrzeugseite angeordnete Kegelscheibe 5 ist mit einer Außenverzahnung 7 versehen. Ferner sind an der Kegelscheibe 5 Rippen 6 angebracht. Die gemeinsame Mittelachse der Kegelscheiben 4, 5, das heißt des vorderen Kegelscheibenpaars 3, ist in Querrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet.
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Zusätzlich zum vorderen Kegelscheibenpaar 3 existiert ein hinteres, auf Höhe des Hinterrades angeordnetes Kegelscheibenpaar 9, welches lediglich passiv verstellbar ist und sich damit der Einstellung des vorderen Kegelscheibenpaars 3 anpasst. Das hintere Kegelscheibenpaar 9 ist aus zwei Kegelscheiben 10, 11 gebildet, wobei sich auf der Seite der äußeren Kegelscheibe 11, das heißt im vorliegenden Fall auf der linken Fahrzeugseite, ein Gehäuse 12 befindet, in welchem eine Anpressmechanik 13 angeordnet ist, die unter Nutzung der Kraft einer Schraubenfeder 30 für die gewünschte Axialkraft zwischen den Kegelscheiben 10, 11 sorgt. Der Variator 2 stellt in jedem Betriebszustand des Getriebes 1 zusammen mit der passiven Anpressmechanik 13 sicher, dass der Riemen 8, sobald er das Fahrzeug antreiben soll, mit der erforderlichen Spannung um die beiden Kegelscheibenpaare 3, 9 läuft.
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Dem Variator 2 ist elektromechanischer Aktuator 14 zur Verstellung des Kegelscheibenpaars 3 und damit zur Einstellung eines wirksamen Radius der Kegelscheiben 4, 5 zuzurechnen. Die Verstellrichtung des Aktuators 14 ist mit VR angegeben. Teil des Aktuators 14 ist ein Elektromotor 15, dessen Längsachse im vorliegenden Fall in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet ist. Durch den Elektromotor 15 wird eine zweistufige, insgesamt mit 16 bezeichnete Getriebeanordnung betätigt.
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Die erste Getriebestufe liegt als Schneckengetriebe 17 vor. Als Eingangselement des Schneckengetriebes 17 existiert eine Gewindespindel 18, welche mit der Motorwelle des Elektromotors 15 drehfest verbunden ist. Die Gewindespindel 18 ist mit Hilfe von Lagern 29, bei welchen es sich um Gleitlager oder um Wälzlager, insbesondere Kugellager, handeln kann, gelagert.
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Das Ausgangselement des Schneckengetriebes 17 liegt in Form eines im vorliegenden Fall einteiligen Zahnradsegments 19 vor. Das Zahnradsegment 19 ist um die gemeinsame Rotationsachse der beiden Kegelscheiben 4, 5 schwenkbar. Ein Ring 20, welcher einen integralen Bestandteil des Zahnradsegments 19 darstellt, ist konzentrisch zur genannten Rotationsachse angeordnet. Eine ebenfalls konzentrisch zur Rotationsachse der Kegelscheiben 4, 5 angeordnete Welle ist mit 21 bezeichnet.
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Im Ring 20 ist eine innenverzahnte Hülse 26 gehalten, insbesondere eingepresst, die die Funktion einer verdrehbaren, nicht verschiebbaren Spindelmutter eines insgesamt mit 42 bezeichneten Gewindetriebs hat. Die in Gewindeform vorliegende Innenverzahnung der Hülse 26 wirkt direkt zusammen mit einer Außenverzahnung einer verschiebbaren Hülse 27, welche als zugehörige Gewindespindel des Gewindetriebs 42 fungiert. An einer Stirnseite der Hülse 27 ist ein Lagerungsabschnitt 28 mit vergrößertem Durchmesser ausgebildet. Ein in den Lagerungsabschnitt 28 eingesetztes Radiallager ist mit 31 bezeichnet. Der in diesem Fall gewählte Begriff Radiallager schließt nicht aus, dass durch dieses Lager 31 auch Axialkräfte übertragen werden können.
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Eine Verschwenkung des Zahnradsegments 19 bewirkt nicht nur eine Verschiebung der Hülse 27, sondern auch deren Verdrehung. Verantwortlich hierfür ist ein drehfest angeordnetes, verzahntes Ringelement 22, welches in die verschiebbare Hülse 27 eingreift und mit einer in Schraubenform gewundenen Innenverzahnung dieser Hülse 27 zusammenwirkt. Das verzahnte Ringelement 22 weist auf seiner dem Kegelscheibenpaar 3 abgewandten Stirnseite einen Anschlussflansch 25 auf. Zur Befestigung des Anschlussflansches 25 an einem Umgebungsbauteil sind Schrauben 23 vorgesehen. Eine Hülse, welche zwischen die Welle 21 und das Ringelement 22 eingesetzt ist, ist mit 24 bezeichnet.
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Lägen an der Außenumfangsfläche des Ringelements 22 sowie an der Innenumfangsfläche der verschiebbaren Hülse 27 Längsrillen und -stege vor, so wäre damit eine Verdrehsicherung der Hülse 27 gegeben. Im Ausführungsbeispiel ist eine solche Verdrehsicherung durch die außenseitigen beziehungsweise innenseitigen Schraubenstrukturen der Elemente 22, 27 ersetzt. Dies hat den Effekt einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Gewindetriebs 42 im Vergleich zu einem Gewindetrieb mit ausschließlich verschiebbarem Abtriebselement. Aufgrund der Entkopplung zwischen der Rotation der Hülse 27 einerseits und der Rotation des Kegelscheibenpaars 3 andererseits ist die Verdrehung der Hülse 27, welche mit ihrer Verschiebung zwangsläufig einhergeht, hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Gewindetriebs 42, das heißt der Umsetzung einer Rotation in eine Linearbewegung, ohne Belang. Anders ausgedrückt: Die Verdrehung der Hülse 27 um ihre eigene Achse wird nicht zur Einleitung eines Moments in irgendein anderes Element der Getriebeanordnung 16 genutzt.
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Die Ansteuerung des stufenlosen Getriebes 1 wird im Folgenden anhand 7 näher erläutert. Hierin bezeichnet 32 eine Batterie, im vorliegenden Fall eine 12 V Batterie, des Fahrzeugs, das heißt Motorrollers oder Motorrads, welches mit dem stufenlosen Getriebe 1 ausgestattet ist. Über einen Datenbus 38, zum Beispiel CAN-Bus, sind unter anderem verschiedene Sensoren und Schalter 33, 34, 35, 36 mit einer Steuereinheit 37 verknüpft. Im Einzelnen handelt es sich um einen Sensor 33, mit welchen die Stellung eines Gasgriffs oder einer Drosselklappe erfasst wird, um einen Sensor 34, welcher die Stellung eines Bremshebels erfasst, einen Sensor 35 am Zündschalter, und einen Sensor 36, welcher die Gemisch-Aufbereitung, insbesondere Einspritzung, betrifft. Weiterhin sind Sensoren 39, 40, 41 mit der Steuereinheit 37 verknüpft. Der Sensor 39 erfasst die Drehzahl des vorderen, antreibenden Kegelscheibenpaars 3, wogegen der Sensor 40 die Drehzahl des hinteren, angetriebenen Kegelscheibenpaars 9 detektiert. Mit dem Sensor 41 wird die Einstellung des verstellbaren Kegelscheibenpaars 3, das heißt der Abstand zwischen den Kegelscheiben 4, 5, erfasst.
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Eigenschaften verschiedener Betriebsmodi des stufenloses Getriebes 1 gehen aus 8 hervor. Hierin bezeichnet v die Fahrzeuggeschwindigkeit und n die Drehzahl des Verbrennungsmotors, welcher das Fahrzeug über das Getriebe 1 antreibt. Die Kennlinie K1 ist in einem Basis-Modus der Getriebesteuerung gegeben. Wie aus 8 hervorgeht, werden hierbei Schaltvorgänge des Getriebes 1, ähnlich wie bei einem automatisierten oder manuellen Schaltgetriebe, simuliert. In einem zweiten Modus, für welchen die Kennlinie K2 gilt, ist die Steuerung des Getriebes 1 auf geringen Kraftstoffverbrauch ausgelegt. In weiten Bereichen liegt die Drehzahl n hierbei deutlich unter der Drehzahl n, welche gemäß der ersten Kennlinie K1 gegeben ist. Umgekehrt sind gemäß einer dritten Kennlinie K3, welche einen Sport-Modus repräsentiert, nahezu im gesamten Geschwindigkeitsbereich höhere Drehzahlen n als im Basis-Modus K1 gegeben.
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Was das Anfahren des Fahrzeugs, welches mit dem stufenlosen Getriebe 1 ausgerüstet ist, betrifft, existiert eine Einstellung des vorderen Kegelscheibenpaars 3, in welcher die Kegelscheiben 4, 5 soweit voneinander beabstandet sind, dass der Riemen 8 nicht mitgenommen wird. Dies gilt für die Betriebsmodi nach sämtlichen Kennlinien K1, K2, K3. Durch die Steuereinheit 37 kann ein automatischer Wechsel zwischen den Kennlinien K1, K2, K3, je nach Fahrstil, vorgesehen sein. Alternativ ist ein Wechsel zwischen den Kennlinien K1, K2, K3 durch Benutzereingabe möglich. In allen Fällen trägt die aktive, elektromechanische Verstellung des Kegelscheibenpaars 3 maßgeblich zu einem wirtschaftlichen und verschleißarmen, weitestgehend schlupffreien Betrieb des stufenlosen Getriebes 1 bei.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- stufenloses Getriebe
- 2
- Variator
- 3
- vorderes, aktiv verstellbares Kegelscheibenpaar
- 4
- Kegelscheibe
- 5
- Kegelscheibe
- 6
- Rippe
- 7
- Außenverzahnung
- 8
- Zugmittel, Riemen
- 9
- hinteres, passiv verstellbares Kegelscheibenpaar
- 10
- Kegelscheibe
- 11
- Kegelscheibe
- 12
- Gehäuse
- 13
- Anpressmechanik
- 14
- Aktuator
- 15
- Elektromotor
- 16
- Getriebeanordnung
- 17
- Schneckengetriebe, erste Getriebestufe
- 18
- Gewindespindel
- 19
- Zahnradsegment
- 20
- Ring des Zahnradsegments
- 21
- Welle
- 22
- verzahntes Ringelement, nicht drehbar
- 23
- Schraube
- 24
- Hülse
- 25
- Anschlussflansch des Ringelements
- 26
- Hülse, innenverzahnt
- 27
- Hülse, verschiebbar
- 28
- Lagerungsabschnitt der Hülse 27
- 29
- Lager
- 30
- Schraubenfeder
- 31
- Radiallager
- 32
- Batterie
- 33
- Gasgriff-Sensor
- 34
- Bremshebel-Sensor
- 35
- Zündschalter
- 36
- Gemisch-Aufbereitungs-Signalgeber
- 37
- Steuereinheit
- 38
- Datenbus
- 39
- Sensor, antriebsseitig
- 40
- Sensor, abtriebsseitig
- 41
- Riemenpositions-Sensor
- 42
- Gewindetrieb
- K1, K2, K3
- Kennlinien
- n
- Drehzahl
- v
- Geschwindigkeit
- VR
- Verstellrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19946336 A1 [0002]
- EP 3387295 B1 [0003]
- US 11320023 B2 [0003]
- US 11326244 B2 [0004]
- DE 10222520 A1 [0005]
- DE 102006044543 A1 [0006]
- DE 102005006157 B4 [0006]
- EP 1743107 B1 [0007]
- EP 1413802 B1 [0008]
