DE19852875C2

DE19852875C2 - Stufenloses Getriebe vom Halbringtyp

Info

Publication number: DE19852875C2
Application number: DE19852875A
Authority: DE
Inventors: Kouji Ishikawa; Hiromichi Takemura; Hiroyuki Itoh; Hiroshi Kato; Takashi Imanishi
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: JP3661377B2; JPH11148544A; US6036618A; DE19852875A1

Description

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe vom Halbring typ, beispielsweise zur Verwendung als Automatikgetriebe, und speziell eine Verbesserung von Scheiben.

Ein stufenloses Getriebe vom Halbringtyp wie dasjenige, das in der US-PS 5 372 555 beschrieben ist, umfaßt eine Antriebswelle, die sich integral mit einer Antriebsquelle wie etwa einem Motor drehen kann, sowie eine Eingangsscheibe und eine Ausgangs scheibe, die auf der Antriebswelle abgestützt sind. Ein Nocken flansch ist an der Rückseite der Eingangsscheibe vorgesehen. Der Nockenflansch ist in Keilnuteingriff mit der Antriebswelle. Nockenrollen sind zwischen dem Nockenflansch und der Eingangs scheibe angeordnet. Die Eingangsscheibe wird von einem Druckme chanismus vom Lastnockentyp zu der Ausgangsscheibe hin gepreßt.

Zapfen, die jeweils um einen Drehpunkt schwenkbar sind, sind zwischen der Eingangs- und der Ausgangsscheibe angeordnet. Eine Verlagerungsachse ist in dem zentralen Bereich jedes Zapfens positioniert. Eine Antriebsrolle ist auf der Verlagerungsachse drehbar abgestützt. Die Antriebsrolle hat einen Antriebsbereich in Wälzkontakt mit der Eingangs- und der Ausgangsscheibe. Zwi schen der Eingangs- und der Ausgangsscheibe kann die Antriebs rolle um den Drehpunkt des Zapfens schwingen, wodurch ihr Nei gungswinkel in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsänderungs verhältnis zwischen den Scheiben geändert wird.

Ein Axialkugellager, das als ein Antriebsrollenlager dient, ist zwischen jedem Zapfen und seiner entsprechenden Antriebsrolle vorgesehen. Dieses Lager nimmt eine in Druckrichtung wirksame Belastung der Antriebsrolle auf und er laubt der Rolle, sich zu drehen. Die Rotation der Eingangs scheibe wird durch die Antriebsrolle auf die Ausgangsscheibe übertragen. Hochdruck wird in jeder der Scheiben und in der An triebsrolle erzeugt. Dieser Druck kann mit der Hertzschen Theo rie der Kontaktbeanspruchung erklärt werden. Die Hertzsche Theorie der Kontaktbeanspruchung findet Anwendung bei der Ana lyse eines Kontakts zwischen zwei feinen Objekten, die indivi duell von verschiedenen geschlossenen gekrümmten Oberflächen umgeben sind. Dieser Theorie kann nur genügt werden, wenn die Dicke jeder Scheibe ausreichend größer als die Länge der Kon taktoberfläche (einer elliptischen Oberfläche) ist. Daher wird jede herkömmliche Scheibe ausreichend dick gemacht, so daß sie hohem Druck standhält.

Mit zunehmendem Bedarf einer Herabsetzung von Größe und Gewicht moderner stufenloser Getriebe vom Halbringtyp wird jedoch er wartet, daß die Querschnittsdicke der Scheiben verringert wird. Wenn die Scheiben dünner gemacht werden, kann es in einigen Fällen schwierig sein, sie in Entsprechung mit der Hertzschen Theorie der Kontaktbeanspruchung zu verwenden. Außerdem wirkt auf die Scheiben eine Biegebeanspruchung. Dabei werden unver meidlich Beanspruchungszonen nahe Kontaktstellen zwischen der Antriebsrolle und den Scheiben durch die Biegebeanspruchung ge stört. Das resultiert in der Erzeugung einer noch größeren Be anspruchung, wodurch die Scheiben beschädigt werden können. Ferner können die Scheiben durch eine mechanische Spannung, die auf sie wirkt, eventuell brechen.

Die DE 44 31 007 A1 betrifft ein ringförmiges, stufenlos ver stellbares Getriebe mit einer Eingangsscheibe, die auf einer Antriebswelle angeordnet ist, einer Ausgangsscheibe, die auf einer Abtriebswelle angeordnet ist und einen zwischen den Scheiben angeordneter Traktionsvollkörper zum Übertragen von einer Antriebsleistung der Antriebswelle auf die Abtriebswelle.

Der Traktionsvollkörper und die Scheiben weisen jeweils eine durch Karbonitrierung oder Aufkohlung erzeugte und durch einen nachfolgenden Schleifvorgang auf eine effektive Schichtdicke gebrachte, gehärtete Oberfläche auf. Demzufolge wird eine Festigkeit bezüglich Ermüdungsbruch und eine Verbesserung bezüglich der Ermüdung der Traktionsflächen durch eine Oberflächenbehandlung der Traktionsflächen erreicht.

Die in DE 44 31 007 A1 angegebenen Maßangaben der Scheiben und des Traktionsvollkörpers beziehen sich auf ihre Außendurchmesser.

Weitere Maßangaben zu den Scheiben sind der DE 44 31 007 A1 nicht zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein stufenloses Getriebe vom Halbringtyp zur Verfügung zu stellen, das die Standzeit von Eingangs- und Ausgangsscheiben in Abhängigkeit von den geometrischen Abmessungen der Scheiben verbessert.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein stufenloses Getriebe vom Halbringtyp angegeben, das zwischen einer Antriebsquelle, und einem angetriebenen Körper vorgesehen ist und folgendes aufweist: eine Antriebswelle, die durch die Antriebsquelle, drehbar ist, eine Eingangsscheibe, die auf der Antriebswelle abgestützt ist, eine Ausgangsscheibe, die auf der Antriebswelle abgestützt ist und der Eingangsscheibe gegenüber steht, und eine Antriebsrolle, die zwischen der Eingangs- und der Ausgangsscheibe vorgesehen ist, um eine Schwingbewegung auszuführen und in Wälzkontakt mit beiden Scheiben zu sein, wo bei jede von der Eingangsscheibe und der Ausgangsscheibe eine Antriebsoberfläche in Kontakt mit der Antriebsrolle hat, da durch gekennzeichnet, daß die Scheiben so geformt sind, daß (R.d)/(D.t) gegeben ist durch 0,5 < (R.d)/(D.t) < 1,5, mit R = Krümmungsradius jeder Antriebsoberfläche, D = Distanz zwischen den jeweiligen Krümmungsmittelpunkten der Antriebsoberflächen der Scheiben, d = Innendurchmesser jeder Scheibe und t = Dicke jeder Scheibe.

Bei dem stufenlosen Getriebe vom Halbringtyp ist der Kontakt druck gegeben durch

wobei 1/m = 1/rP1 + 1/rP2 gegeben ist und K, n und m Konstanten sind.

Die Gleichung (1) kann wie folgt umgeschrieben werden:

Pmax ∝ K^n'R^2/3. . . .(2)

Wenn die Distanz D zwischen den jeweiligen Krümmungsmittel punkten der Antriebsoberflächen der Eingangs- und der Aus gangsscheibe vergrößert wird, kann die Kontaktkraft an der Kon taktstelle verringert werden, um dadurch den Kontaktdruck zu senken, so daß man erhält:

Pmax ∝ 1/D². . . .(3)

Aus den Gleichungen (2) und (3) kann der Kontaktdruck wie folgt angenommen werden:

Pmax ∝ R/D. . . .(4)

Um das Gewicht und die Größe jeder Scheibe zu verringern, kann die Scheibe so ausgelegt sein, daß entweder ihre Querschnitts dicke verringert oder ihr Innendurchmesser vergrößert wird. In diesem Fall wird jedoch die Querschnittsdicke t der Scheibe 21 an den Punkten A und B nahe dem äußeren und dem inneren Umfang der Antriebsoberfläche 22 der Scheibe erheblich verringert.

Wenn die Querschnittsdicke t der Scheibe 21 verringert wird, besteht die Gefahr, daß die Scheibe verwendet wird, ohne der Hertzschen Theorie der Kontaktbeanspruchung zu entsprechen. Wenn dabei die Scheibe 21 dünn ist, wird die Hertzsche Bean spruchungsverteilung durch Biegebeanspruchung gestört, die auf eine Formänderung der Scheibe 21 zurückgeht, und es ist vorher zusehen, daß die Beanspruchung weiter zunimmt. Anders ausge drückt kann Pmax an dem Punkt A nahe dem äußeren Umfang der Scheibe 21 stabilisiert werden, indem die Dicke t der Scheibe vergrößert wird. An dem Punkt B nahe dem inneren Umfang der Scheibe 21 kann Pmax im übrigen stabilisiert werden, indem der Innendurchmesser d der Scheibe 21 verringert wird, um die Quer schnittsdicke t der Scheibe zu vergrößern.

Man erhält also

Pmax ∝ 1/t, . . .(5)

Pmax ∝ d. . . .(6)

Im Hinblick auf die Gleichungen (4), (5) und (6) ist, anzuneh men, daß der Kontaktdruck wie folgt gegeben ist:

Pmax ∝ (R.d)/(D.t). . . .(7)

Wenn dann eine Last Fc als mechanische Spannung wirkt, die in der Scheibe 21 erzeugt wird, unterliegt ein d-Punkt der folgen den Bedingung:

σd = (M/Z)_d-section ∝ X(R/Dt²)Fc, . . .(8)

wobei X eine Konstante ist.

Um die mechanische Spannung zu verringern, die an einem e-Punkt erzeugt wird, ist es ferner nur notwendig, daß der Innendurch messer d verringert wird.

Somit erhält man

σ_e ∝ Y.dFc, . . .(9)

wobei Y eine Konstante ist.

Aus den Gleichungen (8) und (9) kann σ wie folgt angenommen werden:

σ ∝ (R.d)/(D.t). . . .(10).

Zusätzliche Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und sind aus dieser zum Teil er sichtlich oder können sich durch die praktische Anwendung der Erfindung ergeben. Die Ziele und Vorteile der Erfindung können durch die Einrichtungen und Kombinationen, die speziell nach stehend angesprochen werden, realisiert und erreicht werden.

Die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden, zeigen derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung und dienen gemeinsam mit der obigen allgemeinen Erläute rung und der nachstehenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dazu, die Prinzipien der Erfindung zu er läutern.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merk male und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1A eine Vorderansicht einer Scheibe eines stufenlosen Getriebes vom Halbringtyp gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1B eine Schnittansicht der Scheibe entlang der Linie IA- IA von Fig. 1A;

Fig. 2 ein Diagramm, das Beziehungen zwischen (R.d)/(D.t), dem Kontaktdruck (GPa) und der maximalen mechanischen Spannung (kgf/mm²) zeigt;

Fig. 3 eine Schnittansicht, die Punkte A und B nahe dem äußeren bzw. dem inneren Umfang der Scheibe zeigt; und

Fig. 4 eine längsgeschnittene Seitenansicht, die einen Teil des stufenlosen Getriebes vom Halbringtyp zeigt.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Be zugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Ein stufenloses Getriebe vom Halbringtyp, das in Fig. 4 zu se hen ist, weist eine Antriebswelle 1 auf, die integral mit einer Antriebsquelle E rotiert, die einen Motor und dergleichen auf weist. Die Antriebswelle 1 ist mit einer Eingangsscheibe 21 und einer Ausgangsscheibe 31 versehen, die in der Axialrichtung der Welle 1 voneinander beabstandet sind. Eine Nockenplatte 4 liegt hinter der Eingangsscheibe 21. Die Nockenplatte 4 und die Eingangsscheibe 21 sind jeweils einzeln in Keilnuteingriff mit der Antriebswelle 1 und drehen sich integral mit dieser. Nockenrollen 5 sind zwischen der Nockenplatte 4 und der Ein gangsscheibe 21 angeordnet. Die Eingangsscheibe 21 wird durch einen Druckmechanismus 6 vom Ladenockentyp, der die Nockenrol len 5 umfaßt, zu der Ausgangsscheibe 31 hin gepreßt. Die Aus gangsscheibe 31 ist auf der Antriebswelle 1 drehbar abgestützt. Ein angetriebenes Element 32 wie etwa ein Zahnrad kann sich integral mit der Ausgangsscheibe 31 drehen.

Zapfen 8 sind zwischen der Eingangsscheibe 21 und der Aus gangsscheibe 31 angeordnet. Jeder Zapfen 8 kann in der Rich tung, die durch einen Pfeil Q in Fig. 4 bezeichnet ist, um einen Drehpunkt 7 schwingen. Eine Verlagerungsachse 9 ist in dem zentralen Bereich jedes Zapfens 8 angeordnet. Eine An triebsrolle 10 ist auf der Achse 9 drehbar abgestützt. Die An triebsrolle 10 hat einen Antriebsbereich 10a in Wälzkontakt mit der Eingangs- und der Ausgangsscheibe 21 und 31. Zwischen der Eingangs- und der Ausgangsscheibe 21 und 31 kann die An triebsrolle 10 ihre Neigung in Richtung des Pfeils Q um den Drehpunkt 7 herum in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsände rungsverhältnis zwischen den Scheiben 21 und 31 ändern.

Ein Axialkugellager 11, das als ein Antriebsrollenlager dient, ist zwischen jedem Zapfen 8 und seiner entsprechenden Antriebs rolle 10 vorgesehen. Das Lager 11 nimmt eine Belastung in Axialrichtung auf die Antriebsrolle 10 auf und ermöglicht die Drehbewegung der Rolle 10. Eine Vielzahl von Kugeln 12, die das Axialkugellager 11 bilden, sind in einem ringförmigen Käfig 14 gehalten. Der Käfig 14 ist zwischen einem ringförmigen äußeren Laufring 13, der an dem Zapfen 8 angebracht ist, und der An triebsrolle 10 als einem drehenden Teil angeordnet.

Die Rotation der Eingangsscheibe 21 wird auf die Ausgangs scheibe 31 übertragen, während sich die Antriebsrolle 10 dreht. Hoher Druck wird in jeder der Scheiben 21 und 31 und in der An triebsrolle 10 erzeugt. Dieser Druck kann mit der Hertzschen Theorie der Kontaktbeanspruchung erklärt werden.

Die Fig. 1A und 1B zeigen repräsentativ die Eingangsscheibe 21 von den beiden Scheiben 21 und 31 des stufenlosen Getriebes vom Halbringtyp. Die Scheiben 21 und 31 haben ihre jeweiligen An triebsoberflächen 22, die im wesentlichen gleiche Gestalt ha ben. Wenn die Distanz zwischen den jeweiligen Krümmungsmittel punkten der Antriebsoberflächen 22 der Scheibe 21, der Krüm mungsradius jeder Oberfläche 22, der Innendurchmesser der Scheibe 21 und die Dicke der Scheibe 21 mit D, R, d bzw. t be zeichnet werden, hat die Scheibe 21 eine Gestalt, die gegeben ist durch 0,5 < (R.d)/(D.t) < 1,5.

In Fig. 2 repräsentieren die Abszisse, die linke Ordinate bzw. die rechte Ordinate (R.d)/(D.t), den Kontaktdruck (GPA) bzw. die maximale mechanische Spannung (kgf/mm²). In Fig. 2 reprä sentieren ferner die Vollinie L1 und die Strichlinie L2 be obachtete Werte des Kontaktdrucks (GPa) bzw. der maximalen me chanischen Spannung (kgf/mm²).

Wenn (R.d)/(D.t) kleiner als 0,5 ist, wie Fig. 2 zeigt, ist der Kontaktdruck jeder Antriebsoberfläche zwangsläufig höher als 4,0 GPa. Der Wert von 4,0 GPa ist die Eindruckgrenze für die Scheibe 21 und die Antriebsrolle.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt Ergebnisse von Dauerstandfe stigkeits-Tests von zehn Scheiben (Nr. 1 bis Nr. 10) unter schiedlicher Größen, die einer maximalen Belastung unterworfen wurden.

Wenn (R.d)/(D.t) höher als 1,5 war, überschritt die maximale mechanische Spannung 80 kgf/mm², und die Scheibe 21 brach in nerhalb von 200 h, wie die Ergebnisse der in der Tabelle 1 ge zeigten Dauerstandfestigkeits-Tests zeigen. Daraus folgte, daß die mechanische Spannung von 1,5 die Obergrenze der maximalen Belastung war.

Aus diesen Gründen ist zu schließen, daß der Zielzeitraum von 200 h erreicht werden kann, wenn 0,5 < (R.dD.t) < 1,5 vorliegt. Bei den oben angegebenen Dauerstandfestigkeits-Tests sind 200 Stunden ein Zeitraum, der gleich der in der Praxis notwendigen Dauerstandfestigkeit bei einem Kraftfahrzeug ist. In der Tabelle 1 bezeichnen "O" bzw. "X" in der Spalte "Entscheidung" eine akzeptable bzw. eine inakzeptable Dauer standfestigkeit.

Vorzugsweise sind die Scheiben 21 und 31 so geformt, daß 0,7 ≦ (R.d)/(D.t) ≦ 1,3 erfüllt ist. Wenn (R.d)/(D.t) innerhalb dieses Bereichs ist, ist der Kontaktdruck auf einem Wert, der um ca. 15% niedriger als sein oberer Grenzwert von 4,0 GPa ist, wie Fig. 2 zeigt, und die maximale mechanische Spannung hat einen Wert, der 15% niedriger als ihr oberer Grenzwert von 80 kgf/mm² ist. Somit sind der Kontaktdruck und die maximale mechanische Spannung ausreichend niedrig. Außerdem zeigen die Testergebnisse der Tabelle 1, daß der Zielzeitraum erreicht wurde.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Scheiben 21 und 31 so geformt, daß 0,9 ≦ (R.d)/(D.t) ≦ 1,1 erfüllt ist. Wenn (R.d)/(D.t) innerhalb dieses Bereichs ist, sind die jeweiligen Werte des Kontaktdrucks und der maximalen mechanischen Spannung innerhalb von ausreichend niedrigen Bereichen ausgeglichen, so daß von jeder Scheibe zu erwarten ist, daß ihre Dauerstandfestigkeit und dergleichen weiter verbessert ist. Ferner zeigen die Testergebnisse der Tabelle 1, daß der Zielzeitraum erreicht wird.

Wenn die Distanz D zwischen den jeweiligen Krümmungsmittel punkten der Antriebsoberflächen 22 der Scheibe 21 und der Krüm mungsradius R jeder Oberfläche 22 größer wird, nimmt auch die Nenndrehkraft zu, und die Druckkraft auf die Kontaktoberfläche wird verstärkt. Da der durch (Rd)/(D.t) gegebene Wert eine dimensionslose Größe ist, ist jedoch auch bei einer Änderung von D oder R die mechanische Spannung im wesentlichen gleichmä ßig. Daher können die gleichen Ergebnisse ungeachtet der Grö ßenänderung der Scheibe 21, die von der Drehkraftkapazität der Scheibe 21 abhängig ist, erreicht werden.

Es wurde zwar repräsentativ die Eingangsscheibe 21 beschrieben, aber für die Ausgangsscheibe 31 gilt das gleiche. In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird ferner das stufenlose Halbringgetriebe vom Einzelhohlraumtyp beschrieben. Die Erfin dung ist aber auch bei einem stufenlosen Halbringgetriebe vom Doppelhohlraumtyp mit gleichem Ergebnis anwendbar.

Weitere Vorteile und Modifikationen ergeben sich für den Fach mann ohne weiteres. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf die speziellen Details und repräsentativen Ausführungsformen beschränkt, die hier gezeigt und beschrieben sind. Es können somit verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er in den Patentansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.

Claims

1. Stufenloses Getriebe vom Halbringtyp, das folgendes auf weist:
eine Antriebswelle (1), die durch eine Antriebsquelle (E) drehbar ist;
eine Eingangsscheibe (21), die auf der Antriebswelle (1) abgestützt ist;
eine Ausgangsscheibe (31), die auf der Antriebswelle (1) abgestützt ist und der Eingangsscheibe (21) gegenüber steht; und
eine Antriebsrolle (10), die zwischen der Eingangs- und der Ausgangsscheibe (21, 31) zur Ausführung einer Schwingbewegung und in Wälzkontakt mit beiden Scheiben (21, 31) vorgesehen ist,
wobei jede von der Eingangs- und Ausgangsscheibe (21, 31) eine Antriebsoberfläche (22) hat, die mit der Antriebs rolle (10) in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Scheiben (21, 31) so geformt sind, daß (Rd)/(D.t) gegeben ist durch
0,5 < (R.d)/(D.t) < 1,5
mit R = der Krümmungsradius jeder Antriebsfläche (22),
D = Distanz zwischen den jeweiligen Krümmungsmittelpunk ten der Antriebsoberflächen (22) der Scheiben (21, 31),
d = Innendurchmesser jeder Scheibe (21, 31) und
t = die Dicke jeder Scheibe (21, 31).

2. Stufenloses Getriebe vom Halbringtyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangsscheibe (21, 31) so geformt sind, daß die Beziehung (R.d)/(D.t) gegeben ist durch
0,7 < (R.d)/(D.t) < 1,3.