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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
stufenlosen Getriebes, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben.
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Ein
Getriebe dieser Art ist allgemein bekannt, beispielsweise aus
EP-A-1 167 839 im
Namen des vorliegenden Anmelders. Bei dieser Art von Getriebe, das
auf Reibung und Klemmkraft basiert, ist eine Mindestkraft erforderlich,
durch die die Scheiben den Antriebsriemen einklemmen, um ihm zu
ermöglichen, eine
Drehung von einer Rolle auf eine andere zu übertragen. Eine erforderliche
axiale Mindestklemmkraft Fax-min, die von einer Rolle an den Antriebsriemen
angelegt wird und notwendig ist, damit ein zugeführtes Drehmoment praktisch
ohne Schlupf zwischen dem Riemen und der Scheibe weitergeleitet werden
kann, wird in diesem Zusammenhang in der Praxis oftmals aus dem
Produkt aus dem zugeführten
Drehmoment T und dem Kosinus der Hälfte eines Winkels Φ berechnet,
der zwischen den sich verjüngenden
Rollenscheiben definiert ist, geteilt durch das Produkt des Zweifachen
eines Rollradius R des Antriebsriemens zwischen den Scheiben einer
Rolle und einem empirisch definierten Drehmomentübertragungskoeffizienten τ:
Fax-min = (T·cos(1/2φ))/(2·R·τ) (1) -
In
der Praxis wird der Drehmomentübertragungskoeffizient τ in dieser
Gleichung häufig
durch den Reibungskoeffizient μ im
Kontakt zwischen dem Antriebsriemen und der Rolle ersetzt. Gleichung
(1) kann als eine gute Annäherung
betrachtet werden.
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Der
Wert der auf diese Weise bestimmten erforderlichen Mindestklemmkraft
Fax-min gilt grundsätzlich
für beide
Rollen, um aber ein konstantes Übersetzungsverhältnis aufrechtzuerhalten,
kann es notwendig sein, dass die Klemmkraft an einer der beiden
Rollen noch höher
gewählt
wird. Um das Schalten des Getriebes zu ermöglichen, können auch unterschiedliche
Klemmkräfte
erforderlich sein oder mindestens ein unterschiedliches Verhältnis zwischen
den Klemmkräften
der jeweiligen Rollen. Die oben erwähnte Mindestklemmkraft Fax-min
gilt jedoch stets für
mindestens eine der beiden Rollen, wobei eine höhere Klemmkraft auf den Antriebsriemen
der anderen Rolle angelegt wird, um dadurch das erwünschte Übersetzungsverhältnis oder
eine erwünschte
Geschwindigkeit der Änderung
zu erreichen.
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Die
anzulegende Klemmkraft Fax wird wiederum allgemein als die erforderliche
axiale Mindestklemmkraft Fax-min mal einen Sicherheitsfaktor Sf definiert: Fax = Sf·Fax-min (2)
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Der
Sicherheitsfaktor Sf berücksichtigt
beispielsweise jede Ungenauigkeit bei der Berechnung der erforderlichen
Mindestklemmkraft Fax-min.
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Ein
derartiges Betriebsverfahren wird weit verbreitet eingesetzt und
ist beispielsweise aus der Patentveröffentlichung
EP-A 1 218 654 im Namen des vorliegenden
Anmelders bekannt. Das allgemeine Ziel ist in diesem Zusammenhang,
dass die an den Antriebsriemen angelegte Klemmkraft im Verhältnis zu
dem zugeführten
Drehmoment so gering wie möglich
ist, d.h. einen Sicherheitsfaktor zu verwenden, der so niedrig wie
möglich
ist. Der Grund dafür
ist, dass je geringer die Klemmkraft, desto besser die Effizienz
des Getriebes. Die Reibungsverluste werden zum Beispiel geringer
sein und die aufgenommene Energie zur Erzeugung der Klemmkräfte ist
geringer. Eine geringere Klemmkraft ist auch für die Lebensdauer des Riemens
besser. Im Fall von Klemmkräften,
die nur wenig über
der erforderlichen Mindestklemmkraft liegen, d.h. gerade über der Klemmkraft,
bei der zwischen der Rolle und dem Antrieb Schlupf auftreten kann,
besteht jedoch ein verhältnismäßig hohes
Risiko von Antriebsriemenschlupf, beispielsweise aufgrund einer
unerwarteten Änderung
in dem durch die Last aufgenommenen Drehmoment oder aufgrund der
oben erwähnten
Ungenauigkeit bei der Berechnung der erforderlichen Mindestklemmkraft
Fax-min. Nach dem
Stand der Technik muss jedoch der Schlupf des Antriebsriemens grundsätzlich verhindert
werden, um die Robustheit und die optimale Effizienz des Getriebes
sicherzustellen, da ein Antriebsschlupf per Definition zu einem
Energieverlust führt
und darüber
hinaus zu übermäßigem Verschleiß führen kann.
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In
dem bekannten Getriebe wird daher für den Sicherheitsfaktor in
der Regel ein Wert von 1,3 oder darüber verwendet. Alternativ gibt
es zusätzliche
bekannte Maßnahmen,
die verwendet werden können,
um das Auftreten von Schlupf des Antriebsriemens auch bei einem
verhältnismäßig geringen
Sicherheitsfaktor zu vermeiden. Aus der europäischen Patentschrift
EP-A 1 069 331 ist beispielsweise
bekannt, eine Kupplung in einer Antriebsreihe zu betätigen, in
der das Getriebe derart eingebettet ist, dass es bei einer geringeren
Höhe des
Drehmoments Schlupf aufweist als der Antriebsriemen. Dies liegt daran,
dass sobald an der Kupplung Schlupf vorliegt, das zugeführte Drehmoment
nicht oder kaum weiter ansteigen kann und jede überschüssige Energie durch die Kupplung
freigesetzt wird. Eine weitere alternative Lösung wird in dem zuerst genannten
Dokument aus dem Stand der Technik gegeben, in dem die Klemmkraft
abhängig
von den Gegebenheiten selektiv reduziert wird, d.h. der Sicherheitsfaktor
wird selektiv reduziert. Eine solche Verringerung findet in diesem
Fall auf der Basis statt, dass Änderungen
des zu übertragenden
Drehmoments, seien sie durch die Brennkraftmaschine oder die Gegebenheiten
an der Last initiiert, relativ ausgedrückt geringer werden, wenn die
Höhe des
Drehmoments zunimmt.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Betreiben des stufenlosen Getriebes bereitzustellen, welches eine
Verbesserung der Effizienz oder Robustheit des Getriebes insbesondere
unter Verwendung eines verhältnismäßig geringen
Sicherheitsfaktors gestattet, wobei das Verfahren vorteilhafterweise
unabhängig
von den bekannten zusätzlichen
Maßnahmen
verwendet werden kann.
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Gemäß einer
neuen Erkenntnis, auf der die Erfindung beruht, kann ein Antriebsriemen
wiederholt und unter bestimmten Umständen sogar kontinuierlich,
einen verhältnismäßig beträchtlichen
Grad von Schlupf unterzogen werden, ohne zu erheblichen Schäden zu führen, d.h.
ohne den Normalbetrieb des Getriebes ungünstig zu beeinträchtigen.
Dieses steht im Gegensatz zu vorherigen technischen Erkenntnissen,
nach denen der Gesamtschlupf des Riemens bezüglich der Rollen grundsätzlich so
weit wie möglich
beschränkt
werden oder sogar insgesamt vermieden werden sollte.
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Gemäß der Erfindung
ist es in diesem Fall vorteilhafterweise möglich, eine Schlupfcharakteristik zu
verwenden, in der für
die Übersetzungsverhältnisse
des Getriebes und in Abhängigkeit
von der Axialklemmkraft und der jeweiligen tangentialen Schlupfrate
zwischen der Rolle und dem Antriebsriemen bestimmt wird, ob Schaden,
ob schwer oder anderweitig, an den Rollen oder dem Riemen mit dem,
was als Schadenskurve bekannt ist, unter diesen Bedingungen auftritt,
die den Übergang
oder die Grenze zwischen diesen Zuständen anzeigt. Eine Schlupfcharakteristik
dieser Art zeigt, dass das Getriebe unter allen Umständen in
einem gewissen Ausmaß resistent
gegenüber
dem oben genannten Schlupf des Antriebsriemens ist, und dass es
insbesondere sogar möglich
ist, eine erhebliche Schlupfrate bei einer relativ geringen Klemmkraft
oder einem relativ hohen Übersetzungsverhältnis zu
gestatten (welches als das Verhältnis
zwischen der Ausgabedrehzahl und der Eingabedrehzahl des Getriebes
definiert ist).
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Auf
der Grundlage dieser Schlupfcharakteristik und der neuen daraus
abgeleiteten Erkenntnis schlägt
die Erfindung ein erstes neuartiges Verfahren vor, welches auf dem
bekannten Betriebsverfahren für
die Klemmkraft basiert und welches einen vorteilhaften Gebrauch
von dem genannten Schlupf zwischen dem Antriebsriemen und einer
Rolle macht. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird in Anspruch 1 gegeben und wird durch einen adaptiven Ansatz
charakterisiert, in dem mindestens ein Betriebsparameter des Getriebes
während
Normalbetriebs des Getriebes aktualisiert wird. Dieses Verfahren
weist den Vorteil auf, dass der Betrieb des Getriebes über die Zeit
optimal bezüglich
der Effizienz- und der Robustheitsaspekte sein kann. Beispielhaft
kann der Einfluss des Verschleißes
auf die Maximalgetriebeeffizienz erheblich beschränkt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Drehmomentübertragungskoeffizient τ aus Gleichung
(1) als der oben genannte Betriebsparameter verwendet. Die Aktualisierung
dieses Parameters auf seinen tatsächlichen Wert bedeutet, dass
die Beziehung zwischen dem zugeführten
Drehmoment T und der erforderlichen Mindestklemmkraft Fax-min immer
genau bekannt ist, so dass unter bestimmten Umständen ein relativ geringer Sicherheitsfaktor
Sf vorteilhafterweise bei der Berechnung der Klemmkraft Fax, die gemäß Gleichung
(2) angelegt werden soll, verwendet werden kann. Gemäß der Erfindung
kann der Sicherheitsfaktor Sf beispielsweise einen Wert von zwischen
1,3 und 1 aufweisen. Wie bereits ausgeführt worden ist, verbessert
ein niedriger Sicherheitsfaktor Sf die Effizienz des Getriebes.
Das erfindungsgemäße Verfahren
hat auch den Vorteil, dass Ungenauigkeiten, d.h. systemische Fehler,
die während
der Bestimmung des Rollradius R auftreten können, die tatsächliche Anlegung
der erwünschten
Klemmkraft Fax und des zugeführten
Drehmoments T in dem Drehmomentübertragungskoeffizienten τ berücksichtigt
werden.
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Gemäß der Erfindung
wird der aktuelle Drehmomentübertragungskoeffizient τ durch Verringern der
Klemmkraft Fax in der Anpassungsphase bestimmt, bis der oben genannte
Grad an Antriebsriemenschlupf S erfasst wird. Der tatsächliche,
d.h. aktuelle, Wert des Drehmomentübertragungskoeffizienten τ kann unter
Verwendung von Gleichung (1) oder auf ähnliche Weise aus der Höhe der Klemmkraft Fax-Schlupf,
die unter diesen Umständen
vorherrscht, genau berechnet werden: τ = (T·cos(λ))/(2·R·Fax-Schlupf) (3)
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In
diesem Fall ist die Höhe
der Axialklemmkraft Fax-Schlupf,
bei der es tatsächlich
zu Schlupf des Antriebsriemens kommt, natürlich etwas geringer, als die
Mindesthöhe
der Axialklemmkraft, bei der es nicht zu Schlupf kommt. Bei einem
ausreichend hohen Sicherheitsfaktor Sf, beispielsweise mit einem Wert
von größer als
1,1, fällt
diese Differenz jedoch innerhalb eines Sicherheitsrahmens und die
beiden Klemmkrafthöhen
können
ungefähr
gleich sein. Alternativ ist es möglich,
dass die bestimmte Höhe
der Klemmkrafthöhe
Fax-Schlupf oder der unter Verwendung von Gleichung (3) bestimmte
Drehmomentübertragungskoeffizient τ um einen
definierten Faktor erhöht
werden.
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In
noch einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die oben erwähnte
Anpassungsphase ausgeführt,
während
das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes bei seinem höchsten
Wert liegt, d.h. dem Overdrive-Verhältnis oder bei seinem niedrigsten
Wert, d.h. im niedrigen Verhältnis. Dies
liegt daran, dass es üblich
ist, dass in diesen Übersetzungsverhältnissen
mindestens eine der axial verschiebbaren Scheiben der Rollen gegen
einen Anschlag positioniert werden, so dass das geometrische Übersetzungsverhältnis GR
des Getriebes und somit auch der Rollradius R aus Gleichung (3)
einen festen und bekannten Wert aufweist. Jede Differenz zwischen
diesem geometrischen Übersetzungsverhältnis GR
und dem tatsächlich
gemessenen Übersetzungsverhältnis ωout/ωin, d.h. dem Quotienten der Drehzahlen ωout/ωin der beiden Rollen, zeigt dann einen definierten
Wert für
den Antriebsriemenschlupf S an.
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Gemäß der Erfindung
kann der Antriebsriemenschlupf S wie folgt definiert werden: S = (1·((ωout/ωin)/GR))·100 % (4)
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Der
absolute Wert des Antriebsriemenschlupfs kann in Metern pro Sekunde
verwendet werden.
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Da
es in dem Reibungskontakt zwischen dem Antriebsriemen und der Rolle
unweigerlich zu einigem Schlupf kommt, der als Mikroschlupf bekannt ist,
muss die Differenz zwischen dem geometrischen Übersetzungsverhältnis und
dem tatsächlichen Übersetzungsverhältnis einen
bestimmten Wert überschreiten,
bevor man erfindungsgemäß von einem Antriebsriemenschlupf,
d.h. Makroschlupf, sprechen kann. In der durch Gleichung (4) gegebenen
Definition liegt der Schlupf in Form von Makroschlupf vor, wenn
der Antriebsriemenschlupf S in der Größenordnung von Prozenten vorliegt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass im Falle eines Antriebsriemenschlupfs
das gemessene Übersetzungsverhältnis immer
geringer als das geometrische Übersetzungsverhältnis ist
und in der Folge bei dem geringen Verhältnis das Auftreten von Antriebsriemenschlupf
zuverlässig
aufgezeichnet werden kann, wenn das gemessene Übersetzungsverhältnis einen Wert
annimmt, der geringer als das geringstmögliche geometrische Übersetzungsverhältnis, d.h. das
niedrige Verhältnis
ist.
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In
jedem anderen geometrischen Übersetzungsverhältnis des
Getriebes, d.h. einem Übersetzungsverhältnis zwischen
dem geringen Verhältnis und
dem Overdrive-Verhältnis, kann
dies nicht ohne zusätzliche
Erfassungsmittel erfasst werden. Gemäß der Erfindung ist es dennoch
möglich,
eine Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben des Getriebes zu
verwenden, in dem das Getriebe mit Erfassungsmitteln zum Bestimmen
des geometrischen Übersetzungsverhältnis ausgestattet
ist. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Erfassungsmittel,
die sich zu diesem Zweck eignen, bekannt, wie beispielsweise eine
Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit des Antriebsriemens,
zum Bestimmen der Umfangsgeschwindigkeit des Antriebsriemens, aus
der ein Rollradius des Antriebsriemens berechnet werden kann, ein
Rollenscheibenpositionssensor zum Bestimmen des Abstands zwischen
den Scheiben in einer Rolle, aus dem wiederum ein Rollradius des
Antriebsriemens berechnet werden kann, oder ein Antriebsriemenpositionssensor
zum direkten Bestimmen des Rollradius des Antriebsriemens.
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In
einer Ausführungsform,
in der das geometrisch definierte Übersetzungsverhältnis GR
unter Verwendung des oben genannten Rollenscheibenpositionssensors
bestimmt wird, wird die Genauigkeit eines derartigen Sensors gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch optimiert, dass er auf
die Achse der Rolle ausgerichtet ist, statt auf den äußersten
Rollradius einer Rollenscheibe. Dies löst das Problem, dass weniger
genaue Signale aus einer Verformung der Rollenscheibe entstehen,
welche unter dem Druck einer Normalkraft steht. Eine weitere Lösung dieses
Problems in Übereinstimmung
mit der Erfindung wird durch die Verwendung eines Kennliniendiagramms
gebildet, welches daher das geometrisch definierte Übersetzungsverhältnis in
Bezug auf einen oder mehrere Parameter, wie beispielsweise einer
Axialposition der verschiebbaren Rollenscheiben, einer Drehzahl
der Rolle, dem zugeführten Drehmoment
und der Klemmkraft definiert wird. Die oben genannte Verformung
kann vorher in einem Kennliniendiagramm dieser Art berücksichtigt
werden.
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Auf
der Basis dieser Schlupfcharakteristik und der neuen daraus abgeleiteten
Erkenntnis schlägt
die Erfindung ferner ein zweites neuartiges Verfahren vor, welches
auf dem bekannten Betriebsverfahren für die Klemmkraft beruht und
welches vorteilhaft den oben genannten Schlupf zwischen den Antriebsriemen
und einer Rolle verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Anspruch
11 gegeben und wird dadurch charakterisiert, dass, wenn das Getriebe
betrieben wird, der Grad an Antriebsriemenschlupf, der zwischen
der Rolle und dem Antriebsriemen auftritt, von der elektronischen
Betriebseinheit mit Hilfe von Schlupferfassungsmitteln erfasst wird, und
dass die Betriebseinheit bei Betrieb des Getriebes Maßnahmen
trifft, um den Schlupfgrad zu verringern, wenn er eine kritische
Grenze übersteigt,
indem Betriebssignale an die relevanten Komponenten des Getriebes
ausgesendet werden.
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Da
in dem Reibungskontakt zwischen dem Antriebsriemen und der Rolle
unweigerlich etwas Schlupf auftritt, muss der Antriebsriemenschlupf
S einen bestimmten Wert überschreiten,
der in diesem Fall als kritische Grenze bezeichnet wird, bevor man von
einem übermäßigen Antriebsriemen
im Zusammenhang der Erfindung sprechen kann. Die kritische Grenze
ist in diesem Fall beispielsweise empirisch bestimmt und bezieht
sich beispielsweise auf den maximal zulässigen Antriebsriemenschlupf
in Übereinstimmung
mit der Schlupfcharakteristik.
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Auf
der Grundlage der oben beschriebenen neuartigen Erkenntnis wird
in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Betriebsverfahren
für das an
sich bekannte Getriebe adaptiv gemacht, dergestalt, dass der Ausgangspunkt
ein Sf/τ-Faktor
(Sicherheitsfaktor/Drehmomentübertragungskoeffizient)
aus der Kombination der Gleichungen (1) und (2) ist, wobei ein Sicherheitsfaktor
Sf, der etwas größer als
1, beispielsweise 1,3 oder in einem bestimmten Fall sogar gleich
1 ist. Jedes Mal, wenn die kritische Grenze für den Antriebsriemenschlupf
wie oben bezeichnet überschritten
wird, wird der Wert für
den Sf/τ-Faktor
angepasst, in diesem Fall erhöht,
so dass der Wert für
die anzulegende Klemmkraft Fax, welcher durch die Betriebseinheit
berechnet wurde, höher
wird. Bei einem derartigen Verfahren und mit dieser Ausführung des
Betriebsverfahrens werden eine Reihe von variablen Parametern vorteilhafterweise berücksichtigt,
nämlich
eine Ungenauigkeit in der Bestimmung des durch den Motor zugeführten Drehmoments,
eine Ungenauigkeit in der Bestimmung des Rollradius und verschiedene
Parameter, die mit dem zeitlichen Verlauf variieren, als Ergebnis
von verschleiß,
Verschlechterung und Auffüllung
von Schmieröl
sowie die Ungenauigkeit in jeder Bestimmung der Pinching-Kraft,
beispielsweise aufgrund der Eigenschaften eines Drucksensors. Es
besteht auch die Gefahr von übermäßigem Antriebsriemenschlupf
aufgrund von externen und/oder unvorhersagbaren Variationen in dem
zugeführten
Drehmoment. Außerdem
kann der Sf/τ-Faktor,
nachdem er zuvor erhöht
wurde, schließlich
auf seinen Ursprungswert zurückgeführt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Drehmomentübertragungskoeffizient τ von dem
Sf/τ-Faktor angepasst
und der Sicherheitsfaktor Sf hat einen Wert in einem Bereich zwischen
1,3 und 1, vorzugsweise 1,1. Alternativ kann der Sicherheitsfaktor
Sf in Abhängigkeit
von dem maximal zulässigen
Grad des Antriebriemenschlupfes S für das Augenblicksübersetzungsverhältnis des
Getriebes und der oben genannten Axialklemmkraft Fax in Übereinstimmung
mit der Schlupfcharakteristik bestimmt werden, d.h. ein höherer Sicherheitsfaktor wird
unter Bedingungen verwendet, wenn die Schlupfcharakteristik anzeigt,
dass das Getriebe weniger in der Lage ist, dem Antriebsriemenschlupf
S zu widerstehen, wie beispielsweise bei dem niedrigsten Übersetzungsverhältnis bei
einem hohen Drehmoment T, d.h. einer hohen anzulegenden Axialklemmkraft
Fax und umgekehrt. Dies weist den Vorteil auf, dass es immer ausreichend
Raum und/oder Zeit gibt, um jeden übermäßigen Antriebsriemenschlupf
S zu verringern, bevor der maximal zulässige Wert für diesen
Schlupf erreicht wird.
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Gemäß der Erfindung
ist es auch möglich, die
Betriebseinheit mit einem Speichermittel auszustatten, in dem im
Falle des Auftretens eines übermäßigen Antriebsriemenschlupfes
dieser Art der Wert eines oder mehrerer Parameter gespeichert wird,
die für
die Umstände
charakteristisch sind, unter denen es zu dem Antriebsriemenschlupf
kommt, wie beispielsweise dem zugeführten Drehmoment, dem Übersetzungsverhältnis, der
Temperatur des Getriebes, der Straßenbedingungen und Fahrcharakteristiken
eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, in dem das Getriebe verwendet
wird. Wenn zu einem späteren Zeitpunkt
identische Umstände
bei Betrieb des Getriebes auftreten, ist es dann möglich, als
Vorbeugemaßnahme
den Sf/τ-Faktor
zu erhöhen,
d.h. sogar bevor es zu dem übermäßigen Antriebsriemenschlupf
kommt. Alternativ ist es in dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren möglich, den
Sf/τ-Faktor in Reaktion
darauf, dass die kritische Grenze des Antriebsriemenschlupfes wiederholt überschritten
wird, insbesondere unter bestimmten Umständen, möglich, den Sf/τ-Faktor permanent
zu erhöhen,
in größerem Umfang
zu erhöhen
und/oder weniger langsam zu reduzieren.
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Die
Erfindung stellt ferner zusätzliche
Mittel zum Beschränken übermäßigen Antriebsriemenschlupfes
S im größtmöglichen
Ausmaß und
so schnell wie möglich
bereit, um auch möglichen
Schaden zu vermeiden. Mittel dieser Art sind beispielsweise, jedoch
nicht ausschließlich,
relevant, wenn die durch die Betriebseinheit berechnete Antriebskraft Fax über einem
maximal erreichbaren oder zulässigen
Wert liegt. Gemäß der Erfindung
können
sich zusätzliche
Mittel dieser Art für
eine schnelle, möglicherweise
vorübergehende
Anpassung der Klemmkraft Fax eignen, wie beispielsweise einem Druckakkumulator
im Falle einer hydraulisch erzeugten Klemmkraft Fax, so dass diese
Kraft relativ schnell in Reaktion auf den Antriebsriemenschlupf
erhöht
werden kann. Alternativ können
sich die zusätzlichen Mittel
für verhältnismäßig schnelles
Verringern der Klemmkraft Fax eignen, um eine Kraft, die in dem Reibungskontakt
zwischen dem Antriebsriemen und der Rollenscheibe freigesetzt wird
im größtmöglichen Ausmaß zu beschränken, wobei
das letztere vorzugsweise in Kombination mit einer Verringerung
des zugeführten
Drehmoments beispielsweise durch mindestens teilweises Öffnen einer
Kupplung in der Antriebsleitung zwischen einem Motor und dem Getriebe
auftritt, welche Maßnahme
auch unabhängig verwendet
werden kann, um Antriebsriemenschlupf entgegenzuwirken oder durch
Begrenzen des Drehmoments und/oder der Drehzahl, die durch den Motor
erzeugt wird, und/oder Beschränken
der Geschwindigkeit, mit der das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes geändert
werden kann. Das Ausmaß, in
dem die zusätzlichen
Mittel aktiv sind, kann gemäß der Erfindung
an die Erheblichkeit des Antriebsriemenschlupfes geknüpft sein,
d.h. wie nah er dem maximal zulässigen
Antriebsriemenschlupf gemäß der Schlupfcharakteristik
kommt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die neue Erkenntnis, auf der die Erfindung
basiert, nicht nur das Optimieren der Effizienz und/oder Erhöhen der
Robustheit des Getriebes beinhaltet, sondern auch darauf abzielt,
die Kosten zu verringern, beispielsweise dadurch, dass das Getriebe
nicht mit Mitteln zum Bestimmen der aktuellen Klemmkraft und Rückführen zu
dem Getriebebetrieb ausgestattet ist.
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In
einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung der Erfindung, sind die
Mittel zur Erfassung von Schlupf nur effektiv, während das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes seinen höchsten
Wert, d.h. im Overdrive-Verhältnis, und/oder
seinen niedrigsten Wert aufweist, d.h. im niedrigen Verhältnis. Dies
liegt daran, dass es üblich
ist, dass in diesen Übersetzungsverhältnissen
mindestens eine der axial verschiebbaren Scheiben der Rollen an
einem Anschlag anliegt, so dass das geometrisch definierte Übersetzungsverhältnis GR
des Getriebes und somit auch der Rollradius R aus Gleichung (3)
einen festen und bekannten Wert aufweist.
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Schließlich ist
es gemäß der Erfindung
vorteilhaft, den Getriebeparameter, der erfindungsgemäß angepasst
wurde, wie den Sf/τ-Faktor,
zu einem vorgegebenen Nominalwert oder einem Wertebereich für diesen
Faktor in Bezug zu setzen. Diese Vorgehensweise stellt zahlreiche
zusätzliche
Betriebsoptionen für
das Getriebe bereit. Wenn der Getriebeparameter außerhalb
des festen Nominalbereichs liegt, ist es beispielsweise möglich, dem
Benutzer des Getriebes den Bedarf an Wartungsarbeiten, wie einen Ölwechsel,
zu signalisieren.
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher
beispielhaft auf der Grundlage einer Zeichnung beschrieben, in der:
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1 schematisch
einen Teil eines stufenlosen Getriebes mit einem Antriebsriemen
und Rollen zeigt;
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2 eine
Darstellung der erfindungsgemäßen Erkenntnis
in Form dessen, was als Schlupfkennlinie bekannt ist, für das vorliegende
Getriebe bestimmt zeigt;
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3 ein
Beispiel dessen, was als Zugkurve für das vorliegende Getriebe
bekannt ist, zeigt.
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1 zeigt
die zentralen Teile eines stufenlosen Getriebes, das für den Antrieb
beispielsweise von Pkw verwendet wird. Das Getriebe ist an sich
allgemein bekannt und umfasst eine erste und zweite Rolle 1 und 2,
die jeweils zwei Rollenscheiben 4, 5 und einen
dazwischen angeordneten Antriebsriemen 3 umfassen. Die
Rollenscheiben 4, 5 sind konisch geformt und mindestens
eine Scheibe 4 einer Rolle 1, 2 kann
in der Axialrichtung entlang einer jeweiligen Achse 6, 7,
auf der die Scheiben 4, 5 befestigt sind, axial
verschoben werden. Das Getriebe enthält auch Aktivierungsmittel,
die in der Figur nicht gezeigt werden und die allgemein elektronisch
gesteuert werden können
und hydraulisch wirken, so dass sie eine Axialkraft Fax auf die
oben genannte eine Scheibe 4 derart anlegen können, dass
der Antriebsriemen 3 zwischen den jeweiligen Scheiben 4, 5 eingeklemmt wird,
und die Antriebskraft einer Achse 6, 7, d.h. ein zugeführtes Drehmoment
T, wird zwischen den Rollen 1, 2 mittels der Reibung
in der konischen Kontaktoberfläche
zwischen den Scheiben 4, 5 und dem Antriebsriemen 3 übertragen.
Gemäß Gleichung
(1) wird die zu diesem Zweck erforderliche axiale Klemmkraft Fax-min
unter Verwendung des zugeführten
Drehmoments T, eines Kontaktwinkels der Kontaktoberfläche mit
der Radialrichtung, d.h. der Hälfte
des zwischen den sich verjüngenden
Rollenscheiben definierten Winkels φ, eines Rollradius R des Antriebsriemens 3 und
eines Drehmomentübertragungskoeffizienten τ bestimmt.
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Der
Wert für
die erforderliche axiale Mindestklemmkraft Fax-min, die mittels
der Gleichung (1) bestimmt worden ist, ist jedoch aufgrund möglicher
Abweichungen zwischen dem Wert für
das zugeführte Drehmoment
T und dem Rollradius R, der für
die Bestimmung der Klemmkraft aufgezeichnet wurde, und dem tatsächlichen
Wert dieser Parameter in gewissem Umfang ungenau. In der Praxis
besteht darüber hinaus
oftmals eine unbekannte Differenz zwischen dem gewünschten
Wert für
die von den Aktivierungsmitteln anzulegende axiale Klemmkraft Fax
und der tatsächlich
vorhandenen Klemmkraft. Die oben genannten Ungenauigkeiten und Unbestimmtheiten
bedeuten, dass der gewünschte
Wert für
die axiale Klemmkraft Fax so ausgewählt wird, dass er etwas höher als
die erforderliche Mindestklemmkraft Fax-min ist, insbesondere durch
Multiplizieren der Letzteren mit einem Sicherheitsfaktor Sf gemäß Gleichung
(2).
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Der
in
1 gezeigte Antriebsriemen
3 umfasst einige
Endlosmetallstützelemente
31,
wobei jedes eine Gruppe vernetzter dünner Metallringe umfasst, die
einen Träger
für eine
Reihe von Metallquerelementen
32 stützen, welche die zwischen den Scheiben
4,
5 einer
Rolle
1,
2 ausgeübten Klemmkräfte aufnehmen
und die infolge der Drehung einer antreibenden Rolle
1 einander
anschiebend über
die Trägerelemente
31 zu
einer angetriebenen Rolle
2 bewegt werden. Ein Antriebsriemen
dieser Art ist auch als der Van-Doorne-Schubriemen bekannt und wird
ausführlicher
z.B. in der europäischen
Patentschrift
EP-A 0 626 526 beschrieben.
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Gemäß der Erkenntnis,
auf der die vorliegende Erfindung beruht, kann diese Art von Antriebsriemen
einem Schlupfen zwischen den Rollen 1, 2 und dem
Riemen 3, d.h. dem Antriebsriemenschlupf S, zumindest teilweise
widerstehen. In diesem Zusammenhang kann eine so genannte Schlupfkennlinie als
Ausgangspunkt für
die Bemühungen
zur Optimierung der Robustheit und Effizienz des stufenlosen Getriebes
verwendet werden, auf der die Erfindung beruht. 2 zeigt
ein Beispiel einer Schlupfkennlinie dieser Art, in der sie für die geometrischen Übersetzungsverhältnisse
des Getriebes und abhängig von
der axialen Klemmkraft Fax und dem absoluten Grad des Antriebsriemenschlupfes
S, unabhängig davon,
ob unter diesen Bedingungen ein schwerer oder anderweitiger Schaden
an dem Antriebsriemen 3 oder der Rolle 1, 2 auftritt,
bestimmt wird. Die Kurven oder Schadenslinien A, B und C aus 2 zeigen
in diesem Fall für
ein geometrisches Übersetzungsverhältnis den
höchsten
zulässigen
Wert für den
Antriebsriemenschlupf S an, unterhalb dessen, durch Pfeile I angezeigt,
dieser Schaden nicht auftritt, und oberhalb dessen, durch Pfeile
II angezeigt, dieser Schaden auftritt. Gemäß einer Idee, auf der die Erfindung
beruht, kommt es zu einem Haftabrieb als Folge des Schlupfs, wenn
bei einer definierten Kombination aus einer Kraft Fax, die von einer
Rollenscheibe an den Antriebsriemen angelegt wird, und einer Schlupfgeschwindigkeit
zwischen diesen beiden Komponenten, d.h. der Grad des Antriebsriemenschlupfes
S, ein Höchstwert
davon überschritten wird.
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Aus
der Schlupfkennlinie ist jedoch ersichtlich, dass das Getriebe zumindest
in gewissem Umfang in der Lage ist, dem Antriebsriemenschlupf S
zu widerstehen. 2 zeigt auch, dass der Maximalgrad
A des Antriebsriemenschlupfes S bei dem niedrigen Verhältnis schneller
erzielt wird als der Höchstwert
C in dem Overdrive-Verhältnis,
d.h. bei demselben Grad an Antriebsriemenschlupf S1 kommt es bei einer
geringeren Höhe
der Axialklemmkraft Fax-a bei dem niedrigen Verhältnis zu mehr Schaden, als
beispielsweise im Vergleich zu der kritischen Höhe der Klemmkraft Fax-b in
dem Overdrive-Verhältnis,
oder anders ausgedrückt,
bei einer konstanten Höhe
der Klemmkraft Fax kann eine geringere Höhe des Antriebsriemenschlupfes
S bei dem niedrigeren Verhältnis
als annehmbar angesehen werden als im Vergleich zu dem Overdrive-Verhältnis. Die
Schadenslinie B bezieht sich auf ein Übersetzungsverhältnis zwischen
dem niedrigen Verhältnis
und dem Overdrive-Verhältnis.
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Basierend
auf der Entdeckung dieses Phänomens
und der detaillierten Quantifizierung seiner Schlupfkennlinie ist
nun ein erstes neuartiges Betriebsverfahren für das stufenlose Getriebe entwickelt
worden, basierend auf jedem bekannten Betriebsverfahren zum Bestimmen
der Axialklemmkraft Fax, der eine so genannte Anpassungsphase hinzugefügt wird,
bei der die aktuellste Höhe
Fax-Schlupf der Axialklemmkraft bestimmt wird und Makro-Schlupf
zwischen dem Antriebsriemen 3 und der Rolle 1, 2 bei
einem gegebenen Übersetzungsverhältnis GR
und Drehmoment T auftritt und der aktuelle Wert eines Betriebsparameters
zu dieser Höhe Fax-Schlupf
in Bezug gesetzt wird. Gemäß der Erfindung
weist der oben genannte Makro-Schlupf in absolutem Sinn vorzugsweise
einen Wert in einem Bereich zwischen 0,5 und 2 m/Sek. auf, insbesondere zwischen
1 und 1,5 m/Sek.
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Der
Klarheit halber verwendet 3 eine so genannte
Zugkurve zur Veranschaulichung der Differenz zwischen dem Mikroschlupf
und dem Makroschlupf gemäß der Erfindung.
Diese Figur zeigt den Antriebsriemenschlupf S als Funktion des zugeführten Drehmoments
T für ein
gegebenes Übersetzungsverhältnis, in
diesem Fall dem Overdrive-Verhältnis,
und für
eine gegebene Axialklemmkraft Fax. Aus 3 ist ersichtlich,
dass der Antriebsriemenschlupf S grundsätzlich mit der Höhe des Drehmoments
T bis zu einer Maximalhöhe
des Drehmoments T zunimmt. Gemäß der Erfindung
ist diese Art von Antriebsriemenschlupf S als Mikroschlupf definiert. Obwohl
der Antriebsriemenschlupf S weiter über die Maximalhöhe des Drehmoments
Tmax zunimmt, bleibt das übertragene
Drehmoment praktisch konstant oder nimmt sogar leicht ab. Gemäß der Erfindung
ist diese Art von Antriebsriemenschlupf S als Makroschlupf definiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird die erforderliche Klemmkraft Fax während Normalbetriebs
und mindestens bei einem konstant bleibenden Übersetzungsverhältnis auf
der Grundlage von Gleichung (1) berechnet und in der Anpassungsphase
wird der aktuelle Wert des Drehmomentübertragungskoeffizienten τ auf der
Basis von Gleichung (3) durch Absenken der Klemmkraft, bis es zu
Antriebsriemenschlupf kommt, bestimmt.
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Gemäß noch einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die an den Antriebsriemen 3 durch eine
Rolle 1 oder 2 anzulegende axiale Klemmkraft Fax
während
Normalbetriebs 6 durch Multiplizieren der für diese
Kraft erforderlichen Mindesthöhe
Fax-min mit einem Sicherheitsfaktor Sf bestimmt, dessen Wert zu
dem Wert des Antriebsriemenschlupfs S in Beziehung steht, der für das momentane Übersetzungsverhältnis und
die axiale Klemmkraft Fax in Übereinstimmung
mit der Schlupfkennlinie zulässig
ist, d.h. ein höherer
Sicherheitsfaktor wird unter Bedingungen verwendet, wenn die Schlupfkennlinie
anzeigt, dass das Getriebe weniger in der Lage ist, dem Antriebsriemenschlupf
S zu widerstehen, wie beispielsweise bei dem niedrigen Verhältnis bei
einem hohen Drehmoment T oder eine hohe anzulegende Axialklemmkraft,
oder umgekehrt.
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Gemäß der Erfindung
kann die Anpassung zyklisch, beispielsweise alle 10 Minuten bei
Betrieb des Getriebes, antizyklisch, beispielsweise jedes Mal, wenn
der Betrieb initialisiert wird, oder auf der Basis einer Kombination
aus beidem stattfinden. Im letzteren Fall kann die Anpassungsphase
beispielsweise jedes Mal ausgeführt
werden, wenn das Overdrive-Verhältnis
erreicht wird und dann alle 10 Minuten. In diesem Zusammenhang sind
natürlich
zahlreiche Strategien möglich.
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Schließlich ist
es gemäß der Erfindung
vorteilhaft, wenn bestimmte Getriebeparameter, wie beispielsweise
der tatsächliche
Drehmomentübertragungskoeffizient τ, während der
Anpassungsphase mit einem vorgegebenen Nominalwert oder einem Wertebereich
für diesen
Parameter in Bezug stehen. Wenn der tatsächliche Drehmomentkoeffizient τ beispielsweise
außerhalb
des festglegten Wertebereich liegt, ist es beispielsweise möglich, das
Verfahren zum Betreiben des Getriebes während des Betriebs zumindest
vorübergehend
durch ein sicheres Verfahren zu ersetzen, in dem beispielsweise
das zugeführte
Drehmoment beschränkt
wird oder in dem ein verhältnismäßig hoher
Sicherheitsfaktor verwendet wird. In einem solchen Fall ist es außerdem möglich, dem Nutzer
des Getriebes den Bedarf an einer Wartung, wie beispielsweise einem Ölwechsel,
zu signalisieren.
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Die
Erfindung offenbart ferner ein zweites neuartiges Betriebsverfahren
für das
stufenlose Getriebe, das auf der Basis jedes bekannten Betriebsverfahrens
zum Bestimmen der axialen Klemmkraft Fax entwickelt wurde, bei dem
der Grad des Antriebsriemenschlupfes S erfasst werden kann, und wenn
dieser Schlupf eine kritische Grenze übersteigt, d.h. im Fall eines übermäßigen Antriebsriemenschlupfes,
können
Maßnahmen
ergriffen werden, um den Antriebsriemenschlupf zu verringern. In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steht die oben genannte
kritische Grenze in Beziehung zu dem maximal zulässigen Grad an Antriebsriemenschlupf
S gemäß der Schlupfkennlinie.
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Die
Erfindung bezieht sich über
das oben Beschriebene hinausgehend auf alle Details in den Figuren,
zumindest dort, wo sie von einem Fachmann direkt und eindeutig verstanden
werden können,
und auf Merkmale, die in den folgenden Ansprüchen beschrieben werden.