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Die Erfindung betrifft ein Zahnriemen-Zahnradgetriebe, bestehend aus einem verzahnten Riemen und mindestens einem Zahnrad mit in die Riemenverzahnung eingreifenden Zähnen, wobei die Riemen- zähne aus einem Elastomer bestehen und an einem Zugglied befestigt sind und wobei jeder Riemen- zahn eine Umrissform hat, die im wesentlichen von einem Kreisbogen begrenzt ist.
In der US-PS Nr. 2, 507, 852 ist ein Zahnriemen beschrieben, der aus einem undehnbaren Zug- glied, mit diesem verbundenen Zähnen sowie einer die Zähne bedeckenden Schutzschicht besteht.
Die Zähne sind aus einem Elastomer, beispielsweise aus Gummi, gefertigt. Der Zahnriemen kann auf seiner Rückseite eine Abdeckschicht besitzen, die aus ähnlichem oder auch aus dem gleichen
Material wie die Riemenzähne besteht.
Zur Herstellung derartiger Zahnriemen wurden bereits verschiedene Elastomere verwendet. Bei- spiele für derartige Elastomere sind Neopren und Polyurethan. Zahnriemen dieser Gattung sind zum
Eingriff mit Zahnrädern vorgesehen, die aus einem Werkstoff bestehen, dessen Elastizitätsmodul erheb- lich grösser als jener der Elastomere ist, aus denen die Zahnriemen hergestellt werden. Bei den herkömmlichen Zahnriemen, die in der eingangs genannten US-PS beschrieben sind, werden Riemen- zähne verwendet, deren Profil eine im wesentlichen trapezförmige Aussenkontur besitzt. Diese Zahn- form ist der Form der üblichen Zahnstangenzähne sehr ähnlich.
Es wurden schon viele Versuche gemacht, um die Riemenzähne und die Zahnradzähne zu ändern und auf diese Weise die Schwierig- keiten zu verringern, die sich infolge der Zahnriemenfehler, beispielsweise dem Abscheren von
Riemenzähnen infolge hoher Spannungskonzentrationen im Zahnriemen, einstellen.
Ausbildungen von Zahnriemen-Zahnradgetrieben sind z. B. aus der GB-PS Nr. 871, 353 und der
FR-PS Nr. 1. 535. 143 bekannt. Ein aus Stahlbändern aufgebauter Zahnriemen mit Riemenzähnen, deren
Umrissform von einem Kreisbogen begrenzt ist, wird in der CH-PS Nr. 332604 beschrieben. Die
GB-PS Nr. 871, 353 betrifft dabei in erster Linie eine Ausbildung der Riemenzähne, bei der das den
Riemen bildende Band in Schlaufen um zylindrische Stifte herumgelegt ist und die Schlaufen durch
Klammern fixiert sind. Nennenswerte Zugkräfte können mit diesem bekannten Getriebe nicht über- tragen werden.
Die FR-PS Nr. 1. 233. 957 beschreibt ein Getriebe, bei dem ein mit im Querschnitt kreisrunden
Verdickungen ausgerüstetes Seil mit einem etwa halbkreisförmige Vertiefungen aufweisenden Rad zusammenwirkt.
Daneben sind auch Zahnriemen-Zahnradgetriebe mit im Querschnitt trapezförmigen Riemenoder Zahnradzähnen vorgeschlagen worden (US-PS Nr. 3, 068, 710 und Nr. 3, 156, 128).
Der Bereich der höchsten Spannungen in einem trapezförmigen Riemenzahn liegt im Fussbereich, u. zw. auf jener Seite des Riemenzahnes, an der die Kraft übertragen wird. Dieser Bereich hoher Belastung nimmt nur etwa 20 bis 30% des Gesamtzahnvolumens in Anspruch. Die Folge davon ist eine unwirtschaftliche Ausnutzung des Elastomers und vor allem auch eine ungleichförmige Last- übertragung von den Riemenzähnen auf das Zugglied über die Fläche zwischen dem Zugglied und den Riemenzähnen.
Um die Leistung eines derartigen Zahnriemens zu steigern, ohne unter dem damit verbundenen Problem des Abscherens der Riemenzähne zu leiden, ist es notwendig, Spannungs- oder Belastungsspitzen in den Riemenzähnen zu senken und eine gleichförmigere Lastübertragung von den Riemenzähnen auf das Zugglied zu erreichen. Untersuchungen haben ausserdem ergeben, dass sich bei trapezförmigen Riemen-und Zahnradzähnen Störungen ergeben, wenn diese in Eingriff miteinander treten. Die Aussenkanten benachbarter Riemenzähne und Zahnradzähne neigen nämlich zum Überlap- pen, weil zwischen den zusammentretenden Zähnen ungenügend Spiel vorhanden ist und weil sich innerhalb des Riemens unter Last Verformungen ergeben.
Diese Erscheinung hat zur Folge, dass die Zähne beim Ineinan. ! ertreten aneinander gleiten, was einen unerwünscht grossen Verschleiss der Zähne und Hitzeentw cklung verursacht. Diese Störungen erzeugen darüber hinaus Querschwingungen im Zahnriemen, lie Zahnriemengeräusche und Ermüdungserscheinungen, insbesondere Biegungsermüdungen, zur Fo ge haben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Schwierigkeiten durch eine entsprechende Gestaltung der Riemenzähne und der Zahnradzähne zu vermeiden. Diese Aufgabe wird bei einem Zahnriemen-Zahnradgetriebe der einleitend umschriebenen Gattung dadurch erreicht, dass die Krümmungsmittelpunkte benachbarter Riemenzähne höchstens um das Doppelte der Länge des
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Halbmessers der die Umrissform der Riemenzähne bildenden Kreisbögen voneinander entfernt sind und bei gerade verlaufendem Zahnriemen auf einer zum Zugglied parallelen Geraden liegen und dass die Lücken der Zahnradzähne nach einem Kreisbogen verlaufen.
Beim erfindungsgemäss ausgebildeten Zahnriemen-Zahnradgetriebe ist der Spannungspegel in den
Riemenzähnen vergleichsweise niedrig und es ergeben sich auch keine Flächen hoher Spannungs- konzentrationen. Es wird eine wesentlich gleichförmigere Übertragung der Last vom Riemenzahn auf das Zugglied, die sich über die gesamte Berührungsfläche zwischen Riemenzahn und Zugglied erstreckt, erreicht. Die Riemenzähne springen auch bei hohen Belastungen nicht aus den Zahn- lücken des Zahnrades.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Halbmesser des die Lücken der Zahnradzähne bildenden Kreisbogens um höchstens 10% grösser ist als der Halbmesser des die Riemenzähne begrenzenden Kreisbogens.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Zahnriemen-Zahnradgetriebes zeichnet sich dieses dadurch aus, dass im Fusspunkt der Riemenzähne an diese gelegte Tangenten mit den durch die Mitte des jeweiligen Riemenzahnes verlaufenden Symmetrielinien einen Winkel von weniger als 300 einschliessen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in den Zeichnungen vereinfacht wiedergegebenen Ausführungsbeispieles. Es zeigt Fig. l in Schnittansicht ein Zahnriemen-Zahnradgetriebe und Fig. 2 und 3 Teilschnitte des Zahnriemens bzw. des Zahnrades.
Ein Zahnriemen-l-steht mit einem treibenden und einem getriebenen Zahnrad --2 bzw.
3-- im Eingriff. Der Zahnriemen-l-weist ein Zugglied --4-- auf, das aus mehreren Windungen eines fortlaufenden Stranges faden- oder faserartigen Materials gebildet ist. Das Zugglied --4-- übernimmt nahezu die gesamte Last, die auf den Zahnriemen-l-ausgeübt wird. Dabei verhält sich das Zugglied --4-- bis zu der Last, für die der Zahnriemen-l-ausgelegt ist. nahezu undehnbar. Eine ausführliche Beschreibung der Grundlagen eines Zahnriemen-Zahnradgetriebes ist in der US-PS Nr. 2, 507, 852 enthalten.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäss verbesserten Zahnriemen-Zahnradgetriebes zeigen die Fig. 2 und 3. Der Zahnriemen --1-- besitzt Zähne --5-- und eine Decklage --1-- auf der Aussenoder Rückseite. Das Zug glied --4-- ist in unmittelbarer Nähe der Fusspunkte 5'der Riemen- zähne --5-- in den Zahnriemen-l-eingebettet. Die gesamte gezahnte Oberfläche des Zahn-
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aus einem elastomeren Werkstoff angeordnet sein, deren Aufgabe darin besteht, die Haftfähigkeit in den Fusspunkten'1 zwischen je zwei Riemenzähnen --5-- zu verbessern. Wie die Schnittansicht des Zahnriemens-l-in Fig.
Z zeigt, sind die Zähne --5-- so geformt. dass ihre Aussenform von einem Kreisbogen begrenzt wird, der den Mittelpunkt 6 und den Radius r besitzt. Die Kreisbögen benachbarter Riemenzähne --5-- schneiden sich in einem Fusspunkt 5'. Krümmungsmittelpunkte 6 der Kreisbögen, welche die Umrissform der Riemenzähne bestimmen, liegen auf einer Geraden P, die bei gerade verlaufendem Zahnriemen-l-in dessen Längsrichtung und parallel zum Zugglied -4-- verläuft. Die Krümmungsmittelpunkte 6 der die Umrissform der Riemenzähne --5- begrenzenden Kreisbögen besitzen einen Abstand voneinander, der höchstens gleich 2r ist, so dass sich die Kreisbögen maximal bis zur Linie P erstrecken.
Die Zahnräder-2 und 3-- besitzen Radkörper mit Zahnradzähnen --7--, die durch kreisbogenförmige Lücken --8-- voneinander getrennt sind, deren Radius r'um höchstens 10% grösser ist als r.
Die Formen der Riemenzähne --5-- und der Zahnradzähne --7-- sind von wesentlicher erfinderischer Bedeutung. Bei herkömmlichen (z. B. trapezförmigen) Riemenzähnen konzentrieren sich die Belastungen bzw. Spannungen in einem vergleichsweise kleinen Raum im Bereich der Fusspunkte der Zähne, wenn diese mit den Zahnradzähnen in vollem Eingriff stehen. Dabei bleiben jedoch die Aussenecken der Zähne unbeansprucht. Daraus ergibt sich eine ungleichförmige Lastübertragung zwischen den Riemenzähnen und dem Zugglied. Diese ungünstigen Beanspruchungen führen zu einem Zahnriemen mit schlechtem Wirkungsgrad und mit einer vergleichsweise geringen Lebensdauer.
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Zur Steigerung des Wirkungsgrades des Zahnriemen-Zahnradgetriebes müssen derartige Belastungs-bzw. Spannungskonzentrationen, die ungleichförmige Lastübertragung an der Berührungsfläche von Zahn und Zugglied vermieden werden. Ein Zahnriemen, dessen Riemenzähne erfindungsgemäss ausgebildet sind, ist in der Lage, den schlechten Wirkungsgrad sowie auch andere konstruktiv bedingte Fehler bekannter Zahnriemen zu vermeiden.
Der Zahnriemen-l-und die Zahnräder --2 und 3-- sollen so ausgebildet sein, dass der
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jedoch der Unterschied nicht grösser als 10% sein soll und vorzugsweise etwa 4% beträgt.
Weiters ist es günstig, wenn der Radius r der die Riemenzähne begrenzenden Kreisbögen und der Abstand ihrer Mittelpunkte 6 so gewählt wird, dass in den Fusspunkten 5'an die Riemen- zähne --5-- angelegte Tangenten 9 mit der Mittellinie 10 der Riemenzähne --5-- einen Winkel von weniger als 300 einschliessen. Der optimale Winkel liegt bei etwa 5 . Bei diesem Wert wird ver- hindert, dass die Zähne aus dem Eingriff mit den Zahnradzähnen herausspringen.
Die Spitzen --12-- der Zahnradzähne --7-- sollten so ausgebildet sein, dass in den Spit- zen-12-an. die die Lücken --8-- bildenden Kreisbögen angelegte Tangenten --13-- in einem Winkel von weniger als 30 zur Symmetrielinie 14 der Lücken --8-- verlaufen. Auch auf diese Weise wird verhindert, dass die Riemenzähne aus dem Eingriff herausspringen. Der bevorzugte Winkelwert liegt im Bereich von 9", wenn die Tangenten --9-- in den Fusspunkten 51 der Riemenzähne-5-- mit den Mittellinien 10 einen Winkel von 50 einschliessen.
Der Zahnriemen-l-kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch das in der US-PS Nr. 3, 078, 206 beschriebene Verfahren. Eine andere Art der Herstellung eines Zahnriemens ist ausführlich in der US-PS Nr. 2,507, 852 erläutert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Zahnriemen-Zahnradgetriebe, bestehend aus einem verzahnten Riemen und mindestens einem Zahnrad mit in die Riemenverzahnung eingreifenden Zähnen, wobei die Riemenzähne aus einem Elastomer bestehen und an einem Zugglied befestigt sind und wobei jeder Riemenzahn eine Umrissform hat, die im wesentlichen von einem Kreisbogen begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsmittelpunkte (6) benachbarter Riemenzähne (5) höchstens um das Doppelte der Länge des Halbmessers (r) der die Umrissform der Riemenzähne (5) bildenden Kreisbögen voneinander entfernt sind und bei gerade verlaufendem Zahnriemen (l) auf einer zum Zugglied (4) parallelen Geraden (P) liegen und dass die Lücken (8) der Zahnradzähne (7) nach jeweils einem Kreisbogen verlaufen.
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The invention relates to a toothed belt gear transmission, consisting of a toothed belt and at least one gearwheel with teeth engaging in the belt toothing, wherein the belt teeth consist of an elastomer and are fastened to a tension member and wherein each belt tooth has an outline shape which is essentially delimited by an arc.
A toothed belt is described in US Pat. No. 2, 507, 852, which consists of an inextensible tension member, teeth connected to it, and a protective layer covering the teeth.
The teeth are made of an elastomer, such as rubber. The toothed belt can have a cover layer on its back, which is made of the same or the same
Material like the belt teeth is made of.
Various elastomers have already been used to produce such timing belts. Examples of such elastomers are neoprene and polyurethane. Timing belts of this type are for
Engagement with gears provided, which consist of a material whose modulus of elasticity is considerably greater than that of the elastomers from which the toothed belts are made. In the conventional toothed belts described in the above-mentioned US patent, belt teeth are used whose profile has an essentially trapezoidal outer contour. This tooth shape is very similar to the shape of standard rack teeth.
Many attempts have been made to change the belt teeth and the gear teeth, thus reducing the difficulties that arise as a result of toothed belt errors, for example shearing off
Adjust belt teeth due to high tension concentrations in the toothed belt.
Formations of toothed belt gear drives are such. B. from GB-PS No. 871, 353 and
FR-PS No. 1,535,143. A toothed belt made of steel strips with belt teeth, their
Outline shape is limited by an arc is described in CH-PS No. 332604. The
GB-PS No. 871, 353 relates primarily to training the belt teeth, in which the
Belt forming tape is placed in loops around cylindrical pins and through the loops
Brackets are fixed. Significant tractive forces cannot be transmitted with this known gear.
FR-PS No. 1, 233, 957 describes a transmission in which one is circular in cross section
Equipped rope interacts with an approximately semicircular recessed wheel.
In addition, toothed belt gear transmissions with cross-sectionally trapezoidal belt or gear teeth have been proposed (US Pat. Nos. 3, 068, 710 and 3, 156, 128).
The area of the highest tension in a trapezoidal belt tooth lies in the foot area, u. between that side of the belt tooth on which the force is transmitted. This area of high stress only takes up about 20 to 30% of the total tooth volume. The result of this is an uneconomical use of the elastomer and, above all, an uneven load transfer from the belt teeth to the tension member over the area between the tension member and the belt teeth.
In order to increase the performance of such a toothed belt without suffering the associated problem of shearing off the belt teeth, it is necessary to reduce tension or load peaks in the belt teeth and to achieve a more uniform load transfer from the belt teeth to the tension member. Studies have also shown that there are problems with trapezoidal belt and gear teeth when they engage with each other. The outer edges of adjacent belt teeth and gear teeth tend to overlap because there is insufficient play between the teeth that come together and because there are deformations within the belt under load.
This has the consequence that the teeth when interlocking. ! occur sliding against each other, which causes an undesirably large wear on the teeth and heat development. These disturbances also produce transverse vibrations in the toothed belt, cause toothed belt noises and fatigue, in particular bending fatigue.
The object of the invention is to avoid the difficulties mentioned by appropriately designing the belt teeth and the gear teeth. This object is achieved in a toothed belt gear transmission of the initially described type in that the centers of curvature of adjacent belt teeth are at most twice the length of the
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Half of the circular arches forming the outline of the belt teeth are apart from one another and, with the toothed belt running straight, lie on a straight line parallel to the tension member and that the gaps of the gear teeth run along an arc.
In the toothed belt gear transmission designed according to the invention, the voltage level is in the
Belt teeth are comparatively low and there are no areas of high stress concentrations. A substantially more uniform transfer of the load from the belt tooth to the tension member, which extends over the entire contact area between the belt tooth and the tension member, is achieved. The belt teeth do not jump out of the tooth gaps of the gear even under high loads.
In a preferred embodiment of the invention it is provided that the radius of the circular arc forming the gaps of the gear teeth is at most 10% larger than the radius of the circular arc delimiting the belt teeth.
According to a further embodiment of the toothed belt gear transmission according to the invention, this is characterized in that at the base point of the belt teeth tangents placed thereon form an angle of less than 300 with the lines of symmetry running through the center of the respective belt tooth.
Further details of the invention result from the following description of the embodiment shown in simplified form in the drawings. It shows Fig. L in a sectional view of a toothed belt gear transmission and Fig. 2 and 3 partial sections of the toothed belt and the gear.
A toothed belt-l-stands with a driving and a driven gear --2 or
3-- in engagement. The toothed belt-l-has a tension member --4--, which is formed from several turns of a continuous strand of thread or fiber-like material. The tension member --4-- takes on almost the entire load that is exerted on the toothed belt-l-. The tension member behaves --4-- up to the load for which the toothed belt-l-is designed. almost inextensible. A detailed description of the basics of a toothed belt gear transmission is contained in U.S. Patent No. 2,507,852.
An embodiment of the toothed belt gear transmission improved according to the invention is shown in FIGS. 2 and 3. The toothed belt --1-- has teeth --5-- and a cover layer --1-- on the outside or back. The tension link --4-- is embedded in the toothed belt-l-in the immediate vicinity of the base points 5 'of the belt teeth --5--. The entire toothed surface of the tooth
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be made of an elastomeric material, the task of which is to improve the adhesion at the base points '1 between two belt teeth --5--. As the sectional view of the toothed belt-l-in Fig.
Z shows the teeth are shaped like this --5--. that their outer shape is delimited by an arc that has the center 6 and the radius r. The arcs of adjacent belt teeth --5-- intersect at a root 5 '. Centers of curvature 6 of the arcs, which determine the outline shape of the belt teeth, lie on a straight line P which, with the toothed belt-1-running straight, runs in the longitudinal direction and parallel to the tension member -4--. The centers of curvature 6 of the circular arcs delimiting the outline shape of the belt teeth have a spacing from one another which is at most equal to 2r, so that the circular arches extend at most to the line P.
Gears-2 and 3-- have gear bodies with gear teeth --7--, which are separated from one another by circular gaps --8--, the radius of which is at most 10% larger than r.
The shapes of the belt teeth --5-- and the gear teeth --7-- are of essential inventive importance. With conventional (e.g. trapezoidal) belt teeth, the loads or tensions are concentrated in a comparatively small space in the area of the base points of the teeth when these are in full engagement with the gear teeth. However, the outer corners of the teeth remain unstressed. This results in a non-uniform load transfer between the belt teeth and the tension member. These unfavorable stresses lead to a toothed belt with poor efficiency and with a comparatively short service life.
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To increase the efficiency of the toothed belt gear transmission, such load or. Stress concentrations, the non-uniform load transfer on the contact surface of the tooth and tension member can be avoided. A toothed belt, the belt teeth of which are designed according to the invention, is able to avoid the poor efficiency and also other design-related errors in known toothed belts.
The toothed belt-l and the gears --2 and 3-- should be designed so that the
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however, the difference should not be greater than 10% and is preferably about 4%.
Furthermore, it is expedient if the radius r of the circular arcs delimiting the belt teeth and the distance between their center points 6 are selected such that tangents 9 with the center line 10 of the belt teeth are applied to the belt teeth at the foot points 5 ′. -5-- form an angle of less than 300. The optimal angle is around 5. This value prevents the teeth from jumping out of engagement with the gear teeth.
The tips --12-- of the gear teeth --7-- should be designed so that in the tips -12-an. the tangents --13-- which form the gaps --8-- are at an angle of less than 30 to the line of symmetry 14 of the gaps --8--. This also prevents the belt teeth from jumping out of engagement. The preferred angular value is in the range of 9 "if the tangents --9-- in the base points 51 of the belt teeth 5 - form an angle of 50 with the center lines 10.
The toothed belt-l-can be manufactured by various methods. However, the method described in US Pat. No. 3,078,206 is particularly advantageous. Another way of making a timing belt is described in detail in U.S. Patent No. 2,507,852.
PATENT CLAIMS:
1. Toothed belt gear transmission, consisting of a toothed belt and at least one gearwheel with teeth engaging in the belt toothing, wherein the belt teeth are made of an elastomer and are fastened to a tension member and wherein each belt tooth has an outline shape which is essentially delimited by an arc , characterized in that the centers of curvature (6) of adjacent belt teeth (5) are at most separated from one another by twice the length of the radius (r) of the circular arcs forming the outline shape of the belt teeth (5) and on a straight toothed belt (l) lie parallel to the tension member (4) straight line (P) and that the gaps (8) of the gear teeth (7) each follow an arc.