DE102004056878A1

DE102004056878A1 - Zahnriemengetriebe

Info

Publication number: DE102004056878A1
Application number: DE102004056878A
Authority: DE
Inventors: Martin Budaker; Stefan FRÖHLICH; Klaus-Dieter Dr. Leimbach; Wolfgang Dr. Reuter; Ralf Duschek; Detlef Beck; Andreas Lay; Torsten Dr. Hesse; Michael Yankonis
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-07-06
Also published as: US20070256883A1; JP2006275282A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnriemengetriebe (1), insbesondere für ein Servolenksystem eines Fahrzeugs, mit einem Zahnriemen (2) der mit einer ersten Zahnriemenscheibe (3) in Verzahnungseingriff bringbar ist. DOLLAR A Um ein Zahnriemengetriebe zu schaffen, dessen Betriebsgeräusch auf einfache Weise minimiert wird, ist vorgesehen, dass zwischen der Zahnriemenscheibe (3) und dem Zahnriemen (2) eine Teilungsdifferenz besteht und/oder dass die Zahnriemenscheibe (3) eine Schrägverzahnung und der Zahnriemen (2) eine Geradverzahnung aufweist und/oder die Zahnriemenscheibe (3) einen gleichen oder geringfügig anderen Schrägungswinkel aufweist als der Zahnriemen (2). Durch diese konstruktiven Maßnahmen ist auf einfache Weise bewirkt, dass die Zahnflanken der Verzahnungspartner sowohl radial als auch in axialer Richtung der Zahnriemenscheibe (3) in Berührung kommen, wodurch Luft in den Zahnlücken entweichen kann und keine relevanten Luftvolumina zur Bildung von Hohlkörperresonanz verbleiben. Zudem ist die Spannungsverteilung der Zugspannung in dem Zahnriemen (2) asymmetrisch und dadurch Resonanzerscheingungen des Zahnriemens (2) und Körperschall vorgebeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnriemengetriebe insbesondere für ein Servolenksystem eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der DE 100 52 275 A1 ist ein Zahnriemengetriebe für eine elektrische Servolenkung eines Fahrzeugs entnehmbar, wobei eine Motorwelle eines elektrischen Servomotors eine erste Zahnriemenscheibe trägt. Eine zweite Zahnriemenscheibe ist drehfest mit einer Getriebeanordnung, wie etwa einer Kugelumlaufmutter, verbunden, die zur Übertragung ihrer Drehbewegung in eine Stellbewegung einer Spindel und damit eines verlagerbaren Bauelements der Getriebeanordnung dient. Ein Rad des Fahrzeugs ist in bekannter Weise zu dessen Lenkwinkelverstellung mit einer Spurstange und einem Radlenkhebel getrieblich mit dem verlagerbaren Bauelement verbindbar. Ein Zahnriemen läuft mit seinem zu den Zahnriemenscheiben passenden Profil umfangsseitig auf der ersten und zweiten Zahnriemenscheibe und dient zur formschlüssigen, spielfreien Übertragung des Drehmoments und der Drehzahl der Motorwelle des Servomotors auf die Getriebeanordnung.

Die Geräuschemission eines solchen Zahnriemengetriebe ist nicht minimiert.

Die DE 31 46 975 C2 gibt dem Konstrukteur von Zahnriemengetrieben eine Bemessungsregel an die Hand um die geometrischen Parameter der Zahnflankenflächen von Zahnriemen oder das Zahnprofil eines Zahnriemens, wie etwa abgerundete Kopfflächen von Zähnen, so zu wählen, dass die übertragbare Last maximiert oder das Laufgeräusch eines Zahnriemens durch die Wahl eines entsprechenden Zahnkopfprofils verringert wird. Zur Geräuschminderung wird eine Abrundung der Kopffläche von Zahnriemenzähnen vorgeschlagen.

Die DE 198 36 897 A1 beschreibt einen Zahnriemen und ein Zahnriemengetriebe mit geringem Verschleiß und verringerter Geräuschentwicklung. Der Zahnriemen zeichnet sich durch eine Verzahnung aus, deren Zahnteilung an die Verzahnung von Standardzahnrädern angepasst ist. Darüber hinaus ist die Zahnhöhe der Zähne des Zahnriemens so festgelegt, dass sich die Zähne des Zahnriemens über den Teilkreisdurchmesser des Zahnrades hinaus radial nach innen in die Zahnzwischenräume des Zahnrades hinein erstrecken. Damit wird erreicht, dass das Zahnrad mit dem Zahnriemen in einer Abwälzbewegung in und außer Eingriff kommt, die mit geringer Reibung und geringem Verschleiß verbunden ist. Bei Verwendung von Standardzahnrädern als Zahnriemenscheiben ist eine abrollende Bewegung am Ein- und Auslauf des Zahnriemens am Zahnrad möglich. Dadurch wird der Verschleiß gering und die Geräuschentwicklung minimiert.

Die Dissertationsschrift „Geräuschverhalten und Geräuschminderung von Zahnriementrieben", U. Jansen, TU Aachen, Fortschritt-Berichte VDI Nr. 136, befasst sich mit der systematischen Erforschung von möglichen Geräuschursachen an Zahnriementrieben und die Gewichtung der Ursachen in relevante und weniger relevante Ursachen. Die Schallemission wurde in Abhängigkeit einer großen Zahl von Auslegungs- und Betriebsparametern untersucht. Die Dissertationsschrift belegt, dass die Drehzahl von Zahnriemenscheiben und die Riemenbreite alle anderen Einflüsse von Auslegungs- und Betriebsparametern von Zahnriementrieben übersteigen. Die Zahnriemenbreite bestimmt dabei das Frequenzgebiet, in dem die Schallenergie abgestrahlt wird. Mit zunehmender Riemenbreite sinkt die Frequenz maximaler Pegel. Als Ursache für das Betriebsgeräusch von Zahnriementrieben gelten der Zahneingriffsstoß, Zahnriemen-Transversalschwingungen, Luftausströmungen der in Eingriff kommenden Zahnlücke, Drehzahl und Riemengeschwindigkeit und die Zahneingriffsfrequenz. Deutlich höhere Pegel werden an Zahnriemenscheiben gemessen im Vergleich zu der freien Trumlänge, die mit Ausnahme von Riemenresonanz als abstrahlendes Element weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Unmittelbar beim Riemeneinlauf treten die maßgeblichen Pegel auf, wobei ein merklicher Unterschied zwischen Antriebsseite und Antriebsseite des Zahnriemens nicht besteht. Das Zahnriemengeräusch wird zum überwiegenden Teil durch das Aufschlagen des Zahnriemens auf Scheibenteile im Zahneingriff der treibenden Zahnriemenscheibe aber auch, was neuere Untersuchungen belegen, durch Körperschall verursacht. Eine Zahnflankenreibung wirkt dabei dämpfend. Das Aufschlaggeräusch des Zahnriemens wird durch einen Polygoneffekt erklärt. Die Berührung von Zahnriemen und Zahnscheibe wird im geometrischen Tangentenpunkt durch die Verzahnung periodisch unterbrochen, wodurch sich eine Radialkomponente der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zahnriemen und der Zahnriemenscheibe ausbilden kann. Der Zahnriemen hat beim Zahneingriff eine Abwärtsbewegung hin zu der Drehachse einer Zahnriemenscheibe und ein Zahn an der Zahnriemenscheibe eine Aufwärtsbewegung in radialer Richtung von der Drehachse der Zahnriemenscheibe weg. Die Aufschlaggeschwindigkeit ist der Differenzvektor zwischen den Radialgeschwindigkeiten von Zahnriemen und Zahnriemenscheibe. Die Aufschlaggeschwindigkeit ist abhängig von der Drehzahl und Teilung, dagegen weitgehend unabhängig von der Zähnezahl und Größe der verwendeten Zahnriemenscheiben. Die Besonderheit bei Zahnriementrieben ist, dass Oberwellen der Zahneingrifffrequenz die Luft, die beim Riemeneinlauf in den Zahnlücken eingeschlossen wird, zu Resonanzschwingungen anregen. Hohlkörperresonanzen der Luftvolumina in der Verzahnung werden mit hohen Pegeln am Ort des Zahneingriffs unmittelbar als Luftschall abgestrahlt. Beachtlich Schallpegelverminderungen lassen sich durch Aufschlagsbedämpfung oder durch Maßnahmen, die die Hohlkörperstruktur der in Einfluß geratenden Luft entgegenwirken, erzielen. Als wirksame Lärmminderungsmaßnahmen schlägt die Dissertationsschrift eine Längsnutung des Zahnriemens und die Anwendung eines weichen Zahnriemen-Deckgewebes oder Polyamid-Deckgewebes auf den Zahnriemenlaufflächen vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise realisierbare wirkungsvolle Geräuschdämpfungsmaßnahmen an Zahnriemengetrieben vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird mit einem Zahnriemengetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch dass ein Zahnriemengetriebe mit einem Zahnriemen und zumindest einer ersten Zahnriemenscheibe geschaffen ist, wobei eine Teilungsdifferenz dadurch geschaffen ist, dass die Zahnriemenscheibe eine andere, vorzugsweise eine geringfügig andere Teilung aufweist als der Zahnriemen und/oder die Zahnriemenscheibe eine Schrägverzahnung und der Zahnriemen eine Geradverzahnung trägt und/oder die Zahnriemenscheibe einen geringfügig anderen Schrägungswinkel oder etwa gleichen Schrägungswinkel ihrer Verzahnung aufweist wie der Schrägungswinkel des Zahnriemens, ist sowohl vermieden, dass Luft beim Zahnriemeneinlauf in Zahnlücken der Zahnscheibe und dadurch bedingte Hohlkörperresonanzen der Luftvolumina sich ausprägen, als auch eine unterschiedliche, asymmetrische und/oder wechselnde Zugspannungsverteilung im Zahnriemen bewirkt, wodurch das Resonanzverhalten des Zahnriemens in Bezug auf dessen Geräuschabstrahlung positiv beeinflusst und Körperschall minimiert wird. Die Teilung ist der Abstand zweier gleichliegender Zahnflanken auf dem Wälzkreis, wobei eine Differenz in der Teilung von Zahnriemenscheibe zu Zahnriemen auch durch eine geringfügige Längentoleranz des Zahnriemens eingestellt werden kann. Der Schrägungswinkel eines schrägverzahnten Zahnrades oder einer Zahnriemenscheibe ist der spitze Winkel, den die Tangente an die Schraubenlinie mit der Mantellinie im Berührungspunkt einschließt.

Die Zähne des Zahnriemens laufen bei Durchführung jeder einzelnen vorgeschlagenen konstruktiven Maßnahme und auch bei allen vorgeschlagenen konstruktiven Maßnahmen zur Geräuschdämpfung mit ihren Flanken nicht nur radial sondern auch in axialer Richtung der Zahnriemenscheibe auf die Zahnflanken der Zahnriemenscheibe auf oder es sind, wie bei der Schrägverzahnung von Zahnriemenscheibe und Zahnriemen, mehrere Zähne am Auflaufen. Dadurch ist neben einem weichen, reibungsbehafteten Auflaufen der Zahnflanken der Verzahnungspartner ein Entweichen von Luft aus den Zahnlücken der Zahnriemenscheibe in axialer Richtung der Zahnriemenscheibe ermöglicht, was Hohlkörperresonanzen reduziert. Zudem ist die Zugspannungsverteilung mit der Zahnriemenbreite asymmetrisch und/oder wechselnd. Resonanzerscheinungen des Zahnriemens sind auf diese Weise in ihrem Einfluß auf das Betriebsgeräusch des Zahnriemengetriebes minimiert.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Um eine ungleichförmige, vorzugsweise über die Breite des Zahnriemens im Betrieb des Zahnriemengetriebes wechselnde Zugspannungsverteilung zu ermöglichen, können die Achsen der ersten Zahnriemenscheibe und einer weiteren zweiten Zahnriemenscheibe auf der der Zahnriemen abläuft, schräg zueinander – im Sinne einer leichten, verstellten Achsparallelität – gestellt werden. Der spitze Winkel, den die Achsen der ersten und zweiten Zahnriemenscheibe zueinander einnehmen ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Zahnriemengetriebes etwa 0,2 ° bis 0,5°.

Es kann zweckmäßig sein, die gewünschten Zahneingriffsverhältnisse und/oder die gewünschte Spannungsverteilung in dem Zahnriemen durch eine vorzugsweise leichte Schrägverzahnung des Zahnriemens, der auf geradverzahnten Zahnriemenscheiben abläuft, zu bewirken. Der Schrägungswinkel an der ersten Zahnriemenscheibe kann invers oder gleich zu dem Schrägungswinkel an der zweiten Zahnriemenscheibe sein. In Kombination mit einem oder mehreren der vorgenannten erfindungsgemäßen Merkmale des Zahnriemengetriebes kann die Zahnform an dem Zahnriemen konvex oder halbrund oder parabolprofilartig gewählt werden. Ein weiches Anlaufen der Zahnriemenverzahnung in die Zahnlücken der Zahnriemenscheiben kann auch durch eine Verzahnung auf dem Rücken des Zahnriemens bewirkt werden. Zur axialen Sicherung des Zahnriemens empfiehlt es sich zumindest an einer Zahnscheibe eine Anlaufscheibe oder Bordscheibe vorzugsweise einstückig mit der Zahnscheibe anzuordnen oder an der Zahnriemenscheibe der Motorwelle des Servomotors zwei Anlaufscheiben anzuordnen.

Das beschriebene Zahnriemengetriebe eignet sich zur Anwendung in Servolenksystemen, wobei eine Zahnriemenscheibe vorzugsweise eine Kugelumlaufmutter eines Kugelumlaufgetriebes antreibt. Das Kugelumlaufgetriebe treibt ein verlagerbares Bauelement, das mit einem gelenkten Rad des Fahrzeugs verbunden ist, zu dessen Lenkwinkelverstellung an. Das Zahnriemengetriebe ist vorzugsweise Teil einer elektrischen Servolenkung eines Personenkraftfahrzeuges oder eines leichten Nutzkraftwagens.

Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.

1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Kugelumlaufgetriebe mit Zahnriemengetriebe eines Fahrzeugs.

In 1 ist ein Längsschnitt eines elektrischen Servolenksystems 8 gezeigt, das im wesentlichen aus einem Kugelumlaufgetriebe 11 mit einer Kugelumlaufmutter 12, die um ein als Gewindespindel 10 ausgebildetes, verlagerbares Bauteil 9 rotierbar angeordnet ist, gebildet ist. Die Gewindespindel 10 wird bei Rotation der Kugelumlaufmutter 12 in axialer Richtung bewegt. Dadurch lässt sich ein oder lassen sich mehrere lenkbare Räder des Fahrzeugs verschwenken. Auf der axial unbeweglich gelagerten Kugelumlaufmutter 12 ist eine zweite Zahnriemenscheibe 4 festgelegt, die über einen Zahnriemen 2 mit einer ersten Zahnriemenscheibe 3 eines Zahnriemengetriebes 1 formschlüssig, schlupffrei wirkverbunden ist. Die erste Zahnriemenscheibe 3 sitzt drehfest auf einer Motorwelle 13 eines elektrischen Servomotors 7. Die Zahnriemenscheiben 3, 4 und der Zahnriemen 2 bilden das Zahnriemengetriebe 1.

Eine Achse 6 der zweiten Zahnriemenscheibe 4 ist kongruent zu der Achse des verlagerbaren Bauelements 9 und der Gewindespindel 10. Die Achse 5 der ersten Zahnriemenscheibe 3 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zu der Achse 6 der zweiten Zahnriemenscheibe 4, kann aber auch mit einem geringen Winkel von etwa 0,2° bis 0,5° schräg zu der Achse 6 der zweiten Zahnriemenscheibe 4 angeordnet sein. Die Teilung p der ersten Zahnriemenscheibe 3 und der zweiten Zahnriemenscheibe 4 ist geringfügig, beispielsweise um 0,02 mm bis 0,2 mm verschieden zu der Teilung des Zahnriemens 2, wodurch sich ein weicher, gedämpfter Einlauf der Zähne des Zahnriemens 2 in Zahnlücken der Zahnriemenscheiben 3, 4 und damit eine Geräuschminderung des Zahnriemengetriebes 1 ergibt.

BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Zahnriemengetriebe, insbesondere für ein Servolenksystem eines Fahrzeugs, mit einem Zahnriemen (2) der mit einer ersten Zahnriemenscheibe (3) in Verzahnungseingriff bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zahnriemenscheibe (3) und dem Zahnriemen (2) eine Teilungsdifferenz besteht und/oder dass die Zahnriemenscheibe (3) eine Schrägverzahnung und der Zahnriemen (2) eine Geradverzahnung aufweist, und/oder dass die Zahnriemenscheibe (3) einen gleichen oder geringfügig anderen Schrägungs-winkel aufweist als der Zahnriemen (2).
Zahnriemengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnriemen (2) mit der ersten Zahnriemenscheibe (3) und mit einer zweiten Zahnriemenscheibe (4) in Verzahnungseingriff ist und die Achsen (5, 6) der ersten und der zweiten Zahnriemenscheibe (3, 4) eine Schrägstellung zueinander haben.
Zahnriemengetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (5, 6) der ersten und der zweiten Zahnriemenscheibe (3, 4) eine Schrägstellung von etwa 0,2° bis 0,5° zueinander haben.
Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnriemen (2) schrägverzahnt ist.
Zahnriemengetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrägungswinkel der ersten Zahnscheibe (3) invers zu dem Schrägungswinkel der zweiten Zahnscheibe (4) ist.
Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnriemen (2) eine konvexe Zahnform aufweist.
Zahnriemengetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnform halbrund oder parabelprofilartig ist.
Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücken des Zahnriemens (2) eine Gerad- oder Schrägverzahnung trägt.
Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zahnriemenscheibe (3, 4) zumindest eine seitliche Anlaufscheibe trägt.
Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemengetriebe (1) von einem Servomotor (7) eines Servolenksystems (8) angetrieben ist.
Zahnriemengetriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor (7) über das Zahnriemengetriebe (1) ein verlagerbares Bauelement (9) eines Getriebes antreibt, wobei das verlagerbare Bauelement (9) getrieblich mit einem lenkbaren Rad verbunden ist.
Zahnriemengetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das verlagerbare Bauelement (9) eine Gewindespindel (10) ist, die über ein Kugelumlaufgetriebe (11) angetrieben ist auf dessen Kugelumlaufmutter (12) eine Zahnriemenscheibe (3, 4) festgelegt ist.
Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass das Zahnriemengetriebe (1) Teil einer elektrischen Servolenkung eines Personenkraftwagens oder leichten Nutzkraftwagens ist.