DE102005055730A1 - Zahnriemengetriebe - Google Patents

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 ist, ist vorgesehen, dass der Zahnriemen (2) auf seinem Zahnriemenrücken (4) eine unregelmäßige Verzahnung (5) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Zahnriemengetriebe, insbesondere für ein Sevolenksystem eines Fahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die DE 100 52 275 A1 beschreibt ein Zahnriemengetriebe für eine elektrische Servolenkung eines Fahrzeugs, wobei eine Rotorwelle eines elektrischen Servomotors eine Zahnriemenscheibe trägt. Eine weitere Zahnriemenscheibe ist drehfest mit einem Getriebeelement, wie etwa einer Kugelumlaufmutter, verbunden, die zur Übertragung ihrer Drehbewegung in eine Stellbewegung einer Spindel des Getriebes dient. Ein Rad des Fahrzeugs ist in bekannter Weise zu dessen Lenkwinkelverstellung mit einer Spurstange und einem Radlenkhebel getrieblich mit der Spindel verbunden. Ein Zahnriemen läuft mit seinem, zu den Zahnriemenscheiben passenden Profil umfangsseitig auf den Zahnriemenscheiben und dient zur formschlüssigen, spielfreien Übertragung des Drehmoments und der Drehzahl der Rotorwelle des Servomotors auf die Getriebeanordnung.
• Die Geräuschemission eines solchen Zahnriemengetriebes 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 insbesondere eine Abrundung der Kopffläche von Zahnriemenzähnen vorgeschlagen.
• Beispielsweise die US 6 503 164 B1 und die JP 2003 329088 A , JP 2004 353757 A oder die JP 10132032 A schlagen zur Erhöhung der Standzeit und der übertragbaren Last von Zahnriemen eine Verzahnung des Zahnriemenrückens vor.
• 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 Zahn riemens 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, wobei die Abwälzbewegung 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 von Zahnriementrieben wurde in Abhängigkeit einer großen Zahl von Auslegungs- und Betriebsparameter von Zahnriementrieben 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 Getriebeelement weitgehend ausgeschlossen werden kann.
• Unmittelbar beim Riemeneinlauf treten die maßgeblichen Pegel auf, wobei ein merklicher Unterschied zwischen Antriebsseite des Zahnriemens nicht besteht. Das Zahnriemengeräusch wird zum überwiegenden Teil durch das Aufsschlagen 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 Zahnscheiben wird im geometrischen Tangenten punkt durch die Verzahnung periodisch unterbrochen, wodurch sich eine Radialkomponente der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Zahnriemen und der Zahnriemenscheibe ergibt. Der Zahnriemen macht 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 der Zahnriementriebe ist, dass Oberwellen der Zahneingrifffrequenz die Luft, die beim Riemeneinlauf in den Zahnzwischenräumen eingeschlossen wird, zu Resonanzschwingungen anregen. Hohlkörperresonanzen der Luftvolumina in der Verzahnung werden mit hohen Pegeln am Ort des Zahneingriffs unmittelbar als Luftschall abgestrahlt. Beachtliche Schallpegelverminderungen lassen sich durch Aufschlagsbedämpfung oder durch Maßnahmen, die die Hohlkörperstruktur der in Einfluss geratenden Luft entgegenwirken, erzielen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise realisierbare, wirkungsvolle Geräuschdämpfungsmaßnahmen an Zahnriemengetrieben vorzuschlagen.
• Die Aufgabe wird mit einem Zahnriemengetriebe mit Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Dadurch dass ein Zahnriemengetriebe geschaffen ist, mit einem Zahnriemen, der mit einer ersten Zahnriemenscheibe in Verzahnungseingriff ist und eine zweite Scheibe antreibt, wobei der Zahnriemenrücken des Zahnriemens eine unregelmäßige Verzahnung aufweist, ist das Zahnriemengetriebe mit einem Zahnriemen versehen, der zum einen durch die Verzahnung auf dem Zahnriemenrücken eine erhöhte Riemenmasse bei erhalten gebliebener Flexibilität aufweist, und dessen unregelmäßige Verzahnung auf dem Zahnriemenrücken das Resonanzverhalten des Zahnriemens durch eine reduzierte Anregung bei den Höherharmonischen in dem Sinne beeinflusst, dass eine deutliche Schwächung der Pegelüberhöhung bei diesen Frequenzen bewirkt wird.
• Die unregelmäßige Verzahnung auf dem Zahnriemenrücken verringert die Eigenfrequenz des Zahnriemens wodurch die durch Schwingungen verursachte Schall abstrahlung wesentlich an Bedeutung verliert. Durch die unregelmäßige Verzahnung auf dem Zahnriemenrücken wird zudem bewirkt, dass beim Verzahnungseingriff die Schwingungsenergie durch Reibung zwischen dem Zahnriemen und der Zahnriemenscheibe gedämpft wird und durch den über einen längeren Zeitraum gestreckten Kraftamplituden-Verlauf bewirkt ist, dass das Anregungsspektrum zu hohen Frequenzen hin nur noch wenig Energie erhält.
• Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die unregelmäßige Verzahnung der Zahnriemen-Rückenverzahnung kann bevorzugt durch eine über die Zahnriemenlänge variierende Teilung dargestellt werden. Die unregelmäßige Verzahnung des Zahnriemenrückens kann auch in Kombination mit der obigen konstruktiven Maßnahme oder ausschließlich durch eine über die Länge des Zahnriemens variierende Zahnform und/oder über eine über die Länge des Zahnriemens variierende Zahngröße dargestellt werden.
• Die Zahnriemen-Rückenverzahnung ist in Bezug auf eine Streckung des Kraftamplituden-Verlaufs bei dem Verzahnungseingriff und einem reibungsbehafteten Eingriff des Zahnriemenzahns in einen Zahnzwischenraum der Zahnriemenscheibe besonders wirkungsvoll, wenn die Zahnriemenrückenverzahnung mit solch einer Teilung versehen ist, dass eine Mehrzahl der Zähne auf dem Zahnriemenrücken im Bereich eines Zahnzwischenraumes der in Eingriff befindlichen Verzahnung des Zahnriemens liegt.
• Es kann zweckmäßig sein die Eigenfrequenz des Zahnriemens durch eine maximierte Wandstärke des Zahnriemenrückens herabzusetzen. Der erfindungsgemäße Zahnriemen kann mit einer Zahnriemen-Rückenverzahnung und/oder mit einer mit der Zahnscheibe in Eingriff bringbaren Verzahnung versehen sein, die grad- oder schrägverzahnt ist.
• Das beschriebene Zahnriemengetriebe eignet sich zur Anwendung in Servolenksystemen, wobei ein Servomotor eine Zahnscheibe des Zahnriemengetriebes antreibt. Der Zahnriemen kämmt bevorzugt mit einer Scheibe die zur Verlagerung eines verlagerbaren Bauelements des Servolenksystems dient. Das verlagerbare Bauelement ist dabei bevorzugt eine Gewindespindel die über ein Kugelumlaufgetriebe angetrieben ist. Dessen Kugelumlaufmutter ist drehfest mit einer Scheibe des Zahnriemengetriebes verbunden. Die Gewindespindel ist getrieblich mit einem gelenkten Rad eines Fahrzeugs verbunden, zur Lenkwinkelverstellung des gelenkten Rades.
• Das Zahnriemengetriebe ist vorzugsweise Teil eines elektrischen Servolenksystems eines Personenkraftwagens oder eines leichten Nutzkraftwagens.
• Das Servolenksystem kann als Hilfskraft- oder als Fremdkraftlenksystem ausgebildet sein.
• Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
• 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Kugelumlaufgetriebe mit Zahnriemengetriebe eines elektrischen Servolenksystems,
• 2 zeigt einen Querschnitt durch die Zahnriemenscheibe des elektrischen Servomotors des Servolenksystems in 1.
• In 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein als elektrisches Servolenksystem 20 ausgebildetes Servolenksystem 13 gezeigt, das im wesentlichen aus einem Kugelumlaufgetriebe 17 mit einer Kugelumlaufmutter 18, die um ein als Gewindespindel 16 ausgebildetes, verlagerbares Bauelement 14 eines als Lenkgetriebe ausgebildetes Getriebe 15 rotierbar angeordnet ist, gebildet ist. Die Gewindespindel 16 wird bei Rotation der Kugelumlaufmutter 18 in axialer Richtung bewegt. Dadurch lässt sich ein oder lassen sich mehrere lenkbare Räder eines Fahrzeugs verschwenken. Auf der axial unbeweglich gelagerten Kugelumlaufmutter 18 ist eine Zahnriemenscheibe 19 festgelegt, die über einen Zahnriemen 2 mit einer ersten Zahnriemenscheibe 3 eines Zahnriemengetriebes 1 formschlüssig, schlupffrei wirkverbunden ist. Die erste Zahnscheibe 3 sitzt drehfest auf einer Rotorwelle 21 eines elektrischen Servomotors 12. Die Zahnriemenscheiben 3, 19 und der Zahnriemen 2 bilden das Zahnriemengetriebe 1. Zur Geräuschminderung des Zahnriemengetriebes 1 ist auf dem Zahnriemenrücken 4 des Zahnriemens 2 eine unregelmäßige Verzahnung 5 einstückig mit dem Zahnriemen 2 gebildet.
• Wie 2 in einem Querschnitt durch die erste Zahnriemenscheibe 3 zeigt, ist die unregelmäßige Verzahnung 5 dadurch gebildet, dass die Zähne 7 des Zahnriemenrückens 4 mit einer von Zahn 7 zu Zahn 7 unregelmäßigen Teilung 6 auf dem Zahnriemenrücken 4 angeordnet sind. Wie 2 ferner zeigt, ist die Wandstärke 11 des Zahnriemenrückens 4 zur Reduktion der Eigenfrequenz des Zahnriemens 2 maximiert. Bevorzugt sind die Zähne 7 des Zahnriemenrückens 4 so angeordnet, dass sie zumindest in der Mehrzahl im Bereich 8 eines Zahnzwischenraumes 9 der im Eingriff befindlichen Verzahnung 10 des Zahnriemens 2 zu liegen kommen. Die Zähne 7 haben unterschiedliche Größe. BEZUGSZEICHENLISTE

  

Claims (12)

1. Zahnriemengetriebe, insbesondere für ein Servolenksystem eines Fahrzeugs, mit einem Zahnriemen (2), der mit einer ersten Zahnriemenscheibe (3) in Verzahnungseingriff bringbar ist zum Antrieb einer zweiten Scheibe, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnriemen (2) auf seinem Zahnriemenrücken (4) eine unregelmäßige Verzahnung (5) aufweist.
2. Zahnriemengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unregelmäßige Verzahnung (5) auf dem Zahnriemenrücken (4) durch eine unregelmäßige Teilung (6) gebildet ist.
3. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unregelmäßige Verzahnung (5) auf dem Zahnriemenrücken (4) durch eine über die Länge des Zahnriemens (2) variierende Zahnform gebildet ist.
4. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unregelmäßige Verzahnung (5) auf dem Zahnriemenrücken (4) durch eine über die Länge des Zahnriemens (2) variierende Zahngröße gebildet ist.
5. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verzahnungseingriffs des Zahnriemens (2) mit der Zahnriemenscheibe (3) eine Mehrzahl der Zähne (7) auf dem Zahnriemenrücken (4) im Bereich (8) eines Zahnzwischenraumes (9) der in Eingriff befindlichen Verzahnung (10) des Zahnriemens (2) liegt.
6. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (11) des Zahnriemenrückens (4) maximiert ist.
7. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen (5, 10) des Zahnriemens (2) Schräg- und/oder Geradverzahnungen sind.
8. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemengetriebe (1) von einem Servomotor (12) eines Servolenksystems (13) angetrieben ist.
9. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über das Zahnriemengetriebe (1) ein verlagerbares Bauelement (14) eines Getriebes (15) angetrieben ist, wobei das verlagerbare Bauelement (14) getrieblich mit einem lenkbaren Rad verbunden ist.
10. Zahnriemengetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das verlagerbare Bauelement (14) eine Gewindespindel (16) ist, die über ein Kugelumlaufgetriebe (17) angetrieben ist, auf dessen Kugelumlaufmutter (18) eine Zahnriemenscheibe (19) festgelegt ist.
11. Zahnriemengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemengetriebe (1) Teil eines elektrischen Servolenksystems (20) eines Personenkraftwagens oder eines leichten Nutzkraftwagens ist.
12. Zahnriemengetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Servolenksystem (20) ein Hilfskraft- oder Fremdkraftlenksystem ist.