DE102005057357A1

DE102005057357A1 - Zahnriementrieb

Info

Publication number: DE102005057357A1
Application number: DE102005057357A
Authority: DE
Inventors: Hermann Schulte; Ralf Berger; Christoph Dr. Bederna
Original assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Antriebssysteme GmbH
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-06-06
Also published as: WO2007063035A1; EP1963715A1

Abstract

Zahnriementrieb (1) mit mindestens zwei parallelen Wellen, auf denen jeweils ein Zahnriemenrad (2) angeordnet ist, und mit einem Zahnriemen (3) mit einem Lasttrum (4) und einem Leertrum (5), der mit allen Zahnriemenrädern (2) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Zahnriemenrad (2) mindestens in einem Zahnriemenradsegment (10), welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum (4) des Zahnriemens (3) zugeordnet ist, die Zahnteilung (4) des Zahnriemenrades (2) lokal verändert ist. Dadurch ist der Zahnabstand (13) des Zahnriemenrades (2) ohne Änderung der Zahngeometrie beeinflussbar, da durch die Veränderung der Zahnteilung der Zahnabstand (13) ebenfalls verändert wird. Die Geometrieverhältnisse der Zähne (9) erfahren keine Änderung. Die Beschränkungen, die eine Geometrieänderung der Zähne (9) durch eine notwendige Mindestzahndicke mit sich bringt, entfallen. Diese Lösung lässt sich zusätzlich auch für unrunde Zahnriemenräder einsetzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zahnriementrieb mit mindestens zwei parallelen Wellen, auf denen jeweils ein Zahnriemenrad angeordnet ist und mit einem Zahnriemen mit einem Lasttrum und einem Leertrum, der mit allen Zahnriemenrädern im Eingriff steht.
Derartige Zahnriementriebe werden beispielsweise als Steuerungsantrieb für die Nockenwellen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dabei ist ein Zahnriemenrad als Antriebsrad auf der Kurbelwelle und ein weiteres Zahnriemenrad als Abtriebsrad an der Nockenwelle angeordnet. Im Betrieb treten aufgrund des ungleichförmigen Kraftbedarfs verstärkt Beschleunigungen und Verzögerungen, d.h. dynamische Belastungen der Nockenwelle auf. Diese dynamischen Belastungen der Nockenwelle regen den Zahnriemen zum Schwingen an. Zudem treten bei bestimmten Winkelgeschwindigkeiten des Zahnriementriebs Resonanzen auf, die bis zum Zerreißen des Zahnriemens und somit zur Zerstörung der Brennkraftmaschine führen können. Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, die Zahnriemenräder unrund oder elliptisch auszugestalten. Mit derartigen Zahnriemenrädern lassen sich einerseits die Schwingungen im Zahnriementrieb weitgehend reduzieren, andererseits werden dadurch auch die Kraftspitzen im Riemen deutlich reduziert.

Die DE 195 20 508 A1 zeigt einen derartigen Zahnriementrieb, bei dem das Antriebsrad über dessen Umfang verteilt vier Einbauchungen aufweist, die als Ungleichförmigkeit im Zahnriementrieb ihrerseits Schwingungen erzeugen. Durch geeignete Lage der Einbauchungen wird eine Phasenverschiebung erreicht, so dass die überlagernden Schwingungen eine Resonanzverschiebung bewirken. Diese Resonanzverschiebung ist ebenfalls geeignet, Kraftspitzen im Riemen, die durch zusätzliche Schwingungsamplituden erzeugt werden, zu reduzieren. Diese Reduktion beschränkt sich allerdings auf den Abbau der durch die Schwingungen erhöhten Kräfte, die beim Betrieb einer Nockenwelle, beispielsweise im Betriebspunkt „Ventile öffnen" auftretenden Kraftspitzen lassen sich damit nicht vollständig abbauen.

Durch die teilweise großen Lasten wird das Lasttrum des Zahnriemens im Betrieb gelängt, so dass die dem Riemen bei der Herstellung aufgeprägte Zahnteilung, d.h. die Zähnezahl pro Längeneinheit sich verändert. Dem wird Rechnung getragen dadurch, dass die Zahnteilung des Riemens bei der Herstellung kleiner eingestellt ist als die Teilung der korrespondierenden Zahnriemenräder. Beim fertig aufgespannten Riemen stimmen die Teilungen der Räder und des Riemens durch die Längung des Riemens dann überein. Keine Berücksichtigung findet dabei, dass während des Betriebes die Kräfte im Riemen nicht über seine gesamte Länge konstant sind, also die sich einstellende Teilung nicht überall gleich ist.

Im Lasttrum des Zahnriementriebes ist die Zahnteilung größer als im Leertrum, da im ersteren die Zugkräfte sehr viel höher sind und der Riemen sich daher längt, wodurch der Zahnabstand im Lasttrum zunimmt. Daher wird beim Einlaufen der Zähne aus dem Lasttrum auf das antreibende Zahnriemenrad ein Teilungsfehler wirksam, d.h. die Zahnlage des Riemens wird von der Zahnlage des Rades abweichen. Die einlaufenden Zähne des Riemens treffen dabei nicht vollständig auf einen Zahnzwischenraum des Rades. Dadurch entsteht eine teilweise erhebliche Verformung der Zahnriemenzähne verbunden mit einer hohen Reibung, was zu sehr schnellem Verschleiß des Riemens führen kann.

In der EP 0 946 834 B1 ist ein Zahnriementrieb offenbart, der diesen Nachteil damit zu umgehen sucht, dass wenigstens ein Zahn des Riemens oder Rades eine von den übrigen Zähnen abweichende Geometrie aufweist. Prinzipiell werden an den Stellen des Zahneingriffs mit der größten Kraft im Lasttrum des Riemens die Zahnzwischenräume des Zahnriemenrades oder des Riemens vergrößert, so dass auch bei nicht optimaler Korrespondenz der Zähne von Riemen und Rad die Zähne des Riemens beim Einlauf auf das Rad jedenfalls etwa in einen Zahnzwischenraum des Zahnrades treffen. Durch die Geometrieänderung verringert sich dabei die Breite der Zahnriemenradzähne, wobei ein für den Anwendungsfall bestimmter Grenzwert nicht unterschritten werden darf. Außerdem nimmt das Flankenspiel des Triebes in diesem Bereich deutlich zu. Die Zahnteilung verändert sich nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zahnriementrieb der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, dass der Zahneinlauf des Riemens auf das Rad in Betriebsbereichen mit höheren Lasten ohne Einschränkungen, die durch Geometrieänderung der Zähne bestehen, optimiert ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei mindestens einem Zahnriemenrad mindestens in einem Zahnriemenradsegment, welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum des Zahnriemens zugeordnet ist, die Zahnteilung des Zahnriemenrades lokal verändert ist.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Zahnabstand ohne Änderung der Zahngeometrie beeinflussbar ist, da durch die Veränderung der Zahnteilung der Zahnabstand ebenfalls verändert wird. Die Geometrieverhältnisse der Zähne erfahren keine Änderung. Die Beschränkungen, die eine Geometrieänderung der Zähne durch eine notwendige Mindestzahndicke mit sich bringt, entfallen. Diese Lösung lässt sich zusätzlich auch für unrunde Zahnriemenräder wie sie in der DE 195 20 508 A1 aufgezeigt sind, einsetzen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zahnteilung des Zahnriemenradsegmentes, welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum des Zahnriemens zugeordnet ist, durch lokale Modifikation der Bogenlänge verändert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Bogenlänge des Zahnriemenradsegmentes, welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum des Zahnriemens zugeordnet ist, durch Modifikation des lokalen Zahnriemenradradius verändert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei vergrößertem Zahnriemenradradius in dem Zahnriemenradsegment, welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum des Zahnriemens zugeordnet ist, der Zahnabstand gegenüber den weiteren Zahnabständen vergrößert.

Diese Weiterbildung bieten einen weiten Bereich der Teilungsbeeinflussung, die es gestatten, den Zahnriementrieb den verschiedenen Belastungen und Einlaufverhältnissen anzupassen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei verkleinertem Zahnriemenradradius in dem Zahnriemenradsegment, welches einem Zahneingriffsbereich mit verringerter Last im Leertrum des Zahnriemens zugeordnet ist, der Zahnabstand gegenüber den weiteren Zahnabständen verkleinert.

Durch die dynamischen Lastwechsel kann es dazu kommen, dass die Last im Lasttrum unter den Wert der Vorspannung des Zahnriemens sinkt. Der Zahnriementrieb lässt sich auch diesem Verhalten durch diese Ausführungsform vorteilhaft anpassen.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert.
In der einzigen Figur ist ein Zahnriementrieb 1 mit einem Zahnriemenrad 2 in Draufsicht gezeigt. weitere Bestandteile des Zahnriementriebes sind hier zur besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Das Zahnriemenrad 2 ist teilweise von einem Zahnriemen 3 umschlungen, der hier nur als Teilabschnitt dargestellt ist. Zur Vermeidung von Schwingungen ist das Zahnriemenrad 2 oval ausgeführt. Der Zahnriementrieb 1 ist in dieser Darstellung für den Moment der größten Zugkraft F_max im Lasttrum 4 des Zahnriemens 3 gezeigt. Die Zugkraft baut sich über die Umschlingung des Zahnriemens um das Zahnriemenrad 2 ab, so dass im Leertrum 5 des Zahnriemens 3 keine nennenswerten, über die normale Vorspannung des Zahnriemens 3 hinausgehende Kräfte mehr wirken.
Man erkennt, dass der Zahnabstand 6 im Lasttrum 4 gegenüber dem Zahnabstand 7 im Leertrum 5 deutlich vergrößert ist, da im Lasttrum 4 die Zugkraft F_max den Zahnriemen 3 längt.
Die durch die Zahnriemenzähne 8 im Lasttrum 4 gebildete Zahnriementeilung T_Z, d.h. die Anzahl der Zahnriemenzähne 8 pro Längeneinheit des Zahnriemens 3 im Lasttrum ist daher gegenüber der Zahnriementeilung T_L im Leertrum 5 vergrößert.
Die durch die Zahnradzähne 9 am Zahnriemenrad 2 gebildete Zahnteilung T_R, d.h. die Anzahl der Zähne 9 bezogen auf die Umfangslänge des Zahnriemenrades 2 korrespondiert mit der Zahnriementeilung T_L im Leertrum 5 des Zahnriemens 3.
Um die geänderte Zahnriementeilung T_Z in dem Zahnriemenradsegment 10, welches dem Zeitpunkt der größten Zugkraft F_max im Lasttrum 4 zugeordnet ist, zu berücksichtigen, weist das Zahnriemenrad 2 in diesem Segment 10 einen von der ovalen Grundform des Zahnriemenrades 2 abweichenden größeren Radius 11 auf, der zu einer veränderten lokalen Bogenlänge 12 des Zahnriemenrades 2 führt. Das Zahnriemenrad 2 zeigt also in dem Zahnriemenradsegment 10, welches dem Zeitpunkt der größten Zugkraft F_max im Lasttrum 4 zugeordnet ist, eine örtlich auf das Segment 10 beschränkte Ausbauchung 12. Daher ist die lokale Bogenlänge 12 im Segment 10 gegenüber der Grundform des Zahnriemenrades 2 vergrößert. In der Figur sind die Geometrieverhältnisse zur besseren Verdeutlichung stark übertrieben dargestellt.
Die für das Segment 10 vorgesehenen Zahnriemenradzähne 9 verteilen sich auf dieser verlängerten lokalen Bogenlänge 12, was einen vergrößerten Zahnabstand 13 zur Folge hat. Der Radius 11 und damit auch die lokale Bogenlänge 12 ist so bemessen, dass einerseits der durch die Zahnteilung erzeugte Zahnabstand 13 im Segment 10 mit dem Zahnabstand 6 des Zahnriemens 3 in etwa korrespondiert, andererseits aber die Zähne 8 des Zahnriemens 3 auch zu Zeiten niedrigerer Kräfte noch mit den Zähnen 9 des Zahnriemenrades 2 kämmen können.
Im besonders kritischen Zahnriemenradsegment 10, welches dem Zeitpunkt der größten Zugkraft F_max im Lasttrum 4 zugeordnet ist, ist dadurch gewährleistet, dass die Zähne 8 des Zahnriemens 3 jedenfalls etwa vollständig in jeweils einen Zahnabstand 13 des Zahnriemenrades 2 greifen. Die Zahnbelastung der Riemenzähne 8 ist deutlich verringert, ohne dass die Zahngeometrie verändert werden muss. Damit ist auch ein problemloses Kämmen der Zahnradzähne 9 mit den Zahnriemenzähnen 8 bei niedriger Last gewährleistet.

1: Zahnriementrieb
2: Zahnriemenrad
3: Zahnriemen
4: Lasttrum des Zahnriemens 3
5: Leertrum des Zahnriemens 3
6: Zahnabstand im Lasttrum 4
7: Zahnabstand im Leertrum 5
8: Zahnriemenzähne
9: Zahnriemenradzähne
10: Zahnriemenradsegment, welches dem Zeitpunkt der größten Zugkraft F_max im Lasttrum 4 zugeordnet ist
11: veränderter Radius des Zahnriemenrades 2
12: lokale Bogenlänge des Zahnriemenrades 2
13: Zahnabstand im Zahnriemenradsegment 10

Claims

Zahnriementrieb (1) mit mindestens zwei parallelen Wellen, auf denen jeweils ein Zahnriemenrad (2) angeordnet ist und mit einem Zahnriemen (3) mit einem Lasttrum (4) und einem Leertrum (5), der mit allen Zahnriemenrädern (2) im Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Zahnriemenrad (2) mindestens in einem Zahnriemenradsegment (10), welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum (4) des Zahmriemens (3) zugeordnet ist, die Zahnteilung (4) des Zahnriemenrades (2) lokal verändert ist.
Zahnriementrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnteilung des Zahnriemenradsegmentes (10), welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum (4) des Zahnriemens (3) zugeordnet ist, durch lokale Modifikation der Bogenlänge (12) verändert ist.
Zahnriementrieb (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Bogenlänge (12) des Zahnriemenradsegmentes (10), welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum (4) des Zahnriemens (3) zugeordnet ist, durch Modifikation des lokalen Zahnriemenradradius (11) verändert ist.
Zahnriementrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei vergrößertem Zahnriemenradradius (11) im dem Zahnriemenradsegment (10), welches einem Zahneingriffsbereich mit erhöhter Last im Lasttrum (4) des Zahmriemens (3) zugeordnet ist, der Zahnabstand (13) gegenüber den weiteren Zahnabständen vergrößert ist.
Zahnriementrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei verkleinertem Zahnriemenradradius (11) im dem Zahnriemenradsegment (10), welches einem Zahneingriffsbereich mit verringerter Last im Leertrum (5) des Zahmriemens (3) zugeordnet ist, der Zahnabstand (13) gegenüber den weiteren Zahnabständen verkleinert ist.