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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb umfassend eine den Trieb
antreibende Kurbelwelle und ein auf ihr sitzendes Zugmittelrad,
insbesondere ein Riemen- oder Kettenrad, sowie wenigstens eine weitere über ein
Zugmittelrad, insbesondere ein Riemen- oder Kettenrad, in den Trieb
eingebundene Welle, sowie ein über
die Zugmittelräder
geführtes Zugmittel,
insbesondere einen Riemen oder eine Kette.
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Solche
Zugmitteltriebe kommen bei einer Vielzahl bekannter Arbeitsmaschinen,
insbesondere Brennkraftmotoren im Kraftfahrzeugbereich, zum Einsatz.
Der Trieb selbst wird über
eine Kurbelwelle, die beispielsweise mit einem Brennkraftmotor gekoppelt
ist, angetrieben. Über
das Zugmittel sind in den Trieb verschiedene weitere Wellen eingebunden,
beispielsweise eine Nockenwelle, eine Welle für einen Klimakompressor etc.,
oder aber auch Ausgleichswellen, insbesondere bei Dieselmotoren.
Solche Zugmitteltriebe sind hinlänglich
bekannt.
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Bekannt
ist auch, dass in diese Triebe über die
eine oder andere eingebundene Welle Störschwingungen eingeleitet werden,
also periodisch variierende Schwingungen, die in Abhängigkeit
ihrer Frequenz und Amplitude zu Schwankungen der auf das Zugmittel,
also beispielsweise den Riemen oder die Kette, einwirkenden Kraft
führen.
Diese Kraftschwankungen führen
zu einer ungleichförmigen
und übermäßigen Beanspruchung
des Zugmittels und sind die Quelle für einen relativ unruhigen und
geräuschvollen
Lauf des Kurbelwellentriebes, was sich insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren
selbst für den
Fahrer mitunter merklich auswirken kann.
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Zur
Kompensation dieser Störschwingungen ist
es bekannt, eines oder mehrere der Zugmittelräder unrund, beispielsweise
oval, auszuführen,
um so gezielt Gegen- oder Kompensationsschwingungen in den Zugmitteltrieb
einzuleiten, die die unbeabsichtigt eingebrachten Störschwingungen,
die beispielsweise über
die mit dem Motor gekoppelte Kurbelwelle eingetragen werden, zu
kompensieren, diese also teilweise oder vollständig zu vernichten. Über solche
unrunden, wie beschrieben vornehmlich ovalen Räder ist es aber nur möglich, Gegenschwingungen
höherer
Ordnung zu erzeugen bzw. eben Störschwingungen
höherer
Ordnung, also zweiter Ordnung oder größer, zu kompensieren. Für den ungleichförmigen Lauf
des Triebes und die daraus resultierenden übermäßigen Belastungen des Zugmittels
verantwortlich sind aber auch Störschwingungen
erster Ordnung, worunter solche Störschwingungen verstanden werden,
die einmal pro 360° Umdrehung
der die Störschwingung
erzeugenden bzw. einleitenden Welle, beispielsweise der Kurbelwelle
oder einer Ausgleichswelle oder dergleichen, in den Zug eingeleitet werden.
Im Stand der Technik werden und können unter Verwendung der ovalen
oder andere Geometrien aufweisenden unrunden Räder nicht bedämpft werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zugmitteltrieb
anzugeben, bei dem auch eine Möglichkeit
zur Bedämpfung
von Störschwingungen
erster Ordnung gegeben ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einem Zugmitteltrieb der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass eines der in den Trieb integrierten Zugmittelräder zur
Kompensation von über
eine der Wellen in den Trieb einge leiteten Störschwingungen erster Ordnung
rund, aber exzentrisch zur Welle ndrehachse angeordnet ist.
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Beim
erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb
erfolgt die Kompensation der Störschwingungen
erster Ordnung durch eine exzentrische Positionierung eines der
Zugmittelräder,
das selbst rund ist. Das exzentrisch angeordnete Zugmittelrad ist
bevorzugt natürlich
auf der Welle angeordnet, die die zu bedämpfende Störschwingung erster Ordnung
in den Trieb einbringt. Infolge der festen Verbindung dieses exzentrisch
angeordneten Rades mit der Welle wird zwangsläufig pro 360°-Umdrehung
dieser Welle eine variierende Kraft auf das Zugmittel, abhängig vom Grad
der Exzentrizität,
gegeben, die schwingungserzeugend ist. Der Grad der Exzentrizität ist so
zu wählen,
dass eine möglichst
optimale Bedämpfung
bezogen auf den betrachteten Drehzahlbereich des Triebes erreicht
wird.
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Infolgedessen
kann bei dem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb
infolge der exzentrischen Anordnung eines runden Zugmittelrads auch
eine Kompensation einer bestimmten Störschwingung erster Ordnung
erreicht werden. Selbstverständlich
können Schwingungen
höherer
Ordnung nach wie vor über unrunde
Räder,
beispielsweise ein auf der Kurbelwelle angeordnetes ovales Rad,
kompensiert werden.
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Die
Welle, über
die die Störschwingung
eingeleitet wird, die beim erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb bevorzugt
als Störschwingung
erster Ordnung zu bedämpfen
ist, ist üblicherweise
eine Ausgleichswelle. Solche Ausgleichswellen kommen vor allem bei
Verbrennungsmotoren, dort vornehmlich bei Dieselmotoren im Kurbelwellentrieb
zum Einsatz. In diesen Trieben verursacht die Kurbelwelle selbst
infolge ihrer direkten Kopplung mit dem Motor bzw. den Kolben Störschwingungen
höherer
Ordnung, bedingt aus der Kolbenbewegung. Die Ausgleichswelle dient zur
Beruhigung des Kurbelwellentriebs im Hinblick auf die wirkenden
freien Massenmomente und Massenkräfte. Sie stellt quasi eine
bewusst in den Trieb integrierte Unwucht dar, die zumindest einen
Teil dieser freien Massenmomente und Massenkräfte kompensiert. Sie wird wie
beschrie ben über
die Kurbelwelle angetrieben, leitet aber infolge der eigenen Wellenmasse
ein Störschwingungsspektrum
in den Trieb ein, das auch eine Störschwingung erster Ordnung
aufweist. Insbesondere eine solche Störschwingung erster Ordnung,
resultierend aus einer Ausgleichswelle, kann mit dem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb
wirksam bedämpft
werden, wobei bevorzugt das auf der Ausgleichswelle direkt aufsitzende
Zugmittelrad exzentrisch zur Ausgleichswellendrehachse angeordnet
ist.
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Wie
beschrieben muss die Amplitude und Phasenlage der erzeugten Gegenschwingung
möglichst
optimal in Bezug auf die zu bedämpfende
Störschwingung
erster Ordnung gewählt
werden, um diese möglichst
wirkungsvoll bedämpfen
zu können. Aus
diesem Grund ist zum einen der Grad der Exzentrizität, also
wie weit die Mitte des Zugmittelrads aus der Drehachse verschoben
ist, in Abhängigkeit
der zu bedämpfenden
Störschwingung
zu wählen.
Darüber hinaus
muss aber auch die Winkellage der Exzentrizität richtig bestimmt werden,
damit die Störschwingung
zum richtigen Zeitpunkt, also der richtigen Phasenlage, zur erzeugten
Störschwingung
eingeleitet wird. Nachdem der Trieb über die Kurbelwelle angetrieben
wird, ist es zweckmäßig, die
Winkellage des exzentrischen Zugmittelrads in Abhängigkeit
der Stellung der Kurbelwelle zu wählen. Das heißt, der Winkelversatz
des exzentrischen Zugmittelrads beispielsweise an der Ausgleichswelle
wird bezogen auf eine bestimmte Position der Kurbelwelle bzw. einen bestimmten
Winkelstellung der Kurbelwelle, z. B. deren Position im oberen Totpunkt,
definiert.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs, und
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2 und 3 zwei
Diagramme, die die Zugkraft über
die Umdrehung der Kur belwelle für
die Lostrumseite und die Zugtrumseite darstellen, als Vergleich
zwischen einem zentrischen Rad und einem exzentrischen Rad.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung zeigt in Form einer Prinzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb 1, umfassend
eine Kurbelwelle 2 mit einem runden, zentrisch auf ihr
sitzenden Zugmittelrad 3, eine weitere Welle 4,
die in ihrer Art beliebig sein kann, mit einem runden, zentrisch
aufsitzenden Zugmittelrad 5, sowie im gezeigten Beispiel
eine Ausgleichswelle 6 mit einem exzentrisch auf ihr sitzenden,
runden Zugmittelrad 7. Der Zugmitteltrieb 1 wird über die
Kurbelwelle 2, die beispielsweise mit einem Brennkraftmotor
gekoppelt ist, in Richtung des Pfeils P angetrieben. Das Zugmittel 8,
beispielsweise ein Riemen oder eine Kette, läuft in Richtung des Pfeils
R um. Zwischen dem exzentrischen Zugmittelrad 7 an der Ausgleichswelle 6 und
dem zentrischen Zugmittelrad 3 der Kurbelwelle 2 befindet
sich das Zugtrum Z, zwischen dem Kurbelwellenrad 3 und
dem Zugmittelrad 5 befindet sich das Leertrum L.
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Im
Betrieb wird über
die Ausgleichswelle 6 ein Störschwingungsspektrum umfassend
eine Störschwingung
erster Ordnung in den Zugmitteltrieb 1 eingetragen, das
zu einer periodischen Schwankung der auf das Zugmittel 8 einwirkenden
Zugkraft im Zugtrum Z wie im Leertrum L führt. Diese induzierte Störschwingung
erster Ordnung kann über
die exzentrische Anordnung des Zugmittelrades 6 kompensiert
werden. Ersichtlich ist der Mittelpunkt MZ des Zugmittelrads 7 um
die Exzentrizität
e vom Mittelpunkt MW der Ausgleichswelle 6 versetzt
angeordnet. Dies führt
bei einer 360° Drehung
der Ausgleichswelle 6 zwangsläufig zu einem periodisch schwankenden
Krafteintrag in den Zugmitteltrieb bzw. in das Zugmittel 8.
Der Grad der Exzentrizität
wie auch die Winkellage der Exzentrizität wird nun so gewählt, dass
bezogen auf die tatsächliche
Beanspruchung des Zugmittels über
die zu bedämpfende
Störschwingung
erster Ordnung bzw. deren Amplitude und Phasenlage eine möglichst
weitgehende Kompensation bzw. Bedämpfung realisiert wird. Als
Bezugspunkt für den Winkelversatz
der Anordnung des exzentrischen Zugmittelrads 7 wird bevorzugt
die Winkelstellung der Kurbelwelle 2, über die der generelle Antrieb
des Zugmitteltriebs 1 erfolgt, gewählt. Im gezeigten Beispiel
sei die Kurbelwelle in einer Position dargestellt, in der sie im
oberen Totpunkt OT positioniert ist. Der Winkelversatz der Exzentrizität e ist
hier beispielsweise um einen Winkel α gewählt, bezogen auf die momentane
Lage der Kurbelwelle 2 in ihrer Winkelstellung im oberen
Totpunkt OT. Während
einer 360° Umdrehung
der Kurbelwelle 2 und damit des Kurbelwellenrads 3 führt die
Ausgleichswelle bedingt durch die unterschiedlichen Radien der Zugmittelräder 3 und 7 zwei
Umdrehungen durch. Während
jeder 360° Umdrehung
der Ausgleichswelle 6 wird zum einen die zu bedämpfende
Störschwingung
erster Ordnung eingeleitet, zum anderen auch infolge der 360° Umdrehung
einmal die volle exzentrische Radbahn durchlaufen, und damit also
zu jeder eingeleiteten Störschwingung
stets die Gegenschwingung infolge der direkten Anordnung des exzentrischen
Zugmittelrads 7 auf der hier angenommenermaßen die
zu bedämpfende
Störschwingung
einleitenden Ausgleichswelle 6 erzeugt.
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Die
grundsätzliche
Wirksamkeit einer solchen exzentrischen Anordnung zeigen exemplarisch die 2 und 3.
Dort ist jeweils längs
der Abszisse die Drehzahl der Kurbelwelle in U/min und längs der
Ordinate die jeweils am Lostrum (2) bzw.
am Zugtrum (3) ausgeübte Zugkraft in N aufgetragen.
Jeweils ausgezogen dargestellt ist der Kraftverlauf bei Anordnung
eines runden, jedoch zentrisch positionierten Zugmittelrades im
gezeigten Beispiel auf der Ausgleichswelle 6, während gestrichelt
dargestellt ist der Kraftverlauf bei exzentrischer Anordnung des
Zugmittelrades, versetzt um die Exzentrizität e und bezogen auf die Kurbelwellenstellung
um den Winkel α,
wie exemplarisch in 1 gezeigt. Ersichtlich liegt
die gestrichelte Linie, die den Kraftverlauf bei Einsatz des exzentrischen
Zugmittelrades darstellt, in annähernd
allen Drehzahlbereichen unterhalb der Kurve bei Verwendung eines
zentrischen Rades. Das heißt,
die jeweils wirkende Zugkraft lässt
sich reduzieren, und zwar sowohl im Lostrum L als auch im Zugtrum
Z, was allein auf die Bedämpfung
der Störschwankung
erster Ordnung zurückzuführen ist.
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Die 2 und 3 sind
lediglich exemplarischer Natur. Selbstverständlich kann der Grad der Bedämpfung je
nach Ausgestaltung des konkreten Zugmitteltriebes variieren, wie
natürlich
auch in Abhängigkeit
des Grades der gewählten
Exzentrizität
e wie auch des gewählten
Winkels α bzw.
der konkret gewählten
Winkelstellung relativ zur Kurbelwelle.
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- 1
- Zugmitteltrieb
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Zugmittelrad
- 4
- Weitere
Welle
- 5
- Zugmittelrad
- 6
- Ausgleichswelle
- 7
- Zugmittelrad
- 8
- Zugmittel
- P
- Pfeil
- R
- Pfeil
- Z
- Zugtrum
- L
- Leertrum
- MZ
- Mittelpunkt
des Zugmittelrads
- MW
- Mittelpunkt
der Ausgleichswelle
- e
- Exzentrizität
- OT
- Totpunkt
- N
- Zugkraft