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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Umschlingungsgetriebe, insbesondere
ein Umschlingungsgetriebe mit einer unrunden Rotationsscheibe. Des
weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine unrunde Rotationsscheibe
zur Bereitstellung einer kraftschlüssigen Verbindung.
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Hintergrund der Erfindung
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Antriebssysteme
auf der Basis von kraftübertragenden
Endloselementen, wie bspw. Riemen oder Ketten, und Rotationsscheiben
sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Insbesondere
in Verbrennungsmotoren werden solche Antriebssysteme bspw. zur Übertragung
eines Moments von der Welle eines Starter-Generators auf die Kurbelwelle
verwendet.
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Neben
der Welle des Starter-Generators können auch weitere Komponenten,
wie bspw. Wasser- oder Kraftstoffpumpen durch Riemen oder Ketten
von der Kurbelwelle angetrieben sein. Als Oberbegriff für Riemen- und
Kettentriebe spricht man von so genannten Umschlingungsgetrieben.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit den Riementrieben, d.h. mit den Umschlingungsgetrieben,
bei den zwischen den zu koppelnden Wellen und dem sie koppelnden
kraftübertragenden
Endloselement eine kraftschlüssige
Verbindung besteht.
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Bei
derartigen Riementrieben können
die Eingangs- oder die Lastmomente zyklischen Schwankungen unterliegen.
Beispiele hierfür
sind das zyklische Antriebsmoment eines Verbrennungsmotors oder
das zyklische Lastmoment einer Pumpe. Durch diese zyklischen Schwankungen
können
die Komponenten des Umschlingungsgetriebes zum Schwingen angeregt
werden.
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Bei
ungünstiger
Anregung, bspw. in der Nähe
der Eigenfrequenz des Systems, ergeben sich unerwünschte dynamische
Effekte, wie z.B. dynamische Kraftspitzen in dem kraftübertragenden
Endloselement oder eine Schwingung des kraftübertragenden Endloselements
selbst. Diese führen
zu einer erhöhten
Belastung des Endloselements und können zu Schlupf oder Schallabstrahlung
in angrenzende Strukturen führen. Durch
die dynamische Belastung wir darüber
hinaus die Lebensdauer der Scheiben und des Endloselements verringert.
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Bisher
wurden diese dynamischen Effekte durch aufwendige Gegenmaßnahmen
wie z.B. Spannsysteme, Freiläufe,
Dämpfer,
Elastriemen, usw. reduziert. Diese baulichen Maßnahmen sind jedoch selbst
anfällig für Verschleiß und Beschädigungen
und erschweren aufgrund einer höheren
Anzahl von Bauteilen die Montage des Umschlingungsgetriebes.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes kraftschlüssiges Umschlingungsgetriebe bereitzustellen,
bei dem auf einfache Weise Drehwinkelschwankungen ausgeglichen werden
und ein eventuell aus den Drehwinkelschwankungen resultierender
Schlupf vermieden wird sowie ein verringerter Verschleiß des kraftübertragenden
Endloselements und verminderte Belastungen aller Komponenten auftreten,
so dass eine erhöhte
Lebensdauer des Umschlingungsgetriebes erreicht wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Umschlingungsgetriebe gemäß Anspruch 1 und eine Rotationsscheibe gemäß Anspruch
7 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Umschlingungsgetriebe
zur Momentübertragung
umfasst mindestens eine Eingangswelle, die ein Moment in das Umschlingungsgetriebe
einleitet, mindestens eine weitere Welle, auf die das Moment übertragen
werden soll, und ein kraftübertragendes
Endloselement, das in kraftschlüssiger
Verbindung mit sowohl der mindestens einen Eingangswelle als auch
der mindestens einen weiteren Welle steht. Eine Verbindung zwischen
entweder der mindestens einen Eingangswelle oder der mindestens
einen weiteren Welle und dem kraftübertragenden Endloselement
wird dabei durch eine Rotationsscheibe bereitgestellt, die von dem
kraftübertragenden
Endloselement umschlungen ist. Das erfindungsgemäße Umschlingungsgetriebe ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsscheibe einen Radius aufweist,
der funktional von einem Drehwinkel und einem bestimmten mittleren
Radius abhängt.
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Durch
den von dem Drehwinkel abhängigen
Radius entsteht eine unrunde Rotationsscheibe, durch die Drehwinkelschwankungen
und eine ungleichmäßige Belastung
des Endloselements kompensiert werden können. Die Rotationsscheibe
ist dabei für
jeden spezifischen Anwendungsfall gesondert auszulegen.
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Das
erfindungsgemäße Umschlingungsgetriebe
kann des weiteren dadurch gekennzeichnet sein, dass der Rotationsscheibenradius
in der Form R(φ) = R0 + R ^i sin(niφ) ausdrückbar ist,
wobei R0 der mittlere Radius, R ^i eine Unrundheitsamplitude, ni die Anzahl der Erhebungen und φ ein Laufparameter
aus einem Intervall von 0 bis 2π ist.
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Des
weiteren kann das erfindungsgemäße Umschlingungsgetriebe
dadurch gekennzeichnet sein, dass der Rotationsscheibenradius in
der Form
ausdrückbar ist, wobei R
0 der
mittlere Radius,
R ^i eine Unrundheitsamplitude,
n
i die Anzahl der Erhebungen, φ ein Laufparameter
aus einem Intervall von 0 bis 2π und γ
i eine
Phasenverschiebung ist.
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Der
mittlere Radius wird dabei in Abhängigkeit der übrigen Parameter
geeignet gewählt,
so dass sich eine gewünschte
Länge der
Umfangskurve der Rotationsscheibe ergibt. Die Anzahl der Erhebungen
wird auch als Ordnung bezeichnet. Wie zu erkennen ist, können dem
mittleren Radius auch mehrere winkelabhängige Störglieder verschiedener Ordnungen überlagert
werden. Ist kein Störglied
vorgesehen, erhält
man eine kreisrunde Rotationsscheibe. Entsprechend ist vorgesehen,
dass stets mindestens ein Störglied
vorhanden ist.
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Wird
jeder Parameter R ^i gleich Null gesetzt,
erhält
man ebenfalls eine kreisrunde Rotationsscheibe. Entsprechend ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass jeder Parameter R ^i ungleich Null
ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Rotationsscheibe eine kraftschlüssige Verbindung
an derjenigen Welle bereitstellt, die eine Bewegungs- bzw. Momentenstörung in
das Umschlingungsgetriebe einbringt.
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Trotz
der Verwendung einer unrunden Rotationsscheibe kann zwischen dem
Endloselements und einer der Wellen ein Schlupf auftreten, der eine
Veränderung
der Winkellage der mindestens einen Eingangswelle zu der mindestens
einen weiteren Welle hervorruft. Würde man die erfindungsgemäße unrunde
Rotationsscheibe auf einer Welle anordnen, die keine Bewegungs-
oder Momentenstörung
in Form einer zyklischen Bewegungs- bzw. Momentenschwankung in das
Umschlingungsgetriebe einbringt, würde sich somit die Lage der
unrunden Rotationsscheibe zu dieser die Störung einbringenden Welle verändern, so
dass statt einer Kompensation der Schwingungsanregung kein Effekt
oder sogar eine Verstärkung
der Anregung auftreten kann. Wird die unrunde Rotationsscheibe jedoch
direkt auf der die Störung
einbringenden Welle angeordnet, so ist trotz eines eventuell auftretenden
Schlupfs stets gewährleistet,
dass sich die Winkellage der unrunden Rotationsscheibe zu der entsprechenden
die Schwingung anregenden bzw. die Störung einbringenden Welle nicht ändert.
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Bei
der die Störung
einbringenden Welle kann es sich somit sowohl um eine der mindestens
einen Eingangswelle als auch eine der mindestens einen anderen Welle,
d.h. etwa eine Ausgangswelle, handeln.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass die Rotationsscheibe einstückig mit
der Eingangswelle ausgebildet ist.
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Auf
diese Weise ist keine zusätzliche
Drehmitnahmeverbindung zwischen der entsprechenden Eingangswelle
und der Rotationsscheibe vorzusehen, wodurch die Montage erleichtert
wird. Des weiteren wird ausgeschlossen, dass sich die Rotationsscheibe
aufgrund eines Schadens an der oder einer Lockerung der Drehmitnahmeverbindung
gegenüber
der Eingangswelle verdreht.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist das kraftübertragende
Element ein Keilriemen ist. Darüber hinaus
kann es sich bei dem verwendeten Riemen auch um einen Keilrippenriemen,
einen Flachriemen, einen Rundriemen oder jede andere geeignete Riemenart
handeln.
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Durch
die Verwendung eines Keilriemens ist die Kontaktfläche des
Riemens zu der Rotationsscheibe gegenüber der Verwendung eines Flachriemens
vergrößert. Dadurch
wirken zwischen dem Keilriemen und der Rotationsscheibe höhere Reibkräfte und
die Gefahr eines Schlupfes wird verringert.
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Eine
erfindungsgemäße Rotationsscheibe
zur Bereitstellung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen
einem kraftübertragenden
Element und einer Welle ist dadurch gekennzeichnet, dass der Radius
der Rotationsscheibe funktional von einem Drehwinkel und einem mittleren
Radius abhängt.
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Die
erfindungsgemäße Rotationsscheibe
kann des weiteren dadurch gekennzeichnet sein, dass ihr Radius in
der Form R(φ)
= R0 + R ^isin(niφ)ausdrückbar ist,
wobei R0 der mittlere Radius, R ^i eine Unrundheitsamplitude, ni die Anzahl der Erhebungen und φ ein Laufparameter
aus einem Intervall von 0 bis 2π ist.
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Des
weiteren kann die erfindungsgemäße Rotationsscheibe
dadurch gekennzeichnet sein, dass ihr Radius in der Form
ausdrückbar ist, wobei R
0 der
mittlere Radius,
R ^i eine Unrundheitsamplitude,
n
i die Anzahl der Erhebungen, φ ein Laufparameter
aus einem Intervall von 0 bis 2π und γ
i eine
Phasenverschiebung ist.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Rotationsscheibe einstückig mit
der Welle ausgebildet ist.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar
sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
der dazugehörigen
Zeichnung zeigt dabei:
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1 die
Geometrie einer erfindungsgemäße Rotationsscheibe
eines erfindungsgemäßen Umschlingungsgetriebes.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
den Verlauf des Radius 20, einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe 10 eines
erfindungsgemäßen Umschlingungsgetriebes.
Zu Vergleichszwecken ist darüber
hinaus zusätzlich
in gestrichelten Linien ein konstanter Vergleichsradius 30 dargestellt.
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Die
Berechnung des Verlaufs des Radius 20 der Rotationsscheibe 10 eines
erfindungsgemäßen Umschlingungsgetriebes
wird nachfolgend anhand eines Beispiels ausgeführt.
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In
der Beispielanwendung soll eine Rotationsscheibe 10 für ein Umschlingungsgetriebe
zur Verbindung eines Riemen-Starter-Generators (RSG) mit der Kurbelwelle
eines Verbrennungsmotors ausgelegt werden.
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Bei
einer derartigen Anwendung liegt eine Eigenfrequenz etwa im Bereich
um 2000 Umdrehungen pro Minute. In diesem Drehzahlbereich findet
eine Anregung über
die Kurbelwelle etwa in der Größenordnung
von 1° Schwingwinkelamplitude
statt. Die Anregung des Systems resultiert aus einer zyklischen
Dehnung und Stauchung des kraftübertragenden
Endloselements aufgrund der Schwankung des Schwingwinkels mit einer Amplitude
von etwa 1°.
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Ein
Vorteil beim Einsetzen einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe bzw. eines
erfindungsgemäßen Umschlingungsgetriebes
in einer RSG-Anwendung besteht darin, dass die Eigenfrequenz des
Systems relativ hoch liegt. In dem Bereich von 2000 Umdrehungen
pro Minute ist die Anregung aus dem Verbrennungsprozeß bereits
deutlich reduziert, so dass mit einer relativ geringen Unrundheit
eine deutliche Reduzierung der dynamischen Effekte im Resonanzbereich
erzielt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
unrunde Rotationsscheibe 10 auf der Kurbelwelle eine angeordnet.
Die Unrundheit wird dabei anhand der nachfolgenden Berechnungen
so bemessen, dass sich in der Resonanzstelle eine möglichst
konstante Zugmittelgeschwindigkeit einstellt.
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In
der Praxis ist es meist ausreichend, die Anregung in der Resonanz
deutlich zu reduzieren. Bei einer vollständigen Kompensation der Anregung
in der Resonanz kann es im überkritischen
Drehzahlbereich zu unerwünschten
dynamischen Effekten führen,
etwa Trumschwingungen oder Geräuschproblemen.
Im vorliegenden Beispiel soll die Anregung in der Resonanz daher
nicht völlig
kompensiert, sondern nur soweit abgesenkt werden, dass die Funktion
des Umschlingungsgetriebes sichergestellt ist. Die Kompensation
erfolgt daher lediglich zu 50 %.
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Die
aus der Schwingwinkelamplitude folgende Längenänderung dL lässt sich
nach folgender Formel bestimmen:
wobei dL die Verlängerung
des Zugmittels in mm, A die Amplitude des Schwingwinkels in Grad
und D
KW der Durchmesser der Kurbelwelle
in mm ist.
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Diese
Längenänderung
des kraftübertragenden
Endloselements dL kann von einer Rotationsscheibe 10 mit
veränderlichem
Radius 20 vollständig
ausgeglichen werden, wenn der Radius 20 mit einer Amplitude von R ^n schwankt. Diese Amplitude R ^n berechnet sich nach folgender Formel: R ^n = dL·n, (2)wobei n die
Motorordnung ist. Der Mittelwert R0 kann
mit ausreichender Genauigkeit nach folgender Formel bestimmt werden: R0= DKW/2. (3)
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Der
Verlauf des Radius 20 der Rotationsscheibe 10 ergibt
sich dann aus der Formel R(φ) = R0 + R ^nsin(n·φ), (4)wobei φ ein Laufparameter
zur Beschreibung der Scheibengeometrie in einem Intervall von 0
bis 2π ist.
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Die
Gleichungen (1) bis (3) beziehen sich auf eine beliebige Ordnung
n im Spektrum der Anregung. Durch eine Überlagerung der Scheibengeometrie
für verschiedene
Ordnungen lässt
sich aus der Superposition eine Scheibengeometrie erzeugen, die
mehrere Ordnungen ganz oder teilweise kompensieren kann. Eine Rotationsscheibe
10,
die mehrere Ordnungen kompensieren kann, muss dabei nicht zwangsläufig auf
eine Motordrehzahl abgestimmt sein. So kann z.B. eine Scheibengeometrie
auch so ausgelegt werden, dass die Hauptordnung bei einer anderen
Drehzahl kompensiert wird als eine Nebenordnung. Eine derartige
Rotationsscheibe
20 kann nach folgender Formel bestimmt
werden.
wobei γ
i eine
Phasenverschiebung ist.
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Nach
Gleichung (1) ergibt sich bei einem beispielhaften Durchmesser DKW von 150 mm, einer Motorordnung von 2 und
einer Schwingwinkelamplitude von 1° die Längenänderung dL zu 1,3 mm.
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Aus
den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich dann R ^`n zu
2,6 mm und R0 zu 75 mm.
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Der
darauf nach Gleichung (4) folgende Verlauf des Radius 20 ist
in 1 aufgetragen. Zum Vergleich ist ein Vergleichsradius
in einem konstanten Radius von 75 mm dargestellt.
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Nach
Gleichung (2) wird sich eine vollständige Kompensation der Anregung
in der Resonanzstelle dann ergeben, wenn der Radius mit einer Amplitude
von 2,6 mm um einen Mittelwert von 75 mm schwankt. Da aber lediglich
eine Kompensation von 50 % angestrebt wird, ergibt sich im vorliegenden
Beispiel die Amplitude der Schwankung des Scheibenradius lediglich
zu 1,3 mm.
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Bei
der Montage der Rotationsscheibe 10 auf der Kurbelwelle
bzw. bei der Konstruktion einer Kurbelwelle mit einstückiger Rotationsscheibe
muss die Lage der Rotationsscheibe dann so gewählt werden, das eine hohe Rotationsgeschwindigkeit
der Kurbelwelle mit einem kleinen Radius der Rotationsscheibe 10 zusammenfällt. Entscheidend
ist dabei der Radius, mit dem das kraftübertragende Endloselement auf
die Scheibe ein- bzw. ausläuft.
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Die
erfindungsgemäße Rotationsscheibe 10 wird
vorzugsweise in einer Synchronantriebsvorrichtung oder in einem
erfindungsgemäßen Umschlingungsgetriebe
eingesetzt. Die Synchronantriebsvorrichtung bzw. das Umschlingungsgetriebe
ist vorzugsweise zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder in einem
Luftfahrzeug ausgebildet. Die erfindungsgemäße Rotationsscheibe 10 bzw.
das erfindungsgemäße Umschlingungsgetriebe ist
jedoch auch unabhängig
von diesen Anwendungen einsetzbar, bspw. in Textil- oder Büromaschinen.
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- 10
- Rotationsscheibe
- 20
- Radius
der Rotationsscheibe
- 30
- konstanter
Vergleichsradius
