DE102009017455A1

DE102009017455A1 - Zahnrad für eine Kette

Info

Publication number: DE102009017455A1
Application number: DE102009017455A
Authority: DE
Inventors: Shunji Sakura; Akira Hirai; Yuji Kurematsu
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2029-04-08
Also published as: JP2009275779A; JP4468466B2; DE102009017455B4; US20090286639A1; KR20090118829A; US8118699B2; KR101322542B1; CN101581356B; CN101581356A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad (100, 200, 300) für ein Kettengetriebe, wobei das Zahnrad (100, 200, 300) Zähne und eine Mehrzahl unterschiedlicher Teilungswinkel aufweist, die unterschiedlichen Teilungswinkel sowohl Teilungswinkel, die größer als der standardmäßige Teilungswinkel (Theta) sind, als auch mindestens einen Teilungswinkel umfassen, der kleiner als der standardmäßige Teilungswinkel (Theta) ist, und die Anzahl der Teilungswinkel des Zahnrads (100, 200, 300) mit einem Teilungswinkel, der größer als der standardmäßige Teilungswinkel (Theta) ist, größer als die Anzahl der Teilungswinkel ist, bei der der Teilungswinkel kleiner als der standardmäßige Teilungswinkel (Theta) ist, und die Zähne des Zahnrads (100, 200, 300) als ein Teil einstückig mit dem Zahnrad (100, 200, 300) gesintert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad für eine Kette, insbesondere für eine Getriebekette.
Ein Zahnrad hat üblicherweise eine Mehrzahl von Zähnen, die voneinander durch Zahnnuten voneinander getrennt sind, wobei jede Zahnnut einen Zahngrund aufweist, der kontinuierlich in die einander gegenüberliegenden Zahnflankenflächen zweier benachbarter Zähne übergeht. Bei einem Kettengetriebe sind die Rollen einer Rollenkette oder die Buchsen einer Buchsenkette in Kontakt mit den Zahngründen. Es ist wünschenswert, die Geräusche, die erzeugt werden, wenn die Rollen einer Rollenkette oder die Buchsen einer Buchsenkette in Kontakt mit einem Zahnradzahn gelangen, zu verringern und ein reibungsloses Außerkontaktgelangen der Rollen oder Buchsen mit dem Zahnrad zu erreichen.
Kettengetriebe, bei denen eine Kette in Eingriff mit einem antreibenden Kettenrad und einem oder mehreren angetriebenen Kettenrädern ist, werden weit verbreitet verwendet. Unabhängig von der Umgebung, in welcher sie verwendet werden, ist es üblicherweise wünschenswert, den Geräuschpegel, der beim Betrieb eines derartigen Kettengetriebes entsteht, zu verringern.
Wenn das Kettengetriebe als Taktsteuergetriebe eines Verbrennungsmotors verwendet wird, um Energie von einer Motorkurbelwelle an eine oder mehrere Nockenwellen zum Betätigen von Ansaug- und Abgasventilen zu übertragen, muss sie den Anforderungen einer hohen Ausgangsleistung, einer hohen Verbrennungseffektivität und Umweltbelangen genügen. Somit besteht, obwohl die Belastung des Taktsteuergetriebes erhöht wurde, ein Konflikt mit dem Erfordernis einer Geräuschverringerung auf einen Geräuschpegel auf vernachlässigbarem Niveau. Maßnahmen zur Verringerung von Geräuschen in einem Fahrzeugmotor umfassen auch die Verwendung schallabsorbierender Materialien, wie beispielsweise Gummi. Jedoch wird es schwierig, wenn die Belastung des Taktsteuergetriebes auf einem hohen Niveau und die Kettenspannung groß sind, Geräusche ausreichend zu unterdrücken.
Derartigen Kettengetriebe sind in Japanischen Industriestandards (JIS) als JIS B1801-1997 (Übertragende Rollenkette und Buchsenkette) definiert, und die Zahnradzahnformen (S-Zahnform und U-Zahnform) sind ebenfalls in einer Referenz (”Gestalten und Größen von Zahnrädern”), die den JIS B 1801-1997 angehängt ist, definiert. Ferner sind Zahnformen für Ketten und Zahnräder gemäß internationalen Standards (ISO Zahnformen) in der ISO 606:1994(E) definiert. Herkömmliche Kettengetriebe, die Rollenketten oder Buchsenketten in Verbindung mit Zahnrädern verwenden, sind üblicherweise entsprechend diesen Standards hergestellt.
5 und 6 zeigen ein herkömmliches Kettengetriebe, das aus einer Standardrollenkette 150 und einem Standardzahnrad 500 mit einer ISO-Zahnform besteht. 6 ist eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs Y von 5.

Die Zahnformen, die in den 5 und 6 gezeigt sind, sind durch die folgenden Beziehungen aus der ISO 606:1994(E) definiert.

d = p/sin(180°/z)	Teilkreisdurchmesser
df = d–d1	Fußkreisdurchmesser
dc = df	Durchmesser eines Innenkreises eines Zahnrades
	mit einer geraden Zähnezahl
dc = d·cos(90°/z) – d1	Durchmesser eines Innenkreises eines Zahnrades
	mit einer ungeraden Zähnezahl
re(max) = 0,12·d1(z + 2)	maximaler Radius eines Kopfkreises
ri(min) = 0,505·d1	minimaler Radius eines Zahngrundkreises
re(min) = 0,008·d1(z² + 180)	minimaler Radius des Kopfkreises
ri(max) = 0,505·d1 + 0,069(d1)	^1/3maximaler Radius des Zahngrundkreises

Bei den oben stehenden Formeln sind:

p: die Kettenteilung der Rollenkette
d: ein Teilkreisdurchmesser
d1: der Außendurchmesser einer Rolle
df: der Durchmesser des Zahnnut-Grundkreises, d. h. der Fußkreisdurchmesser
dc: ein Durchmesser eines Innenkreises
re(max): der maximale Radius des Kopfkreises
re(min): der minimale Radius des Kopfkreises
ri(max): der maximale Radius des Zahngrundbogens
ri(min): der minimale Radius des Zahngrundbogens
z: die Zähnezahl

In den 5 und 6 ist pa die Fußkreisteilung entlang Kreissehnen des Zahnrads, welche gleich der Kettenteilung p ist. Wie aus den oben genannten Formeln offensichtlich ist, hat bei dem standardgemäßen Zahnrad 500, das in 6 gezeigt ist, der Zahngrund 503 der ISO-Zahnform in Gestalt eines Bogens mit einem Radius ri, der etwas größer als der Radius der Rolle 152, d. h. d1/2, ist. Die Zahnflanke 502 ist mit einem Bogen ausgebildet, der einen Radius re hat. Die Zahnflanken 502 auf beiden Seiten einer Zahnnut gehen kontinuierlich in den Zahngrund 503 über. Der Durchmesser df des Fußkreises ist gleich der Differenz zwischen dem Teilkreisdurchmesser d und dem Außendurchmesser d1 einer Rolle. Der Durchmesser df des Fußkreises ist im Wesentlichen gleich der Differenz zwischen dem Teilkreisdurchmesser d und zweimal dem Radius ri des Zahngrundbogens.
Die herkömmliche Kette 150 weist innere Laschen und äußere Laschen auf, die abwechselnd und einander überlappend entlang der Länge der Kette angeordnet sind. Bei jedem der inneren Laschen sind beide Enden jeder der zwei dazwischen angeordneten Buchsen in ein Paar Buchsenöffnungen der inneren Laschen eingepresst. Rollen, die jeweils einen Außendurchmesser d1 haben, sind drehbar auf den Buchsen gelagert. Bei jeder äußeren Lasche sind jeweils die beiden Enden von Verbindungsstiften in Stiftöffnungen der äußeren Laschen eingepresst. Die Kette wird derart zusammengebaut, dass zwei Verbindungsstifte einer äußeren Lasche sich durch Buchsen unterschiedlicher benachbarter innerer Laschen erstrecken, so dass die Laschen miteinander verbunden werden. Die Buchsen sind drehbar auf den Verbindungsstiften gelagert, so dass die Kette gebogen werden kann. Die standardgemäße Rollenkette 150 weist eine gleichmäßige Kettenteilung p auf, d. h. ein gleichmäßiger Abstand zwischen den Mitten ihrer jeweiligen Rollen.
Bei diesem standardgemäßen Zahnrad 500, wie es in den 5 und 6 dargestellt ist, sind der Zahngrund 503 und die Zahnflanken 502, die kontinuierlich mit dem Zahngrund 503 ausgebildet sind, spiegelbildlich bezüglich einer Mittellinie x ausgebildet, die sich radial vom Drehmittelpunkt O des Zahnrads 500 durch die Mitte des Zahngrunds 503 erstreckt. Der Zahnform-Teilungswinkel θ ist der Winkel, der durch benachbarte Mittellinien x gebildet wird, und wird durch die Zähnezahl z des Zahnrads 500 bestimmt. D. h. der Teilungswinkel ergibt sich aus θ = 360°/z. Die Zahnform-Teilung pa ist der Abstand zwischen Schnittpunkten a, in denen sich die radialen Mittellinien x mit dem Teilkreis pc schneiden. Deshalb ist die Zahnform-Teilung pa die Länge einer Sehne, die dem Zahnform Teilungswinkel θ entspricht. Da bei dem standardgemäßen Zahnrad 500 die Teilungswinkel θ alle gleich sind, ist auch die Zahnform-Teilung pa entlang den Kreissehnen entlang des Umfangs des Teilkreises pc gleich. Ferner ist die Zahnform-Teilung pa entlang den Kreissehnen gleich der Teilung p der Kette.
Bei einer anderen Strategie, um die Kontaktgeräusche zu verringern, welche in der geprüften Japanischen Patentanmeldung Hei 7-18478 beschrieben ist, ist der Außendurchmesser der Rollen einer Rollenkette größer als die standardgemäße Größe, so dass, wenn jede Rolle an einander gegenüberliegenden Flächen eines Paares benachbarter Zähne anliegt, ein Spalt zwischen der Rolle und dem Zahngrund besteht. Der Zahngrund hat die Gestalt eines Bogens mit einem Durchmesser, der etwas kleiner als der Außendurchmesser der Rolle ist. Wenn die Rolle an den Zahnflanken entlang gleitet und im Zahngrund positioniert ist, erfolgt eine elastische Deformation der Rolle und/oder der Zahnflanken.
Bei einer herkömmlichen Getriebevorrichtung, die eine standardgemäße Rollenkette und ein standardgemäßes Zahnrad aufweist, bewegt sich, wenn sich das Zahnrad im Uhrzeigersinn dreht, wie in 5 dargestellt, eine nachfolgende Rolle 152 relativ zu einer eingreifenden vorhergehenden Rolle in einem Bogen, der einen Radius gleich der Kettenteilung p hat. Die nachfolgende Rolle trifft dann im Wesentlichen in einem rechten Winkel auf einen Zahngrund auf. Somit wird, nach dem Kontakt der nachfolgenden Rolle 152 mit dem Zahngrund, die Energie der Rolle ohne Dämpfung an den Zahngrundbereich übertragen, was viele Schwingungen und Geräusche erzeugt.
Da die Zahnform-Teilung pa auf der Kreissehne des standardgemäßen Zahnrads 500 die gleiche wie eine Teilung p der standardgemäßen Rollenkette 150 ist, liegt jede Rolle 152 am Zahngrund des standardgemäßen Zahnrads 500 in der gleichen Anlageposition an. Deshalb ist der Zeitpunkt der Rollenkontakte mit den Zahngründen des Zahnrads gleichmäßig und die Schwingungsfrequenz und die Geräusche, die erzeugt werden, entsprechen der Anzahl der Zahnradzähne.
Bei der geräuscharmen Getriebekette, die in der geprüften Japanischen Patentanmeldung Hei 7-18478 offenbart ist, bilden eine Tangente an die Position, in welcher die Rolle an eine Zahnflanke anliegt, wenn die Rolle im Zahngrund sitzt, und eine Linie, welche die Mitte der Rolle und die Mitte des Zahnrads verbindet, einen kleinen Winkel. Eine elastische Deformation der Rolle und/oder der Zahnflanke findet statt, und der Stoß wird vermindert, so dass die Kontaktgeräusche verringert werden. Jedoch wird, da die Rolle zwischen einander gegenüberliegenden Zahnflanken eingeschlossen wird, ein reibungsloses Außerkontaktgelangen der Rolle vom Zahnrad verhindert, und Schwingungen treten in der Kette auf der Seite auf, an welcher die Kette außer Eingriff mit dem Zahnrad gelangt, was Geräusche erzeugt.
Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und ein Zahnrad zur Verfügung zu stellen, bei dem die Schwingungen und Geräusche verringert werden, und bei dem eine Kette sich möglichst reibungslos vom Zahnrad trennt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Zahnrad für ein Kettengetriebe vorgesehen, aufweisend Zähne, die durch Zahnnuten zur Aufnahme von Rollen oder Buchsen einer Getriebekette voneinander getrennt sind. In jeder Zahnnut sind einander gegenüberliegende Zahnflanken und ein Zahngrund kontinuierlich miteinander verbunden. Das Zahnrad weist eine Mehrzahl unterschiedlicher Teilungswinkel auf. Diese unterschiedlichen Teilungswinkel umfassen sowohl Teilungswinkel, die größer als der standardmäßige Teilungswinkel (d. h. ein Winkel θ = 360°/z, wobei z die Zähnezahl des Zahnrads ist) sind, als auch Teilungswinkel, die kleiner als der standardmäßige Teilungswinkel sind. Die Anzahl der Teilungswinkel des Zahnrads mit einem Teilungswinkel, der größer als der standardmäßige Teilungswinkel ist, ist größer als die Anzahl der Teilungswinkel, bei der der Teilungswinkel kleiner als der standardmäßige Teilungswinkel ist. Hierbei beträgt die Summe aller Teilungswinkel 360°. Dabei sind die Zahnradzähne einstückig mit dem gesamten Zahnrad mittels Sintern hergestellt.
Der Zeitpunkt des Zusammentreffens der Rollen der Kette oder der Buchsen der Kette mit dem Zahnrad wird verschoben, und die kinetische Energie eines Stoßes der Rollen oder Buchsen mit den Zahnradzähnen wird verringert. Schwingungen mit einer Frequenz, welche der Anzahl der Zahnradzähne multipliziert mit der Umdrehungszahl des Zahnrads entspricht, werden daher verringert. Ferner wird, da es einen großen Unterschied zwischen dem Gesamtgeräusch und dem Geräusch in der Frequenz entsprechend der Zähnezahl des Zahnrades multipliziert mit der Umdrehungszahl des Zahnrades gibt, eine ”Anhäufung” von Geräuschen bestimmter Frequenzen verringert. Dabei erfolgt bei einem Zahnrad mit unregelmäßiger Teilung der Zähne ein Gleitkontakt zwischen den Zahnflanken des Zahnrads und den Rollen oder Buchsen der Kette auf Grund der unterschiedlichen Teilung des Zahnrads an unterschiedlichen Stellen. Auf Grund der unterschiedlichen Stellen, an denen der Gleitkontakt stattfindet, besteht die Gefahr, dass übermäßige Reibungsgeräusche auftreten. Da jedoch beim erfindungsgemäßen Zahnrad die Zähne mittels Sinterns hergestellt sind, wird die Fähigkeit, Schmiermittel an den Zahnradoberflächen zu halten, wesentlich verbessert, so dass diese Reibungsgeräusche verringert werden können, so dass insgesamt ein Zahnrad mit unregelmäßiger Teilung deutlich verbessert wird.
Da die Teilungswinkel unregelmäßig angeordnet sind, und die Anzahl der Teilungswinkel, die größer als die standardgemäßen Teilungswinkel sind, größer als die Anzahl der Teilungswinkel ist, die kleiner als die standardgemäßen Teilungswinkel sind, können Schwingungen und Geräusche verlässlich verringert werden, ohne die Haltbarkeit des Zahnrads zu beeinträchtigen.
Durch das einstückige Sintern der Zahnradzähne mit dem Zahnrad ist keine spanabhebende Bearbeitung mit einer komplizierten Steuerung und keine Abwälzbewegung erforderlich. Folglich ist das Zahnrad einfach herstellbar. Insbesondere kann mehr Schmiermittel in einer gesinterten Zahnradoberfläche als bei einem herkömmlichen Zahnrad gehalten werden, so dass Reibungsgeräusche auf Grund eines Gleitkontakts einer Rollen der Kette oder einer Buchsen der Kette mit der Mehrzahl von Zahnradzähnen mit variierender Teilung verringert werden.
Wenn der Wert eines standardgemäßen Zahnform-Teilungswinkels θ ist, ist bevorzugt der minimale Teilungswinkel θ – Δθ, und der maximale Teilungswinkel ist bevorzugt kleiner als θ + Δθ. So lassen sich Schwingungen und Geräusche noch verlässlicher verringern, ohne dass die Haltbarkeit und Belastbarkeit des Zahnrads beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise ist der Wurzeldurchmesser des Zahnrads größer als der Wurzeldurchmesser eines standardgemäßen Zahnrads, welcher den gleichen Teilkreisdurchmesser und die gleiche Zähnezahl hat. Eine Rolle oder Buchse gelangt mit einer hinteren Zahnflanke eines Zahns im Wesentlichen in tangentialer Richtung in Eingriff. Deshalb ist ein Stoß auf Grund einer Bewegung der Rolle oder der Buchse relativ zum Zahnrad gering, und Schwingungen und Geräusche auf Grund des Stoßes der Rolle oder der Buchse an das Zahnrad können verringert werden. Zusätzlich gelangt, wenn eine vorhergehende Rolle oder Buchse sich relativ um eine unmittelbar nachfolgende Rolle oder Buchse außer Eingriff vom Zahnrad bewegt, trennt sich die vorhergehende Rolle oder Buchse reibungslos vom Zahnrad und eine weitere Verringerung von Schwingungen und Geräuschen kann realisiert werden.
Beim erfindungsgemäßen Zahnrad haben die Zahnradzähne eine Mehrzahl unterschiedlicher Teilungswinkel. Die Anzahl der Teilungswinkel größer als der standardgemäße Teilungswinkel ist größer als die Anzahl der Teilungswinkel, die kleiner sind als der standardgemäße Teilungswinkel. Dies bewirkt eine wesentliche Verringerung der Schwingungen und Geräusche, die erzeugt werden, wenn eine Kette in Eingriff mit dem Zahnrad gelangt, ohne dass die Haltbarkeit des Zahnrads beeinträchtigt wird.
Die Vorteile der Erfindung können bei einer Vielzahl von Anwendungen realisiert werden. Beispielsweise kann das Zahnrad eine beliebige Zähnezahl und zwei oder auch mehr unterschiedliche Teilungswinkel aufweisen. Im Falle eines Zahnrads mit drei oder mehr unterschiedlichen Teilungswinkeln kann einer der Teilungswinkel der standardgemäße Teilungswinkel sein.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Ansicht eines Zahnrads gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Zahnrads von 1, welche die Zahnformen des Zahnrads zeigt,
3 eine Ansicht eines Zahnrads gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 eine Ansicht eines Zahnrads gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
5 eine Ansicht eines herkömmlichen Zahnrads in Eingriff mit einer standardgemäßen Rollenkette, wobei das Zahnrad und die Kette dem ISO-Standard entsprechen, und
6 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des herkömmlichen Zahnrads und der Kette.
Wie in 1 gezeigt, hat ein Zahnrad 100 achtzehn Zähne und zwei unterschiedliche Teilungswinkel. Zähne 105S haben einen Teilungswinkel θ – Δθ, Zähne 105L haben einen Teilungswinkel θ + (Δθ/2), wobei θ der standardmäßige Teilungswinkel von 360°/z und z die Zähnezahl des Zahnrads ist. Somit ist in diesem Fall θ = 20°. Δθ ist ein Bruchteil des standardmäßigen Teilungswinkels θ, vorzugsweise weniger als 1/4 des standardmäßigen Teilungswinkels θ, so dass die Teilungswinkel alle innerhalb eines Bereichs sind, in dem eine standardmäßige Kette dazu in der Lage ist, mit dem Zahnrad in Eingriff zu gelangen, d. h. es gilt: Δθ < θ/4.
Das Zahnrad 100 hat sechs Gruppen von Zähnen, wobei jede Gruppe aus einem Zahn 105S mit einem Teilungswinkel von θ – Δθ und zwei Zähnen 105L mit jeweils einem Teilungswinkel von θ + (Δθ/2) besteht. Jede Gruppe aus drei Zähnen nimmt einen Winkel von 3θ ein. Dieser Winkel 3θ ist der gleiche, wie die Summe der Teilungswinkel dreier standardmäßiger Zähne, die jeweils einen standardmäßigen Teilungswinkel θ aufweisen. Die Gruppen von drei Zähnen sind über den Umfang des Zahnrads in Richtung des Teilkreises pc101 wiederholt (siehe 2), was in einem Zahnrad resultiert, das eine Anordnung von Zähnen hat, die unregelmäßig in Bezug darauf ist, dass es wenigstens zwei unterschiedliche Arten von Zähnen mit unterschiedlichen Teilungswinkeln hat. Somit hat das Zahnrad zwölf Zähne 105L, die jeweils einen Teilungswinkel θ + (Δθ/2) haben, der größer als der standardmäßige Teilungswinkel θ ist, und sechs Zähne 105S, die jeweils einen Teilungswinkel θ – Δθ haben, der kleiner als der standardmäßige Teilungswinkel θ ist. Der maximale Teilungswinkel θ + (Δθ/2) ist hierbei kleiner als θ + Δθ. Insgesamt ergibt sich – entsprechend einem standardgemäßen Zahnrad – eine Summe der Teilungswinkel von 360°.
Obwohl gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Zähnezahl des Zahnrads achtzehn ist, ist die Zähnezahl weder auf achtzehn beschränkt, noch ist sie auf eine durch drei teilbare Zahl beschränkt.
Zum Beispiel kann ein erfindungsgemäßes Zahnrad auch durch ein Ausführungsbeispiel realisiert werden, das eine Anzahl von Zähnen mit einem Teilungswinkel θ – Δθ, doppelt so vielen Zähnen mit einem Teilungswinkel von + (Δθ/2) und einem oder mehr Zähnen mit einem standardmäßigen Teilungswinkel θ hat. Die Zähne mit dem standardmäßigen Teilungswinkel θ können an beliebigen Positionen angeordnet sein. Auch in diesem Fall ergibt eine Summe der Teilungswinkel 360°.
Ferner können, obwohl einige der Gruppen von Zähnen aus einem Zahn mit einem Teilungswinkel θ – Δθ und zwei Zähnen mit jeweils einem Teilungswinkel θ + (Δθ/2) bestehen, andere Gruppen von Zähnen aus drei Zähnen bestehen von denen jeder einen Teilungswinkel θ hat. Wiederum können die Zähne mit dem Teilungswinkel θ an beliebigen Positionen angeordnet sein.
Wie in 2 dargestellt, wird jede Zahnnut durch zwei einander gegenüberliegende Zahnflanken 102a und 102b und einen Zahngrund 103 definiert, die kontinuierlich ineinander übergehen.
Zu Vergleichszwecken zeigt 2 eine gestrichelte Linie die Gestalten von Zähnen mit der standardmäßigen ISO-Zahnform und den gleichen Teilungswinkeln, wie die Zähne 105S und 105L.
Die Zahnformen der Zähne des erfindungsgemäßen Zahnrads 100 sind derart, dass eine Zahnflanke 102a auf der Vorderseite in Drehrichtung des Zahnrads 100 und eine Zahnflanke 102b auf der Rückseite spiegelbildlich bezüglich einer Mittellinie x des dazwischenliegenden Zahngrunds 103 sind, d. h. eine radial verlaufende Linie, die den Mittelpunkt des Zahnrads und die Mitte des Zahngrunds 103 verbindet. Die Zahnflanken 102a und 102b haben beide die Gestalt konvexer Kreisbögen mit den Radien re102a und re102b. Diese Radien, die gleich groß sind, sind größer als der Radius re (6) der bogenförmigen Zahnflanke eines Zahnrads gemäß dem ISO-Standard. Somit gilt re102a > re und re102b > re.
Der Zahngrund 103 hat die Gestalt eines Bogens mit seiner Mitte auf der radialen Mittellinie x. Der Bogen des Zahngrunds 103 hat einen Radius ri103, der größer als der Radius ri (6) eines bogenförmigen Zahngrunds gemäß dem ISO-Standard ist. Somit gilt ri103 > ri. Es ist offensichtlich, dass der Mittelpunkt des Bogens ri103 radial außerhalb auf der radialen Mittellinie x in Bezug auf den Mittelpunkt des Bogens eines standardmäßigen Zahngrunds angeordnet ist, der in 2 gestrichelt dargestellt ist.
Der Fußkreis-Durchmesser df103 (oder dc103) ist ein Kreis, der tangential von innen an die Zahngründe 103 des Zahnrads anliegt. Sein Durchmesser wird auch als ”Zahnnut-Grunddurchmesser” oder ”Wurzeldurchmesser” bezeichnet. Da der Mittelpunkt des bogenförmigen Zahngrunds des erfindungsgemäßen Zahnrads radial weiter außen angeordnet ist als der Mittelpunk eines standardmäßigen bogenförmigen Zahngrunds, ist, wenn die Zähnezahl z der Zahnradzähne ein gerade Zahl ist, der Durchmesser df103 des Fußkreises größer als der Durchmesser df eines Fußkreises gemäß dem ISO-Standard. Das heißt, df103 > df. Alternativ gilt, wenn die Zähnezahl z der Zahnradzähne eine ungerade Zahl ist, der Innenkreisdurchmesser dc103 größer als der Innenkreisdurchmesser dc des Fußkreises gemäß dem ISO-Standard. Das heißt, dc103 > dc.
Da der Durchmesser df103 des Fußkreises oder der Innenkreisdurchmesser dc103 größer als der Durchmesser df bzw. der Innenkreisdurchmesser dc eines Zahnrads gemäß dem ISO-Standard ist, ist die Teilung pa101L entlang der Kreissehne des Zahnrads 100 (d. h. der Abstand zwischen aufeinanderfolgende Abschnitte des Teilkreises pc101 mit den Mittellinien x) größer als eine Teilung pa (5 und 6) entlang der Kreissehne des ISO-Standard-Zahnrads. Das heißt, pa101L > pa.
Das Zahnrad 100 ist dazu geeignet, zusammen mit einer standardmäßigen Rollenkette 150 verwendet zu werden (5). Im Falle eines standardmäßigen Zahnrads ist die Teilung pa entlang der Kreissehne gleich der Kettenteilung p (d. h. der Abstand zwischen den Mitten der Rollen 152). Andererseits ist die Teilung pa101L entlang der Kreissehne des Zahnrads 100 bei den Zähnen 105L mit einem Zahnform-Teilungswinkel θ + (Δθ/2) größer als die Kettenteilung p der standardmäßigen Rollenkette 150. Das heißt pa101L > p.
Die standardmäßige Rollenkette 150 hat eine gleichmäßige Kettenteilung p. Da das Zahnrad 100 unterschiedliche Zahnform-Teilungswinkel, vorliegend nämlich θ – Δθ und θ + (Δθ/2), aufweist, die in einem Muster entlang der Umfangsrichtung des Teilkreises pc angeordnet sind, bewegt sich, wenn das Zahnrad 100 gedreht wird, eine nachfolgende Rolle 152 relativ zu einer sich bereits in Eingriff befindlichen, vorhergehenden Rolle über einen Winkel mit einem Radius, der gleich der Kettenteilung p ist. Die nachfolgende Rolle 152 kommt in Kontakt mit einer Zahnflanke entlang einer im Wesentlichen tangentialen Richtung und ihre kinetische Energie wird aufgenommen, bevor ein Auftreffen auf den Zahngrund erfolgt. Dabei wird der Zeitpunkt des Auftreffens auf Grund der Anordnung der Zahnradzähne verschoben. Folglich werden nicht nur Stöße absorbiert, sondern auch Schwingungen und Geräusche einer Frequenz verringert, die durch die Zähnezahl bestimmt wird. Im Ergebnis wird die Gesamtgeräuscherzeugung des Kettengetriebes verringert.
Die Festigkeit eines Zahnes 105S, der einen Teilungswinkel θ – Δθ hat, ist etwas geringer als die eines Zahns 105 mit einem standardmäßigen Teilungswinkel θ. Jedoch wird, da die Anzahl der Zähne 105S über den Umgang des Zahnrads 100 klein ist, die Gesamthaltbarkeit des Zahnrads nicht wesentlich beeinträchtigt.
Das Zahnrad 100 ist mittels Sinterns hergestellt, wobei die einzelnen Zahnradzähne einstückig geformt sind. Dies bewirkt eine wesentliche Verringerung der Schwingungen und der Geräusche, die erzeugt werden, wenn eine Kette mit dem Zahnrad in Eingriff kommt, ein reibungslosses Außerkontaktgelangen der Kette vom Zahnrad, eine vereinfachte Herstellung des Zahnrads sowie eine Verringerung der Reibungsgeräusche.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 3 gezeigt ist, hat ein Zahnrad 200 drei Arten von Zähnen, die unterschiedliche Teilungswinkel haben. Zähne 205 haben den gleichen Teilungswinkel θ wie ein standardmäßiges Zahnrad, Zähne 205S haben einen Teilungswinkel θ – Δθ, und Zähne 205L haben einen Teilungswinkel θ + (Δθ/(N – 1)), wobei N die Anzahl der Zähne einer Gruppe ist, bestehend aus den Zähnen 205S und 205L. Beim Zahnrad 200 gibt es drei Gruppen von je fünf Zähnen, die jeweils einen Zahn 205S mit einem Teilungswinkel θ – Δθ und vier (d. h. N – 1) benachbarte Zähne 205L umfasst, wobei jeder der Zähne 205L einen Teilungswinkel θ + (Δθ/(N – 1)) hat. Alle übrigen Zähne sind Zähne 205 mit einem Teilungswinkel θ.
Der Gesamtwinkel einer Gruppe von N Zähnen ergibt sich aus einem Zahn 205S mit einem Teilungswinkel θ – Δθ und N – 1 Zähnen 205L mit einem Teilungswinkel von θ + (Δθ/(N – 1)) als Nθ, d. h. er ist gleich den Teilungswinkeln von N aufeinanderfolgenden Zähnen, die jeweils einen standardgemäßen Teilungswinkel θ haben. Die Zähne 205, 205S und 205L sind unregelmäßig um den Umfang des Teilkreises verteilt angeordnet. Das Zahnrad hat N-1 Zähne 205L und einen Zahn 205S in jeder Gruppe, die aus den Zähnen 205L und 205S besteht. Die Zähne 205L, welche einen größeren Teilungswinkel haben als der standardgemäße Teilungswinkel θ, kommen in einer größeren Anzahl vor als die Zahl der Zähne 205S, welche einen kleineren Teilungswinkel haben als der standardgemäße Teilungswinkel θ. Der maximale Fußform-Teilungswinkel θ + (Δθ/(N – 1)) ist kleiner als θ + Δθ.
Wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels ist auch hier Δθ bevorzugt kleiner als 1/4 des standardgemäßen Teilungswinkels θ, so dass die Teilungswinkel alle in einem Bereich liegen, in welchem eine standardgemäße Kette dazu in der Lage ist, mit dem Zahnrad in Eingriff zu gelangen, d. h. es gilt Δθ < θ/4.
Die Zähne 205 mit dem standardgemäßen Teilungswinkel θ können in beliebiger Zahl und an verschiedenen Stellen des Zahnrads vorgesehen sein. Wenn die Anzahl der standardgemäßen Zähne durch die Zahl N ganzzahlig teilbar ist, könnte die Zahl der Zähne mit dem standardgemäßen Teilungswinkel θ auch Null sein.
Ferner kann eine oder mehrere der Mehrzahl von Gruppen von Zähnen des Zahnrads 200 aus N Zähnen bestehen, wobei jeder Zahn einen Teilungswinkel θ hat. Somit kann bei dem Zahnrad eine oder mehr Gruppen mit Zähnen aus einem Zahn 205S mit einem Teilungswinkel θ – Δθ und N – 1 Zähne 205L mit einem Teilungswinkel von jeweils θ + (Δθ/(N – 1)) vorkommen. Die übrigen Zähne mit einem Teilungswinkel θ können an beliebigen Stellen angeordnet sein.
Die Zahnform der Zähne des Zahnrads 200 ist die gleiche, wie die der Zähne des ersten Ausführungsbeispiels, das in 2 dargestellt ist. Ferner ist auch das zweite Zahnrad 200 mittels Sinterns hergestellt. Die Art der Geräuschverringerung entspricht ebenfalls derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in 4 dargestellt ist, hat ein Zahnrad 300 zwei Arten von Zähnen mit unterschiedlichen Teilungswinkeln. Eine Zahnart ist der Zahn 305S mit einem Teilungswinkel θ – Δθ, bei dem der Teilungswinkel θ kleiner als ein standardgemäßer Teilungswinkel θ ist, die andere Zahnart sind die Zähne 305L mit einem Teilungswinkel θ + (Δθ/(T – 1)), bei denen der Teilungswinkel θ größer als ein standardgemäßer Teilungswinkel θ ist. Das Zahnrad 300 weist vorliegend einen Zahn 305S mit einem Teilungswinkel θ – Δθ auf, alle anderen Zähne haben den Teilungswinkel θ + (Δθ/(T – 1)).
Die Gesamtzahl der Zähne des Zahnrads 300 ist T und der Gesamtwinkel beträgt 360°. Der Zahn 305S mit einem Teilungswinkel θ – Δθ bildet eine Irregularität entlang des Umfangs des Teilkreises. Jeder der anderen T – 1 Zähne 305L hat einen Teilungswinkel θ + (Δθ/(T – 1)), d. h. einen Teilungswinkel, der größer als der standardgemäße Teilungswinkel θ ist. Das Maximum der Teilungswinkel θ + (Δθ/(T – 1)) ist kleiner als θ + Δθ.
Wie im Falle des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels ist auch hier Δθ bevorzugt kleiner als 1/4 des standardgemäßen Teilungswinkels θ, so dass die Teilungswinkel alle in einem Bereich liegen, in welchem eine standardgemäße Kette dazu in der Lage ist, mit dem Zahnrad in Eingriff zu gelangen, d. h. es gilt Δθ < θ/4.
Die Zahnform der Zähne des Zahnrads 300 ist die gleiche, wie die der Zähne des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels. Die Art der Geräuschverringerung entspricht ebenfalls derjenigen des ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels.
Die Fälle, in denen die Anzahl an Zähnen mit einem Teilungswinkel, der größer als der standardgemäße Teilungswinkel ist, größer als die Anzahl an Zähnen mit einem Teilungswinkel, der kleiner als der standardgemäße Teilungswinkel ist, ist, und die Fälle, in denen der maximale Teilungswinkel kleiner als θ + Δθ ist, wobei θ der standardgemäße Teilungswinkel ist, und der minimale Teilungswinkel θ – Δθ ist, sind nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Wenn N die Anzahl an Zähnen ist, die den minimalen Teilungswinkel θ – Δθ haben, und M die Anzahl an Zähnen ist, die den maximalen Teilungswinkel θ + (NΔθ/M) haben, kann – wenn das Verhältnis N < M erfüllt ist – jede Anordnung der entsprechenden Zähne verwendet werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen haben die Zahnräder entweder zwei oder drei unterschiedliche Teilungswinkel. Jedoch kann, selbst wenn die Zähne eines Zahnrads vier oder mehr unterschiedliche Teilungswinkel haben, wenn die Anzahl an Zähnen mit einem Teilungswinkel, der größer als der standardgemäße Teilungswinkel ist, größer ist als die Anzahl an Zahnen mit einem Teilungswinkel, der kleiner als der standardgemäße Teilungswinkel ist, oder, wenn ein Teilungswinkel des standardgemäßen Zahnrads auf θ und der minimale Teilungswinkel auf θ – Δθ gesetzt ist, der maximale Teilungswinkel kleiner als θ + Δθ sein.
Bei einem Zahnrad, bei welchem die Zahnradzähne eine unregelmäßige Teilung haben, ist es schwierig, die Zahnradzähne mittels spanabhebender Bearbeitung, bspw. mittels Wälzfräsens, oder mittels eines ähnlichen Verfahrens auszubilden. Jedoch kann das erfindungsgemäße Zahnrad, trotz der unregelmäßigen Teilung der Zähne, einfach als ein Teil einstückig mittels Sintern hergestellt werden, d. h. das gesamte Zahnrad ist in einem Stück gesintert. Darüber hinaus erfolgt bei einem Zahnrad mit unregelmäßiger Teilung der Zähne ein Gleitkontakt zwischen den Zahnflanken des Zahnrads und den Rollen oder Buchsen der Kette auf Grund der unterschiedlichen Teilung des Zahnrads an unterschiedlichen Stellen. Auf Grund der unterschiedlichen Stellen, an denen der Gleitkontakt stattfindet, können eine übermäßige Reibungsgeräusche auftreten. Da jedoch beim erfindungsgemäßen Zahnrad die Zähne mittels Sinterns hergestellt sind, wird die Fähigkeit, Schmiermittel an den Zahnradoberflächen zu halten, wesentlich verbessert, so dass diese Reibungsgeräusche verringert werden können.
Obwohl vorstehend die Erfindung anhand einer standardgemäßen Rollenkette 150 beschrieben wurde, kann die Erfindung auch für rollenlose Buchsenketten verwendet werden. Ferner kann das erfindungsgemäße Zahnrad auch Zahnformen haben, welche sich von denen eines standardgemäßen Zahnrads unterscheiden. Vorausgesetzt, dass der Durchmesser des Zahngrundkreises (d. h. des Wurzeldurchmessers) oder der Innenkreisdurchmesser größer als der Durchmesser des Zahngrundkreises oder des Innenkreisdurchmessers eines standardgemäßen Zahnrads ist, können, wenn die Zahnform des Zahnrads die gleiche ist, wie die eines standardgemäßen Zahnrads, die vorteilhaften Effekte der Erfindung erzielt werden.

100, 200, 300: Zahnrad
102a, 102b, 202a, 202b, 302a, 302b: Zahnflanke
103, 203, 303: Zahngrund
105, 105L, 105S, 205, 205L, 205S, 305L, 305S: Zahn
150: Rollenkette
152: Rolle
d: Teilkreisdurchmesser
d1: Außendurchmesser einer Rolle
df, df103: Fußkreisdurchmesser
dc, dc103: Durchmesser eines Innenkreises
M: Anzahl der Zähne einer Gruppe mit maximalem Teilungswinkel
N: Anzahl der Zähne einer Gruppe mit minimalem Teilungswinkel
p: Kettenteilung der Rollenkette
pa, pa101L: Zahnform-Teilung
re(max): maximaler Radius des Kopfkreises
re(min): minimaler Radius des Kopfkreises
ri(max): maximaler Radius des Zahngrundbogens
ri(min): minimaler Radius des Zahngrundbogens
x: radiale Mittellinie
z: Zähnezahl
θ: Teilungswinkel (standardgemäßes Zahnrad mit ISO-Zahnform)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 7-18478 [0012, 0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- JIS B1801-1997 [0005]
- JIS B 1801-1997 [0005]
- ISO 606:1994(E) [0005]
- ISO 606:1994(E) [0007]

Claims

Zahnrad (100, 200, 300) für ein Kettengetriebe, wobei das Zahnrad (100, 200, 300) Zähne aufweist, die durch Zahnnuten zur Aufnahme von Rollen (152) oder Buchsen einer Getriebekette (150) voneinander getrennt sind, und in jeder Zahnnut einander gegenüberliegende Zahnflanken (102a, 102b) und ein Zahngrund (103, 203, 303) kontinuierlich miteinander verbunden sind, wobei das Zahnrad (100, 200, 300) eine Mehrzahl unterschiedlicher Teilungswinkel aufweist, die unterschiedlichen Teilungswinkel sowohl Teilungswinkel, die größer als der standardmäßige Teilungswinkel (θ) sind, als auch mindestens einen Teilungswinkel umfassen, der kleiner als der standardmäßige Teilungswinkel (θ) ist, und die Anzahl der Teilungswinkel des Zahnrads (100, 200, 300) mit einem Teilungswinkel, der größer als der standardmäßige Teilungswinkel (θ) ist, größer als die Anzahl der Teilungswinkel ist, bei der der Teilungswinkel kleiner als der standardmäßige Teilungswinkel (θ) ist, und die Zähne des Zahnrads (100, 200, 300) als ein Teil einstückig mit dem Zahnrad (100, 200, 300) gesintert ist.
Zahnrad gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußkreisdurchmesser (df103) des Zahnrads (100, 200, 300) größer als der Fußkreisdurchmesser (df) eines standardgemäßen Zahnrads mit dem gleichen Teilkreisdurchmesser (pc) und der gleichen Zähnezahl (z) ist.
Zahnrad gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der standardgemäße Zahnform-Teilungswinkel θ ist, der minimale Teilungswinkel θ – Δθ und der maximale Teilungswinkel kleiner als θ + Δθ ist.
Zahnrad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem maximalen Teilungswinkel und einem standardgemäßen Teilungswinkel kleiner als ein Viertel des standardgemäßen Teilungswinkel ist.
Zahnrad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (100) Gruppen von Zähnen aufweist, die kontinuierlich zumindest um einen Teil des Zahnrads (100) herum angeordnet sind, wobei jede Gruppe wenigstens einen Zahn mit einem Teilungswinkel (θ – Δθ) und N Zähne mit einem Teilungswinkel (θ + (Δθ/N)) aufweist.
Zahnrad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (200) neben Zähnen (205L) mit einem Teilungswinkel, der größer als der standardgemäße Teilungswinkel ist, und Zähnen (205S) mit einem Teilungswinkel, der kleiner als der standardgemäße Teilungswinkel ist, auch Zähne (205) mit einem standardgemäßen Teilungswinkel aufweist.