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Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnriemenscheibe zur Übertragung eines Drehmomentes über einen Zahnriemen, wobei die Zahnriemenscheibe außenumfänglich angeordnete Ritzelzähne aufweist.
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Gattungsgemäße Zahnriemenscheiben werden eingesetzt, um Drehmomente mittels eines Zahnriemens zu übertragen, beispielsweise zum synchronen Antreiben der Steuertrieb-Nockenwellen in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Die Übertragung erfolgt über an den Zahnriemen angeordnete Zahnriemenzähne, welche in korrespondierend gestaltete Ritzelzähne an der Zahnriemenscheibe eingreifen. Die Ritzelzähne sind außenumfänglich an Zahnriemenscheiben angebracht, die verdrehfest mit der entsprechenden Antriebs- bzw. Abtriebswelle verbunden sind. In der Regel sind Umlenkrollen und Spannsysteme zur Aufrechterhaltung der Spannung des Zahnriemens im Zahnriementrieb integriert.
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Der auf Breite geschnittene Zahnriemen weist in der Regel eine Riemenbasis aus einem Elastomer, ein drallförmig gewickeltes Riemenrücken (Cord) und ein Polyamid-Gewebe auf. Der Zugstrang kann aus Glas- oder Aramidfasern gebildet sein. Ein unter Last stehender Zugstrang überträgt die Kraft von einer Zahnriemenscheibe auf eine andere Zahnriemenscheibe. Das Polyamid-Gewebe mindert den Verschleiß und etwaige Geräusche, sorgt für eine optimale Haftung zum Riemenunterbau und verringert die Reibung verringert.
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Wesentliche die Lebensdauer beeinflussende Faktoren sind Biegewechsel aufgrund der Umlenkung des Riemens und etwaige Zugkraftschwankungen aufgrund von Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors sowie toleranz- und dynamisch bedingte asymmetrische Zugbelastung, insbesondere des Zugstranges des Riemens.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Lebensdauer eines Zahnriemens zu verlängern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demnach eine Zahnriemenscheibe zur Übertragung eines Drehmomentes über einen Zahnriemen, wobei die Zahnriemenscheibe außenumfänglich angeordnete Ritzelzähne aufweist, wobei die Ritzelzähne einander zugewandte Ritzelzahnflanken aufweisen und dazu ausgestaltet sind, mit korrespondierend ausgestalteten, an dem Zahnriemen angeordneten Zahnriemenzähnen in Eingriff zu gelangen, wobei sich im Betrieb die Zahnriemenzähne des Zahnriemens und die Ritzelzähne der Zahnriemenscheibe an Ritzelzahnflanken berühren, wobei mindestens eine Ritzelzahnflanke der Ritzelzähne in einer durch eine Querachse und eine Umfangsrichtung aufgespannten Ebene konvex geformt sind, wobei ein sich aus der konvexen Form der Ritzelzahnflanken ergebendes Maß d, gemessen zwischen einem mittleren Bereich der Ritzelzahnflanken und den Seitenbereichen zwischen 10 μm und 300 μm groß ist.
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Die Ritzelzähne dienen an einer Zahnriemenscheibe überwiegend zur Herstellung eines Formschlusses, so dass konform zur Umlaufgeschwindigkeit ein Drehmoment übertragen werden kann.
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Die Zahnriemenzähne bzw. der Zugstrang werden in einer Umfangsrichtung belastet. Die Belastung ist an konventionellen Zahnriemenscheiben mit geraden Ritzelzahnflanken häufig ungleichmäßig verteilt. Es hat sich gezeigt, dass dies vor allem zwei Ursachen hat. Zum einem unterliegen die Zähne und deren Lage zur Rotationsachse fertigungsbedingte Abweichungen, so dass die Zahnriemenscheibe gegenüber dem in der Regel flachen Zahnriemen schräggestellt ist. Zum anderen erfährt beispielsweise eine fliegend gelagerte Zahnriemenscheibe unter Last eine Taumelbewegung durch die Biege- und Torsionswechsel der meist gleitgelagerten Nockenwelle bzw. Kurbelwelle.
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Da die Zahnriemenzähne verhältnismäßig starr an dem Zahnriemen befestigt sind und den Zahnriemen in Querrichtung versteifen, übertragen sie die Belastung auf den Zugstrang. Bedingt durch die Form- und Lageabweichungen der Zahnriemenscheibezähne und die Taumelbewegung der Zahnriemenscheibe können daher die Zahnriemenzähne herkömmlicher Zahnriemenscheiben im Randbereich erhöhten Belastungen ausgesetzt sein. Die Längskräfte im Rückengewebe sind in diesem Fall über die Breite des Zahnriemens nicht immer konstant. Diese bei herkömmlichen Zahnriementrieben auftretenden ungleichmäßigen Längskräfte können die Lebensdauer des Zahnriemens bzw. des Zugstranges durch Materialermüdung verkürzen.
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In einem Aspekt der Erfindung wird die Ermüdung bzw. Dehnung des Zahnriemens durch eine Entlastung insbesondere des Zugstranges reduziert. Dies kann erfolgen, indem die Ritzelzahnflanken konvex geformt sind und die Zahnriemenzähne des Zahnriemens mit einer konvex gekrümmten Fläche in Berührung kommen. Wenn nun die Zahnriemenscheibe fertigungs- und betriebslastbedingt taumelt, werden die Zahnriemenzähne in Umfangsrichtung stets in einem mittleren Bereich gleichmäßig belastet. Durch eine konvexe Abrundung ergibt sich eine günstige Belastung der Zahnriemenzähne bzw. des Zugstranges. Dadurch kann die Lebensdauer des Zahnriemens erheblich verlängert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Maß d zwischen 30 μm und 100 μm groß. Das Maß d kann abhängig von der Breite des Zahnriemens und der Belastung des Zahnriementriebs variiert werden. Es können unterschiedlich breite Riemenscheiben zum Einsatz kommen, üblich sind Breiten zwischen 25 mm bis 40 mm. Bei diesen Breiten sind Zahnflankenradien von 2 m bis 20 m besonders günstig.
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Die konvexe Form ist bei dem verhältnismäßig geringen Maß von 50 μm für das menschliche Auge kaum sichtbar, sorgt jedoch bereits für eine Entlastung des Zugstranges im gefährdeten Randbereich. Da eine toleranzbedingte Schrägstellung oder taumelnde Bewegung der Rotationsachse höchstens in einem Bereich von weniger als 1 Grad liegt, reicht bereits eine verhältnismäßig geringfügig konvexe Formgebung der Ritzelzahnflanken aus, um eine lebensdauererhöhende Belastungsform des Zahnriemens zu bewirken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ritzelzähne radial nach außen verjüngt. Dementsprechend können korrespondierend gestaltete Zahnriemenzähne in einem oberen Bereich schmaler ausgestaltet sein als im Zahnfuß. Es wird auf diese Weise eine Dimensionierung der Zahnriemenzähne bzw. Ritzelzähne bereitgestellt, welche der Ritzelzahnbelastung angepasst ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Ritzelzähne radial nach außen abgerundet. Dementsprechend können sich auch die Zahnriemenzähne des Zahnriemens abgerundet aus dem Zahnriemen erstrecken. An abgerundeten Übergängen sind Belastungsspitzen reduziert, so dass dadurch der Verschleiß durch Materialermüdung weiter verringert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung gehen die Ritzelzahnflanken radial nach außen in einen Ritzelzahnkopf über. Alle Ritzelzahnköpfe gemeinsam bilden eine zylindrische Fläche, die durch Zahnzwischenräume unterbrochen ist. Die Zahnzwischenräume stellen einen Freiraum für jeweils einen Zahnriemenzahn bereit.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen benachbarten Ritzelzähnen ein Nutgrund, der abgerundet in die Ritzelzahnflanken übergeht. Korrespondierend hierzu sind die Zahnriemenzähne gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ebenfalls endseitig abgerundet. Dadurch wird im Nutgrund ein stufenloser, stetiger Übergang zwischen einer form- und einer reibschlüssigen Kraftübertragung bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Nutgrund radial nach innen abgerundet. Die Abrundung kann dabei stufenlos in den Übergang des Nutgrunds in die Ritzelzahnflanken übergehen, so dass sich ein im Wesentlichen teilkreis- oder parabelförmiger Zahnzwischenraum gebildet wird. Dadurch ergibt sich wiederum mit zunehmendem Abstand vom Nutgrund ein stetiger Anstieg der von den Ritzelzahnflanken in die Zahnriemenzähne eingeleiteten formschlüssigen Kraft, mit dem oben genannten Vorteilen.
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Die Zahnriemenscheibe kann in einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform zwischen benachbarten Ritzelzähnen einen Nutgrund aufweisen, der über jeweils eine Kante in die Ritzelzahnflanken übergeht. Dadurch kann mit korrespondierend geformten Zahnriemenzähnen ein Zahnriementrieb bereitgestellt werden, bei dem die gesamte Höhe der Zahnriemenzähne zur formschlüssigen Krafteinleitung auf die Ritzelzahnflanken genutzt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein sich aus. der konvexen Form der Ritzelzahnflanken ergebendes Maß d, gemessen zwischen einem mittleren Bereich der Ritzelzahnflanken und den Seitenbereichen derart dimensioniert, dass bei einer im Betrieb auftretenden mittleren Umfangsbelastung des Zahnriemens die Zahnriemenzähne flächig an den Ritzelzahnflanken anliegen. Die mittlere Umfangsbelastung sei hierbei ein Mittelwert aus der Belastung aller im Eingriff stehenden Zahnriemenzähne in Umfangsrichtung. Die Belastung der Ritzelzahnflanken ist proportional zur Zugspannung des Zahnriemens und hängt somit im Wesentlichen von einer Zahnriemenvorspannung und dem übertragenen Drehmoment ab.
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Die konvexe Form leitet sich somit von einer zu erwartenden Zugspannung des Zahnriemens ab. Die Zugspannung kann sich in Abhängigkeit vom Betriebspunkt ändern, beispielsweise bei der Verwendung als Nockenwellentrieb abhängig von der Motorlast und der Drehzahl. Vorzugsweise werden die Ritzelzahnflanken derart dimensioniert, dass die Eingriffzähne bereits bei einer verhältnismäßig geringen Zahnriemenspannung flächig an den Ritzelzahnflanken anliegen, so dass die volle Breite der Zahnriemenzähne zur Kraftübertragung ausgenutzt werden kann.
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Vorzugsweise wird die Zahnriemenscheibe als Teil eines Zahnriementriebs zur Übertragung eines Drehmomentes von einer Kurbelwelle auf eine Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor verwendet. Durch die gezielte Zahnform bei der Gestaltung der Zahnriemenscheibe bzw. des Zahnriemens können die Wechselintervalle des Zahnriemens verlängert werden und Reparaturkosten eingespart werden, aber auch ein optimales Geräuschverhalten erzielt werden.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Zahnriemenscheibe mit konvex geformten Ritzelzähnen und einem an der Zahnriemenscheibe anliegenden Zahnriemen,
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2: eine schematische Darstellung eines Ritzelzahns einer Zahnriemenscheibe, wobei der Ritzelzahn konvexe Ritzelzahnflanken aufweist,
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3: eine schematische Darstellung eines Ritzelzahns einer Zahnriemenscheibe, wobei der Ritzelzahn konvexen Ritzelzahnflanken aufweist, und oben abgerundet geformt ist,
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4: eine schematische Darstellung eines Zahnriemens mit daran angeordneten Ritzelzähnen zur Drehmomentübertragung, sowie einem an dem Zahnriemen vorherrschenden Belastungsprofil, und
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5: aus einer Draufsicht eine Darstellung eines an Zahnriemens mit konvexen Ritzelzahnflanken sowie einem günstigeren Belastungsprofil.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Zahnriemenscheibe 1 mit daran angeordneten Ritzelzähnen 2. Die Zahnriemenscheibe 1 kann verdrehfest mit einer nicht dargestellten Nockenwelle bzw. mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden sein. Die Kraftübertragung erfolgt in einem Zahnriementrieb 3 durch eine Umschlingung der Zahnriemenscheiben 1 durch den Zahnriemen 4. Dabei ist der Zahnriemen 4 endlos, in 1 ist er jedoch zur Verdeutlichung in einer Schnittdarstellung dargestellt.
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Der Formschluss herrscht zwischen den an der Zahnriemenscheibe 1 angeordneten Ritzelzähnen 2 und den Zahnriemenzähnen 5, welche an dem Zahnriemen 4 angeordnet sind. Die Zahnriemenzähne 5 sind dazu ausgestaltet, mit den Ritzelzähnen 2 in Eingriff zu gelangen. Zwischen den Ritzelzähnen 4 angeordnete Zahnzwischenräume 11 stellen einen Freiraum für jeweils einen Zahnriemenzahn 5 bereit.
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Die Zahnriemenzähne 5 weisen im Wesentlichen gerade Zahnriemenzahnflanken 6 auf, wohingegen die an der Zahnriemenscheibe 1 angeordneten Ritzelzähne 2 konvex geformte Ritzelzahnflanken 7 aufweisen. Die konvexe Formgebung befindet sich an jedem Ritzelzahn 2 zu mindestens einer belasteten Zahnflanke 7 in einer durch eine Umfangsrichtung U und eine Querachse Q aufgespannten Ebene E. Die Querachse Q sei eine durch den Ritzelzahn 2 auf beliebiger radialer Ritzelzahnhöhe verlaufende, zur Rotationsachse R parallele Gerade, und die Umfangsrichtung U eine durch den Ritzelzahn 2 verlaufende Tangentiale zu einem Abrollkreis, an einer beliebigen radialen Ritzelzahnhöhe. Auch wenn in 1 eine Zahnriemenscheibe 1 mit verhältnismäßig scharfkantigen Übergängen von einem zwischen den Ritzelzähnen 2 befindlichen Nutgrund 8 zeigt, so sind doch auch andere Ritzelzahnformen mit konvex geformten Ritzelzahnflanken 7 denkbar, beispielsweise eine Trapezform oder eine parabolische Form.
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Eine schematische Darstellung eines einzelnen Ritzelzahns 4 zeigt 2. Durch die konvexe Formgebung sind die Ritzelzahnflanken 7 nach außen gekrümmt. Der Ritzelzahn 4 erstreckt sich aus einem in 2 abgerundeten Nutgrund 8. Die Ritzelzahnflanken 7 erstrecken sich auf einer radialen Ritzelzahnhöhe zwischen dem Ritzelzahnfuß 14 und einem Ritzelzahnkopf 15. Die Zahnriemenzahnflanken 6 sind jedoch im Wesentlichen gerade. Dadurch berühren die Zahnriemenzahnflanken 6 die Ritzelzahnflanken 7 zunächst im Bereich der größten Erhöhung, der in sich in einem mittleren Bereich 13 der Ritzelzahnflanke 7 befindet. Bei zunehmender Riemenspannung legen sich die Zahnriemenzahnflanken 6 zunehmend an der konvexen Ritzelzahnflanke 7 an, bis die Zahnriemenzähne 5 flächig anliegen. Die Riemenspannung kann bei Nockenwellenantrieben die Größenordnung von 1000 N bis 5000 N erreichen.
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Die Ritzelzahnflanken 7 können auch abgerundet in die Ritzelzahnkopf 15 übergehen. Eine dementsprechende schematische Darstellung eines einzelnen Ritzelzahns 4 zeigt 3. An diesem sind der Übergang von den Zahnflanken 7 in den Ritzelzahnkopf 15 sowie der Ritzelzahnkopf 15 selbst abgerundet.
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Die Kraftübertragung von dem Zahnriemen 4 auf die Zahnriemenscheibe 1 erfolgt überwiegend formschlüssig und ist auf mehrere in Eingriff befindliche Zahnriemenzähne 5 verteilt.
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4 zeigt einen Zahnriemen 4 in einer teilweise geschnittenen schematischen Darstellung. Der Zahnriemen 4 ist im Wesentlichen aus einem Riemenrücken 9 und sich daraus erstreckenden Zahnriemenzähnen 5 gebildet. In den Zahnriemen 4, der üblicherweise aus einem elastischen Material, beispielsweise HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) oder dergleichen gebildet ist, ist der Zugstrang 10 eingebettet. Dadurch weist der Zahnriemen 4 in Umfangsrichtung U eine erhöhte Steifigkeit auf. Die Ritzelzähne 2 versteifen den Zahnriemen 4 in Querrichtung Q, erlauben jedoch eine Biegsamkeit um die Querrichtung Q. Durch die Versteifung in Querrichtung Q ist der Zahnriemen 4 verhältnismäßig verdrehfest. Bei der Verwendung einer Zahnriemenscheibe 4 ohne konvex geformte Ritzelzahnflanken 7 bewirkt schon eine geringe Schrägstellung der Rotationsachse R bezogen auf eine ideale Ablaufbahn des Zahnriemens 3 eine einseitig erhöhte Belastung zwischen den Ritzelzähnen 2 und den Zahnriemenzähnen 5. Ein sich aus der ungleichmäßigen Belastung ergebendes Belastungsprofil zeigt 4. Man erkennt, dass der Zahnriemen 4 links einer erhöhten Längskraft ausgesetzt ist, was sich in einem Belastungsprofil widerspiegelt, welches links eine ungünstige Belastungsspitze aufweist. Dieses ungleichmäßige Belastungsprofil wird durch eine Verformung des Zahnriemens 4 ausgeglichen, wodurch prinzipiell ungünstige Scherkräfte im Riemenrücken 9 entstehen können. Langfristig verschleißen die Zahnriemenzähne 5 dadurch in Eckbereichen, was daran erkennbar ist, dass sie zunehmend abgerundet werden. Weiterhin kann es durch erhöhte Längskräfte in den Seitenbereichen zu einer erhöhten Belastung des Riemenrückens 9 bzw. des eingebetteten Rückengewebe kommen.
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5 verdeutlicht, dass mit Hilfe von konvex geformten Ritzelzahnflanken 7 ein ungleichmäßiges Belastungsprofil vermieden werden kann. Selbst wenn die Rotationsachse gegenüber der idealen Ablaufbahn des Zahnriemens 4 schräggestellt sein sollte, entstehen bei konvex geformten Ritzelzahnflanken 7 keine endseitigen Belastungsspitzen, sondern ein stetiges, abgerundetes Belastungsprofil, was durch die Pfeile in 4 veranschaulicht wird. Dabei kann ein konventioneller, in 3 dargestellter Zahnriemen 4 zum Einsatz kommen.
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Eine geringfügig konvexe Formgebung der Ritzelzahnflanken 7 reicht bereits aus, um ein abgerundetes Belastungsprofil zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, dass beispielsweise bei einem Nockenwellentrieb mittels eines Zahnriemens 4 ein sich aus der konvexen Wölbung der Ritzelzahnflanken 7 ergebendes Maß d, gemessen zwischen einer größten Erhebung der Ritzelzahnflanken 4 und den Seitenbereichen 12 zwischen 10 μm und 300 μm, insbesondere zwischen 30 μm und 100 μm groß sein kann.
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Dabei sei von einer Zahnriemenbreite B von 25 mm bis 40 mm ausgegangen. Ein Maß d von 300 μm kann man mit bloßem Auge erkennen, 50 μm jedoch nur erschwert. Dennoch reicht bereits ein geringes Maß d aus, um eine Entlastung des Zahnriemens 4 zu erreichen. Die konvexe Form kann beispielsweise parabel- oder teilkreisförmig sein. Bei einer parabelförmigen Ritzelzahnflanke 7 bewirkt eine zunehmende Abflachung der Krümmung zu den Seitenbereichen 12 hin den Zahnriemen 4 weiter entlasten.
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An den Seitenbereichen 12 kann die Zahnriemenscheibe 1 geschlossen sein, beispielsweise durch eine in den Figuren nicht dargestellte Seitenwand, die Zahnriemenscheibe 1 kann jedoch auch wie in 1 beispielhaft dargestellt nach außen geöffnet sein.
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Die konvex geformten Ritzelzahnflanken 7 können nachträglich eingeschliffen werden, besonders bevorzugt werden die Ritzelzahnflanken 7 durch eine Urformung in Einem mit der Zahnriemenscheibe 1 gefertigt. Die Urformung kann beispielsweise durch ein pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren erfolgen. Weiterhin könnte die Zahnriemenscheibe 4 durch ein Druckguss- oder Spritzgussverfahren, aber auch tiefziehtechnologisch, hergestellt werden.
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Gleichwohl in der vorangegangenen Beschreibung einige mögliche Ausführungen der Erfindung offenbart wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Varianten von Ausführungen durch Kombinationsmöglichkeiten aller genannten und ferner aller dem Fachmann naheliegenden technischen Merkmale und Ausführungsformen existieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu verstehen sind, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit und die Konfiguration in keiner Weise beschränken. Vielmehr möchte die vorangegangene Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Weg aufzeigen, um zumindest eine beispielhafte Ausführungsform zu realisieren. Es versteht sich, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform zahlreiche Änderungen bezüglich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den in den Ansprüchen offenbarten Schutzbereich und dessen Äquivalente zu verlassen. Beispielsweise ist die Erfindung nicht auf geradverzahnte Ritzelzähne beschränkt, auch schräggestellte Ritzelzähne können konvex geformt sein. Weiterhin kann auch der Zahnriemen konvex geformte Zahnflanken aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnriemenscheibe
- 2
- Zahn
- 3
- Zahnriementrieb
- 4
- Zahnriemen
- 5
- Eingriffszahn
- 6
- Eingriffszahnflanke
- 7
- Ritzelzahnflanke
- 8
- Nutgrund
- 9
- Riemenrücken
- 10
- Rückengewebe
- 11
- Zahnzwischenraum
- 12
- Seitenbereich
- 13
- mittlerer Bereich
- 14
- Zahnfuß
- 15
- Ritzelzahnkopf
- E
- Ebene
- Q
- Querrichtung
- R
- Rotationsachse
- U
- Umfangsrichtung
