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Die Erfindung betrifft einen Kettentrieb mit einem unregelmäßigen Kettenrad, das Zähne besitzt, die in eine Kette greifen, um eine Relativbewegung zwischen diesen weiter zu geben. Somit treibt das Zahnrad die Kette an oder die Kette das Zahnrad. Eine Vielzahl von Zähnen ist dabei über den Umfang des Kettenrades (bspw. über den Umfang gesehen ungleich) verteilt (oder über den Umfang gesehen ungleich geometrisch gestaltet). Zwischen diesen Zähnen existieren (bspw. über den Umfang gesehen ungleich verteilte oder ungleich geometrisch gestaltete) Zahnlücken, wobei wenigstens ein Zahn sich von den anderen Zähnen in seiner Außenkontur unterscheidet und/oder wenigstens eine Zahnlücke unterschiedlich zu den anderen Zahnlücken ausgestaltet ist. Natürlich kann es solche Unregelmäßigkeiten häufiger geben.
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Kettentriebe und Kettenantriebe gibt es schon seit langer Zeit. Leider ist es auch schon wenigstens genauso lange bekannt, dass die dabei auftretenden ungewünschte Geräuschemissionen recht hoch sind. Kettenantriebe leiden aufgrund der diskreten Natur von Ketten häufig unter einem hohen Gehalt von Reintongeräuschen.
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Um dieses Problem zu lösen, wurden unregelmäßige Kettenräder erfunden, auch bekannt als „randomized sprockets“.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits vielfach „randomized sprockets“ also unregelmäßig bezüglich der Außenkontur gestaltete Kettenräder bekannt.
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- eine Kette mit durch Verbindungsglieder miteinander verbundenen Stiften wobei jeder Stift eine mittlere Achse aufweist, und eine Kettenteilung besitzt, die als ein Abstand zwischen der mittleren Achse benachbarter Stifte definiert ist, wobei die Kettenteilung konstant ist; ferner umfassend ein Kettenrad mit mehreren Zähnen und Zahnlücken, die um den Umfang des Kettenrads beabstandet sind, wobei jede der Zahnlücken zwischen benachbarten Zähnen positioniert ist, wobei jede der Zahnlücken eine radiale Zahnlückenposition aufweist, die als ein Abstand zwischen der Mitte des Kettenrads und einem entlang den Zahnlücken am nächsten zur Mitte des Kettenrads in einer Radialrichtung befindlichen Punkt definiert ist; und umfassend mindestens einen Satz von vier aufeinander folgenden Zahnlücken, die als eine erste Zahnlücke,
- eine zweite Zahnlücke, eine dritte Zahnlücke und eine vierte Zahnlücke definiert sind, wobei die erste Zahnlücke und die vierte Zahnlücke eine gemeinsame radiale Position aufweisen und die zweite Zahnlücke und die dritte Zahnlücke eine voneinander und von der ersten und der vierten Zahnlücke verschiedene radiale Position aufweisen, und der Satz von vier aufeinander folgenden Zahnlücken zwei verschiedene Verbindungswinkel aufweist, mit einem ersten Verbindungswinkel, der zwischen einer Mittellinie eines ersten Verbindungsglieds und einer Mittellinie eines zweiten Verbindungsglieds definiert wird, und einem zweiten Verbindungswinkel, der zwischen der Mittellinie des zweiten Verbindungsglieds und der Mittellinie eines dritten Verbindungsglieds definiert wird, wobei die Mittellinie des ersten Verbindungsglieds durch die mittlere Achse eines Stifts in der ersten Zahnlücke und die mittlere Achse eines Stifts in der zweiten Zahnlücke definiert wird, wobei die Mittellinie des zweiten Verbindungsglieds durch die mittlere Achse eines Stifts in der zweiten Zahnlücke und die mittlere Achse eines Stifts in der dritten Zahnlücke definiert wird, wobei die Mittellinie des dritten Verbindungsglieds durch die mittlere Achse eines Stifts in der dritten Zahnlücke und die mittlere Achse eines Stifts in der vierten Zahnlücke definiert wird.
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- eine Nabe sowie eine Vielzahl von Zähnen, die von der Nabe radial auswärts hervorstehen und mittels einer Vielzahl von Zahnlücken voneinander getrennt sind; umfassend einen ersten und zweiten elastomeren Dämpfungsring, die an einer gegenüberliegenden ersten und zweiten axialen Seite der Zähne mit der Nabe verbunden sind, wobei der erste und zweite Dämpfungsring jeweils eine Vielzahl von Druckpolstern abgrenzen, die durch sich axial erstreckende Rillen, die jeweils mit den Zahnlücken ausgerichtet sind und radial einwärts dazu angeordnet sind, umfänglich voneinander getrennt sind, wobei jedes der Druckpolster eine ebene äußere Fläche umfasst, die um einen umfänglichen Mittelpunkt symmetrisch abgegrenzt ist und sich zwischen einem vorderen Ende und einem hinteren Ende erstreckt und diese umfasst,
- wobei das vordere Ende und das hintere Ende jedes Druckpolsters in einem gemeinsamen radialen Abstand von einer Mitte der Nabe angeordnet sind, um die sich das Kettenrad dreht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu beseitigen oder wenigstens zu mildern. Insbesondere sollen Geräusche und Vibrationen minimiert werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem gattungsgemäßen Kettentrieb auf einer zum Kettenkontaktieren ausgelegten Oberfläche eines Zahns zumindest ein Einlaufkontaktpunkt und ein Auslaufkontaktpunkt auf einem gemeinsamen Kreisbogen liegen. Unter dem Einlaufkontaktpunkt wird im Betrieb der Erstkontaktpunkt der Kette mit einem bestimmten Zahn verstanden, wohingegen der Auslaufkontaktpunkt der Letztkontaktpunkt der Kette mit genau diesem Zahn bei Weitergabe der Relativbewegung zwischen den beiden Antriebspartnern aus Kette und Zahnrad ist.
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Die durch den periodischen Aufprall / das Übereinandergreifen zwischen der Kette und den Kettenrädern und durch die periodische Querbewegung der Kette relativ zur Drehachse der Kettenräder entstehende Geräusch und die entstehenden Vibrationen, auch bekannt als Sehnenwirkung oder Polygoneffekt, wird nun reduziert. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Kettenradzähne entlang des Kettenradumfanges treten sonst Schwingung und Geräusche bei der grundlegenden Eingriffsfrequenz und ihren positiven Ganzzahlen im Vielfachen auf. Dieses Problem, was besonders gut in der
US 8 323671 B2 erklärt ist, wird nun gelöst. Die diesbezügliche Beschreibung soll als hier integriert gelten.
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Um das beschriebene Problem nämlich zu lösen, wird also das gleichmäßige Zahnprofil um den Zahnkranzumfang herum verändert, sodass die Zeitabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen ungleich sind. Dadurch wird das gleichmäßige Muster durchbrochen, und die Geräusche und Schwingungen werden auf ein breiteres Frequenzspektrum „verteilt“, während die Amplituden der Eingriffsordnungen verringert und schließlich maskiert werden. Es wird eine Verringerung der reinen Töne beim Zusammenwirken von Kette und Zahnrad erwartet, aber nicht unbedingt eine Verringerung des Gesamtpegels von Lärm und Vibrationen.
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Die Kettenräder / Zahnkettenräder mit so genannten invertierten Zähnen können verschiedene Zahnprofile haben. Zwar hat sich in der Vergangenheit das Verwenden von Evolventen bewährt, doch wird gezielt davon abgewichen. Nun wird auf einen (Kreis-)Bogen mit konstantem Radius gesetzt. Gerade Linien oder Flächen oder eine Kombination davon werden vermieden.
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Im Kern der Erfindung steht, dass der Einlaufkontaktpunkt und der Auslaufkontaktpunkt einen Kreisbogen für die Fläche dazwischen festlegen. Typischerweise besteht die Definition des aktiven Zahnprofils nun aus einem oder einer Vielzahl von Bögen mit konstantem Radius, die mit den Kopf- und Fußdurchmessern durch bogenförmige Kopf- und Fußabschnitte verbunden sind. Es ist wünschenswert, wenn das aktive Profil aus einem einzigen Radius besteht, wobei Ausführungsformen mit zwei Radien auch existieren können. Darunter ist zu verstehen, dass außerhalb des Kreisbogens zwischen dem Einlaufkontaktpunkt und dem Auslaufkontaktpunkt unterschiedliche Radien zu dem Kreisbogen hin führen bzw. weg führen können.
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Die Zahnform ist um die Rotationsachse des Kettenrades mit einem konstanten Winkelschritt angeordnet. Das gleichmäßige Regelinkrement für alle Zähne ist also 360° geteilt durch die Anzahl der Zähne Z
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Wenn sich das Kettenrad mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht, findet der Kontakt zwischen einem Kettenglied und dem Kettenrad in gleichen Zeitintervallen statt, wie in einem Drehwinkel des Kettenrades von 360°/Z entsprechend, wobei „Z“ die Anzahl der Zähne des Kettenrades ist. Ein Fachmann, der sich mit der Konstruktion von Zahnketten auskennt, weiß, dass Ketten auf der Grundlage der Kinematik des Eingriffs zwischen Kette und Kettenrad in drei Typen unterteilt werden können:
- - nur Außenflankeneingriff: nur die Außenflanken der Kettenglieder haben Kontakt mit den Zähnen des Kettenrades,
- - progressiver Flankenangriff: zuerst berühren die Innenflanken der Kettenglieder die Kettenradzähne, dann die Außenflanken der Kettenglieder,
- - nur Innenflankeneingriff: nur die Innenflanken der Kettenglieder haben Kontakt mit den Kettenradzähnen.
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Es ist zu beachten, dass eine Kette mit progressivem Eingriff mit einem Kettenrad mit geringer Zähnezahl zu einem Typ mit nur innerem Flankeneingriff werden kann, wenn sie mit einem Kettenrad mit hoher Zähnezahl gepaart wird. Zur besseren Verdeutlichung der Kinematik des Ketteneingriffs sei auf SAE-Papiere aus dem Jahre 2006 hingewiesen. Das hier besonders relevante Dokument ist mit der Nummer 2006-01-0619 und dem Titel „Kinematic Analysis of Chordal Action and Transmission Errors of Silent Chains“ von den Autoren Chintien Huang und Kuen-Chuan Lin und Leo Kosasih von der Datenbank von SAE International abrufbar.
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Um das regelmäßige Muster des Kontaktbeginns zu stören, besteht die vorgestellte Lösung in einem variablen Zahnprofil am Umfang des Kettenrades. Ein solches Muster kann aus einigen ausgewählten Kettenzahnprofilen bestehen, die dann in einem pseudo-zufälligen Muster angeordnet werden. Mit Pseudo-Zufallsmuster ist gemeint, dass es für ein Kettenrad aus der Massenproduktion nur ein Muster für alle produzierten Teile gibt und keine Zufallsproduktion. Ein solches Muster kann durch dynamische Simulation, NVH-Tests oder eine Kombination aus beidem ausgewählt werden. Das Cloyes-Patent,
US 6325734 B1 , beschreibt ein solches Verfahren für eine Rollenkette. Die diesbezüglichen technischen Inhalte sollen als hier integriert gelten.
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Es ist klar, dass eine Variation des Zahnprofils durch die Änderung jedes Parameters für ein aktives Ein-Radius-Profil erreicht werden kann, aber es wurde festgestellt, dass die effektivste und bevorzugte Methode die Änderung der Parameter „offset“ und „Radius“ ist, die die „Neigung“ des Zahnprofils steuern.
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Bei einem Profil mit zwei Radien kann die „Neigung“ des Zahnkranzes auch durch den zweiten Radius gesteuert werden. Wenn mehrere Radien verwendet werden, trägt die Änderung aller oder eines dieser Radien zur Veränderung des Zahnprofils bei.
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Bei einem Evolventen-Profil ist der entscheidende Parameter für die Definition des Zahnprofils der Eingriffswinkel. Folglich hat ein zufällig ausgewähltes Kettenrad mit Evolventen-Profil einen variablen Eingriffswinkel um den Umfang des Kettenrades.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die bevorzugte Konstruktion ein Profil mit einem oder zwei Radien ist, bei dem der Parameter „Versatz“ in den Umfang des Kettenrades zufällig gewählt wird. Auf diese Weise ist die „Herzsche“ Kontaktgeometrie von Kette und Kettenrad im ungünstigsten Fall identisch mit der des standardmäßigen gleichförmigen Kettenrades, was bedeutet, dass die maximalen Kontaktdrücke zwischen Kette und Kettenrad für die vollständig sitzenden Kettenglieder dieselben bleiben.
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Es ist auch erwähnenswert, dass in einer Ausführungsform jeder Zahn ein anderes Profil haben kann. Ein solches Muster ergibt sich aus einem Zufallsalgorithmus. Der Algorithmus selbst ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Darüber hinaus bietet eine solche Ausführungsform einen Vorteil gegenüber den im Stand der Technik beschriebenen Polygonkettenrädern mit variabler Teilung. Das Teilungspolygon bleibt regelmäßig, was bedeutet, dass keine signifikanten Änderungen der Kettenlast aufgrund des Polygon-„Rundlauf“ auftreten werden. Der „runout“ des Polygons und seiner Abschwächung sind in der
US 2018/0363753 A1 gut beschrieben. Das diesbezüglich Offenbarte soll als hier integriert gelten.
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Die Profil-Randomisierung kann auch auf Kettenräder angewendet werden, die nicht runde / verzerrte Polygone haben. Solche Kettenräder dienen der Reduzierung der Kettenlast und werden auch als „ovale Kettenräder“ bezeichnet.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn der die Kreisbogenform festlegende Radius größer als die Zahnhöhe, aber möglichst kleiner als der Zahnradumfang ist. Er sollte jedoch das doppelte der breite der Zahnlücke im engsten Bereich sein.
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Dabei hat es sich auch bewährt, wenn der Zahnspiegel symmetrisch zu seiner Mittelachse ausgebildet ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisbogen außenseitig des Bereichs zwischen dem Einlaufkontaktpunkt und dem Auslaufkontaktpunkt einen dazu unterschiedlichen Übergangsradius besitzt.
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Es ist wünschenswert, wenn sich die beidseitig des Bereichs vorhandenen Übergangsradien voneinander unterscheiden.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der Kreisbogen durch einen einzigen gemeinsamen Radius für den Einlaufkontaktpunkt, den Auslaufkontaktpunkt sowie die Oberfläche dazwischen bestimmt ist bzw. vice versa.
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Wenn die Kette aus mehreren Gliedern aufgebaut ist, die über Stifte miteinander verbunden sind, so kann bedarfsgerecht ein unterschiedlich lang anpassbarer Kettentrieb gestaltet werden.
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Es ist von Vorteil, wenn das Glied mit einer Seitenfläche zum Anliegen an der im Querschnitt (quer zur Rotationsachse) kreisbogenförmig gestalteten Zahnoberfläche ausgelegt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Für Hintergrundinformationen wird auf den zitierten Stand der Technik, das SAE-Papier und Fachbücher verwiesen. Diesbezügliche Figuren werden hier jedoch nicht eingefügt, sollen aber als mitumfasst gelten.
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Es zeigen:
- 1 das Zusammenwirken einer Kette mit einem erfindungsgemäß gestalteten Kettenrad, um einen erfindungsgemäßen Kettentrieb zu erhalten,
- 2 eine Vergrößerung des Bereichs II aus 1,
- 3 ein erfindungsgemäßes Zahnrad / Kettenrad,
- 4 eine Vergrößerung des Bereichs IV aus 3,
- 5 eine Vergrößerung des Bereichs V aus 3.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Kettentrieb 1 dargestellt. Er setzt sich unter anderem aus einem unregelmäßigen Kettenrad / Zahnrad 2 und einer Kette 3 zusammen.
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Das Kettenrad 2 besitzt eine Vielzahl von Zähnen 4, wobei zwischen den Zähnen 4 Zahnlücken 5 vorhanden sind.
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In der 2 sind auf der Oberfläche 6 des Zahns 4 ein Einlaufkontaktpunkt mit dem Bezugszeichen 7 und ein Auslaufkontaktpunkt mit dem Bezugszeichen 8 referenziert. Der Bereich dazwischen ist im Schnitt kreisbogenartig. Mit anderen Worten legt ein einziger möglichst großer Radius die Kontur des Kreisbogens fest. Die Radien RS2 und RS1 haben ein gemeinsames Zentrum und sind beide gleich groß.
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Ein Kettenglied 9 kontaktiert somit zuerst den Einlaufkontaktpunkt 7 und beendet den Kontakt am Auslaufkontaktpunkt 8. Innerhalb des Kreisbogens gelangt damit eine Seitenfläche 10 des Kettengliedes 9 in Anlage mit der Oberfläche 6 im Bereich des Kreisbogens zwischen dem Einlaufkontaktpunkt 7 und dem Auslaufkontaktpunkt 8.
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Die 3 bis 5 verdeutlichen dann die Ausführungsform unterschiedlicher Zähne 4 auf einem Kettenrad / Zahnrad 2.
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Dabei ist in den 4 und 5 eine Mittelachse eines Zahns 4 mit dem Bezugszeichen 11 referenziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kettentrieb
- 2
- Kettenrad / Zahnrad
- 3
- Kette
- 4
- Zahn
- 5
- Zahnlücke
- 6
- Oberfläche des Zahns
- 7
- Einlaufkontaktpunkt
- 8
- Auslaufkontaktpunkt
- 9
- Kettenglied
- 10
- Seitenfläche
- 11
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112010000786 B4 [0005]
- DE 60305682 T2 [0006]
- US 8323671 B2 [0007, 0010]
- US 8435145 B2 [0007]
- US 20180363753 A1 [0007, 0023]
- US 6325734 B1 [0007, 0017]
