DE2660998C2

DE2660998C2 -

Info

Publication number: DE2660998C2
Application number: DE2660998A
Authority: DE
Inventors: Ronald Dean Lincoln Nebr. Us Hoback
Original assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Current assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-12-16
Publication date: 1988-06-01
Also published as: AU1976476A; JPS5276571A; FR2335749A1; JPS60112740U; GB1570715A; DE2660998A1; JPS646430Y2; FR2335749B1; GB1570714A; DE2657389C2; JPS60114357U; IT1074772B; DE2657389A1; AU509141B2; JPS6318851Y2; BR7608368A; US4041789A; CA1076842A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem mit einem Zahnriemen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Antriebssysteme mit Zahnriemen und gezahnten Ritzeln sind allgemein bekannt (DE-AS 12 73 946). Diese Riemen besitzen mehrere sich abwechselnde Zähne und Nuten, die quer zum Band verlaufen, die mit sich abwechselnden Zähnen und Nuten der gezahnten Ritzel oder Zahnräder kämmen, um den Antrieb zu bewirken. Die am meisten verwendeten gezahnten Bänder sind die sogenannten synchronen oder zwangsläufigen Antriebsriemen, die aus biegsamem, elastischem Material wie Natur- oder Synthetikgummi hergestellt sind. Diese Bänder werden mit Teilung, Zahntiefe, Breite und anderen Abmessungen mit hoher Präzision und mit äußerst eng einzuhaltenden Toleranzen konstruiert und hergestellt. Außerdem wird ein Teil mit hoher Spannfestigkeit aus praktisch nicht-dehnbarem Material in der Fußhöhenlinie des Zahnes vorgesehen, um eine unzulässige Dehnung des Riemens zu verhindern. Diese Riemenkonstruktion ermöglicht das Kämmen der biegsamen, elastischen Riemenzähne ohne wesentliche Änderung der Teilung bei Zähnen der Zahnritzel mit dem Riemen, der dadurch als synchronisierender Riemen wirkt.

Gewöhnlich haben die Riemenzähne des zwangsläufigen Antriebsriemens einen rechteckigen (US-PS 2 625 828) bzw. trapezförmigen Querschnitt. Der Abstand oder die Breite der Nuten zwischen den Riemenzähnen sind von vornherein so konstruiert, daß sie größer als die Breite der Basis des Riemenzahnes ist. Es treten jedoch beim Riemenausfall infolge Abscherens der Riemenzähne, was sich durch die Konzentration der Beanspruchungen im Band ergibt, Probleme auf. Es sind deshalb viele Anstrengungen unternommen worden, um das Profil der jetzigen Riemenzähne abzuändern und so das Problem des Zahnabscherens zu lösen. So wurde beispielsweise die Zahl der Riemenzähne auf eine gegebene Riemenlänge erhöht, um eine bessere Lastverteilung oder Beanspruchung des Riemens zu erreichen. Außerdem wurde der einzelne Riemenzahn größer gewählt, um eine höhere Abscherfestigkeit zu erhalten. Diese Versuche haben selbstverständlich den Zwischenraum zwischen den Riemenzähnen so vermindert, daß die Breite der Basis des Riemenzahnes gleich oder größer als der zwischen den Zähnen wird.

Aus der US-PS 37 56 091 ist es bekannt Riemenzähne vorzusehen, die höher sind als die Zähne der Riemenscheibe.

Die erwähnten Abänderungen des Riemens wurden durchgeführt, um dem Problem der Riemenzahnabscherung zu begegnen, sie haben jedoch infolge der relativen Verteilung der Riemenzähne andere Probleme aufgeworfen. Beispielsweise wurde das Spannteil der Antriebsriemen bei den bisherigen Anlagen nicht von den Zähnen des Riemens getragen und somit während des Betriebes einer äußersten Beanspruchung im Gebiet zwischen den Zähnen unterworfen. Dieses Problem war besonders bei Antrieben akut, bei denen die Basis des Riemenzahns gemessen an der Fußhöhenlinie des Zahnes größer als der Zwischenraum zwischen den Zähnen gemessen an derselben Linie ist. In diesem Fall besitzen die Ritzelzähne, die die Zwischenräume zwischen den Riemenzähnen berühren, eine verhältnismäßig kleine Spitze und der sich ergebende Zustand kann dem über eine Messerschneide geführten Riemen gleichgesetzt werden. Außerdem traten auch übermäßige Erschütterungen und unerwünschte Geräusche auf.

Bei anderen Kraftübertragungsriemen (DE-PS 11 26 692) sind die Kopf- und Fußkanten abgerundet. Durch diese Abrundungen werden die Zahnfüße in geringem Maß verbreitert, so daß die in diesem Bereich auftretenden spezifischen Kerbbeanspruchungen geringfügig verringert werden. Die Herstellung solcher Riemen ist jedoch schwierig und aufwendig, da die Modellformen für solche Riemen mit höchster Präzision gefertigt werden müssen. Bei allen vorstehend erwähnten Zahnriemen wurde eine optimale Zahnform mit die auftretenden Kerbbeanspruchungen wesentlich mindernden Ausfüllungen noch nicht gefunden.

Bei mit Innenzähnen versehenen Keilriemen wurde bereits erkannt, daß die Gefahr von Kerbanrissen in den Übergangsbereichen der Zahnflanken in den Boden der Lücke zwischen den Zähnen bzw. im Boden selbst durch Auskehlungen mit möglichst großem Krümmungsradius verringert werden kann (US-PS 2 625 828). Bei solchen Keilriemen führt jedoch die Kraftübertragung vom Riemen zur Riemenscheibe bzw. umgekehrt zu andersartigen Beanspruchungen als bei einem formschlüssigen Zahnriemen, der mit seinen Zähnen in die Lücken eines Zahnrades eingreift. Beim Keilriemen werden die Kräfte durch Reibung der Außenflanken des Riemens auf die Flanken der V-förmigen Rille in der Riemenscheibe übertragen, das heißt, die Kräfte wirken vornehmlich quer zum Riemen. Beim Zahnriemen, der formschlüssig mit einem Ritzel zusammenarbeitet, wird die Kraft nur durch die Zähne übertragen. Der Zahnfuß wird dabei auf Abscherung beansprucht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Antriebssystem der eingangs genannten Art die Zahnform des Antriebszahnriemens dahingehend zu verbessern, daß die Kerbspannungseinflüsse weiter verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche angegebenen Merkmale gelöst.

Die Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden durch eine zwangsläufige Antriebsanlage mit der zusammenarbeitenden Kombination eines Antriebsriemens und zweier gezahnter Ritzel erzielt.

Die Erfindung wird mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben. In diesen ist:

Fig. 1 eine Seitenansicht der zwangsläufigen Antriebsanlage nach der Erfindung mit dem Zahnriemen und den Ritzeln;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Riemens nach Fig. 1 mit dem neuartigen Querschnitt der Riemenzähne;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilseitenansicht nach Fig. 1, wobei Teile abgebrochen dargestellt sind, um die Berührung zwischen dem Zahnriemen und den Zahnritzeln nach der Erfindung besser zeigen zu können;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilseitenansicht der Erfindung nach den Fig. 1 und 3, bei der die Ausbildung der Ritzel nach der Erfindung besser dargestellt ist; und

Fig. 5 eine Abänderung des Ritzels nach der Erfindung, wie sie Fig. 3 zeigt.

Fig. 1 zeigt einen Riemenantrieb 10, zum Beispiel eine zwangsläufige Antriebsanlage mit einem biegsamen Kraftübertragungsriemen 11, das um zwei Riemenscheiben in Form von Zahnrädern oder Ritzeln 12 und 13 geführt ist. Der Riemen 11 enthält mehrere quer verlaufende, sich abwechselnde Zähne 14 und Nuten 15. Die Ritzel 12 und 13 besitzen mehrere axial verlaufende, sich abwechselnde Zähne 16 und Nuten 17, die beim Betrieb des Antriebes 10 mit den Riemenzähnen und Nuten 15 kämmen. Bei der besonderen Anordnung nach Anspruch 1 dient der Riemen 11 zum Übertragen von Kraft von den Antriebsritzeln 12 auf ein angetriebenes Ritzel 13. Es kann aber auch jedes Ritzel des Antriebs das Antriebsritzel sein und weitere Riemenscheiben, gezahnt oder ungezahnt, können beim Antrieb Verwendung finden.

Der Riemen 11, wie es am besten die Fig. 2 zeigt, ist ein zwangsläufiger oder Synchronriemen und enthält einen Körper 18 aus biegsamen polymerem Material wie Natur- oder Synthetikgummi oder dergleichen, der ein Spannteil 19 aus nicht-dehnbarem Material hohen Moduls wie eingebettete Fasern aus Glas oder Stahl besitzt, um dem Riemen die notwendige Längsfestigkeit und Stabilität zu verleihen. Die biegsamen, elastischen Riemenantriebszähne 14 von einheitlicher Höhe HB und Teilungslänge Pb verlaufen quer zum Riemen 11. Die Zähne 14 sind an mindestens eine Fläche des Körpers 18 angeformt, wobei die Zähne quer zum Riemen 11 verlaufen.

Das Spannteil 19 befindet sich an der Fußhöhenlinie BD der Antriebszähne 14 des Riemens 11, wie es bei Synchronantriebsbändern (US-PS 2 507 852) allgemeine Praxis ist. Das Spannteil 19 hoher Festigkeit dient zum Verhindern unzulässiger Dehnung des Riemens 11 und ermöglicht das Kämmen der Zähne 14 mit den Zähnen 16 der Ritzel 12 und 13.

Jeder Zahn 14 enthält in Richtung des Längsschnitts gesehen einen Fußteil 20 nahe dem Spannteil 19, einen äußeren Teil oder ein Scheitel 21, der vom Spannteil 19 und vom Fußteil 20 am weitesten entfernt ist und eine Breite im Querschnitt xb besitzt, der kleiner als die Breite Xb des Fußteils 20 ist. Von den Enden des Fußteils 20 gehen einander gegenüberliegende Seitenteile oder Flanken 22 ab und treffen mit den Kanten des radial äußeren Teils 21 zusammen und ergeben so daß Riemenzahnprofil.

Jede Flanke 22 enthält einen angeformten beanspruchungsmindernden Teil oder Auskehlung 23, die sich an dem Fußteil 20 anschließt. Die Auskehlung 23 besitzt einen Außenumfang oder eine Außenfläche ob, die mindestens 30% der Hälfte des Gesamtaußenumfangs oder der Außenfläche Ob des Riemenzahnes 14 beträgt. Bisherige Auskehlungen bei Riemenzähnen besitzen eine Ausdehnung oder Fläche, die geringer als 30% der Hälfte des Außenumfangs oder -fläche des Riemenzahnes ist und in der Nähe von etwa 14 bis 29% des halben Gesamtaußenumfangs oder -fläche des Zahnes liegt.

Die vergrößerten Auskehlungen 23 dienen zum Verteilen der Beanspruchungen, denen die Riemenzähne 14 während des Betriebes des Antriebs 10 beim Berühren der Ritzelzähne 16 ausgesetzt sind. Jede Auskehlung verringert die Beanspruchungen am entsprechenden Ende des Fußes 20 des Zahnes 14 und erhöht somit die Scherfestigkeit der Zähne 14 und dadurch die Lebensdauer des Riemens 11.

Vorzugsweise macht jede Auskehlung 23 etwa 40 bis 60% der Fläche Ob aus. Optimale Ergebnisse werden beim Verbessern der Scherfestigkeit der Zähne 14 erzielt, wenn die Auskehlung 23 etwa 50% des Gesamtaußenumfangs oder der Außenfläche Ob des Riemenzahnes 14 einnimmt.

Nach Fig. 2 kann die Auskehlung 23 eine gekrümmte Form ob aufweisen, die beispielsweise von einem Kreisbogen Ab gebildet wird, dessen Krümmungsmittelpunkt Cb zwischen den Riemenzähnen 14 liegt. Das Verhältnis des Radius Rb des Bogens Ab zur Teilungslänge Pb zwischen den benachbarten Zähnen 14 soll zwischen 0,16 : 1 bis 0,32 : 1 liegen.

Die Riemenzähne 14 werden vorzugsweise durch Pressen hergestellt, können aber auch ausgeschliffen oder gegossen sein. Die Zähne 14 enthalten vorzugsweise eine bekannte Abriebverkleidung 24 aus textilem Stoff, zum Beispiel aus gewebtem Nylon. Jeder Riemenzahn 14 ist genau mit sehr eng eingehaltenen Toleranzen entworfen und hergestellt, so daß während des Arbeitens der Antriebsanlage 10 die Zähne 14 ohne wesentliche Änderung der Teilung mit den Zähnen 16 der Ritzel 12 und 13 kämmen können.

Die baulichen Merkmale der Ritzel 12 nach der Erfindung können am besten aus den Fig. 4 und 5 entnommen werden. Das Ritzel 12 enthält mehrere gleichmäßig verteilt angeordnete radial hervorragende Zähne 16, von denen jeder in senkrecht zur Rotationsachse des Ritzels verlaufenden Ebenen gesehen einen Basisteil oder Zahnfuß 32, einen äußeren Teil oder Scheitel 33, das bzw. der vom Zahnfuß 32 entfernt ist und einander gegenüberliegende, von den Enden des Zahnfußes 32 abgehende Flanken 34, die an die Enden des Scheitels 33 anschließen und so das Ritzelzahnprofil ergeben. Die Flanken 34 können zueinander parallel angeordnet werden, können aber auch etwas schräg vom Scheitel 33 zum Fuß 32 des Ritzelzahns 16 nach außen divergieren, wie es die Fig. 4 und 5 zeigen, oder auch leicht nach innen konvergieren.

Jede Hälfte des radial äußeren Teils 33 enthält einen bogenförmigen Außenumfang, der von mindestens einem Kreisbogen Ap gebildet wird, dessen Mittelpunkt Cp innerhalb des Zahns 16 liegt, wobei der bogenförmige Außenumfang op mindestens die Hälfte des Gesamtaußenumfangs Op des Zahns 16 beträgt. Beispielsweise zeigt Fig. 4 den äußeren Teil 33 mit einem bogenförmigen Außenumfang op 1 und op 2 aus den Bögen Ap 1 und Ap 2 zweier Kreise mit den gleichen Radien Rp 1 und Rp 2, die bei gleichem Abstand von der radialen Mittellinie C-L des Zahns 16 die Bögen Ap 1 und Ap 2 haben, die durch einen flachen Scheitel 35 miteinander verbunden sind. Der flache Scheitel 35 besitzt eine lineare Abmessung dp, die kleiner als die Länge eines der Bögen Ap 1 und Ap 2 ist.

Vorzugsweise nimmt der bogenförmige Außenumfang oder die Fläche op die Hälfte des äußeren Teils 33 des Ritzelzahns 16 ein, der mindestens 30% der Hälfte des Gesamtaußenumfangs oder Flächengebiets Op des Ritzelzahns 16 ausmacht. Besser noch liegt dieser Wert zwischen 40 und 60% der Hälfte der Gesamtfläche Op eines Zahnes 16. Optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn der bogenförmige Außenumfang oder die Fläche op etwa 50% von etwa dem halben Gesamtaußenumfang oder der Fläche Op des Ritzelzahns 16 ausmacht.

Bei einer Abänderung der Erfindung, die in Fig. 5 gezeigt wird, enthält der Ritzelzahn 36 einen Außenteil oder Scheitel 37 mit einem bogenförmigen Außenumfang op aus dem Bogen Ap eines einzigen Kreises, dessen Mittelpunkt Cp auf der radialen Mittellinie C-L des Zahnes 36 liegt. In diesem Fall ist der Scheitel halbkreisförmig und der Außenumfang des Bogens Ap kann auf den Gesamtaußenumfang (2 mal Op) des Ritzelzahns bezogen werden. Es hat sich gezeigt, daß der Radius Rp des Bogens oder der Bögen Ap, die den Außenumfang op des Außenteils des Ritzels bilden, durch folgende Formel bestimmt werden kann:

R = 0,165 P + 0,0012 P (N-9)

hierin ist
Rder Radius des Kreisbogens, Pdie Kreisteilung des Ritzelzahns, und Ndie Zahl der Ritzelzähne.

Nach den Fig. 1 und 3 ist die Abmessungsbeziehung der Riemenzähne 14 und der Nuten 15 und der Ritzelzähne 16 und der -nuten 17 derart, daß im Längsverlauf L des Riemens 11 zwischen den Ritzeln die Höhe Hb des Riemenzahnes 14 größer als die Tiefe Dp der Ritzelnuten 17 ist. Wenn der Riemen 11 um die Ritzel 12 und 13 läuft, kommen die nach außen gerichteten Teile oder Außenenden 21 des Scheitels der Riemenzähne 14, die den Ritzeln 12 und 13 gegenüberliegen, in Berührung mit den Teilen oder Flächen 29 der Fußhöhe des Zahnritzels 12, die zwischen den Ritzelzähnen 16 liegt und den Boden der Ritzelnut 17 bildet.

Vorzugsweise ist die Höhe Hb jedes Riemenzahns 14 in der Längsrichtung L des Riemens um etwa 1 bis 15% maximal etwa 20% größer als die Tiefe Dp jeder Ritzelnut 17 oder die Höhe jedes Ritzelzahns 16. Besser noch sind 3 bis 7% und optimal ist es, wenn die Höhe Hb jedes Riemenzahns 14 etwa um 5% größer als die Tiefe Dp jeder Ritzelnut 17 oder die Höhe Hp jedes Ritzelzahns 16 ist.

Weitere bauliche Einzelheiten sind in der gleichaltrigen DE-PS 26 55 610, Spalte 5, Zeile 11 bis Spalte 6 Zeile 24 beschrieben.

Die Höhe der Riemenzähne ist nach der Erfindung der kürzeste Abstand von der Fußhöhenlinie zum radialen Außenende des Scheitels des Zahns. Die Höhe der Ritzelzähne ist der radiale Abstand von der Fußhöhenlinie des Ritzels zum radialen Außenende des Ritzelzahns.

Bei der Ausführung der Erfindung besteht deshalb vorzugsweise zwischen den einander konfrontierenden Antriebsflächen des Riemens und den von der entsprechenden Fußhöhenlinien begrenzten Ritzeln durchgehend Kontakt. In dieser Hinsicht ist es klar, daß die Berührungsflächen des Ritzelzahns die Teile des Riemenzahnes berühren, sich praktisch zwischen den Punkten PC und BC über etwa die Hälfte des Gesamtumfangs der Außenfläche Ob des Riemenzahnes 14 erstrecken. Während des Arbeitens des Antriebs 10 berühren die Teile oder die Auskehlungen 23 des Riemens etwa die Hälfte des bogenförmigen Außenumfangs Op des Scheitels 33 des Ritzels. Außerdem erstrecken sich die die Ritzel 12 einschließlich der Auskehlungen 23 berührenden Teile des Zahns 14 von den Enden des Fußteils 20 schräg nach innen und bilden so den äußersten Scheitel 21 des Zahns 14. Jede Auskehlung 23 besitzt eine Kontakt-Oberfläche, die mindestens 30% der gesamten Kontakt-Oberfläche eines Ritzelzahns ausmacht, wodurch die Scherfestigkeit jedes Riemenzahns vergrößert wird.

Fig. 3 zeigt auch den Träger des Spannteils 19, der durch den breiteren Riemenzahn 14 gegeben ist und die Beanspruchungen im Gebiet a des Riemens 11 verringert und auch dem Spannteil 19 beim Umlaufen der Ritzel 12 und 13 eine runde oder kreisbogenförmige (nicht sehnenförmige) Gestalt verleiht. Die runde oder kreisbogenförmige Bahn des Spannteils 19 entspricht mehr der theoretischen Teilungslinie der Ritzel. Dies bewirkt eine konstantere Winkelgeschwindigkeit und geringere Erschütterungen, die einen glatteren und ruhigeren Lauf des Antriebs ergeben. Darüberhinaus wird die Lebensdauer wesentlich verlängert, da die Abnutzung im Gebiet a des Riemens verringert wird.

Der Erfindungsgegenstand und die genannten bekannten Riementriebe wurden unter gleichen Bedingungen Dauerstandserprobungen unterworfen. Dabei zeigte sich, daß der erfindungsgemäße Riementrieb eine bis zu 100% längere Standzeit aufwies als die bekannten Riementriebe.

Claims

1. Antriebssystem mit einem Zahnriemen und Riemenscheiben, deren Zähne in die Lücken zwischen den Zähnen des Riemens eingreifen, wobei der Zahnriemen einen einstückigen, einheitlichen Aufbau mit einem Körper aus flexiblem elastischem Material mit trapezförmigen Antriebszähnen gleichen Querschnitts aufweist, die sich quer zur Längsrichtung des Riemens über diesen erstrecken, der in seiner Fußlinie mit einer endlosen, nicht dehnbaren Zugeinlage versehen ist und die einander gegenüberliegenden Zahnflanken, die sich vom Scheitel bis zum Fuß des Riemenzahns erstrecken, über beanspruchungsmindernde Auskehlungen, die von Kreisbögen gebildet werden, in den Zahngrund übergehen, wobei die Kreisbögen die Fußlinie und die Zahnflanken tangieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskehlungen (23) eine Außenfläche (O _b ) aufweisen, die mindestens 30% des halben Gesamtumfanges der Außenfläche (O _b ) eines Riemenzahns ausmacht, daß der Außenumfang der einander gegenüberliegenden Riemenzahnflanken (22) durch einen Kreisbogen (AB) bestimmt wird, dessen Krümmungsmittelpunkt (Cb) zwischen den Riemenzähnen (14) liegt, wobei der Radius des Kreisbogens (Rb) sich zur Zahnteilung (P _b ) wie etwa 0,16 : 1 bis etwa 0,32 : 1 verhält, daß die Höhe der Riemenzähne (14) in an sich bekannter Weise größer ist als die Höhe der Zähne (16) der Riemenscheibe (12, 13), so daß der Flankenteil der Riemenzähne (14) in der Richtung der Zahnhöhe zusammengedrückt wird und die radial außen liegenden Bereiche der Riemenscheibenzähne (16) gleichzeitig im Reibungsschluß die Böden der Zahnlücken (15) zwischen den Zähnen (14) des Treibriemens (11) berühren, wenn sie in die Riemenscheibe (12, 13) eingreifen, und daß die Scheitel (30) der Riemenscheibenzähne (16) eine äußere gebogene Oberfläche besitzen, deren Kanten von mindestens einem Kreisbogen gebildet werden, dessen Krümmungsmittelpunkt innerhalb des Scheibenzahns (16) liegt und die Scheitel eine Oberfläche aufweisen, die mindestens 40-60% der Hälfte der gesamten äußeren Oberfläche des Zahnes der Riemenscheibe beträgt und im Betrieb der Scheitel die Auskehlung und die Flanke (22) des Riemenzahns (14) berührt.