DE3306488C2 - Zahnriemen zur Verwendung in einer wenigstens zwei Zahnriemenscheiben aufweisenden Kraftübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zahnriemen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch das Vorsehen eines Schlitzes oder einer Nut im Bereich des Kopfes jedes Riemenzahnes quer zur größten Abmessung des Riemens wird dem Kopf des Zahnes eine allgemein elastische Ver­ formbarkeit verliehen, insbesondere eine elastische Biegever­ formbarkeit. Gleichzeitig werden durch die Verformbarkeit des Zahnes die Gleitbewegungen zwischen den Riemenzähnen und den Riemenscheibenzähnen beim Beginn des Eintretens eines Riemen­ zahnes in eine Zahnlücke der Zahnriemenscheibe verringert, wo­ durch auch die Abnutzung der Riemenzähne verringert wird.

Es ist ein Zahnriemen bekannt (US-PS 4 283 184), dessen Zähne mit trapezförmigen Zahnriemenscheibenlücken kämmen, wobei die Flanken der Zähne des Zahnriemens abgerundet sind und in jedem Zahn ein Schlitz quer zur größten Abmessung des Riemens gebil­ det ist, der sich über die gesamte Höhe des Zahnes erstreckt. Hierdurch ergeben sich bei den im Betrieb der Kraftübertragung auftretenden Verformungen der Zähne Beanspruchungen im Riemen­ körper in dem Bereich des gegen Zugbeanspruchungen widerstands­ fähigen Gebildes, und diese Beanspruchungen können zu einem nachteiligen Verschieben der Schnüre dieses Gebildes führen. Eine ähnliche Ausführung ist aus der FR-PS 999 236 bekannt, wo­ bei jedoch die Zähne der Zahnriemenscheiben durch Stäbe runden Querschnitts gebildet sind.

Es ist schließlich auch ein Zahnriemen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (US-PS 2 988 925), bei welchem die Zähne allgemein Trapezgestalt haben und der Schlitz bzw. die Nut sich nicht über die gesamte Höhe des Zahnes erstreckt und unterschiedliche Gestalt haben kann, beispielsweise die Ge­ stalt eines Schlitzes mit zur größten Abmessung des Riemens rechtwinkelig verlaufenden Seitenwänden und scharfen oder abge­ rundeten Umkehrpunkten der den Schlitz definierenden Kurve, oder beispielsweise etwa Kreisbogengestalt, wiederum mit schar­ fen oder abgerundeten Umkehrpunkten der betreffenden Kurve. Die dort dargestellten verschiedenen Formen und Gestalten des Schlitzes oder der Nut sind nur mit komplizierten Formen herzu­ stellen, wobei darüber hinaus bei scharfen Umkehrpunkten die Lebensdauer des Zahnriemens verkürzt wird. Irgendwelche Hinwei­ se, wie die Schlitze oder Nuten hergestellt werden sollten, sind nicht gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zahnriemen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Schlitze oder Nuten mit einem einfachen Formungsvorgang ohne scharfe Kanten oder Um­ kehrpunkte herzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnen­ den Teiles des Patentanspruchs 1.

Durch die Verwendung einer biquadratischen Kurve zur Gestaltung der Schlitze oder der Nuten ergeben sich keinerlei scharfe Punkte oder Kanten, was bedeutet, daß keine scharfen Umkehr­ punkte und auch keine Wände der Schlitze oder Nuten vorhanden sind, die zur größten Abmessung des Riemens rechtwinkelig ge­ richtet sind. Demgemäß ist die Herstellung einfach und bequem und sie kann mit einer einfachen Form erfolgen, wobei gewähr­ leistet ist, daß das Zahnprofil nach der Formung dem vorbe­ stimmten Profil entspricht, welches erhalten werden soll.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei der Gestaltung des Kopfbereiches des Zahnes entsprechend einer biquadratischen Kurve bequem Zahnbedeckungen aufgebracht werden können, was beim Stand der Technik nicht der Fall ist. Schließlich ist die elastische Verformung der Riemenzähne im Kopfbereich gewährleistet ohne die Gefahr der Bildung von Ris­ sen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispiels­ weise erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Teiles eines Zahnriemens gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Teiles einer gezahnten Riemenscheibe.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Teiles eines Zahnriemens gemäß der Erfindung und eines Teiles einer Zahnriemen­ scheibe während des Eintritts eines Zahnes des Zahn­ riemens in eine Zahnlücke der Zahnriemenscheibe.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Teiles einer aus Zahn­ riemen und Zahnriemenscheibe bestehenden Kraftüber­ tragung, wobei ein Zahn des Zahnriemens in eine Zahn­ lücke einer Zahnriemenscheibe vollständig eingetreten ist.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Zahnriemens gemäß der Erfindung in Schnittansicht wiedergegeben.

Wie aus Fig. 1 sichtlich, weist der Zahnriemen einen Körper 1 aus elastomerem oder thermoplastischem Material in Form eines ge­ schlossenen Ringes auf, in den eine gegen Zugbeanspruchungen widerstandsfähiges Gebilde eingebettet ist, welches durch eine Mehrzahl von biegsamen und undehnbaren Schnüren 2 gebildet ist, die beispielsweise aus Stahl, Glasfasern oder einem ähnlichen Material bestehen und entlang der größten Abmessung des Rie­ mens derart angeordnet sind, daß ihre Achsen parallel zuein­ ander verlaufen und in ein und derselben Ebene liegen.

An wenigstens einer Fläche des Riemenkörpers 1 ist eine Zah­ nung vorgesehen, die durch eine Mehrzahl von Zähnen aus ela­ stomerem oder thermoplastischem Material gebildet ist, die durch Zahnlücken 4 voneinander getrennt sind.

Ein wesentliches Merkmal eines Zahnriemens gemäß der Erfindung besteht darin, daß im Bereich des Kopfes jedes Zahnes 3 des Riemens Mittel vorgesehen sind, welche allein den Kopf des Zahnes 3 elastische Verformbarkeit verleihen, und zwar insbe­ sondere elastische Biegeverformbarkeit als Folge der geometri­ schen Gestalt des Kopfes des Zahnes 3.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist im Bereich des Kopfes des Zah­ nes 3 wenigstens ein Schlitz oder eine Nut 5 vorhanden, die zur größten Abmessung des Riemens quer angeordnet ist und de­ ren Vorhandensein wenigstens zwei Rippen 5′ und 5′′ im Bereich des Zahnkopfes bestimmt.

Insbesondere kann die geometrische Gestalt des Zahnkopfes er­ halten werden, indem - lediglich als Beispiel zu verstehen - dem gesamten Zahn ein Umriß bzw. ein Profil entsprechend einer biquadratischen Kurve gegeben wird, die in einem kartesischen Koordinatensystem, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, der folgenden Gleichung entspricht:

y = k (x⁴ - x²),

worin
y = die Ordinaten der Punkte der Kurve sind, gemessen auf der Y-Achse, die mit der Mittellinie des Zahnes des Zahnriemens übereinstimmt,
x = die Abszissen der Punkte der Kurve sind, gemessen auf der X-Achse, die eine Achse ist, die zur Y-Achse rechtwinklig verläuft-und diese am Boden des Schlitzes oder der Nut 5 am Kopf des Zahnes 3 schneidet, und
k = ein Koeffizient ist in Abhängigkeit von der Härte des elastomeren Materiales, wobei der Wert für k gewählt ist in einem Bereich zwischen 0,05 und 2 und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 1,5.

Die Auswahl eines Wertes für k innerhalb des obengenannten Be­ reiches erfolgt empirisch, um den Zahnriemen zu optimieren, wobei folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• a) Gesamtheit der Interferenzen zwischen den Umrissen oder Ge­ stalten der Zähne des Zahnriemens und der Zahnlücken der Zahnriemenscheiben,
• b) der Wert des Moduls des elastomeren Materials, aus welchem die Zähne des Zahnriemens gebildet sind, und
• c) die Gesamtheit der mit dem Zahnriemen zu übertragenden Kraft oder Energie.

Hinsichtlich der Faktoren a) und b) gilt, daß, je größer sie werden, es empfehlenswert ist, für den Koeffizienten k inner­ halb des genannten Bereiches-höhere Werte zu wählen, während hinsichtlich des Faktors c) andererseits gilt, daß, je größer er wird, es empfehlenswert ist, innerhalb des obengenannten Bereiches für den Koeffizienten k die kleineren Werte zu wählen.

Aus dem genannten Grunde- kann die Wahl des Wertes für den Koeffizienten k innerhalb des oben angegebenen Bereiches nur empirisch erfolgen.

Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, ist die Oberfläche der Zah­ nung des Zahnriemens, d. h. der Zähne 3 und der Zahnlücken 4, mit einem Überzug oder einer Bedeckung versehen, die einen niedrigen Reibungskoeffizienten hat.

Eine selbstschmierende Bedeckung aus verkautschuktem Schnur­ stoff, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 20 16 830 beschrieben ist, ist besonders geeignet zur Ver­ wendung als Bedeckung mit niedrigem Reibungskoeffizienten.

Es ist höchst vorteilhaft, wenn die Bedeckung der Oberfläche der Zahnung des Zahnriemens aus zwei verkautschukten Schnur­ stoffen gebildet ist, die übereinander angeordnet sind, wobei zwischen ihnen eine Lage oder ein Film aus elastomeren Mate­ rial angeordnet ist, und wobei die äußere Lage aus ver­ kautschuktem Schnurstoff von der oben beschriebenen selbst­ schmierenden Art ist.

Eine solche Art einer Bedeckung für die Zahnung eines Zahn­ riemens ist in der IT-PS 973 166 beschrieben.

Als ein Beispiel ist in Fig. 2 ein Teil einer Zahnriemen­ scheibe 6 in einem Schnitt rechtwinklig zu ihrer Drehachse dargestellt, und die Zahnlücke 7 hat im Schnitt die Gestalt eines gleichschenkligen Trapezes mit geraden Seitenkanten 8 und 9 und einer geraden Unterkante 10.

Jedoch darf eine solche Ausführung nicht als beschränkend an­ gesehen werden, da die Seitenkanten 8 und 9 beispielsweise gekrümmt oder gebogen sein können, oder die Gestalt einer Evolvente od. dgl. haben können, und die Unterkante 10 kann entweder gerade oder gebogen oder gekrümmt sein, und zwar konkav oder konvex.

Weiterhin kann die Zahnlücke eine Gestalt haben, bei welcher die Seitenkanten und die Unterkante nicht mehr klar voneinander getrennt werden können. In anderen Worten ausgedrückt, kann eine gekrümmte Gestalt vorgesehen sein, beispielsweise eine halbkreisförmige, halbelliptische oder parabolische Gestalt usw.

In Fig. 3 ist ein Zahn 3 eines Zahnriemens dargestellt, während er in eine Zahnlücke 7 einer Zahnriemenscheibe eintritt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, die nur eine besondere Ausführungs­ form darstellt, tritt, da die Gestalt der Zahnlücke 7 der Zahnriemenscheibe nicht konjugiert zu der Gestalt des Zahnes 3 des Zahnriemens ist, und da die Höhe des Zahnes 3 des Zahnrie­ mens größer ist als die Tiefe der Zahnlücke 7 der Zahnriemen­ scheibe, während des Eintretens des Zahnes 3 des Zahnriemens in die Zahnlücke 7 der Zahnriemenscheibe Interferenz bzw. ge­ genseitige Beeinflussung auf.

Da die Zahnlücke 7 der Zahnriemenscheibe unverformbar ist, weil sie aus Metallmaterial besteht, während der Zahn 3 des Zahn­ riemens verformbar ist, und zwar nicht nur, weil er aus elasto­ merem Material gebildet ist, sondern vor allem als Folge der Tatsache, daß er mit wenigstens einem Schlitz oder einer Nut 5 im Bereich seines Kopfes gebildet ist, deren Vorhandensein zu wenigstens zwei Vorsprüngen oder Rippen 5′ und 5′′ führt, ergibt sich nunmehr eine Verformung des Zahnes 3.

Die Verformung des Zahnes 3 findet zuerst statt als Verformung durch Biegen des Vorsprunges 5′, welcher der Vorsprung ist, der den Bereich gegenseitiger Beeinflussung (Interferenz) am näch­ sten liegt.

Wenn der Zahn 3 in die Zahnlücke 7 eintritt, nimmt die Verfor­ mung als Folge von Biegung des Vorsprunges 5′ Schritt für Schritt zu, so daß der Vorsprung 5′ mit dem Boden der Zahn­ lücke 7 in Berührung gelangen kann.

Beim Eintreten des Zahnes 3 des Zahnriemens in die Zahnlücke 7 der Zahnriemenscheibe gelangt der andere Vorsprung 5′′ des Zahnes 3 ebenfalls in einen Zu­ stand bzw. in eine Lage, in welcher gegenseitige Beeinflussung mit der Gestalt der Zahnlücke 7 auftritt, so daß daher auch der Vorsprung 5′′ beginnt, sich durch Biegung zu verformen, wo­ bei das Ausmaß der Verformung zunimmt, bis der gesamte Zahn 3 des Zahnriemens vollständig in die Zahnlücke 7 der Zahn­ riemenscheibe eingetreten bzw. eingesetzt ist.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, füllt der Zahn 3 die Zahnlücke 7 der Zahnriemenscheibe aus, wobei sein Kopf, d. h. der Bereich der beiden Vorsprünge oder Rippen 5′ und 5′′ durch Biegen verformt ist, während der Boden der beiderseits des Zahnes 3 befindlichen Zahnlücken 4 an dem Kopf des gegenüber­ liegenden Zahnes 6′ der Zahnriemenscheibe anliegen kann.

Es ist sogar möglich, daß bei vollständigem Eintreten der Zähne 3 des Zahnriemens in die Zahnlücken 7 der Zahnriemen­ scheibe die Verformung der Rippen 5′ und 5′′ durch Biegen derart ist, daß sie in gegenseitige Berührung miteinander treten, wie es beispielsweise in Fig. 4 in dem mit 11 be­ zeichneten Bereich dargestellt ist.

Bei der Ausführungsform eines Zahnriemens gemäß der Zeichnung und gemäß vorstehender Beschreibung sind nur zwei Rippen 5′ und 5′′ an dem Kopf jedes Zahnes 3 vorgesehen, die zwischen sich einen Schlitz bzw. eine Nut 5 bestimmen, und die gegen­ seitige Beeinflussung zwischen den Zähnen 3 des Zahnriemens und den Zahnlücken 7 der Zahnriemenscheibe erfolgt im wesent­ lichen im Bereich der Flanken der Zahnlücken 7 der Zahnrie­ menscheibe.

Durch einen Zahnriemen gemäß der Erfindung ist es möglich, Abnutzung als Folge von Gleitbewegung bemerkenswert zu verringern, weil, wenn auch Gleitbewegung zwischen den Zähnen des Zahnriemens und den Zahnlücken der Zahnriemenschei­ ben vorhanden ist, der bei Berührung zwischen diesen Elementen ausgeübte Druck verringert ist als Folge der Verformbarkeit der Zähne des Zahnriemens, wobei diese Verformbarkeit sich wiederum als Folge der geometrischen Gestalt der Zähne er­ gibt.

Abnutzung als Folge von Gleitbewegung der Zähne 3 des Zahn­ riemens während ihres Eintretens in die Zahnlücken 7 der Zahn­ riemenscheiben ist weiterhin verringert als Folge der Tatsache, daß die Zähne 3 des Zahnriemens, die bereits mit der gleichen Riemenscheibe kämmen, beträchtliche Lagestabilität innerhalb der Zahnlücken, welche sie aufnehmen, haben, und diese Lage­ stabilität hindert sie daran, auch sehr kleine Bewegungen als Folge der kontinuierlichen Änderung der Belastung an dem Zahn des Zahnriemens auf seiner Bewegung mit der Zahnriemenscheibe aus­ zuführen und verhindert das Auftreten von Verschiebungen der Schnüre in dem gegen Zugbeanspruchungen widerstandsfähigen Gebilde 2 des Zahnriemens.

Diese Lagestabilität der Zähne 3 des Zahnriemens in den Zahn­ lücken 7 der Zahnriemenscheiben führt, abgesehen von einer Optimierung des Eintretens und des Austretens des Zahnes 3, auch zu einer Verringerung der Belastungen an dem Zahn 3 und zu einer Verringerung der Schwingungen der Kraftübertragung, und dies bedeutet eine Verlängerung der Lebensdauer der Kraft­ übertragung und eine Verringerung des Geräusches der Kraftüber­ tragung während des Arbeitens, und weiterhin bedeutet dies die Möglichkeit der Erhöhung der zu übertragenden Kraft oder Ener­ gie und geringere Gefahr der Erscheinung, die als "Zahnsprin­ gen" bekannt ist.

Weiterhin wird die Verringerung des Geräusches des antreiben­ den Zahnrades verbessert durch die Tatsache, daß während des Eintretens der Zähne 3 des Zahnriemens durch das Vorhanden­ sein des Schlitzes oder der Nut 5 am Kopf jedes Zahnes 3 das Austreten von Luft aus den Zahnlücken der Riemenscheiben unterstützt wird.

Schließlich führt das Vorhandensein von Schlitzen, Nuten od. dgl. im Bereich des Kopfes jedes Zahnes 3 des Zahnriemens, die selbst nach vollständigem Eintreten des Zahnes 3 des Zahnriemens in eine Zahnlücke 7 einer Zahnriemenscheibe ver­ bleiben, zu einer Gewichtsverringerung des Zahnriemens insge­ samt, was eine Verringerung der durch den Riemen dargestellten, sich in Bewegung befindlichen Masse und daher eine Verringe­ rung der Schwingungen der Kraftübertragung bedeutet.

Es ist noch festzustellen, daß vorteilhaft jeder Zahn 3, der im Bereich seines Kopfes einen Schlitz bzw. eine Nut 5 aufweist, im Bereich des Kopfes und auf einem Teil seiner Länge gleich der Tiefe des Schlitzes bzw. der Nut 5 eine Breite hat, die größer ist als die Breite des Boden­ teiles einer Zahnlücke 7 der Zahnung der Zahnriemenschei­ ben, in welcher der Kopf des Zahnes 3 in verformtem Zustand aufgenommen wird.

Claims (7)

1. Zahnriemen zur Verwendung in einer wenigstens zwei Zahnriemenscheiben aufweisenden Kraftübertragung, umfassend
einen ringförmigen Körper aus elastomerem oder ähnlichem Mate­ rial in welches gegen Zugbeanspruchungen widerstandsfähige Einlagen eingebettet sind, die aus einer Mehrzahl von biegsamen und undehnbaren Schnüren gebildet sind, die entlang der größten Abmessung des Riemens angeordnet sind und deren Achsen parallel zueinander und in gestrecktem Zustand in ein und derselben Ebene liegen, und
eine Zahnung an einer Fläche des ringförmigen Körpers, die aus einer Mehrzahl von Zähnen gebildet ist, die durch Zahnlücken von­ einander getrennt sind, wobei
jeder Zahn im Bereich seines Kopfes einen Schlitz oder eine Nut aufweist, der bzw. die quer zur größten Abmessung des Riemens an­ geordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz oder die Nut (5) durch eine biquadratische Kurve gebildet ist entsprechend der Gleichung y = k (x⁴ - x²),worin,
y die Ordinaten der Punkte der Kurve, gemessen auf der Y-Achse, die mit der Mittellinie des Zahnes übereinstimmt,
x die Abszissen zu den Punkten der Kurve, gemessen auf der X-Achse rechtwinkelig zur Y-Achse, und
k ein Koeffizient im Bereich zwischen 0,05 und 2 sind.

2. Zahnriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für den Koeffizienten k vorzugsweise gewählt werden aus einem Bereich zwischen 0,1 und 1,5.

3. Zahnriemen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Zahn (3) im Bereich seines Kopfes und auf einem Teil seiner Höhe gleich der Tiefe des Schlitzes bzw. der Nut (5) eine Breite hat, die größer ist als die Breite des Bodenteiles der Zahnlücken (7) der Zahnung der Zahnriemenscheiben.

4. Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücke zwischen benachbarten Zähnen der Zahnriemenscheibe oder der Zahnriemenscheiben durch ein gekrümm­ tes Profil begrenzt ist.

5. Zahnriemen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gekrümmte Profil ein parabolisches Profil ist.

6. Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Zahnung des Riemens mit zwei aufeinandergelegten Schnurstofflagen bedeckt ist, zwischen denen eine Schicht aus elastomerem Material angeordnet ist.

7. Zahnriemen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Zahnung des Zahnriemens mit einem selbstschmierenden Schnurstoff bedeckt ist.