DE3590573C2 - Riementrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Riementrieb nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Riementriebe dieser Art sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, beispielsweise aus der EP 106 694 B1 und der GB 2 085 999 A. Mit der nicht konjugierten Gestalt von Rie­ menzahn und Scheibenlücke wird erreicht, daß durch elasti­ sche Kompression des Riemenzahnes Scherspannungen am Rie­ menzahnfuß abgebaut werden, so daß die Riemenzähne an die­ sen Stellen geringer belastet sind und die Lebensdauer des Riemens entsprechend verlängert wird. Die elastische Ver­ formung der Riemenzähne wird bei den bekannten Riemen im wesentlichen dadurch ermöglicht, daß die Höhe des Riemen­ zahnes größer ist als die Tiefe der Scheibenlücke. Bei be­ lasteten Riemen verbleibt dabei ein Spalt zwischen den be­ nachbarten Flanken des Riemenzahnes und des Scheibenzahnes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Riemenzähne und die Scheibenlücken in ihrer Relation zueinander derart zu dimensionieren, daß Scherspannungen an den Riemenzahn­ füßen im Vergleich zu den bekannten Riementrieben weiterge­ hend reduziert werden.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Infolge dieser Dimensionierung werden die Riemenzähne bei Beginn des Eingriffs in die jeweilige Scheibenlücke zu­ nächst in dem konvexen Verformungsbereich an der einen Zahnflanke elastisch verformt, wobei der Zahnfuß noch kei­ nen Kontakt mit dem Kopf des Scheibenzahnes hat. Die Ver­ formungskräfte werden fast ausschließlich mit Abstand vom Zahnfuß des Riemens an der Zahnflanke aufgenommen, weil sich der konvexe Bereich infolge des gegebenen Spaltes ra­ dial nach außen und nach innen verformen kann. Dabei ver­ bleibt infolge der Relation zwischen Zahnhöhe und Tiefe der Scheibenlücke ein Zwischenraum zwischen dem Kopf des Rie­ menzahnes und dem Grund der Scheibenlücke auch im weiteren Verlauf der Bewegung, wenn also der Scheibenzahn mit seinem Kopf den Grund der benachbarten Zahnlücke des Zahnriemens berührt. Dadurch kann die seitliche Deformation des Riemen­ zahnes vollständig zum Abbau von Scherspannungen am Zahnfuß ausgenutzt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsfor­ men näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 einen Riementrieb mit Zahnriemen in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht des Zahnriemens für den Riementrieb nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 2, vergrößert dargestellt;

Fig. 4 einen Riemenzahn beim Eingriff in eine Scheiben­ lücke im Querschnitt;

Fig. 5 einen Querschnitt entsprechend Fig. 4 in einer nächsten Phase der Eingriffsstellung;

Fig. 6 einen Querschnitt entsprechend Fig. 4 zur Erläu­ terung der theoretischen Verformung des Riemenzah­ nes bei vollständigem Eingriff in die Scheiben­ lücke;

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform im Querschnitt entsprechend Fig. 4;

Fig. 8 den Querschnitt von Riemenzahn und Scheibenlücke nach Fig. 7 in einer Darstellung entsprechend Fig. 6.

Fig. 1 zeigt einen Riementrieb 20, der aus zwei Riemen- Zahnscheiben 21 und 22 und einem endlosen Zahnriemen 23 be­ steht, der in die Zahnkränze der Riemenscheiben eingreift.

Die Riemen-Zahnscheiben 21 und 22 können aus beliebigem ge­ eigneten Werkstoff hergestellt sein, z. B. aus Metall beste­ hen. Sie unterscheiden sich dadurch, daß ihr effektiver Durchmesser unterschiedlich groß ist, woraus sich auch eine unterschiedliche Anzahl der Zähne ergibt; der allgemeine Aufbau der Zähne ist dagegen im wesentlichen gleich. Er kann auch anders gestaltet sein als in den Zeichnungen dar­ gestellt. Wesentlich ist, daß die Zähne der Riemenscheiben 21 und 22 und des Zahnriemens 23 in der erfindungsgemäßen Weise, wie im Folgenden beschrieben, aneinander angepaßt sind.

In den Fig. 4, 5 und 6 ist ein Teilstück einer Riemen-Zahn­ scheibe 21 dargestellt. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Riemen-Zahnscheibe 21 in der Kontur krummlinige Zähne 24 aufweist, wobei durch die gekrümmten Flanken 26 jeweils zweier benachbarter Zähne 24 eine Zahnlücke 25 de­ finiert wird. Die Zahnflanken 26 benachbarter Zähne 24 ge­ hen in den Grund 27 der Zahnlücke 25 über und bilden an ih­ ren äußeren Enden zusammen mit den folgenden Zahnflanken jeweils einen gekrümmten Kopf 28 des betreffenden Zahnes 24.

Die Form der Riemenscheibe und der Scheibenzähne entspricht Fig. 3 der US-PS 3 756 991, so daß weitere Einzelheiten der Riemen-Zahnscheibe hier nicht beschrieben werden müssen.

Der Zahnriemen 23 ist in den Fig. 2 und 3 ausschnittsweise perspektivisch und im Schnitt dargestellt. Er enthält wie üblich ein Zugglied 30, an dessen Innenseite 32 Riemenzähne 31 angrenzen, und das an seiner Außenseite 34 von einer Trägerschicht 33 abgedeckt ist. Die Zähne 31 und die Trä­ gerschicht 33 bestehen aus geeignetem polymerem Werkstoff, der faserverstärkt sein kann. Sie sind so ausgebildet, wie es z. B. aus den US-Patentschriften 3 078 206 und 4 343 666 bekannt ist.

Die Riemenzähne 31 und der Grund 36 der zwischen ihnen ge­ bildeten Zahnlücken können wie dargestellt mit einer Gewe­ beauflage abgedeckt sein.

Durch den im wesentlichen trapezförmigen Längsschnitt der Riemenzähne 31 werden gegenüberliegende Zahnflanken 37 de­ finiert, die jeweils in eine im wesentlichen ebene Außen­ fläche 38 und einen gekrümmten Zahnfuß 39 übergehen. Jede Zahnflanke 37 hat eine im wesentlichen ebene, geradlinige Außenfläche 40 und einen gekrümmten Abschnitte 41, der durch einen Krümmungsradius 42 mit Ausgangspunkt 43 zwi­ schen den gegenüberliegenden Zahnflanken 37 definiert ist. Der gekrümmte Zahnfuß 39 ist durch einen Radius 44 mit Aus­ gangspunkt 45 außerhalb der zugehörigen Zahnflanke 37 defi­ niert. Die ebene Außenfläche 40 der Zahnflanke 37 geht in den gekrümmten Zahnfuß 37 und den gekrümmten Abschnitt 41 über, der seinerseits in die ebene Außenfläche 38 des Rie­ menzahnes 31 übergeht. Die ebene Außenfläche 40 der Zahn­ flanke 37 steht im spitzen Winkel 46 zu einer Geraden 47, die im wesentlichen parallel zur Längs-Symmetrieebene 48 des Riemenzahnes 31 verläuft.

Durch den gekrümmten Abschnitt 41 der Zahnflanken 37 ist zumindest ein Teil eines Verformungsbereichs 49 des Riemen­ zahnes 31 definiert, wobei dieser Verformungsbereich 49 vom Zahnfuß 39 Abstand hat.

Die Größe des Riemenzahnes 31 im Verhältnis zu den Zahn­ lücken 25 der Riemenscheibe 21 bzw. der Riemenscheibe 22 ist so gewählt, daß bei Bewegung von Riemenscheibe und Rie­ men entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 4 zu Beginn des Ein­ greifens eines Riemenzahnes 31 in eine Zahnlücke 25 der Riemenscheibe 21 (Fig. 4) der linke Zahnlückengrund 36 des Riemens 23 den Kopf 28 des linken Zahnes 24 der Riemen­ scheibe berührt, während die Verformungsbereiche 49 des Riemenzahnes 31 zunächst jeweils die gegenüberliegenden Flanken 26 der benachbarten Zähne 24 der Riemenscheibe be­ rühren.

Aus Fig. 4 ist zu erkennen, daß in dieser Situation zwi­ schen dem linken Zahnfuß 39 dieses Riemenzahnes 31 und der benachbarten Flanke 26 des linken Zahnes 24 der Riemen­ scheibe ein relativ großer Spalt oder Bereich 50 vorhanden ist, so daß der Zahnfuß 39 keiner Beanspruchung ausgesetzt ist.

Bei weiterem Umlauf der Riemenscheibe 21 und des Riemens 23 entgegen dem Uhrzeigersinn von der in Fig. 4 gezeigten Po­ sition zu der Position nach Fig. 5 wird der linke Verfor­ mungsbereich 49 des Riemenzahnes 31 zusammengepreßt, wie dies durch die strichpunktierte Linie 51 in Fig. 5 verdeut­ licht ist, bevor der linke Zahnfuß 39 die Flanke 26 des linken Zahnes 24 berührt, wobei die Linie 51 den normalen Umriß des Riemenzahnes 31 angibt. Auf diese Weise wird der linke Verformungsbereich 49 des Riemenzahnes 31 nach rechts mit Verformung radial nach innen und außen gepreßt, und zwar um das Maß, das durch die Fläche 52 in Fig. 5 verdeut­ licht wird, wobei diese Fläche durch die Linie 51 und die Flanke 26 des linken Scheibenzahnes 24 begrenzt ist. Durch das Zusammenpressen wird in diesem Riemenzahn 31 an einer vom linken Zahnfuß 39 entfernt liegenden Stelle eine be­ trächtliche Kraft abgefangen, bevor irgendeine Kraft auf den linken Zahnfuß 39 des Riemens 23 einwirkt.

Durch diesen im Riemenzahn 31 vorgesehenen Verformungsbe­ reich, der von dem jeweiligen Zahnfuß Abstand hat, wird die Haltbarkeit des Riemens 23 verbessert, weil die Zahnfüße weitgehend von Druck oder Spannung entlastet sind, wenn die Riemenscheibe 21 angetrieben wird oder den Riemen antreibt.

Die Konfiguration und Anordnung der Riemenzähne 31 und der Scheibenzähne 24 sind so gewählt, daß bei einer wie in Fig. 6 dargestellten theoretisch vollständig symmetrischen Auf­ nahme des Riemenzahnes 31 in der Zahnlücke 25 der Riemen­ scheibe die Verformungsbereiche 49 des Riemenzahnes 31 in Richtung zueinander sowie radial nach innen und außen ver­ formt werden, und zwar um das Maß der Flächen 53 (Fig. 6), die von den Flanken 26 der benachbarten Scheibenzähne 24 und dem durch die strichpunktierten Linien 54 (Fig. 6) dar­ gestellten normalen Umriß des Riemenzahnes 31 begrenzt sind; dann berühren lediglich die Köpfe 28 der Scheiben­ zähne 24 den jeweils angrenzenden Zahnlückengrund 36 des Riemens 23 auf jeder Seite des Riemenzahnes 31, während zwischen den Flanken 26 der benachbarten Scheibenzähne 24 und dem angrenzenden Zahnfuß 39 des Riemens ein großer Spalt 50′ bleibt, wobei zu diesem Zeitpunkt theoretisch keine Kraft und kein Druck auf den Zahnfuß 39 und den Zahn­ lückengrund 36 einwirkt.

Jeder Riemenzahn 31 greift also in der theoretischen Lage nach Fig. 6 in die zugehörige Zahnlücke 25 der Riemen­ scheibe derart ein, daß seine beiden Verformungsbereiche 49 radial nach innen und außen sowie in Richtung zueinander gepreßt werden, da die Flanken 26 der benachbarten Schei­ benzähne 24 diesen Riemenzahn umschließen; dies bewirkt eine radiale und horizontale Vorspannung des Riemenzahnes, bevor durch eine weitere Annäherung zwischen dem Riemenzahn 31 und den Scheibenzähnen 24 nacheinander die Zahnfüße 39 und der Grund 36 der Zahnlücken des Riemens 23 durch die normale Arbeitsbelastung beansprucht werden. Infolge dieser Vorspannung wird die Haltbarkeit des Riemens verbessert und ein geräuscharmer Betrieb ermöglicht, weil die hohe Schub­ beanspruchung an den Zahnfüßen 39 des Riemens vermindert wird. Außerdem ist die Schlupfgefahr am Grund 36 der Zahn­ lücken 25 geringer, die mit ihrem Grund 36 die Köpfe 28 der Zähne 24 berühren.

Bei einem zusammen mit Riemenscheiben nach der US-PS 3 756 091 verwendeten Zahnriemen 23 mit einem Krümmungs­ radius der Zahnlücken 25 von ca. 0,26 cm und einer Tiefe der Zahnlücke von ca. 0,36 cm betrug die Teilung der Zähne 31 des Riemens 0,8 cm, wobei die Anzahl der Zähne 120, die Länge des Riemens 96 cm und der Teildurchmesser 30,55 cm betrugen. Die Gesamthöhe der Riemenzähne 31, gemessen ent­ lang der Symmetrieebene 48 von der Außenfläche 38 bis etwa zur Innenseite 32 des Zuggliedes 30, betrug jeweils 0,33 cm, der Abstand zwischen den Verformungsbereichen 49 ca. 0,46 cm, der Radius 42 jeweils 0,152 cm und der Radius 44 jeweils 0,0787 cm, wobei die ebenen Abschnitte 40 einen Öffnungswinkel von etwa 9° bildeten.

Die beschriebenen Ergebnisse wurden im Betrieb des Riemen­ triebes bestätigt. Es konnten eine bessere Haltbarkeit des Riemens sowie ein geräuschärmerer Lauf festgestellt werden. Die Haltbarkeit eines üblichen Riemens bei einem solchen Riementrieb betrug etwa 122,7 Stunden, die Haltbarkeit des Riemens 23 dagegen etwa 193,6 Stunden.

In den Fig. 7 und 8 ist eine andere Ausführungsform des Riementriebs dargestellt. Für gleiche Teile werden diesel­ ben Bezugszahlen mit Index A verwendet.

Die Zähne 24A der Riemenscheibe 21A sind so konstruiert und angeordnet, daß eine im wesentlichen trapezförmige Zahn­ lücke 25A zwischen benachbarten Zähnen 24A der Riemen­ scheibe vorhanden ist, definiert durch die im wesentlichen ebenen Flanken 26A, wobei die Köpfe 28A der Zähne 27A wie dargestellt abgerundet sind. Der Grund 27A jeder Zahnlücke 25A ist jedoch im wesentlichen eben.

Der Längsschnitt der Riemenzähne 31A hat im wesentlichen die gleiche Form wie in Fig. 2 der US-PS 3 756 091 darge­ stellt, wobei theoretisch die einander gegenüberliegenden Verformungsbereiche 49A der einander gegenüberliegenden Flanken 37A radial nach innen und außen gepreßt würden, und zwar um das Maß, das in Fig. 8 durch die Flächen 53A darge­ stellt ist, die durch die Flanken 26A der Zähne 24A der Riemenscheibe und den durch die strichpunktierten Linien 54A angegebenen normalen Umriß des Riemenzahnes 31A be­ grenzt sind unter der Annahme, daß der Riemenzahn 31A voll­ ständig und symmetrisch in die Zahnlücke 25A der Riemen­ scheibe eingreift und die Köpfe 28A der Scheibenzähne 24A, wie in Fig. 8 gezeigt, den Grund 36A der Zahnlücken 25A auf beiden Seiten des Riemenzahnes 31A gerade berühren. In der Situation nach Fig. 8 verbleibt zwischen dem Zahnfuß 39A des Riemenzahnes und den Flanken 26A der benachbarten Scheibenzähne 24A ein Zwischenraum, wie auch bei der vorher beschriebenen Ausführungsform, weshalb davon auszugehen ist, daß die Funktionsweise des Riemens 23A und der Riemen­ scheibe 21A gleich ist, so daß die Haltbarkeit des Riemens 23A durch die Vorspannung verbessert wird und durch den verringerten Schlupf am Grund der Zahnlücken ein geräusch­ armer Betrieb möglich ist.

Claims (7)

1. Riementrieb mit einem Zahnriemen (23; 23A) und min­ destens einer Riemen-Zahnscheibe (21; 21A), bei dem die Riemenzähne (31; 31A) und die Zahnlücken (25; 25A) der Zahnscheibe (21; 21A) nicht konjugiert sind, gekennzeichnet durch eine derartige Konfiguration und Dimensionierung, daß der in eine Zahnlücke (25; 25A) der Zahnscheibe (21; 21A) voll eingreifende Riemenzahn (31; 31A) eine geringere Höhe aufweist als der Tiefe der Zahnlücke (25; 25A) entspricht und bei unbelastetem Rie­ men beiderseits seiner Symmetrieebene (48) und mit Ab­ stand von ihr je einen konvexen Verformungsbereich (49; 49A) aufweist, der an der benachbarten Wandung der Zahnscheiben-Lücke (25; 25A) anliegt, und an den zwei Außenflächen (40 und 38) des Riemenzahnes (31; 31A) - bezogen auf die Scheibenachse - radial nach außen bzw. nach innen angrenzen und die radial außen liegenden, je­ weils einen Teil der Flanken (37; 37A) des Riemenzahnes (31; 31A) bildenden Außenflächen (40) mit der Flanke (26) des benachbarten Scheibenzahnes (24; 24A) je einen Spalt zur Aufnahme von unter Zugbelastung des Riemens radial verformten Teilen des Verformungsbereiches (49; 49A) bilden, wobei die benachbarten Scheibenzähne (24; 24A) mit ihrem Kopf (28; 28A) den Grund (36) der benach­ barten Zahnlücken des Zahnriemens (23; 23A) berühren.

2. Riementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexen Verformungsbe­ reiche (49) durch Abrundung der quer zur Laufrichtung des Zahnriemens (23) liegenden Zahnkanten gebildet sind.

3. Riementrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Verformungsberei­ che angrenzenden Außenflächen (40 und 38) der Riemenzäh­ ne (31) im Querschnitt geradlinig sind.

4. Riementrieb nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken (37) der Riemenzähne (31) im Zahnquerschnitt mit einer zur Symmetrieebene (48) des Zahnes (31) parallelen, inner­ halb des Querschnittes liegenden Geraden (47) jeweils einen in Richtung zum Zahnfuß (39) geöffneten spitzen Winkel (46) bilden.

5. Riementrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radial außen liegenden, im Querschnitt geradlinigen Außenflächen (40) in konkave Außenflächen des Zahnfußes (39) übergehen, und daß die Köpfe (28) der Scheibenzähne (24) konvex und deren Zahn­ flanken (26) sowie der Grund (27) der Zahnlücken (25) der Zahnscheibe (21) stetig gekrümmt sind.

6. Riementrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (42) je­ des konvexen Verformungsbereiches (49) mit seinem Aus­ gangspunkt (43) innerhalb des Riemenzahnes (31) und auf der den zugehörigen Verformungsbereich (49) aufweisenden Seite der Symmetrieebene (48) des Riemenzahnes (31) liegt.

7. Riementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche jedes Rie­ menzahnes (31A), ausgehend vom Zahnfuß (39A) im Quer­ schnitt des Riemenzahnes (31A) stetig konvex gekrümmt ist, wobei die Verformungsbereiche (49A) von den Zahn­ flanken (37A) begrenzt sind, und daß die Zahnlücken (25A) der Zahnscheibe (21A) im Querschnitt trapezförmig sind.