DE3933847A1 - Zahnriemenantrieb, insbesondere fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zahnriemenantrieb, der wenigstens eine Antriebs-Riemenscheibe und eine getriebene Riemenscheibe sowie einen Zahnriemen aufweist, der über die Riemenscheiben umläuft.

Zum Übertragen eines Drehmoments von einer treibenden Welle zu einer oder mehreren angetriebenen Wellen werden oft Riementriebe der verschiedenen Bauarten angewendet. Wenn relativ hohe Drehmomente übertragen werden müssen oder wenn die relativen Winkelstellungen der treibenden und der getriebenen Welle konstant bleiben müssen, wie z. B. im Fall des Antriebes zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle bei Verbrennungsmotoren, werden oft Zahnriementriebe verwendet, deren antreibende und getriebene Riemenscheiben mit Ausnehmungen versehen sind, die in größerem oder kleinerem Umfang mit dem Zahnprofil des Riemens übereinstimmen.

In den vergangenen Jahren ist eine erhebliche Entwicklungsarbeit geleistet worden, um das Zahnprofil in Richtung einer Lärmverminderung und einer Lebensdauerverlängerung des Zahnriemens zu optimieren.

Eine optimale Zahnanpassung kann jedoch nur für ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 erreicht werden; wenn die Abmessungen der Riemenscheiben beim Riemenantrieb voneinander abweichen, kann die Übereinstimmung zwischen den Zähnen am Zahnriemen und den Ausnehmungen in den Riemenscheiben nur für einen Riemenscheiben-Durchmesser optimiert werden, üblicherweise für die Riemenscheibe mit dem kleinsten Durchmesser. Trotz einer solchen Optimierung entsteht jedoch eine nicht-übereinstimmende Riemenbewegung zwischen den Riemenscheiben, und zwar sowohl in Längsrichtung (d. h. in der hauptsächlichen Richtung der Riemenbewegung) als auch radial, relativ zur antreibenden Riemenscheibe.

Auf diese Weise ist es nicht möglich, durch Optimierung der Zahn- und Ausnehmungsprofile den sogenannten Polygon-Effekt auszuschalten, der mit abnehmendem Riemenscheiben-Durchmesser anwächst und der Anlaß für zyklische Veränderungen in der Riemengeschwindigkeit ist, wodurch Kraftveränderungen im Riemen und dadurch im gesamten Riementrieb hervorgerufen werden. Die zyklische Periode wird durch die Umlaufzahl einer der Riemenscheiben und durch die Anzahl der Ausnehmungen oder Zähne auf dieser Riemenscheibe bestimmt. Zwischen zwei Riemenscheiben hat der Riemen sogenannte freitragende Abschnitte, deren dynamische Eigenschaften von verschiedenen Faktoren abhängen, wie z. B. der Länge der freitragenden Abschnitte, des verwendeten Materials, der Riemenspannung usw. Zusätzlich zu der Erregungskraft vom Riemen her gibt es in einem Verbrennungsmotor noch andere Erregungskräfte, die von der nicht-gleichmäßigen Umlaufgeschwindigkeit der Massen und dem nicht-gleichmäßigen Verbrennungsdruck herrühren, der sich als Funktion des Winkels der Kurbelwelle darstellt.

Diese Arten von Anregungen mit variierenden Frequenzen erzeugen verschiedene Schwingungen im Zahnriemen, die wiederum ein vom Riemen ausgehendes Brummgeräusch erzeugen, das sowohl im als auch außerhalb des Autos gehört werden kann. Ein Riemen-Brummen in der Fahrgastzelle, das dorthin durch eine Geräuschübertragung durch die Maschinenaufhängung gerät, stellt ein sehr schwerwiegendes Geräuschproblem dar. Eine verminderte Riemenspannung kann zwar das Geräusch vermindern, sie erhöht jedoch auch das Risiko von Fehleingriffen zwischen Riemenscheibe und Zahnriemen. Eine erhöhte Riemenspannung bedeutet, daß die Lärmentwicklung sich auf höhere Drehgeschwindigkeiten hin verschiebt. Der Geräuschpegel wächst jedoch steil mit einer höheren Riemenspannung an.

Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen Zahnriementrieb, wie er in der Beschreibungseinleitung dargestellt worden ist, zu entwickeln, der es möglich macht, die Schwingungsamplitude der Resonanzschwingungen in den freitragenden Abschnitten des Riemens zu vermindern, um auf diese Weise die Geräuschentwicklung, wie z. B. ein Brummen, zu vermindern und die Lebensdauer des Zahnriemens zu verlängern. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zahnriementrieb zum Antrieb von Zwillings-Nockenwellen in einem Verbrennungsmotor anzugeben, der trotz einer erheblichen Länge des Zahnriemens nur wenig Lärm erzeugt.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß entweder wenigstens eine Riemenscheibe oder wenigstens der Riemen eine Reihe von Zähnen aufweist, bei der wenigstens an einem Ort eine Unterbrechung in dem sonst einheitlichen Teilungsmaß vorhanden ist, wobei an diesem Ort die Teilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden wirksamen Zähnen wenigstens doppelt so groß ist wie die normale Teilung.

Durch das "Herausnehmen eines Zahnes" nach der vorliegenden Erfindung, d. h. durch das Ausschalten der Wirkung eines Zahnes durch sein vollständiges oder teilweises Herausnehmen, wird die Anregungskraft zeitweise unterbrochen und die natürliche Dämpfung im Riemen und im Antriebssystem erzeugt eine niedrigere Amplitude für die darauffolgenden Schwingungen. Dadurch, daß die Anzahl der Unterbrechungen eingestellt wird, kann die Geräuscherzeugung so beeinflußt werden, daß der Geräuschpegel bis um etwa 8 Decibel vermindert werden kann.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nunmehr in den Einzelheiten erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Zahnriementrieb für einen Verbrennungsmotor mit Zwillingsnockenwellen.

Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Verminderung der Schwingungsamplitude als eine Funktion der Zeit sowohl für einen ungedämpften als auch für einen gedämpften Riemen darstellt.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Schwingungsamplitude für einen freitragenden Abschnitt des Riemens für den Fall darstellt, daß er mit einer Frequenz angeregt wird, der der natürlichen Frequenz des Riemens entspricht, sowie für den Fall, daß die Anregung zeitweise durch die Entfernung eines wirksamen Zahnes von einer der Riemenscheiben unterbrochen wird.

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer Riemenscheibe, die entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert worden ist, und

Fig. 5 und 6 sind schematische Seitenansichten eines Abschnittes eines Zahnriemens, der nach der vorliegenden Erfindung verändert worden ist.

In Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Zahnriemen, der um eine erste, treibende Riemenscheibe herumläuft, die auf der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und ferner über ein Paar von angetriebenen Nockenwellen-Riemenscheiben 3 und 4 sowie eine angetriebene Riemenscheibe 5 auf der Ölpumpe des Motors. Drei Umlenkriemenscheiben 6, 7 und 8 liegen gegen die flache äußere Fläche des Zahnriemens 1 an, wobei wenigstens eine dieser Riemenscheiben gegen den Zahnriemen federnd anliegt (nicht dargestellt) und zum Spannen des Riemens dient. Der Zahnriemen 1 hat sieben "freitragende Abschnitte" 10 bis 16, d. h. Abschnitte zwischen den Zahnriemenscheiben und den Umlenkriemenscheiben.

Wenn ein freitragender Abschnitt zwischen zwei Riemenscheiben durch einen einzelnen Impuls angeregt wird, dann wird die größtmögliche Schwingungsamplitude s bei dem natürlichen Resonanzpunkt des Riemens erreicht. Diese Amplitude als eine Funktion der Zeit t kann so sein, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die durchgezogene Linie in Fig. 2 zeigt schematisch die maximale Amplitude als eine Funktion der Zeit t für einen im wesentlichen ungedämpften Zahnriemen. Bei einer höheren Materialdämpfung (höherer Verlust) wird eine wesentlich abweichende Amplitude erreicht, wie sie in gestrichelter Linie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schwingungsamplitude eines gedämpften Zahnriemens nimmt mithin mit der Zeit t stärker ab.

Wenn im wesentlichen eine linear periodische Anregung mit einer Frequenz vorhanden ist, die der Resonanz-Frequenz des Zahnriemens entspricht, dann wächst die maximale Amplitude als eine Funktion der Zeit auf einen Wert an, der gegen "unendlich" geht, wenn keine, wie auch immer, geartete Dämpfung vorhanden ist, was bedeutet, daß eine Zerstörung des Riemens eintritt. Im Normalfall ist jedoch immer eine gewisse Form von Dämpfung in dem System vorhanden. Die maximale Schwingungsamplitude als eine Funktion der Zeit ist daher relativ konstant, und zwar solange, wie die periodische Anregung dauert, wie dies in der durchgezogenen Linie in Fig. 3 dargestellt ist.

Wenn die Schwingungsanregung zeitweise dadurch unterbrochen wird, daß ein Zahn von einem der Zahnriemenscheiben entsprechend der vorliegenden Erfindung entfernt wird (Fig. 4 und 5) oder dadurch, daß die Abmessung eines Zahnes auf dem Zahnriemen (Fig. 6) so vermindert wird, daß er nicht mehr wirksam ist, dann wird eine geringere Amplitude für die unmittelbar darauffolgenden Schwingungen durch die natürliche Dämpfung des Riemens und des Antriebssystems erreicht, bis das Antriebssystem zu einem Gleichgewicht mit der Schwingungsamplitude wieder zurückkehrt, wie es vor der Unterbrechung bestanden hat.

In Fig. 3 stellt die gestrichelte Linie die Schwingungsamplitude nach einer Unterbrechung dar, wie sie durch das Herausnehmen des Zahnes 12 als eines wirksamen Zahnes auf der Riemenscheibe 5 entstanden ist. Eine vollständige Rückkehr zur maximalen Amplitude wird in dem genannten Beispiel bei der Anregung durch den Zahn 17 erreicht. Wenn, z. B., jeder vierte Zahn als wirksamer Zahn entfernt wird, dann wird eine maximale Schwingungsamplitude erreicht, die niedriger ist als die Amplitude, wie sie in der durchgehenden Linie in Fig. 3 dargestellt ist. Um wieviel diese Amplitude niedriger ist, wird dadurch bestimmt, wie kraftvoll die Anregung von der Kurbelwellen-Riemenscheibe 2 ist.

Tests, die mit einem Verbrennungsmotor und einem Antriebssystem gemäß Fig. 1 durchgeführt worden sind, haben gezeigt, daß dann, wenn jeder dritte Zahn 20 an der Riemenscheibe 5 der Ölpumpe als wirksamer Zahn entfernt wird, eine wesentlich niedrigere Schwingungsamplitude in dem freitragenden Abschnitt 14 entsteht und daß das entstehende Geräuschniveau gleichzeitig um etwa 5 Decibel zurückgeführt wird. In entsprechender Weise ist eine Verminderung des Geräuschpegels um 5 Decibel durch Entfernen jedes siebten Zahnes an der Kurbelwellen-Riemenscheibe 2 erreicht worden. Beide Maßnahmen zusammen bewirkten eine Geräuschminderung um bis zu 8 Decibel. Die Tests zeigten ferner eine sehr wesentliche Verlängerung der Lebensdauer des Zahnriemens.

Unterbrechungen in der Schwingungsanregung können auch durch eine Veränderung des Zahnriemens 1 selbst bewirkt werden. Zum Beispiel kann ein ganzer Zahn 20 entfernt werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, so daß, nach dem Beispiel von Fig. 4, Zwischenräume 22 gebildet werden, die eine Länge haben, die der Breite des Zahnes 20 zuzüglich zweier normaler Abstände 21 entspricht. Ein nicht-wirksamer Zahn 23 kann auch lediglich kürzer und mit einem dünneren Zahnprofil ausgebildet werden, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.

Bei einem Nockenwellenantrieb ist es jedoch vorteilhaft, zunächst den wirksamen Zahn auf einer Riemenscheiben zu entfernen, die keine große Last überträgt, wie z. B. bei der Ölpumpen-Riemenscheibe 5 und den Zahnriemen 1, die Kurbelwellen-Riemenscheibe 2 und die Nockenwellen-Riemenscheiben 3 und 4 in ihrem normalen Zustand zu belassen.

Die Verminderung des Brumm-Geräuschniveaus wird durch die Anzahl der wirksamen Zähne bestimmt, die auf jeder Riemenscheibe und/oder dem Zahnriemen entfernt werden, ferner durch die Anzahl der veränderten Riemenscheiben und durch das Ausmaß der Dämpfung im Antriebssystem und insbesondere durch die natürliche Dämpfung des Zahnriemens. Durchgeführte Tests haben gezeigt, daß die Anzahl der entfernten Zähne nicht weniger als 10% betragen soll, vorzugsweise 15% oder mehr der normalen Gesamtanzahl von Zähnen. Die Dämpfung im Riemen, gemessen als ein Verlustfaktor, sollte höher sein als 3%, vorzugsweise wesentlich höher, z. B. 12%.

Claims (8)

1. Zahnriemenantrieb mit wenigstens einer treibenden Zahnriemenscheibe und wenigstens einer getriebenen Zahnriemenscheibe und einem Zahnriemen, der um die Zahnriemenscheiben umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß entweder wenigstens eine Riemenscheibe (5) oder wenigstens der Zahnriemen (1) eine Reihe von Zähnen hat, die an wenigstens einer Stelle (22) eine Unterbrechung in seinem übrigen gleichmäßigen Teilungsmaß hat, wobei an dieser Stelle die Teilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden wirksamen Zähnen (20) wenigstens zweimal so groß ist wie die normale Teilung.

2. Zahnriemenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnreihen mehrere Unterbrechungen (22) aufweisen, die gleichmäßig über seine Länge verteilt sind.

3. Zahnriemenantrieb nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Unterbrechungen (22) wenigstens etwa 10%, vorzugsweise jedoch wenigstens etwa 15% der Anzahl der wirksamen Zähne in den Zahnreihen beträgt.

4. Zahnriemenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnreihen Unterbrechungen (22) zwischen Gruppen von wenigstens neun, vorzugsweise fünf wirksamen Zähnen (20) aufweisen.

5. Zahnriemenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Unterbrechung (22) durch das vollständige oder teilweise Entfernen eines Zahnes gebildet wird.

6. Zahnriemenantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Unterbrechung (22) durch Vermindern der Höhe und Breite eines Zahnes im Verhältnis zu den umgebenden wirksamen Zähnen (20) bewirkt wird.

7. Zahnriemenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der für einen Verbrennungsmotor mit Zwillings-Nockenwellen bestimmt ist und eine treibende Kurbelwellen-Zahnriemenscheibe aufweist sowie zwei angetriebene Nockenwellen-Zahnriemenscheiben und wenigstens eine zusätzliche angetriebene Zahnriemenscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen (22) bei den Zähnen der zusätzlichen Zahnriemenscheibe (5) vorhanden sind.

8. Zahnriemenantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Zahnriemenscheibe (5) zum Antrieb der Ölpumpe des Verbrennungsmotors dient und Unterbrechungen (22) zwischen Paaren von wirksamen Zähnen (20) aufweist.