DE3933847C2 - Zahnriemenantrieb, insbesondere für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

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

Zum Übertragen eines Drehmoments von einer treibenden Welle zu einer oder mehreren angetriebenen Wellen werden im Stand der Technik beispielsweise Kettenantriebe beschrieben. So offenbart US 3,377,875 einen Kettenantrieb, der hinsichtlich der Geräuschentwicklung durch Kontakt zwischen Kette und Kettenscheibe und hinsichtlich der Lebensdauer der Kette verbessert ist. Das Kettenzahnrad umfasst dabei vollständige, wirksame Zähne und Zähne, die während der Drehbewegung unwirksam sind. Die zufällige Anordnung von vollständigen, wirksamen Zähnen und unwirksamen Zähnen bewirkt, dass die normale Grundfrequenz aufgebrochen wird und dadurch die Kontaktgeräusche vermindert werden können.

Heutzutage werden jedoch meist Riementriebe der verschiedenen Bauarten verwendet. In diesem Zusammenhang werden oft Zahnriementriebe, mit wenigstens einer treibenden und einer getriebenen Riemenscheibe verwendet. Durch die natürliche Dämpfung der im Wesentlichen aus Gummi bestehenden Riemen wurden Kontaktgeräusche in Hinblick auf den Kontakt der Zähne mit den Lücken der Riemenscheibe bereits vermindert. JP 55-97553 offenbart ferner eine weitere Reduzierung der Kontaktgeräusche durch Aussparungen, die im Riemen vorgesehen sind. Durch die Aussparungen wird die Kontaktfläche zwischen Riemen und Riemenscheibe vermindert und folglich werden die Kontaktgeräusche reduziert.

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

Eine optimale Zahnprofilanpassung von Zahnriemen und Riemenscheibe kann jedoch nur für ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 erreicht werden. Wenn die Abmessungen der Riemenscheiben beim Riemenantrieb dementsprechend 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 relativ zur treibenden Riemenscheibe eine nicht-übereinstimmende Riemenbewegung zwischen den Riemenscheiben, und zwar eine Longitudinalbewegung (d. h. in der hauptsächlichen Richtung der Riemenbewegung) und eine Transversalbewegung (radial).

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 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 E-Modus des verwendeten Materials, der Riemenspannung usw.. Zusätzlich zu der Anregung vom Riemen her gibt es in einem Verbrennungsmotor noch andere Anregungsarten, die von der nicht-gleichmäßigen Umlaufgeschwindigkeit der Massen und dem nicht-gleichmäßigen Verbrennungsdruck herrühren, der sich als Funktion des Winkels der Kurbelwelle darstellt.

Diese Anregungsarten mit variierenden Frequenzen erzeugen verschiedene Schwingungen im Zahnriemen, die wiederum ein vom Riemen ausgehendes Brummgeräusch erzeugen, das sowohl im als auch außerhalb des Autos hörbar ist. 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 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. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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 Anregung 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 wählbar ist, kann die Geräuscherzeugung so beeinflusst werden, dass der Geräuschpegel um bis zu 8 Dezibel vermindert werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Zahnriementrieb zum Antrieb von Zwillings-Nockenwellen in einem Verbrennungsmotor bereitgestellt werden, der trotz einer erheblichen Länge des Zahnriemens nur wenig Lärm erzeugt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden die Einzelheiten der Erfindung 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 schwach gedämpften als auch für einen stärker 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, die der Resonanzfrequenz des Riemens entspricht, sowie für den Fall, dass die Anregung zeitweise durch die Entfernung eines wirksamen Zahnes 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. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Zahnriemen, der um eine erste, treibende Riemenscheibe 2 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 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 der Grundschwingung des Riemens erreicht. Diese Amplitude als eine Funktion der Zeit t kann sich so verhalten, 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 schwach gedämpften Zahnriemen. Bei einer höheren Materialdämpfung (höherer Verlust) wird eine davon deutlich 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 Resonanzfrequenz des Zahnriemens entspricht, erreicht die maximale Schwingungsamplitude im Resonanzfall als eine Funktion der Zeit auf Grund einer gewissen Form von Dämpfung in dem System, einen relativ konstanten Wert, und zwar so lange, 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 oder mehrere Zähne von einer der Zahnriemenscheiben entsprechend der vorliegenden Erfindung entfernt wird oder werden (Fig. 4 und 5) oder dadurch, dass die Abmessung eines Zahnes oder mehrer Zähne auf dem Zahnriemen (Fig. 6 beispielsweise zwei Zähne) so vermindert wird oder werden, 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 Nr. 12 als eins 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 Nr. 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 wie viel diese Amplitude niedriger ist, wird dadurch bestimmt, wie stark die Anregung von der Kurbelwellen-Riemenscheibe 2 ist.

Tests, die mit einem Verbrennungsmotor und einem Antriebssystem gemäß Fig. 4 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 Dezibel zurückgeführt wird. In entsprechender Weise ist eine Verminderung des Geräuschpegels um 5 Dezibel durch Entfernen jedes siebten Zahnes an der Kurbelwellen-Riemenscheibe 2 erreicht worden. Beide Maßnahmen zusammen bewirkten eine Geräuschminderung um bis zu 8 Dezibel. 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 Lücken-Abstände 21 entspricht. Bin nicht-wirksamer Zahn 23 kann auch lediglich kürzer und mit einem dünneren Zahnprofil ausgebildet werden, wie es in Fig. 6 für zwei Zähne 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 und getriebenen Zahnriemenscheibe und einem Zahnriemen, wobei entweder wenigstens eine Zahnriemenscheibe (5) oder der Zahnriemen (1) an wenigstens einer Stelle (22) zur Geräuschminderung in den freitragenden Abschnitten des Zahnriemens eine Unterbrechung in seinem übrigen gleichmäßigen Teilungsmaß hat, wodurch an dieser Stelle ein Zwischenraum (22) zwischen zwei aufeinander folgenden wirksamen Zähnen (20) gebildet ist, dessen Breite wenigstens der Breite von zwei Lücken-Abständen (21) und einem Zahn (20) entspricht.

2. Zahnriemenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Unterbrechungen (22) vorgesehen sind, die gleichmäßig über ihren Umfang bzw. 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 beträgt.

4. Zahnriemenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (22) mindestens zwischen Gruppen von neun, vorzugsweise fünf wirksamen Zähnen (20) vorgesehen sind.

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.