WO2003050394A1 - Kettenrad - Google Patents

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Artur Preis
Stefan Belmer
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Joh. Winklhofer & Söhne GmbH und Co. KG
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    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/30—Chain-wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H—GEARING
    • F16H35/00—Gearings or mechanisms with other special functional features
    • F16H2035/003—Gearings comprising pulleys or toothed members of non-circular shape, e.g. elliptical gears

Definitions

  • the present invention relates to a chain wheel for a chain drive, in particular a control drive of an internal combustion engine, with a base body and a toothed ring arranged therein.
  • thermosetting plastic material is mostly used for low purposes, and steel is used in most cases for high loads. So far it has probably been considered that this group of materials is not suitable for the intended purpose. It is all the more surprising that the inventor managed to use the thermoset materials as a sprocket for the timing chain drive of an internal combustion engine. In addition to the good noise-reducing properties of such a sprocket, the advantages in terms of weight reduction also come to the fore.
  • the chain wheel consists entirely of at least one thermoset material.
  • material combinations are also possible here, in order to also provide suitable thermoset materials in the different areas of the chain wheel with different loads.
  • thermoset molding process A variant in which the surfaces of the base body and the ring gear are designed without post-processing by a thermoset molding process is particularly favorable. This means that no further process steps are necessary either for creating the central hole or for shaping the teeth. The entire shape is created by thermosetting.
  • thermoset molding process all surfaces can then be designed without post-processing by means of a thermoset molding process.
  • the base body can have a thermoset material with different damping properties than the damping properties of the thermoset material of the ring gear.
  • the thermoset material for the sprocket can therefore be optimally selected for the impact requirements for the chain, while the base body provides a stable base on the one hand and a desired additional damping on the other hand.
  • the base body and the ring gear are made of the same thermoset material.
  • the at least one thermoset material can preferably be a plastic based on phenolic resin with at least one filler.
  • Thermoset materials based on phenolic resin are very well suited for the main application in the timing chain drive of an internal combustion engine and withstand the loads specified there with regard to the effects of lubricants and heat.
  • At least one thermoset material can have high heat resistance up to at least 140 ° C, preferably 160 ° C.
  • the Duroplast including any fillers it contains, maintains its high mechanical properties (e.g. compressive strength, flexural strength) even at higher temperatures (e.g. at 140 ° C).
  • These mechanical properties can be of the order of magnitude of aluminum materials. Thermoplastics begin to flow at such temperatures, so that appropriate countermeasures have to be taken. These do not apply when using thermoset materials.
  • the thermoset materials proposed here can be subjected to high mechanical loads, far above the load values that are possible with thermoplastic materials.
  • the at least one filler is selected from the following group:
  • Glass fibers, glass balls, minerals, graphite, PTFE (Teflon) and MoS 2 Glass fibers, glass balls, minerals, graphite, PTFE (Teflon) and MoS 2 .
  • thermoset material can be selected so that there is a reduction in friction or greater strength. This can only be done in certain areas on the sprocket by deliberately influencing the material at the respective point.
  • thermoset materials for use in a timing chain drive of a combustion engine.
  • motor are particularly well suited and defy both temperature and lubricant influences over long lifetimes.
  • the figure shows a sprocket 1, which is essentially constructed from a cylindrical disk-shaped base body 2 and an annular gear ring 3 arranged thereon.
  • the ring gear 3 usually has teeth 4 on its outer circumference, which can be brought into engagement with a drive chain, not shown, of a timing chain drive of an internal combustion engine. This is preferably a sleeve or roller chain.
  • a drive chain not shown
  • This is preferably a sleeve or roller chain.
  • axle opening 5 with which the sprocket 1 is arranged on a shaft of the internal combustion engine.
  • the shaft can be a camshaft or a crankshaft.
  • other drive units can also be provided with such a sprocket 1.
  • the sprocket 1 is rotatably arranged on one of these shafts.
  • thermoset material Although in principle the entire sprocket 1 can be made from a uniform thermoset material, the present exemplary embodiment shows a design in which the toothed ring 3 and the base body 2 are made from different thermoset materials.
  • thermoset carrier which is chemically-mechanically connected to a thermoplastic covering.
  • one of these two components could also be made of a metal material or ceramic material.
  • an X 689 is used as the material for the ring gear and an X 620 for the base body 2.
  • the sprocket 1 is formed in two successive thermoset molding steps, in each of which one of the thermosets is cured.
  • the surfaces are not reworked at any point, so that expensive reworking or reworking steps are not necessary.
  • the sprocket 1 thus produced is of particularly low weight and defies the forces present in the internal combustion engine and the external influences, in particular the influence of temperature and lubricant.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kettenrad für ein Kettentrieb, insbesondere Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem Basiskörper und einen darin angeordneten Zahnkranz, wobei der Basiskörper und/oder der Zahnkranz zumindest bereichweise aus mindestens einem Duroplastwerkstoff hergestellt ist oder sind.

Description

Kettenrad
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kettenrad für ein Kettentrieb, insbesondere Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem Basiskörper und einen darin angeordneten Zahnkranz.
Insbesondere auf dem Gebiet der Steuerkettentriebe bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge sind in den letzten Jahren zahlreiche Lösungsvorschläge hinsichtlich Geräuscheminderung gemacht worden. In vielen Fällen wird versucht, durch geeignete Maßnahmen, den Auftreffimpuls der Kette auf das Kettenrad abzufedern. Hierzu sind Dämpfungs- und/oder Federkränze entwickelt worden, auf die die Laschen beim Auflaufen der Kette auf das Kettenrad auftreffen. Eine weitere Maßnahme bestand darin, dass die Zähne des Kettenrades mit einer dämpfenden Beschichtung versehen wurden. Die meisten dieser Vorschläge erfüllen die an sie gestellten Anforderungen recht gut. Sie sind zum Teil jedoch noch relativ aufwendig in der Herstellung und daher kostenintensiv.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kettenrad der Eingangs genannten Art bereitzustellen, dass trotz guter Dämpfungseigenschaften kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Basiskörper und/oder Zahnkranz zumindest bereichsweise aus mindestens einem Duröplastwerkstoff hergestellt wird. Auf den ersten Blick erscheint es verwunderlich, warum ein auf anderen Gebieten eingesetzter Werkstoff für solche Einsätze bislang nicht herangezogen worden ist. Bei Kettenrädern ist jedoch festzustellen, dass für niedere Zwecke meist Thermoplastwerkstoffe herangezogen werden, und für Hochbelastung in den überwiegenden Fällen Stahl eingesetzt wird. Vermutlich ist man bislang der Auffassung gewesen, dass diese Werkstoffgruppe für den vorgesehen Zweck nicht geeignet ist. Um so verwunderlich ist, dass der Erfinder es geschafft hat, durch den Einsatz von Duroplastwerkstoffen die Anwendung als Kettenrad für den Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors zu erzielen. Neben den guten geräuschmindernden Eigenschaften eines solchen Kettenrades treten auch die Vorteile hinsichtlich der Gewichtsreduktion in den Vordergrund. Obwohl prinzipiell die Möglichkeit besteht den Basiskörper und den Zahnkranz aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen und in geeigneter weise zu verbinden, wird es bevorzugt, wenn das Kettenrad vollständig aus mindestens einem Duroplastwerkstoff besteht. Allerdings werden auch hier Materialkombinationen möglich, um in den verschiedenen Bereichen des Kettenrades mit unterschiedlichen Belastungen, auch geeignete Duroplastwerkstoffe zur Verfügung zu stellen.
Besonders günstig ist eine Variante, bei der die Oberflächen des Basiskörpers und des Zahnkranzes nachbearbeitungsfrei durch einen Duroplastformvorgang ausgestaltet sind. Das bedeutet, dass weder für das Erzeugen der mittigen Bohrung noch für das Ausformen der Zähne weitere Verfahrensschritte notwendig sind. Die gesamte Formgestaltung erfolgt durch die Duroplastaushärtung.
Hierzu können dann sämtliche Oberflächen nachbearbeitungsfrei durch einen Duroplastformvorgang ausgestaltet sein.
Des weiteren kann der Basiskörper einen Duroplastwerkstoff mit anderen Dämpfungseigenschaften aufweisen, als die Dämpfungseigenschaften des Duroplastwerkstoffes des Zahnkranzes. Der Duroplastwerkstoff für den Zahnkranz kann daher optimal für die Auftrefferfordernisse für die Kette ausgewählt werden, während der Basiskörper zum einen einen stabilen Untergrund und zum anderen eine gewünschte zusätzliche Dämpfung bereithält.
Bei einer besonders preiswerten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Basiskörper und der Zahnkranz aus dem gleichen Duroplastwerkstoff hergestellt sind.
Bevorzugt kann der mindestens eine Duroplastwerkstoff ein Kunststoff auf Phenolharzbasis mit mindestens einem Füllstoff sein. Duroplastwerkstoffe auf Phenolharzbasis sind für den Haupteinsatzzweck im Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors sehr gut geeignet und halten den dort vorgegebenen Belastungen hinsichtlich Schmierstoff- und Wärmeeinflüssen stand.
Insbesondere kann mindestens ein Duroplastwerkstoff eine hohe Wärmebeständigkeit bis mindestens 140°C, bevorzugt 160°C, aufweisen. Hiermit ist gemeint, dass der Duroplast einschließlich seiner eventuell vorhandenen Füllstoffe auch bei höheren Temperaturen (z.B. bei 140°C) seine hohen mechanischen Eigenschaften (z.B. Druckfestigkeit, Biegefestigkeit) beibehält. Diese mechanischen Eigenschaften können in Größenordnungen von Aluminiumwerkstoffen liegen. Thermoplaste fangen bei solchen Temperaturen das Fließen an, so dass entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden müssen. Diese entfallen bei der Verwendung von Duroplastwerkstoffen. Generell sind die hier vorgeschlagenen Duroplastwerkstoffe mechanisch hoch belastbar, und zwar weit oberhalb von den Belastungswerten, die durch Thermoplastwerkstoffe möglich sind.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der mindestens eine Füllstoff aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Glasfasern, Glaskugeln, Mineralstoffe, Graphit, PTFE (Teflon) und MoS2.
Auch Kombinationen dieser Füllstoffe sind in vorgegebenen Mischungsverhältnissen denkbar. Z.B. kann der Duroplastwerkstoff so gewählt werden, dass sich eine Reibungsreduktion oder eine höhere Festigkeit ergibt. Dies kann auch nur bereichsweise an demr Kettenrad durch bewusste Beeinflussung des Materials an der jeweiligen Stelle geschehen.
Es hat sich gezeigt, dass günstigerweise der mindestens eine Duroplastwerkstoff aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird:
X 620 X 655 X 659 X 680 X 681 X 682 X 689 X 6952
Hersteller: Fa. Vyncolit (Gent, Belgien). Es hat sich gezeigt, dass gerade diese Duroplastwerkstoffe für den Einsatzzweck bei einem Steuerkettentrieb eines Verbren- nungsmotors besonders gut geeignet sind und sowohl den Temperatur- als auch den Schmiermitteleinflüssen über lange Lebensdauern trotzen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Kettenrad 1 , dass im wesentlichen aus einem zylinderscheibenförmigen Basiskörper 2 und einem darauf angeordneten ringförmig ausgestalteten Zahnkranz 3 aufgebaut ist. Der Zahnkranz 3 weist üblicherweise an seinem Außenumfang Zähne 4 auf, die mit einer nicht dargestellten Antriebskette eines Steuerkettentriebes eines Verbrennungsmotors in Eingriff bringbar sind. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Hülsen- oder Rollenkette. In der Mitte des Basiskörpers befindet sich eine Achsöffnung 5, mit der das Kettenrad 1 auf einer Welle des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Bei der Welle kann es sich um eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle handeln. Jedoch können auch andere Antriebsaggregate mit einem solchen Kettenrad 1 versehen sein. Das Kettenrad 1 ist drehfest auf einer dieser Wellen angeordnet. Obwohl prinzipiell das gesamte Kettenrad 1 aus einem einheitlichen Duroplastwerkstoff hergestellt sein kann, zeigt das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Bauform, bei der Zahnkranz 3 und der Basiskörper 2 aus unterschiedlichen Duroplastwerkstoffen hergestellt sind. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine chemisch-mechanische Verbindung gleicher oder unteschiedlicher Werkstoffe/Werkstoffarten (z.B. Duroplast-Träger, der chemisch-mechanisch mit Thermoplast- Belag verbunden ist) vorzunehmen. Des Weiteren könnte auch eines dieser beiden Bauteile aus einem Metallwerkstoff oder Keramikwerkstoff hergestellt sein. Im Ausführungsbeispiel kommt als Werkstoff für den Zahnkranz ein X 689 und für den Basiskörper 2 ein X 620 zum Einsatz. Diese Duroplastwerkstoffe sind von der Firma Vyncolit unter diesen Produktbezeichnungen beziehbar.
Die Formung des Kettenrades 1 erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Duroplastformschritten, bei denen jeweils einer der Duroplaste ausgehärtet wird. Eine Nachbearbeitung der Oberflächen erfolgt an keiner Stelle, so dass teure Nachfor- mungs- bzw. Nachbearbeitungsschritte entfallen.
Das so gezeugte Kettenrad 1 ist von besonders niedrigem Gewicht und trotzt den bei dem Verbrennungsmotor vorliegenden Kräften und den äußeren Einflüssen insbesondere dem Temperatur- und Schmierstoffeinfluss.

Claims

Schutzansprüche
1. Kettenrad (1) für einen Kettentrieb, insbesondere Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem Basiskörper (2) und einem daran angeordneten Zahnkranz (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (2) und/oder der Zahnkranz (3) zumindest bereichsweise aus mindestens einem Duroplastwerkstoff hergestellt ist oder sind.
2. Kettenrad (1) nach Anspruch 1 , das vollständig aus mindestens einem Duroplastwerkstoff besteht.
3. Kettenrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Basiskörpers (2) und des Zahnkranzes (3) nachbearbeitungsfrei durch einen Duroplastformvorgang ausgestaltet sind.
4. Kettenrad (1) nach Anspruch 3, bei denen sämtliche Oberflächen nachbearbeitungsfrei durch einen Duroplastformvorgang ausgestaltet sind.
5. Kettenrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (2) einen Duroplastwerkstoff mit anderen Dämpfungseigenschaften aufweist, als die Dämpfungseigenschaften des Duroplastwerkstoffes des Zahnkranzes (3).
6. Kettenrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (2) unter der Zahnkranz (3) aus dem gleichen Duroplastwerkstoff hergestellt sind.
7. Kettenrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Duroplastwerkstoff ein Kunststoff auf Phenolharzbasis mit mindestens einem Füllstoff ist.
8. Kettenrad (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Duroplastwerkstoff eine hohe Wärmebeständigkeit bis mindestens 140°C, bevorzugt 160°C, aufweist. Kettenrad (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Füllstoff aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Glasfasern
Glaskugeln
Mineralstoffe
Graphit
PTFE
MoS2.
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