WO2005106286A1 - Umschlingungstrieb - Google Patents

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Rainer BAUMÜLLER
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Martin Assel
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Schaeffler KG
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    • F16H55/02Toothed members; Worms
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H55/30Chain-wheels

Definitions

  • the invention relates to a belt drive, in particular a control drive for an internal combustion engine or one of its auxiliary units, with a driving wheel and an output wheel and a belt means connecting them, wherein at least one of the wheels is designed so that it rotates when the drive is non-uniform impresses.
  • control drives of internal combustion engines with a crankshaft drive wheel, at least one camshaft output gear and a chain or toothed belt, or other aggregate drives present on internal combustion engines are subject to vibration changes due to torque fluctuations or changes in angular velocity, which can lead to audible noise in resonance areas. This is associated with increased frictional forces, which can impair the lifespan of the belt drive and its efficiency.
  • the invention is therefore based on the object of designing a belt drive of the type mentioned at the outset in such a way that there is a dynamic change in the imprinted non-uniformity, so that a corresponding correction can take place over the entire working range and speed range.
  • spring structures are provided between the wheel hub and the wheel circumference to allow the circumferential surface to deflect, wherein in a first exemplary embodiment of the present invention these spring structures can be formed by, preferably two to four, equidistantly distributed openings. Due to these relatively large openings, the peripheral edge regions, which are now only of relatively low radial strength, are resiliently deformable and can thus react to forces resulting from torque fluctuations and changes in angular velocity by corresponding deflection. In addition to this deflection, the transverse elasticity of the spokes remaining between the openings can also be exploited in that these spokes are designed to be inclined in a leading or trailing manner with respect to a radius. Depending on the type of direction of inclination, this results in greater or lesser elasticity, so that deformations dependent on the direction of rotation can also be exploited.
  • the spokes do not have to be straight, but curved spokes could also be used, this curved shape being particularly useful with regard to influencing wheel deformation in different directions of rotation (progressive or degressive spring stiffness).
  • the cross section of a spoke can be variable (e.g. thickened in the middle). This can also influence the deformation behavior.
  • the race is designed with defined, equidistantly distributed fluctuations in strength, which results in deformation possibilities in a manner similar to that in the first exemplary embodiment, through which the forces generated by torque fluctuations and changes in angular velocity in the belt drive can be counteracted.
  • the race and the hub are separated by a gap filled with a spring element, which spring element can be an elastomer layer in the preferred embodiment.
  • Such an intermediate layer made of a spring element enables, in addition to a resiliently delayed rotation of the adjoining regions in the circumferential direction, also a radial deflection of the outer race and in this way the same correction deformations as in the other two embodiments.
  • Suitable materials for the resilient elements are not only the elastomer springs mentioned above, but also active materials, such as electro- or magnetorheological materials.
  • the spring element could also be a viscous damper. The use of active materials would also be conceivable here.
  • 1 to 3 are views of different exemplary embodiments of a wheel for a belt drive with a number of openings modified for a radially resilient bending of the raceway in accordance with the number of cylinders in the engine
  • Fig. 9 is a section along the line IX-IX in Fig. 7, Fig. 10 to 12 views of pot-shaped wheels with ring elements arranged between the race and hub and
  • Fig. 13 is a section along the line Xlll-Xlll in Fig. 12. Detailed description of the drawings
  • the wheels shown there which could be both flat wheels and pot-shaped wheels, are provided with openings 1, 1 'and 1 ", respectively, so that stiff and elastic diameter areas are created.
  • vibrations conditions / burdens are changed positively.
  • 1 shows a wheel for a four-cylinder in-line engine, in which the crankshaft rotates twice as fast as the camshaft, while the exemplary embodiments according to FIGS. 2 and 3 show typical wheels as are suitable for other numbers of cylinders.
  • the arrangement according to FIG. 2 is intended for a three- or six-cylinder engine.
  • FIGS. 1 to 3 modified exemplary embodiments of FIGS. 1 to 3 are shown, it being possible to produce an elasticity dependent on the direction of rotation by inclining the web angle, that is to say by inclining the spokes with respect to the radius. If one assumes a direction of rotation according to arrow 3 in FIG. 2, then with an external torque in the direction of the helix angle of the spokes 4, 4 'and 4 "there is high elasticity, while with an external torque against the direction of the helix angle there is a lower elasticity.
  • FIG. 7 to 9 show exemplary embodiments of the invention in which, in the case of a wheel which is essentially cup-shaped, the wall thickness of the race 5 is designed with defined thickness fluctuations in such a way that a “dynamic” pitch circle is created due to changes in the radial bending capacity under load.
  • FIGS. 10 to 11 in turn show cup-shaped wheels, in which resilient elements, in particular elastomers 7, 8, are introduced in radial circular segments, so that the disk / or the wheel can elastically recede under load. This results in a short-term change in the pitch circle.
  • the arrangement of the resilient element can lie both in the area of the outer diameter — race 5 (FIG. 10) and in the area of the hub 6 (FIG. 11) or in both areas (FIG. 12).
  • the resilient element which is preferably designed as an elastomer, is denoted by 7 and 8 in FIGS. 10 to 13.

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Abstract

Umschlingungstrieb, insbesondere Steuerungsantrieb für eine Brennkraftmaschine oder eines ihrer Nebenaggregate, mit einem antreibenden Rad und einem Abtreibenden Rad und einem sie verbindenden Umschlingungsmittel, wobei wenigstens eines der Räder so ausgebildet ist, dass es bei der Rotation dem Trieb eine Ungleichförmigkeit aufprägt, wobei das zwischen Radnabe und Radumfang ein Einfedern der Umfangsfläche ermöglichende Federstrukturen vorgesehen sind.

Description

Umschlingungstπ'eb
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Umschlingungstrieb, insbesondere Steuerungsantrieb für eine Brennkraftmaschine oder eines ihrer Nebenaggregate, mit einem antreibenden Rad und einem abtreibenden Rad und einem sie verbindenden Umschlingungsmittel, wobei wenigstens eines der Räder so ausgebildet ist, dass es bei der Rotation dem Trieb eine Ungleichförmigkeit aufprägt.
Insbesondere Steuerungsantriebe von Brennkraftmaschinen mit einem Kurbelwellen- Antriebsrad, zumindest einem Nockenwellen-Abtriebsrad und einer Kette oder Zahnriemen, oder aber andere an Brennkraftmaschinen vorhandene Aggregatantriebe, sind aufgrund von Drehmomentschwankungen bzw. Winkel- geschwindigkeitsänderungen Schwingungsänderungen unterworfen, die in Resonanzbereichen zu hörbaren Geräuschen führen können. Damit verbunden sind erhöhte Reibungskräfte, die die Lebensdauer des Umschlingungstriebes sowie dessen Wirkungsgrad beeinträchtigen können.
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen ist bereits vorgeschlagen worden, wenigstens eines der Räder so auszubilden, dass es bei der Rotation dem Trieb eine Ungleichförmigkeit aufprägt, wobei dies bei der DE 195 20 508 A1 dadurch erreicht wird, dass das entsprechende Rad unrund ausgebildet und/oder exzentrisch gelagert ist. Ein solches unrundes oder exzentrisch gela- gertes Rad muss in einer definierten Frequenz und Phasenlage betrieben werden, damit die gegebene Ungleichförmigkeit des Umschlingungstriebes überlagert und damit eine Resonanzverschiebung bewirkt wird. Eine Anpassung an Änderungen und Schwankungen der Ungleichförmigkeit des Triebs bedingt durch die verschiedenen Steuerorgane und1 Schlepphebel kann ein solches auf eine ganz bestimmte Unrundheit oder eine bestimmte Achsversetzung ausgelegte Rad nicht bieten. Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umschlingungstrieb der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass sich eine dynamische Veränderung der aufgeprägten Ungleichförmigkeit ergibt, sodass über den gesamten Arbeitsbereich und Drehzahlbereich eine entsprechende Korrektur stattfinden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen Radnabe und Radumfang ein Einfedern der Umfangsfläche ermöglichende Federstrukturen vorgesehen sind, wobei diese Federstrukturen bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch, vorzugsweise zwei bis vier, äquidistant verteilte Durchbrüche gebildet sein können. Durch diese relativ großflächigen Durchbrüche sind die nurmehr eine relativ geringe radiale Stärke aufweisenden Umfangsrandbereiche federnd deformierbar und können somit auf durch Drehmomentschwankungen und Winkelgeschwindigkeitsänderungen resultierende Kräfte durch entsprechendes Einfedern reagieren. Zusätzlich zu diesem Einfedern kann auch die Querelastizität der zwischen den Durchbrüchen stehen bleibenden Speichen ausgenutzt werden, indem diese Speichen gegenüber einem Radius vorlaufend oder nachlaufend geneigt aus- gebildet sind. Je nach Art der Neigungsrichtung ergibt sich dabei eine größere oder kleinere Elastizität, sodass hierbei auch drehrichtungsabhängige Verformungen ausgenutzt werden können.
Die Speichen müssen dabei nicht gerade ausgebildet sein, sondern es könnten auch gebogene Speichen verwendet werden, wobei diese gebogene Form speziell im Hinblick auf die Beeinflussung der Radverformung in unterschiedlichen Drehrichtungen sehr sinnvoll ist (progressive oder degressive Federstei- figkeit). Darüber hinaus kann der Querschnitt einer Speiche variabel sein (z.B. in der Mitte verdickt). Dadurch lässt sich ebenfalls das Verformungsverhalten beeinflussen.
Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Rad im Wesentlichen topfförmige ausgebildet ist mit einer entsprechend hohen Radnabe, ist vorgesehen, dass der Laufring mit definierten, äquidistant verteilten Stärkeschwankungen ausgebildet ist, wodurch sich in entsprechender Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel Verformungsmöglichkeiten ergeben, durch die den durch Drehmomentschwankungen und Winkelgeschwindigkeits- änderungen erzeugten Kräften im Umschlingungstrieb entgegengewirkt werden kann. Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, dass, wie bei einem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, der Laufring und die Nabe durch einen mit einem Federelement ausgefüllten Spalt getrennt sind, wobei dieses Federelement im bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Elastomer- schicht sein kann. Eine solche Zwischenschicht aus einem Federelement ermöglicht neben einem federnd verzögerten Verdrehen der daran angrenzenden Bereiche in Umfangsrichtung auch ein radiales Einfedern des äußeren Laufrings und auf diese Art und Weise die gleichen Korrekturverformungen wie bei den anderen beiden Ausführungsformen.
Als Materialien für die federnden Elemente kommen nicht nur die bereits vorstehend angesprochenen Elastomerfedern in Betracht, sondern auch aktive Werkstoffe, wie z.B. elektro- oder magnetorheologische Materialien. Darüber hinaus könnte das Federelement auch ein Viscodämpfer sein. Auch hier wäre der Einsatz aktiver Werkstoffe denkbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 bis 3 Ansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele eines Rads für einen Umschlingungstrieb mit entsprechend der Zylinderzahl des Motors abgewandelter Anzahl von Durchbrüchen für ein radial federndes Verbiegen des Laufrings,
Fig. 4 bis 6 abgewandelte Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 3, wobei jeweils die Speichen zwischen den Durchbrüchen gegenüber dem Radius schrägge- stellt sind,
Fig. 7 eine Ansicht eines topfförmigen Rades mit definierten äquidistant verteilten Stärkeschwankungen des Laufrings,
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie Vlll-Vlll in Fig. 7,
Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in Fig. 7, Fig. 10 bis 12 Ansichten topfförmiger Räder mit zwischen Lauf ring und Nabe angeordneten Federelementen und
Fig. 13 einen Schnitt längs der Linie Xlll-Xlll in Fig. 12. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den Fig. 1 bis 3 sind die dort gezeigten Räder, die sowohl flache Räder als auch topfförmige Räder sein könnten, mit Durchbrüchen 1, 1' bzw. 1" versehen, sodass steife und elastische Durchmesserbereiche entstehen. Dadurch können unter Belastung die elastischen Bereiche 2, 2',2" radial einfedern und kurzfristig eine kraftabhängige Teilkreisveränderung zulassen. Durch geschicktes Auslegen der Größe der Teilkreisveränderungen und entsprechendes Winkelpositionieren im Verhältnis zum Triebverhalten können Schwingun- gen/Belastungen positiv verändert werden. Die Fig. 1 zeigt dabei ein Rad für einen Vierzylinder-Reihenmotor, bei dem die Kurbelwelle doppelt so schnell wie die Nockenwelle dreht, während die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 3 typische Räder zeigen, wie sie für andere Zylinderzahlen geeignet sind. Die Anordnung nach Fig. 2 ist für einen Drei- oder Sechszylindermotor gedacht.
In den Fig. 4 und 6 sind abgewandelte Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 3 dargestellt, wobei durch schräges Anstellen der Stegwinkel, also durch Neigen der Speichen gegenüber dem Radius eine drehrichtungsabhängige Elastizität erzeugt werden kann. Geht man von einer Drehrichtung entsprechend dem Pfeil 3 in Fig. 2 aus, so ist bei einem äußeren Drehmoment in Richtung des Schrägungswinkels der Speichen 4, 4' und 4" eine hohe Elastizität gegeben, während bei einem äußeren Drehmoment entgegen der Richtung des Schrä- gungswinkels eine niedrigere Elastizität vorhanden ist.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen bei einem im Wesentlichen topfförmig ausgebildeten Rad die Wandstärke des Laufrings 5 mit definierten Stärkeschwankungen so ausgeführt ist, dass auf- grund von Änderungen der radialen Biegefähigkeit unter Last ein „dynamischer" Teilkreis entsteht. Durch geschicktes Auslegen der Größe der Teilkreisveränderung und entsprechendes Winkelpositionieren im Verhältnis zum Triebverhalten können Schwingungen oder Belastungen positiv verändert werden.
Die Fig. 10 bis 11 wiederum zeigen topfförmige Räder, bei denen in radialen Kreissegmenten federnde Elemente, insbesondere Elastomere 7, 8, eingebracht sind, sodass unter Last die Scheibe/ oder das Rad elastisch zurückweichen kann. Dadurch ergibt sich kurzfristig eine Veränderung des Teilkreises. Durch Abstimmung von Federrate und äußerer Last kann ein Trieb hinsichtlich Laufruhe optimiert werden. Die Anordnung des federnden Elements kann sowohl im Bereich des äußeren Durchmessers -Laufring 5 - (Fig. 10) als auch im Bereich der Nabe 6 (Fig. 11) oder aber auch in beiden Bereichen (Fig. 12) lie- gen. Das jeweils bevorzugt als Elastomer ausgebildete federnde Element ist in den Fig. 10 bis 13 mit 7 bzw. 8 bezeichnet.
Bezugszahlen
1 Durchbruch
V Durchbruch
1" Durchbruch
2 elastischer Bereich
2' elastischer Bereich
2" elastischer Bereich
3 Pfeil Steg ' Steg " Steg
5 Lauf ring
6 Nabe
7 federndes Element
8 federndes Element

Claims

Patentansprüche
1. Umschlingungstrieb, insbesondere Steuerungsantrieb für eine Brennkraftmaschine oder eines ihrer Nebenaggregate, mit einem antreibenden Rad und einem Abtreibenden Rad und einem sie verbindenden Umschlingungsmittel, wobei wenigstens eines der Räder so ausgebildet ist, dass es bei der Rotation dem Trieb eine Ungleichförmigkeit aufprägt, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen Radnabe und Radumfang ein Einfedern der Umfangsfläche ermöglichende Federstrukturen vorgesehen sind.
2. Umschlingungstrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad mit, vorzugsweise zwei bis vier, äquidistant verteilten Durchbrüchen versehen ist.
3. Umschlingungstrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen zwischen den Durchbrüchen gegenüber einem Radius vor- oder nachlaufend geneigt verlaufen.
4. Umschlingungstrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen gebogen sind.
5. Umschlingungstrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Speichen sich über die Länge ändert.
6. Umschlingungstrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad im Wesentlichen topfförmig ausgebildet ist, dessen Laufring mit definierten äquidistant verteilten Stärkeschwankungen ausgebildet ist.
7. Umschlingungstrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufring und die Nabe durch einen mit einem Federelement ausgefüllten Spalt getrennt sind.
8. Umschlingungstrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement eine Elastomerschicht ist.
9. Umschlingungstrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement durch aktive Werkstoffe, z.B. elektro- und magne- torheologische Materialien, gebildet ist.
10. Umschlingungstrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Viscodämpfer ausgebildet ist.
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