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Die
Erfindung betrifft ein Mehrfachkettenrad für eine Verbrennungskraftmaschine
und eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Mehrfachkettenrad,
das gleichzeitig mit mehreren Kettentrieben im Eingriff steht.
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Mehrfachkettenräder in Verbrennungsmaschinen
haben in der Regel die Funktion eines Zwischen- oder Umlenkrads.
Mittels Mehrfachkettenräder
können
zwei oder mehrere Teilkettentriebsysteme gekoppelt werden. Mehrfachkettenräder kommen insbesondere
im Zusammenhang mit Steuerketten zum Einsatz. Ursprünglich wurden
Steuerketten als zu laut und zu aufwendig in der Konstruktion angesehen.
Allerdings zeichnen sich derartige Kettentriebe durch Haltbarkeit
und geringeren Wartungsanspruch aus, obwohl die Belastungen zunehmen,
z.B. durch Pumpe-Düse-Systeme
beim Dieselmotor. Problematisch bei Mehrfachkettenrädern, d.h.
bei Kettenrädern
mit zwei oder mehr Zahnkränzen,
ist die Herstellung. Grundsätzlich
werden Mehrfachkettenräder durch
spanende Bearbeitung bzw. durch Sintern hergestellt. Die notwendige
Wärmebehandlung
eines solchen Mehrfachkettenrads ist allerdings sehr aufwendig.
Obwohl die notwendige Verschleißfestigkeit zumeist
nur an einem Kettenrad erforderlich ist, nämlich dem kleinsten, muss ein
Mehrfachkettenrad grundsätzlich
insgesamt gehärtet
werden. Überlicherweise
wird bei einer Wärmebehandlung
das gesamte, einen Ofen durchlaufende Gewicht eines Bauteils bezahlt.
Mehrfachkettenräder
sind daher relativ kostspielige Bauteile, wobei die Wärmebehandlungen
auch bei großen
Stückzahlen
nicht zu einer wesentlichen Kostenreduktion führen. Das für die Serienfertigung geeignete
Sintern ist erfahrungsbedingt nicht geeignet, höher belastete Mehrfachkettenräder herzustellen.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mehrfachkettenrad
für eine Verbrennungskraftmaschine
dahingehend zu verbessern, dass das Kettenrad einfach und kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Diese
Aufgabe ist bei einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen
des Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Wesentlich
bei dem erfindungsgemäßen Mehrfachkettenrad
ist, dass eine Tragwelle und wenigstens zwei mit der Tragwelle formschlüssig und stoffschlüssig verbundene
Zahnkränze
vorgesehen sind. Dadurch werden die Mehrfachkettenräder aus geeigneten
Einzelkomponenten zusammengesetzt und mittels eines geeigneten Fügeverfahrens
miteinander verbunden. Zur Herstellung der Einzelkomponenten gibt
es geeignete Fertigungsverfahren. Produktanforderungen können somit
besser abgebildet werden, insbesondere da die Anforderungen an die Kontaktfläche zwischen
der Kette und dem Zahnkranz unterschiedlich zu den Anforderungen
der Nabe der Tragwelle sind. Es muss daher nicht das Mehrfachkettenrad
insgesamt wärmebehandelt
werden, sondern nur das jeweilige Einzelteil, d.h. der Zahnkranz
oder der mit der Kette in Eingriff stehende Bereich des Zahnkranzes.
Auch die Reihenfolge der einzelnen Herstellungsschritte ist wesentlich
flexibler und teure gesamtheitliche Wärmebe handlungen, wie z.B. das
Plasmanitrieren, können
auf die erforderlichen Bauteile beschränkt werden.
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Durch
eine anforderungsgerechte Konstruktion ist eine Gewichtseinsparung
möglich,
da neue Werkstoffpaarungen realisiert werden können, die zudem ein besseres
Verschleißverhalten
realisieren. Die Kettenkränze
können
durch Feinschneiden und (Hart-)drehen, Honen, Räumen und Stoßen hergestellt
werden, wobei das jeweilige Herstellungsverfahren unabhängig von
der Festlegung des Zahnkranzes auf der Tragwelle ausgewählt werden
kann. Erst die Kombination einer formschlüssigen und zugleich stoffschlüssigen Verbindung
gewährleistet
die notwendige Funktionssicherheit eines solchen Mehrfachkettenrads,
das in einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommt. Ein Versagen
des Mehrfachkettenrads hätte
die Zerstörung
der Verbrennungskraftmaschine zur Folge, so dass eine rein formschlüssige Verbindung,
insbesondere im Bereich der Motorsteuerung, nicht als optimal angesehen
wird. Im Rahmen der Erfindung ist für jeden Zahnkranz ein Tragwellensitz
vorgesehen, wobei der Tragwellensitz und die Innenfläche des
Zahnkranzes aufeinander abgestimmte Umfangs-Keilprofilierungen aufweisen,
deren Steigung so gering ist, dass sie durch gegenseitiges Verdrehen
von Zahnkranz und Tragwellensitz miteinander in selbsthemmenden Reibschluss
treten und in dieser Position stoffschlüssig miteinander verbunden
sind. Die Umfangskeilprofilierungen umfassen vorzugsweise keilförmige Erhebungen
an den Tragwellensitzen und eine entsprechende Anzahl keilförmiger Erhebungen
an der Innenfläche
des Zahnkranzes, wobei die Steigung der keilförmigen Erhebungen im Wesentlichen
dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgt. Bereits durch die
Selbsthemmung wird sowohl ein Zurückdrehen und damit ein Lösen der
Verbindung als auch ein axiales Verlagern des Zahnkranzes gegenüber der Tragwelle
verhindert. Der Grad der Selbsthemmung ist u.a. abhängig von
dem Material, aus dem die miteinander in Reibschluss stehenden Bauteile
gefertigt sind. Für
Stahl ist ein zuverlässig
selbsthemmender Reibschluss bei Steigungen von etwa 1:50 bis 1:200 erreichbar.
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Ein
weiterer Vorteil ist die exakte Positionierbarkeit des Mehrfachkettenrads
auf einer Welle. Die Umfangskeilprofilierungen sind so positioniert,
dass sie in ihrer Endlage, d.h. bei Erreichen der gewünschten
Selbsthemmung bzw. -klemmung ohne Zurhilfenahme weiterer Positioniervorrichtungen
stoffschlüssig
miteinander verbunden werden können.
Selbst ohne die zusätzliche
stoffschlüssige
Verbindung ermöglicht
bereits die selbsthemmende Umfangskeilprofilierung eine Gegenläufigkeit
des Kettenrads im praktischen Einsatz, ohne dass die Gefahr besteht, dass
sich das Mehrfachkettenrad von der Achse löst. Insbesondere bei Mehrfachkettenrädern, die
als Umlenkräder
fungieren, entstehen entgegengerichtete Zugkräfte und somit auch Drehschwingungen. Grundsätzlich lässt sich
eine Umfangskeilprofilierung so auslegen, dass Losbrechmomente mit
genügender
Sicherheit über
dem Drehmoment des Lastkollektivs liegen. Damit die Wandstärken im
Bereich der Umfangskeilprofilierungen bei sehr hohen Sicherheitsfaktoren
bezüglich
des Losbrechmoments nicht zu sehr erhöht werden müssen, kann durch die zusätzliche
stoffschlüssige
Verbindung eine deutliche Gewichtseinsparung erreicht werden, denn
die stoffschlüssige
Verbindung ermöglicht
geringe Sicherheitsfolgen bei der Selbsthemmung.
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Da
beim gegenseitigen Verdrehen der Keilprofilierungen zwangsläufig Freiräume zwischen dem
Tragwellensitz und der Innenfläche
des Zahnkranzes entstehen, wird es als besonders vorteilhaft angesehen,
wenn die stoffschlüssige
Verbindung eine Lötverbindung
ist, welche die entstandenen Freiräume ausfüllt. Das Lot stellt somit eine
Barriere dar, die eine rein theoretisch mögliche Lösung der selbsthemmenden Verbindung
verhindert. Als weitere Alternative hat sich das Elektronenstrahlschweißen als
geeignet erwiesen ebenso wie das Laserstrahlschweißen. Die
Zahnkränze
können
in axialer Richtung besonders einfach durch Wellensätze an der
Tragwelle positioniert werden.
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Ein
so vorgefertigtes Mehrfachkettenrad kann mit den im Stand der Technik
bekannten Form oder kraftschlüssigen
Verbindungen mit den entsprechenden Wellen der Verbrennungskraftmaschine
gekoppelt werden, wie z.B. der Kurbelwelle oder der Nockenwelle.
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Aufgrund
der außerordentlich
hohen Belastungen des Mehrfachkettenrads innerhalb einer Verbrennungskraftmaschine
werden Verbindungsverfahren aus der Gruppe der stoffschlüssigen Lötverbindungen
und Schweißverbindungen
als besonders geeignet angesehen. Theoretisch sind auch Klebverbindungen
möglich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Mehrfachkettenrad einer Verbrennungskraftmaschine im Längsschnitt;
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II der 1;
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines Mehrfachkettenrads mit drei Zahnkränzen und
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Mehrfachkettenrads mit Wellenabsätzen.
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1 zeigt
ein Mehrfachkettenrad 1 für eine nicht näher dargestellte
Verbrennungskraftmaschine, das dafür vorgesehen ist, gleichzeitig
mit mehreren Kettentrieben der Verbrennungskraftmaschine in Eingriff
zu stehen. Das Mehrfachkettenrad 1 umfasst eine Tragwelle 2 und
zwei mit der Tragwelle 2 form- und stoffschlüssig verbundene Zahnkränze 3, 4,
die im Abstand zueinander angeordnet sind. Der in der Bildebene
rechte Zahnkranz 3 ist über
eine Laserschweißung
mit der Tragwelle 2 verbunden. Der in der Bildebene linke
Zahnkranz 4 unterscheidet sich von dem ersten Zahnkranz 3 dadurch,
dass er im Bereich der Tragwelle 2 eine Lagerhülse 5 aufweist,
die sich beidseitig des Zahnkranzes 4 erstreckt. Die Lagerhülse 5 ist
beispielhaft über
Elektronenstrahlschweißung
mit der Tragwelle 2 verbunden.
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Aus
der Schnittdarstellung der 2 wird deutlich,
dass der Tragwellensitz 6 für die beiden Zahnkränze 3, 4 nicht
kreisrund bzw. zylindrisch ausgeführt, sondern Umfangs-Keilprofilierungen
aufweist. Die Umfangs-Keilprofilierungen be stehen in diesem Auführungsbeispiel
aus drei gleichmäßig verteilten,
keilförmigen
Erhebungen 7, die auch als Keilflächen bezeichnet werden können. Die
Steigung der Keilflächen 7 folgt
im Wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale. Die logarithmische
Spirale ist diejenige ebene Kurve, die über ihren gesamten Verlauf
gleiche Steigungen aufweist. Das führt dazu, dass bei einer gegenseitigen
Relativbewegung derart geformter Keilflächen um eine gemeinsame Achse alle
Punkte der Keilflächen
sich gegenseitig berühren und
zu tragen beginnen. Die logarithmische Spirale ist die mathematisch
exakte Form dieser Kurve. In der Praxis wird das angestrebte Ergebnis
aber auch mit einer der logarithmischen Spirale mehr oder minder
angenäherten
Kurve erreicht, da geringe Abweichungen vom idealen Verlauf durch
elastische und/oder plastische Verformbarkeit des Material der Keilflächen ausgeglichen
werden. So können
auch Kreisbögen
mit Radien, Zentren und Zentrierwinkel gefunden werden, die bei
nach innen geformten Keilflächen
nur unmerkliche Abweichungen vom Idealfall aufweisen.
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Der
sich an die Keilflächen
anschließende Rücken der
Erhebungen 7, in dem die Erhebungen 7 von ihrem
höchsten
Punkt auf den tiefsten Punkt der benachbarten Erhebung 7 fallen,
ist für
die Funktion ohne Bedeutung. Er kann als Radius oder auch scharfkantig
ausgebildet sein. Fertigungstechnisch wird ein S-förmig geschwungener Übergang
als vorteilhaft angesehen.
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Die
Innenflächen 8 der
Zahnkränze 3, 4 sind mit
gegengleichen, keilförmigen
Ausnehmungen versehen, so dass die drehende Relativbewegung ein selbsthemmender
Reibschluss zwischen den Keilflächen
und den Flächen 8 der
Zahnkränze 3, 4 erfolgt. Der
selbsthemmende Reibschluss wird durch Drehen der Zahnkränze 3, 4 gegenüber der
feststehenden Tragwelle 2 erreicht. Bei der Montage ist
die Tragwelle also zu fixieren, damit die Zahnkränze 3, 4 in
den selbsthemmenden formschlüssigen
Eingriff gebracht werden können.
Anschließend
folgt das stoffschlüssige
Verbinden, insbesondere Verschweißen oder Verlöten der
Zahnkränze 3, 4 mit
der Tragwelle 2.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 unterscheidet sich von demjenigen der 1 dadurch, dass
ein weiterer Zahnkranz 9 vorgesehen ist, der gegenüber dem
Zahnkranz 4 eine L-förmige
Konfiguration aufweist, da sich die Lagerhülse 10 des Zahnkranzes 9 nur
in eine Richtung des Zahnkranzes 9 erstreckt. Eine solche
L-förmige
Konfiguration des Zahnkranzes 9 kommt auch bei der Ausführungsform der 5 zum Einsatz. Dort ist eine abgestufte
Tragwelle 11 zu erkennen, wobei die einzelnen Zahnkränze 9, 12 an
Wellenabsätzen 13, 14 anliegen,
so dass sie gegen eine Verlagerung in Axialrichtung gesichert sind.
Zusätzlich
sind auch diese Zahnkränze 9, 12 in Umfangsrichtung
formschlüssig
und zusätzlich
stoffschlüssig
mit der Tragwelle 11 verbunden.
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- 1
- Mehrfachkettenrad
- 2
- Tragwelle
- 3
- Zahnkranz
- 4
- Zahnkranz
- 5
- Lagerhülse
- 6
- Tragwellensitz
- 7
- Erhebung
an 6
- 8
- Innenfläche von 3, 4
- 9
- Zahnkranz
- 10
- Lagerhülse
- 11
- Tragwelle
- 12
- Zahnkranz
- 13
- Wellenabsatz
- 14
- Wellenabsatz