DE102007049880A1

DE102007049880A1 - Kettenrad für einen Zugmitteltrieb

Info

Publication number: DE102007049880A1
Application number: DE200710049880
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-04-23
Also published as: WO2009053165A2; WO2009053165A3

Abstract

Kettenrad für einen Zugmittelbetrieb mit radial angeordneten Zähnen, die im Zugmitteltrieb über die Kette belastet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenrad im Bereich der Zähne derart ausgebildet ist, dass belastete Zähne (3) radial und/oder tangential elastisch verformbar sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kettenrad für einen Zugmitteltrieb mit radial angeordneten Zähnen, die im Zugmitteltrieb über die Kette belastet werden.
Hintergrund der Erfindung
Verbrennungsmotoren neuester Generation weisen aufgrund verschiedener Ursachen (höhere Einspritzdrücke, reduzierte Reibleistung im Ventiltrieb, etc.) eine stark erhöhte Drehungleichförmigkeit auf. Diese Drehungleichförmigkeit wirkt sich in verschiedener Hinsicht negativ auf den Steuertrieb des Motors aus. Der Steuertrieb ist üblicherweise über eine Kette als Zugmittel realisiert, die über mehrere mit verschiedenen Motorkomponenten verbundene Kettenräder geführt ist. In Folge dieser stark erhöhten Drehungleichförmigkeiten kommt es zu einem früheren Verschleiß der Kette. In Folge des Polygoneffektes der Kette im Ketteneinlauf entsteht darüber hinaus auch eine erhöhte Geräuschentwicklung, die im Einzelfall inakzeptabel sein kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Kettenrad für einen Zugmitteltrieb, insbesondere einen Steuertrieb eines Verbrennungsmotors, anzugeben, über das eine Geräuschdämpfung möglich ist, und das hinsichtlich eines möglichen Kettenverschleißes verbessert ist.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kettenrad der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kettenrad im Bereich der Zähne derart ausgebildet ist, dass belastete Zähne radial und/oder tangential elastisch verformbar sind.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kettenrad ist nicht wie übliche Kettenräder in Richtung der über die Kette einwirkenden Kraft „starr" sondern im Bereich der belasteten Zähne elastisch ausgeführt, das heißt, es sind minimale Zahnbewegungen unter Last möglich. Diese zusätzliche Elastizität reduziert den negativen, Geräusch entwickelnden Effekt, der durch den Polygoneffekt beim Ketteneinlauf erzeugt wird. Das Kettenrad ist infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Elastizität der belasteten Zähne derart gestaltet, dass eine leichte Seitwärtsbewegung in tangentialer beziehungsweise radialer Richtung, letztlich im Wesentlichen in Richtung der wirkenden Kraft, ermöglicht wird, wodurch der normalerweise beim Ketteneinlauf entstehende Impuls abgeschwächt beziehungsweise gedämpft wird. Die Belastung auf die Kette sinkt, was vorteilhaft für die Verschleißfestigkeit ist, ferner wird die Geräuschemission in Folge der Dämpfung reduziert. Die Ausgestaltung des Kettenrades hinsichtlich der elastischen Ausführung der Zähne ist derart, dass eine möglichst unveränderte Drehsteifigkeit beigehalten wird, gleichzeitig aber die seitliche Verschiebung in radialer beziehungsweise tangentialer Richtung beziehungsweise eine von der Richtung der Kraft abhängigen Zwischenrichtung möglich ist, wobei die hohe Verdrehsteifigkeit ein korrektes Timing der Nockenwelle, die üblicherweise in den Steuertrieben eines Verbrennungsmotors integriert ist, garantiert. Beim erfindungsgemäßen Kettenrad ist also eine möglichst hohe Verdrehsteifigkeit mit einer reduzierten Radial- und Tangentialsteifigkeit kombiniert. Infolge der Dämpfung der über die Kette eingeleiteten Kraftimpulse ergibt sich eine reduzierte Geräuschentwicklung durch den gedämpften Ketteneinlauf, Kettenschwingungen können reduziert werden, die gesamte Kettenbelastung kann ebenfalls reduziert werden, was zu einer verlängerten Kettenlebensdauer führt. Auch andere Elemente des Zugmitteltriebs wie Spannschienen und sonstige Spannelemente werden infolge der Impulsdämpfung geringer belastet.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Kettenrades zur Erzielung der Elastizität der Zähne, die natürlich nur eine sehr geringe Bewegung um weniger als 1/100 mm bei Belastung vollziehen, sind mehrere Möglichkeiten denkbar. Nach einer ersten Alternative sind hierzu am scheibenförmigen Radkörper mehrere, bevorzugt symmetrisch angeordnete und äquidistant zueinander beabstandete Durchbrechungen vorgesehen. Über diese Durchbrechungen wird die notwendige Elastizität in radialer beziehungsweise tangentialer Richtung sichergestellt, da im Bereich dieser Durchbrechungen eine elastische Materialverschiebung möglich ist.
Die Durchbrechungen können als äquidistant beabstandete, auf einem gemeinsamen Radius liegende kreisbogenförmige Schlitze ausgebildet sein, zwischen denen Stege verbleiben, über die eine hohe Torsionssteifigkeit erreicht wird. Die Schlitze wiederum stellen die Elastizität sicher. Dabei ist es grundsätzlich möglich, mehrere Schlitzreihen auf verschiedenen Radien vorzusehen.
Alternativ zur Ausbildung von Schlitzen können die Durchbrechungen auch als runde oder mehreckige, äquidistant beabstandete Ausnehmungen, die auf einem gemeinsamen Radius liegen, ausgebildet sein, wobei auch hier mehrere Ausnehmungsreihen auf verschiedenen Radien vorgesehen sind.
Eine Alternative zur Ausbildung von Durchbrechungen sieht vor, am scheibenförmigen Radkörper mehrere, bevorzugt ebenfalls symmetrisch angeordnete und äquidistant beabstandete Eintiefungen, die lokal die Dicke des Radkörpers verringern, vorzusehen. Hier wird also über geeignete Nuten oder Sicken der Scheibendurchmesser lokal reduziert, was ebenfalls zu einer minimalen Elasti zität in diesen Bereichen verglichen mit dem daran anschließenden „Vollmaterial" führt. Dabei können die Eintiefungen vorzugsweise einander gegenüberliegend an beiden Seiten des Radkörpers vorgesehen sein, so dass sich ein symmetrisches Verhalten sowohl hinsichtlich der Elastizität als auch der Torsionssteifigkeit ergibt.
Die Eintiefungen können als äquidistant beabstandete, auf einem gemeinsamen Radius liegende kreisbogenförmige Nuten oder Sicken ausgebildet sein, wobei auch hier mehrere Nut- oder Sickenreihen auf verschiedenen Radien vorgesehen sein können.
Anstelle kreisbogenförmiger Eintiefungen ist es denkbar, die Eintiefungen auch rund oder mehreckig und äquidistant auf einem gemeinsamen Radius liegend auszubilden, wobei auch hier mehrere Eintiefungsreihen auf verschiedenen Radien vorgesehen sein können.
Eine weitere besonders zweckmäßige Erfindungsausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Zähne, vorzugsweise alle Zähne, im Bereich des Zahnfußes elastisch am Radkörper angeordnet sind. Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen die Elastizität der Zähne durch unmittelbar am Radkörper, dort radial und umfangsmäßig verteilt angeordnete Durchbrechungen bzw. Eintiefungen realisiert wird, schlägt diese Erfindungsausgestaltung eine unmittelbare elastische Anbindung des Zahns über seinen Zahnfuß am Radkörper selbst vor. Das heißt, der Zahn ist hier selbst elastisch am Radkörper angeformt. Der Radkörper ist bei dieser Erfindungsalternative nicht zwangsläufig deformiert, jedoch ist es denkbar, zusätzlich entsprechende Durchbrechungen oder Eintiefungen auch am Radkörper vorzusehen.
Zur Realisierung einer elastischen Fußlagerung ist nach einer ersten Erfindungsalternative am Zahnfuß eine unter den Zahn geführte Ausnehmung vorgesehen. Das heißt, der Zahnfuß selbst ist durch diese Ausnehmung deutlich schmäler ausgeführt bzw. der Verbindungsbereich des Zahnfußes zum Scheibenkörper ist über die Ausnehmung deutlich verkürzt, wobei die Ausnehmung zur Seite hin offen ist, so dass der Zahn über eine beachtliche Länge quasi freitragend ist. Die Ausnehmung kann eine schlitzförmige Durchstellung sein oder ein sich in den Radkörper erstreckende Vertiefung.
Alternativ zur Ausbildung einer unter den Zahnfuß geführten Ausnehmung ist es denkbar, im Bereich des Zahnfußes eine sich in den Radkörper erstreckende Ausnehmung vorzusehen. Diese Ausnehmung, die bezogen auf die Krafteinwirkrichtung hinter dem Zahn, bevorzugt daran unmittelbar anschließend, angeordnet ist, bewirkt ebenfalls eine elastische Zahnanbindung an den Radkörper, da der Zahn in Belastungsrichtung etwas elastisch nachgeben kann.
Neben dem Kettenradsitz betrifft die Erfindung einen Zugmitteltrieb umfassend wenigstens ein Kettenrad der beschriebenen Art.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Kettenrad mit schlitzförmigen Ausnehmungen am Radkörper,
2 ein erfindungsgemäßes Kettenrad mit mehreckigen Ausnehmungen am Radkörper,
3 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kettenrades mit einer Ausnehmung unterhalb des Zahnfußes in Form einer Durchstellung,
4 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kettenrades mit einer in den Radkörper geführten Vertiefung unterhalb des Zahnes, und
5 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kettenrades mit einer benachbart zum Zahn in den Radkörper geführten Ausnehmung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kettenrad 1, umfassend einen Radkörper 2 sowie eine Vielzahl radial von diesem abstehender Zähne 3. Die Zähne sind Ober einen Zahnfuß 4 mit dem Radkörper 2 verbunden.
Am scheibenförmigen Radkörper 2 sind bei dieser Ausgestaltung Durchbrechungen 5 in Form kreisbogenförmiger Schlitze 6 vorgesehen, wobei die Schlitze 6a auf einem größeren Radius r₁ liegen als die Schlitze 6b, die auf dem kleineren Radius r₂ liegen. Alle auf einem gemeinsamen Radius liegenden Schlitze sind äquidistant voneinander beabstandet. Die Anordnung der Schlitze ist hier derart, dass die Schlitze 6a zwei aneinander angrenzende Schlitze 6b übergreifen, das heißt, die Schlitze sind versetzt zueinander angeordnet.
Zwischen zwei benachbarten Schlitzen 6a bzw. 6b einer jeweiligen Reihe verbleibt jeweils ein Steg 7a, 7b, wobei die einzelnen Stege in ihrer Ausführung derart gewählt sind, dass eine möglichst hohe Torsionssteifigkeit erreicht wird. Die Durchbrechungen 6 selber stellen wiederum die notwendige Elastizität in radialer bzw. tangentialer Richtung zur Verfügung, wenn über eine hier nicht näher gezeigte Kette, die an den einzelnen Zähnen 3 angreift, eine Kraft K auf die Zähne ausgeübt wird. Infolge der geschlitzten Ausgestaltung des Scheibenkörpers 2 besteht nun die Möglichkeit, dass die belasteten Zähne oder Zahnabschnitte tangential bzw. radial leicht einfedern, also ein elastisches Verhalten zeigen, wobei sich diese Bewegung oder Verschiebung über einen Bereich von weniger als 1/100 mm ergibt bzw. zur beabsichtigten Dämpfung der beim Ketteneinlauf übertragenen Kraftimpulse eine derart geringe elastische Verschiebung ausreichend ist.
Selbstverständlich wäre es denkbar, nur eine der Schlitzreihen vorzusehen, oder eine zusätzliche dritte Schlitzreihe, die dann gegebenenfalls wiederum etwas versetzt dazu angeordnet wäre.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kettenrades 1, das wie das Kettenrad 1 aus 1 aus einem Radkörper 2 mit daran angeformten Zähnen 3 besteht. Auch hier sind am Radkörper 2 eine Vielzahl von äquidistant beabstandeten, auf einem gemeinsamen Radius liegende Durchbrechungen 6 vorgesehen, die hier jedoch als mehreckige bzw. unsymmetrische Durchbrechungen 6c ausgeführt sind. Auch diese Durchbrechungen 6c führen dazu, dass eine gewisse Grundelastizität des Radkörpers 2 erreicht wird, die ein minimales elastisches Einfedern der Zähne in dem Bereich, in dem die Kette belastet (wie durch die Pfeile K gekennzeichnet dargestellt) möglich ist.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die gezeigten Formen der Durchbrechungen 6a, 6b, 6c lediglich exemplarischer Natur sind. Die Formen können selbstverständlich beliebig frei gewählt werden. Die optimale Form ist durch eine detaillierte Analyse der realen Verhältnisse im Zugmittel- oder Steuertrieb, in dem das Kettenrad eingesetzt werden soll, insbesondere der wirkenden Kräfte und Momente, zu ermitteln.
Wie bereits einleitend beschrieben, können anstelle von Durchbrechungen auch Eintiefungen, die sich also nicht durch den gesamten Radkörper erstrecken, sondern diesen nur lokal in seiner Dicke reduzieren, vorgesehen sein. Diese Eintiefungen können ebenfalls eine beliebige Form, beispielsweise die Form, wie sie anhand der Durchbrechungen in den 1 und 2 dargestellt sind, aufweisen. Die Eintiefungen wären an beiden Seiten des Radkörpers 2 vorzusehen. Kommen also beispielsweise nut- oder sickenartige kreisbogenförmige Eintiefungen zum Einsatz, die von der Ansicht her der Ausgestaltung aus 1 entsprechen, so wären diese auf der einen Radkörperseite wie in 1 gezeigt vorgesehen, in vorzugsweise deckungsgleicher Anordnung und Eindringtiefe auf der anderen Seite wären die weiteren Eintiefungen vorgese hen. Infolge des Materialabtrages ergibt sich auch hier eine gewisse Elastizität, die für die erfindungsgemäße Kettendämpfung ausreichend ist.
3 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kettenrads 1 einer dritten Ausführungsform umfassend einen Radkörper 2 mit daran angeordneten Zähnen 3. Bei dieser Ausgestaltung ist der Zahnfuß 4, verglichen mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, verjüngt. Dies ist dadurch realisiert, dass eine Ausnehmung 8 in Form eines schmalen Schlitzes oder einer Durchstellung 8a von der Seite her, also im Wesentlichen tangential, unter den Zahn 3 geführt ist. Hierüber wird die Breite des Zahnfußes deutlich reduziert, wie 3 zeigt, ferner ist der Zahnfuß 3 im unterschnittenen Bereich freitragend. Hieraus resultiert, dass der jeweilige Zahn 3 elastisch angefedert ist. Die Zähne sind vorzugsweise leicht außerhalb der Normalposition angeordnet. Wirkt die Kettenkraft K auf einen Zahn 3, so wird dieser elastisch verformt, federt also um den Zahnfuß 4 nach hinten ein, soweit dies die Ausnehmungstiefe zulässt. Nach der Verformung befindet er sich in der Idealposition, ausgehend von der etwas außerhalb befindlich unbelasteten Normalposition. Die Verlagerung des Zahnes 3 kann maximal soweit gehen, bis die beiden Flanken 9a des Zahnes sowie 9b der Ausnehmung aneinander liegen. Nachdem das Kettenrad 1 normalerweise im Ölnebel läuft, wird sich auch ein Ölfilm zwischen den beiden Flanken 9a, 9b einstellen, der wiederum dämpfend auf die Zahnverlagerung wirkt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kettenrades 1 mit einem Radkörper 2 und an diesem angeordneten Zähnen 3, die auch hier über eine Ausnehmung 8, die unter den jeweiligen Zahn 3 geführt ist, über den Zahnfuß 4 elastisch am Radkörper 2 angefedert angeordnet sind. Das Wirkprinzip ist ähnlich dem des Kettenrades 1 aus 3. Bei Beaufschlagung mit der Kraft K durch die Kette kommt es auch hier zu einem Einfedern des Zahnes in tangentialer und radialer Richtung, wobei hier infolge der Vertiefung 8b die Elastizität etwas größer ist und, je nachdem wieweit die Flanken 9a und 9b beabstandet sind, der Federweg auch etwas größer ist.
5 zeigt schließlich eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kettenrades 1. Am Radkörper 2 sind – gesehen aus der Richtung, aus der die Kraft K auf die Zähne 3 aufgebracht wird – Ausnehmungen 8 vorgesehen, die sich, an den Zahn 3 anschließend, in Form von sich in den Radkörper 2 erstreckenden Ausnehmungen 8c ausgeführt sind. Hier ist also die Elastizität des jeweiligen Zahns 3 über die unmittelbar an ihn anschließende Ausnehmung 8c realisiert, die ein Verkippen in tangentialer/radialer Richtung, der einwirkenden Kraft im Wesentlichen folgend, ermöglicht.

1: Kettenrad
2: Radkörper
3: Zähne
4: Zahnfuß
5: Durchbrechungen
6: Schlitze
6a: Schlitze
6b: Schlitze
6c: Durchbrechungen
7: Ausnehmung
7a: Steg
7b: Steg
8: Ausnehmung
8a: Durchstellung
8b: Vertiefung
8c: Ausnehmung
9a: Flanken
9b: Flanken
r₁: Radius
r₂: Radius
K: Kraft

Claims

Kettenrad für einen Zugmitteltrieb mit radial angeordneten Zähnen, die im Zugmitteltrieb über die Kette belastet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenrad im Bereich der Zähne derart ausgebildet ist, dass belastete Zähne (3) radial und/oder tangential elastisch verformbar sind.
Kettenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am scheibenförmigen Radkörper (2) mehrere Durchbrechungen (6) vorgesehen sind
Kettenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen (6) als äquidistant beabstandete, auf einem gemeinsamen Radius liegende kreisbogenförmige Schlitze (6a, 6b) ausgebildet sind.
Kettenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schlitzreihen (6a, 6b) auf verschiedenen Radien (r1, r2) vorgesehen sind.
Kettenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen (6) als runde oder mehreckige, äquidistant beabstandete Ausnehmungen (6b), die auf einem gemeinsamen Radius liegen, ausgebildet sind.
Kettenrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausnehmungsreihen auf verschiedenen Radien vorgesehen sind.
Kettenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am scheibenförmigen Radkörper (2) mehrere die Dicke des Radkörpers (2) lokal verringernde Eintiefungen vorgesehen sind.
Kettenrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintiefungen vorzugsweise einander gegenüberliegend an beiden Seiten des Radkörpers (2) vorgesehen sind.
Kettenrad nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintiefungen als äquidistant beabstandete, auf einem gemeinsamen Radius liegende kreisbogenförmige Nuten ausgebildet sind.
Kettenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nutreihen auf verschiedenen Radien vorgesehen sind.
Kettenrad nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintiefungen rund oder mehreckig, äquidistant beabstandet und auf einem gemeinsamen Radius liegend ausgebildet sind.
Kettenrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Eintiefungsreihen auf verschiedenen Radien vorgesehen sind.
Kettenrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Zähne (3), vorzugsweise alle Zähne (3) im Bereich des Zahnfußes (4) elastisch am Radkörper (2) angeordnet ist.
Kettenrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Zahnfuß (4) eine unter den Zahn (3) geführte Ausnehmung (8) vorgesehen ist.
Kettenrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (8) eine schlitzförmige Durchstellung (8a) ist.
Kettenrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (8) als sich in den Radkörper (2) erstreckende Vertiefung (8b) ausgebildet ist.
Kettenrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Zahnfußes (4) eine sich – gesehen in Richtung der einwirkenden Kraft – hinter dem Zahn (3) in den Radkörper (2) erstreckende Ausnehmung (8c) vorgesehen ist.
Zugmitteltrieb umfassend wenigstens ein Kettenrad (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.