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Die Erfindung betrifft einen Zahnriementrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 sowie weiterhin ein Kugelgewindetrieb mit einem solchen Zahnriementrieb und weiterhin eine elektromechanischen Lenkung mit einem solchen Kugelgewindetrieb.
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Zahnriementriebe erlauben eine große Vielfalt an Antriebslösungen, sind wartungsarm und garantieren ein punktgenaues Positionieren. Zudem ermöglichen Zahnriemengetriebe dabei hohe positive und negative Beschleunigungen. Gegenüber einem gewöhnlichen Riemenantrieb ist der Zahnriementrieb jedoch geräuschintensiver und es fehlt ihm ein eigenständiges Geradeauslaufverhalten.
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Zur Beeinflussung des Ablaufverhaltens des Zahnriemens beschreibt Raimund Perneder im Handbuch Zahnriementechnik, Springer Verlag Berlin/Heidelberg, 2009, Kapitel 2.10 (S. 58 bis 65) verschiedene Maßnahmen, um das Ablaufen eines Zahnriemens zu verhindern. Anders als beim Flachriemen, der auf einer ballig ausgeführten Lauffläche stets den höchsten Durchmesser auf der Scheibe anstrebt, zeigt ein Zahnriemen ein solches Verhalten - falls überhaupt - nur unter idealen Leerlaufbedingungen. Sobald der Zahnriemen jedoch eine Last zu übertragen hat, stützt er sich auf seinen Zahnflanken ab, die annähernd senkrecht zum Kopfkreisdurchmesser angeordnet sind. Daher werden entweder Sonderbauformen, wie Spurzahnriemen, oder Führungselemente eingesetzt, die ein Ablaufen des Zahnriemens vom Riemenrad verhindern.
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Schwieriger ist beim Zahnriementrieb jedoch die Geräuschminimierung, da im Betrieb der Zahneingriffsstoß, Luftausströmungen der in Eingriff kommenden Zahnlücke sowie Schwingungen des Zahnriemens selbst prinzipbedingt sind. Diese Geräusche treten unmittelbar beim Zahnriemeneinlauf auf, wobei durch die Zahnflankenreibung das Betriebsgeräusch wieder etwas gedämpft wird.
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Aus
DE 10 2004 056 878 A1 ist ein Zahnriemengetriebe bekannt, dessen Betriebsgeräusch durch eine Teilungsdifferenz zwischen der Zahnriemenscheibe und dem Zahnriemen selbst gemindert ist. Als weitere Möglichkeiten der Verringerung des Betriebsgeräusches werden hier außerdem noch unterschiedliche Schrägverzahnungen auf der Zahnriemenscheibe und dem Zahnriemen beschrieben.
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Einen anderen Weg geht
DE 10 2004 055 730 A1 , in der ein spezieller Zahnriemen mit einer zusätzlichen Verzahnung auf dem Zahnriemenrücken gezeigt ist. Die Zahnriemenrückenverzahnung dient nicht dem formschlüssigen Antrieb, sondern ist unregelmäßig ausgebildet und soll so das gleichmäßige Einrastgeräusch der Verzahnungen vermindern.
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Zur Geräuschminimierung eines Zahnriemengetriebes beschreibt
DE 10 2005 057 639 A1 eine Möglichkeit ohne applikativem Mehraufwand. Hierbei soll die Geräuschdämpfungsmaßnahme durch bestimmte Winkellagen der Zahnriemenscheiben erreicht werden, wobei die Zahnriemenscheiben hinsichtlich ihrer Winkellage so anzuordnen sind, dass im Einlauf einer Zahnriemenscheibe ein Zahn und im Auslauf der anderen Zahnriemenscheibe ein Zahnzwischenraum zu liegen kommt.
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Ein Zahnriementrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 mit Schhrägverzahnung ist aus dem gattungsbildenen Dokument
DE 10 2007 032 328 A1 bekannt.
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In
DE 10 2005 058 191 A1 wird der klassische Weg der Körperschallminimierung dargestellt, wobei das Zahnriemenrad durch unterschiedlichen axialen Aufbau als Dämpfungsglied dient. Das Zahnriemenrad hat hierbei einen inneren Stahlkern, über dem ein Elastomer und ein Kunststoffzahnkranz angeordnet sind. Durch Kombination der unterschiedlichen Werkstoffe mit dem dämpfenden Elastomer wird die Übertragung des Körperschalls gemindert.
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DE 10 2009 046 386 A1 beschreibt eine Dämpfung des Betriebsgeräusches durch eine Verbesserung der Temperaturangleichung zwischen dem Riemenrad und dem Getriebegehäuse. Hierzu ist das Riemenrad hohl ausgeführt, wobei ein wärmeübertragender Abschnitt des Getriebegehäuses in das Riemenrad eingreift, um berührungslos die Betriebswärme des Riemenrads aufzunehmen.
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In
DE 10 2009 014 925 A1 wird eine Geräuschminderung durch unterschiedliche Schrägverzahnungen zwischen der Zahnriemenscheibe und dem Zahnriemen selbst beschrieben. Hierbei ist der Schrägungswinkel der Zähne der Zahnriemenscheibe um bis zu 1,0° gegenüber dem Schrägungswinkel der Zähne auf dem Zahnriemen erhöht.
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DE 35 37 464 A1 beschreibt wiederum eine Erhöhung der Positioniergenauigkeit eines Zahnriementriebs, wobei eine Umlenkrolle des Zahnriemens nicht als Zahnkranzrolle, sondern als glatte und ballige Rolle ausgebildet ist. Hierdurch soll der Zahnriemen in der Mittellage gehalten werden, ohne dass seitliche Führungen vorgesehen werden müssen.
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Ein ähnlicher Riemenantrieb ist aus
DE 196 16 907 C2 bekannt, in der ein Spurzahnriemen an seinem mittigen, die Spur haltenden Steg von zylindrischen oder balligen Tragrollen abgestützt ist.
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Diese bekannten Anordnungen zeigen entweder nur eine geringe Geräuschdämmung oder nehmen durch die unterschiedlichen Verzahnungswinkel eine deutliche Verschleißerhöhung in Kauf. Beim Einsatz spezieller gedämpfter Zahnriemen ist wiederum der Herstellaufwand deutlich erhöht.
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Aus Sebastian Fraulob, Thomas Nagel „Analyse von Zahnriemengetrieben unter Nutzung der FEM“, TU Dresden, Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design (IFTE) Helmholtzstr. 18, 01062 Dresden, Deutschland, Kapitel 6.3 ist bekannt, dass in Zahnriemengetrieben für die Kraftfahrzeug-Lenkhilfe der Vorspannungskraft des Zahnriemens ein kritischer Aspekt zukommt. Hierbei muss die Vorspannungskraft aufgrund der Umgebungskonstruktion möglichst gering gehalten werden, wobei aber gleichzeitig große Drehmomente zu übertragen sind. Diese widersprüchlichen Bedingungen erfordern somit eine spezifische Analyse und besondere Auslegung der wichtigsten Parameter wie Vorspannungskraft, geometrische und stoffliche Toleranzen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher einen Zahnriementrieb so zu gestalten, dass ohne erhöhten Riemenaufwand eine verschleißarme Geräuschminimierung erzielt ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines solchen Zahnriementriebs.
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Diese Aufgabe wird mit einem Zahnriementrieb gemäß der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Hinsichtlich der Verwendung wird die Aufgabe gelöst mit den Maßnahmen des Anspruchs 7.
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Erfindungsgemäß kommt ein Zahnriemengetriebe mit einer Schrägverzahnung zum Einsatz, wobei im Unterschied zu den bekannten Zahnriemengetrieben zumindest eines der Riemenräder (Zahnkranzrolle) eine Verzahnung aufweist, die eine Außenkontur mit einer vom zylindrischen abweichenden Gestalt aufweist. Alternativ oder zusätzlich haben die Zähne des schrägverzahnten Riemenrads einen vom geradlinigen abweichenden Verlauf. Die Außenkontur ist hierbei bestimmt durch kreisrunde oder ovale Ringe, deren Körper infinitesimal sind und die aufeinandergereiht konzentrisch das Riemenrad fest umschließen.
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Die Unteransprüche beinhalten besonders günstige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
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Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen wird bei einem schrägverzahnten Zahnriementrieb erreicht, dass der erste Berührpunkt nicht mehr am Rand der Zahnkranzrolle und/oder des Zahnriemens liegt, sondern zu deren Mitte hin verschoben ist. Vorzugsweise liegt dieser erste Berührpunkt eines Zahns der Zahnkranzrolle bzw. des Riemenrads mit dem Zahnriemen in dem Bereich 0,02 bis 0,5, insbesondere 0,03 bis 0,35 der Breite des aufliegenden Zahnriemens. Hierdurch wird ein geräuscharmes Einlaufen des Zahnriemens auf dem Riemenrad erreicht.
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Vorzugsweise ist das Profil des Riemenrads konvex oder konkav ausgebildet, wobei wiederum bogenförmige Ausbildungen bevorzugt sind. Je nach gewünschtem Einsatzgebiet kann das Profil auch polygon ausgebildet sein. Ferner ist auch eine Kegel- oder -abschnittsmantelfläche auf dem Riemenrad möglich.
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Vorteilhaft ist die vom zylindrischen abweichende Profilausgestaltung hinsichtlich ihrer Ausprägung begrenzt. Als besonders geeignet haben sich solche Abweichungen vom zylindrischen Profil bewährt, bei denen der Durchmesser des Riemenrads in der Mitte des aufliegenden Zahnriemens und der Durchmesser des Riemenrads am Rand des aufliegenden Zahnriemens (bzw. bei einem überbreiten Zahnriemen am Rand des Riemenrads selbst) in dem Verhältnisbereich 1/3 bis 3, vorzugsweise ½ bis 2 und insbesondere 0,75 bis 1,5 liegt. Bereits geringe Abweichungen vom zylindrischen Profil führen zu der gewünschten Geräuschminimierung.
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Bei den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des Zahnriementriebs ist gemeinsam, dass dieser mit einem standardmäßig erhältlichen schrägverzahnten Zahnriemen betreibbar ist. Teure Sonderformen, beispielsweise mit speziell ausgebildeten Zähnen oder Veränderungen des Zahnriemenrückens, sind für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich. Besonders geeignet ist die vorliegende Erfindung in Zahnriementrieben, deren Riemenrad als Kugelgewindetrieb ausgebildet ist. Solche Zahnriementriebe kommen insbesondere in elektromechanischen Lenkungen im Kraftfahrzeugbereich zum Einsatz. Wie bereits in „Analyse von Zahnriemengetrieben unter Nutzung der FEM“ von Sebastian Fraulob und Thomas Nagel, TU Dresden, Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design (IFTE), Dresden, auf der ANSYS Conference & 27th CADFEM Users' Meeting 2009 (Congress Center Leipzig) unter Punkt 6.3 beschrieben, zeigen Zahnriementriebe in Lenkhilfeunterstützungen im Kraftfahrzeugbereich ein untypisches Verhalten, da einerseits die Vorspannkraft möglichst gering zu halten ist und andererseits in kurzen Zeiten große Drehmomente zu übertragen sind. Diese widersprüchlichen Anforderungen führen insbesondere dazu, dass der Zahnriemen am Auslauf des Antriebes herausgedrückt wird, so dass der Leertrum etwas ausbeult. Mit dem erfindungsgemäßen Zahnriementrieb wird eine Verbesserung dieser Problematik erreicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Die in den Ansprüchen sowie auch in der Beschreibung und den Zeichnungen beschriebenen bzw. dargestellten Merkmale können dabei jeweils - sofern nicht ausdrücklich anders darauf hingewiesen ist - einzeln für sich sowie auch in geeigneter Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
- 1 einen schrägverzahnten Zahnriementrieb gemäß Stand der Technik sowie gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich;
- 2 verschiedene Ausgestaltungen des Riemenrads; und
- 3 die Verwendung des Zahnriementriebs an einem Kugelgewindetrieb in einer elektromechanischen Lenkung.
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Bei dem in 1a dargestellten Stand der Technik eines Zahnriementriebs 1a läuft ein schrägverzahnter Zahnriemen 3 über eine Zahnkranzrolle 2a, deren Verzahnung 4a in eine Zahnriemenverzahnung 5 kontinuierlich eingreift. Die Zahnkranzrolle 2a ist angetrieben und dreht sich um ihre Drehachse 11a, so dass der aufliegende Zahnriemen 3 die Laufrichtung 8 erhält. Das Profil 9 der Zahnkranzrolle 2a ist zylindrisch 10 aufgebaut.
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Im Betrieb liegt der erste Berührpunkt 6a zwischen der Verzahnung 4a und der Zahnriemenverzahnung 5 am äußeren Rand des Zahnriemens 3 (bzw. am Rand der Zahnkranzrolle 2a, wenn der Zahnriemen 3 breiter ist als die Zahnkranzrolle 2a bzw. der Zahnriemen 3 über den entsprechenden Rand der Zahnkranzrolle 2a hinaus verschoben ist). Mit der Laufrichtung 8 des Zahnriemens 3 bildet sich über die Zeit t ein Linienkontakt 7a aus, der im Verlaufe der Drehung der Zahnkranzrolle 2a seine maximale Länge (entsprechend der Länge eines Zahns der Zahnriemenverzahnung 5) erreicht.
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In dem erfindungsgemäßen Zahnriementrieb 1b wird eine Zahnkranzrolle 2b eingesetzt, deren Profil 9 ballig ausgebildet ist, das heißt die Riemenradverzahnung 4b verläuft konvex über die Zahnkranzrolle 2b. Dies bedeutet, dass der Mittendurchmesser dM des Riemenrads größer ist, als sein Randdurchmesser dR. Entsprechend verläuft die Riemenradverzahnung 4b der Zahnkranzrolle 2b bogenförmig.
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Bei einem Antrieb der Zahnkranzrolle 2b um deren Drehachse 11b, so dass der schrägverzahnte Zahnriemen 3 die Laufrichtung 8 hat, liegt der erste Berührpunkt 6b zwischen der Zahnriemenverzahnung 5 und der Riemenradverzahnung 4b nicht mehr am Rand, sondern in einem mittleren Bereich der Verzahnung. Mit fortschreitender Drehung der Zahnkranzrolle 2b vergrößert sich die Berührfläche zwischen den Verzahnungen nicht mehr nur in eine Richtung wie im Stand der Technik, sondern in beide Richtungen rechts und links des ersten Berührpunkts 6b unter Ausbildung der Linienkontakte 7b und 7c im Verlaufe der Zeit t. Durch die Bildung der zwei Linienkontaktausbildungen 7b und 7c gelangen die Zähne der Zahnriemenverzahnung 5 in einer kürzeren Zeit in vollständigen Kontakt mit der Riemenradverzahnung 4b, wodurch einerseits eine Verbesserung der Kraftübertragung bei reduzierter Belastung des Zahnriemens 3 und andererseits eine geringere Geräuschentwicklung erfolgt.
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In 2 sind mögliche Ausführungsformen verschiedener schrägverzahnter Riemenräder 22 im Schnitt dargestellt. Alle Riemenräder 22a-g sind prinzipiell gleich aufgebaut, das heißt, weisen jeweils eine Drehachse 21a-g und eine Riemenradverzahnung 24a-g auf. Vorzugsweise sind die Riemenräder 22 angetrieben. Unterschiede zwischen den Riemenrädern 22a-g liegen im Profil 29, das bei den Riemenrädern 22a, d und g konvex ausgeführt ist. Die Profile 29d und 29g sind hierbei mit einer (29g) bzw. zwei (29b) Stufen ausgeführt, wobei auch weitere stufige Ausbildungen möglich sind. Die Profile 29b, e und f sind konkav ausgeführt, wobei die Profile 29e bzw. 29f mit einer bzw. zwei Stufen gebildet sind. Auch hier ist die Art und Anzahl der Stufen hinsichtlich dem gewünschten Einsatzzweck und der gewünschten Wirkung veränderbar. Das Profil 29c hat die Form eines Kegelstumpfes, dessen Flankensteilheit wiederum dem gewünschten Einsatzzweck angepasst ist. Die Profilcharakteristika können auch miteinander kombiniert werden, beispielsweise eine konvexe oder konkave Kegelstumpfausbildung bzw. gewölbt kombiniert mit Stufen. Alle Riemenräder werden vorzugsweise mit herkömmlichen schrägverzahnten Zahnriemen betrieben, wobei die Zähne der Zahnriemen senkrechte oder schräg gestellte Flanken haben können. Je nach Profilausbildung 29 wird der erste Berührpunkt 6 zwischen dem Riemenrad 22 und dem Zahnriemen 3 verschoben und die Zunahme der Linienkontaktausbildung 7 über die Zeit t verändert.
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3 zeigt eine elektromechanische Zahnstangenlenkung 30 für ein Kraftfahrzeug. Die elektromechanische Zahnstangenlenkung 30 weist eine Zahnstange auf, die als Lenkstange 15 in einem Lenkgetriebegehäuse 23 axial bewegbar gelagert ist. An der Zahnstange greift ein Ritzel 13 einer Lenksäule 14 an, über die ein vom Fahrer aufgebrachtes Lenkmoment in das Lenkgetriebe der Zahnstangenlenkung 30 einleitbar ist. Ferner ist die Zahnstange an ihren Enden mit nicht mehr dargestellten Spurstangen gelenkig gekoppelt, die zu den ebenfalls nicht dargestellten Vorderrädern des Fahrzeugs führen. Weiterhin ist in dem Lenkgetriebegehäuse 23 ein Elektromotor 20 angeordnet, dessen Antriebsmoment zur Unterstützung des Fahrers über eine Getriebestufe 25, die einen Kugelgewindetrieb 12 mit Kugeln 19 und ein Spindelgewinde 17 einschließt, an der Lenkstange 15 als in axialer Richtung, das heißt in Längsrichtung der Lenkstange 15, wirkende Kraft zur Wirkung gebracht wird. Die Drehachse des Elektromotors 20 verläuft bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu der Lenkstange 15. Erfindungsgemäß kommt hierbei ein Zahnriementrieb 31 mit einer mit dem Elektromotor 20 gekoppelten, als Antriebsrad fungierenden Zahnkranzrolle 32 und einem ebenfalls verzahnten Abtriebsrad, das von einer Kugelumlaufmutter 18 des Kugelgewindetriebs 12 gebildet ist, zum Einsatz. Die Zahnkranzrolle 32 hat hierbei das in 1b dargestellte Profil 9. Durch diese ballige Ausbildung der Zahnkranzrolle 32 kann die Vorspannkraft des Zahnriemens 33 relativ gering gehalten werden, wobei dennoch die für eine elektromechanische Lenkung 30 erforderlichen hohen Drehmomente über die Getriebestufe 25 übertragbar sind.
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Je nach gewünschter Wirkung kann auch bzw. nur das schrägverzahnte Abtriebsrad das erfindungsgemäße Profil aufweisen. Ferner sind (nicht dargestellte) Führungen (beispielsweise seitlich oder mittig) für den Zahnriemen 33 vorgesehen, die ein Verrutschen auf dem Antriebsrad und Abtriebsrad verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 31
- Zahnriementrieb
- 2, 22, 32
- Riemenrad/Zahnkranzrolle
- 3, 33
- Zahnriemen
- 4, 24
- Riemenradverzahnung
- 5
- Zahnriemenverzahnung
- 6
- erster Berührpunkt
- 7
- Linienkontaktausbildung
- 8
- Laufrichtung
- 9, 29
- Profil (konvex/ballig)
- 10
- zylindrisch
- 11, 21
- Drehachse
- 12
- Kugelgewindetrieb
- 13
- Ritzel
- 14
- Lenksäule
- 15
- Lenkstange
- 16
- Verzahnung
- 17
- Spindelgewinde
- 18
- Kugelumlaufmutter
- 19
- Kugeln
- 20
- Elektromotor
- 23
- Lenkgetriebegehäuse
- 25
- Getriebestufe
- 30
- elektromechanische Lenkung
- b
- Breite (des Zahnriemens)
- dM
- Mittendurchmesser (des Riemenrads)
- dR
- Randdurchmesser (des Riemenrads am Rand des Zahnriemens)
- ZR
- Zahn (des Riemenrads)
- ZZ
- Zahn (des Zahnriemens)
