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Die Erfindung betrifft einen Keilriemen und einen einen solchen Keilriemen aufweisenden Zugmitteltrieb, insbesondere zur Verwendung in einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs.
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In Servolenkungen von Kraftfahrzeugen kommen Zugmittelgetriebe zum Einsatz, die die von einer Antriebsvorrichtung (bei einer elektromechanischen Servolenkung ein Elektromotor) erzeugte Unterstützungsleistung auf ein Lenkungsbauteil, insbesondere eine axial verschiebbare Zahnstange übertragen und übersetzen. Derartige Servolenkungen sind beispielsweise aus der
DE 10 2007 002 684 A1 und der
EP 2 049 383 B1 bekannt.
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Dort kommen Zahnriemen als Zugmittel zum Einsatz, da diese sicher und insbesondere schlupffrei die teils erheblichen Drehmomente der Antriebsvorrichtung übertragen können. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von Zahnriemen liegt in den unvorteilhaften akustischen Eigenschaften, die unter anderem aus dem periodischen Eingreifen der Zähne des Zahnriemens in die entsprechenden Vertiefungen der Riemenscheiben resultieren.
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Bekannt ist, diesen Nachteil zu verringern, indem schrägverzahnte Zahnriemen zum Einsatz kommen, bei denen der Winkel zwischen der Längserstreckung der Zähne und der Längsrichtung des Riemens nicht – wie bei geradverzahnten Zahnriemen – 90° beträgt. Dadurch erfolgt der Zahneingriff nicht gleichzeitig über die gesamte Längserstreckung der einzelnen Zähne, sondern kontinuierlich über einen längeren Zeitraum. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Geräuschverhalten des Riementriebs aus (vgl.
DE 10 2010 003 105 A1 ).
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Eine weitere Verbesserung der akustischen Eigenschaften eines bei einer elektromechanischen Servolenkung eingesetzten Zahnriementriebs soll sich gemäß der
DE 10 2009 014 925 A1 dadurch ergeben, dass der Schrägungswinkel, den die Zähne des Zahnriemens gegenüber der Längsachse des Zahnriemens einschließen, geringfügig um bis zu 1° gegenüber dem entsprechenden Schrägungswinkel der Vertiefungen der Riemenräder abweichen.
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Und aus der
DE 10 2008 014 402 A1 ist schließlich noch bekannt, dass für ein Zugmittelgetriebe einer Servolenkung neben Zahnriemen auch andere Riemenarten wie Flachriemen, Poly-V-Riemen oder Keilriemen vorgesehen sein können.
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Grundsätzlicher Vorteil dieser alternativen Riemenarten ist das gegenüber Zahnriemen bessere akustische Verhalten. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch, dass die Drehmomentübertragung mittels dieser alternativen Riemenarten rein kraftschlüssig und somit schlupfbehaftet erfolgt. Ein solcher Schlupf ist bei einem Zugmittelgetriebe einer Servolenkung nicht zulässig, da dieser die Dosierbarkeit der Lenkkraftunterstützung durch die Antriebsvorrichtung der Servolenkung negativ beeinflusst. Eine praktische Umsetzung einer Servolenkung mit einem kraftschlüssig wirkenden Zugmittelgetriebe ist daher noch nicht erfolgt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere zur Verwendung in einer (insbesondere elektromechanischen) Servolenkung vorgesehenen Zugmitteltrieb weiter zu verbessern. Insbesondere sollte sich der Zugmitteltrieb durch ein vorteilhaftes akustisches Verhalten auszeichnen, ohne die Nachteile, die mit einem Einsatz klassischer kraftschlüssig wirkender Zugmittel einhergehen würden, in Kauf nehmen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das akustische Verhalten eines in einer Servolenkung eingesetzten Zugmitteltriebs dadurch zu verbessern, dass ein in seiner Grundform einem Keilriemen entsprechendes Zugmittel zum Einsatz kommt, bei dem ungewollter Schlupf zwischen dem Zugmittel und den Riemenrädern durch zusätzliche, formschlüssig wirkende Verbindungsmittel zwischen Zugmittel und Riemenrad vermieden wird.
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Durch die Kombination eines in seiner Grundform einem Keilriemen entsprechenden und somit mit gegenüber einem Flachriemen deutlich besseren Kraftübertragungseigenschaften aufweisenden Zugmittels mit formschlüssig wirkenden Verbindungsmitteln, die im Wesentlichen lediglich dazu vorgesehen sind, einen Schlupf des Riemens zu verhindern, dabei jedoch keine großen Kräfte übertragen müssen, besteht die Möglichkeit, diese Verbindungsmittel hinsichtlich eines geräuscharmen Eingriffs optimal auszulegen. Es kann somit erfindungsgemäß ein Keilriemen geschaffen werden, der die Vorteile eines Zahnriemens mit denen eines rein kraftschlüssig wirkenden Zugmittels verbindet.
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Einen weiteren positiven Effekt auf das Geräuschverhalten des Riemens bzw. des Zugmitteltriebs ergibt sich durch die Möglichkeit, die Anzahl der formschlüssig wirkenden Verbindungsmittel gegenüber der Anzahl der Zähne eines konventionellen Zahnriemens zu reduzieren. Dadurch können temporäre Erhöhungen der Geräuschemissionen, die sich aufgrund einer temporären Identität der Frequenzen von Zahneingriffsanordnung und Trumschwingungen einstellen, vermieden oder zumindest in ihrer Anzahl über dem Drehzahlbereich der Antriebsvorrichtung verringert werden.
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Ein Keilriemen für einen Zugmitteltrieb, der einen Grundkörper mit zumindest einer (im Querschnitt vorzugsweise trapezförmigen) Keilrippe ausbildet, ist demnach erfindungsgemäß durch eine Mehrzahl von in Längsrichtung des Keilriemens beabstandet angeordneten Vorsprüngen und/oder Vertiefungen gekennzeichnet, die für einen Eingriff in Vertiefungen und/oder Vorsprünge eines Riemenrads ausgebildet sind.
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Ein erfindungsgemäßer Zugmitteltrieb umfasst neben einem erfindungsgemäßen Keilriemen zumindest ein Riemenrad, das entsprechende Vertiefungen und/oder Vorsprünge für einen formschlüssigen Eingriff mit den Vorsprüngen und/oder Vertiefungen des Keilriemens aufweist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Keilriemens sieht vor, dass zumindest einige, vorzugsweise alle Vorsprünge und/oder Vertiefungen (zumindest teilweise, dann besonders bevorzugt der in Laufrichtung des Keilriemens zuerst mit dem Riemenrad in Kontakt kommende Abschnitt) in Längsrichtung des Keilriemens gegenüber der Senkrechten zur Riemenebene (des flachen Riemens) geneigt verlaufen. Besonders bevorzugt können diese bogenförmig und insbesondere teilkreisförmig verlaufen. Durch eine solche Ausgestaltung der Vorsprünge und/oder Vertiefungen kann ein besonders „sanftes“ Eingreifen von Vorsprüngen und Vertiefungen erreicht und im Ergebnis das akustische Verhalten des erfindungsgemäßen Keilriemens weiter verbessert werden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Keilriemens kann vorgesehen sein, dass die Abstände zwischen benachbarten Vorsprüngen und/oder Vertiefungen nicht stets identisch sind. Die Abstände können demnach variieren, wobei über den Verlauf des Keilriemens gesehen auch identische Abstände vorgesehen sein können. Durch eine solche „asymmetrische“ Anordnung der Vorsprünge und/oder Vertiefungen kann ebenfalls eine weitere Verbesserung der akustischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Keilriemens erreicht werden, da dadurch eine gewisse Nichtperiodizität hinsichtlich des Eingriffs der Vorsprünge in die Vertiefungen erreicht wird.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Keilriemen hinsichtlich seiner Grundform als Poly-V-Riemen ausgebildet ist, d.h. eine Mehrzahl (z.B. zwei, drei, vier, fünf, etc.) von in Längsrichtung des Keilriemens parallel verlaufenden Keilrippen ausbildet. Eine solche Ausgestaltung zeichnet sich durch eine große Kontaktfläche zwischen Keilriemen und Riemenrad und folglich durch eine hohe (auf Kraftschluss beruhende) Kraftübertragung aus.
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Bei einem solchen in seiner Grundform als Poly-V-Riemen ausgebildeten erfindungsgemäßen Keilriemen kann vorgesehen sein, die Vorsprünge und/oder Vertiefungen in zumindest einem, vorzugsweise in allen von benachbarten Keilrippen ausgebildeten Tälern anzuordnen.
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Eine weiterhin bevorzugte Möglichkeit der Anordnung der Vorsprünge und/oder Vertiefungen kann vorsehen, diese als lokal verändertes Dach von zumindest einer, vorzugsweise mehreren und besonders bevorzugt allen Keilrippen auszubilden.
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Auch kann vorgesehen sein, die Vorsprünge und/oder Vertiefungen seitlich an dem Keilriemen vorzusehen, d.h. an einer Seitenfläche des Grundkörpers des Keilriemens anzuordnen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Keilriemens in einem Querschnitt;
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2: einen Längsschnitt durch einen Abschnitt des Keilriemens gemäß 1 entlang der Schnittebene II-II in 1;
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3: einen Querschnitt durch ein Riemenrad zur Verwendung mit dem Keilriemen der 1 und 2;
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4: eine Seitenansicht des Riemenrads der 3;
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5: einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Keilriemens in einer zweiten Ausführungsform;
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6: einen Querschnitt durch den Keilriemen gemäß 5 entlang der Schnittebene VI-VI in 5;
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7: einen Querschnitt durch ein Riemenrad zur Verwendung mit dem Keilriemen der 5 und 6;
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8: einen Radialschnitt durch das Riemenrad der 7 entlang der Schnittebene VIII-VIII in 7;
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9: eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Keilriemens in einer dritten Ausführungsform;
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10: einen Querschnitt durch den Keilriemen gemäß 9 entlang der Schnittebene X-X in 9;
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11: einen Querschnitt durch ein Riemenrad zur Verwendung mit dem Keilriemen der 10 und 11;
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12: eine Seitenansicht des Riemenrads der 11;
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13: ein Diagramm zur Verdeutlichung des Verlaufs der Frequenzen (f) von Zahneingriffsanordnung und Trumschwingungen über der Drehzahl (n) einer Antriebsvorrichtung einer Servolenkung mit einem erfindungsgemäßen Riementrieb; und
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14: ein der 13 entsprechendes Diagramm für eine konventionelle Servolenkung.
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Die 1 bis 12 zeigen in verschiedenen Ansichten insgesamt drei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Keilriemen 1 sowie der dazu passenden Riemenräder 2. Diese drei Ausführungsformen haben gemeinsam, dass der Keilriemen 1 einen Grundkörper in Form eines sogenannten Poly-V-Riemens aufweist. Der Grundkörper setzt sich demnach aus einem Flachriemen-ähnlichen Teil 3 sowie mehreren (konkret: drei) Keilrippen 4 zusammen, die jeweils eine kegelstumpfförmige bzw. trapezförmige Querschnittsfläche aufweisen. Die drei Keilrippen 4 verlaufen in Längsrichtung des jeweiligen Keilriemens 1 parallel, wobei die beiden zwischen jeweils benachbarten Keilrippen 4 ausgebildeten Abstände im Wesentlichen gleich sind.
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Die drei Ausführungsformen für erfindungsgemäße Keilriemen 1 unterscheiden sich hinsichtlich der Art und/oder der Anordnung von Verbindungsmitteln, die für einen formschlüssigen Eingriff in entsprechende Verbindungsmittel eines oder mehrerer Riemenräder vorgesehen sind.
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Bei der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 kommen im Längsschnitt (bezogen auf die Längsrichtung des Keilriemens 1) halbkreisförmige Vorsprünge 5 zum Einsatz, die in den beiden von den drei Keilrippen 4 ausgebildeten Tälern angeordnet sind. Die Vorsprünge 5 greifen in komplementäre Vertiefungen 6 eines oder mehrerer Riemenräder 2 gemäß den 3 und 4 ein. Wie sich aus dem Längsschnitt gemäß der 2 ergibt, ist dabei vorgesehen, die Abstände (a und b) zwischen (in Längsrichtung) benachbarten Vorsprüngen 5 zu variieren. Dabei ist jedoch vorgesehen, ein Abstandsmuster, dass sich über eine Mehrzahl von benachbarten Vorsprüngen 5 erstreckt, ganzzahlig über der Gesamtlänge des Keilriemens 1 zu variieren, um sicherzustellen, dass die über die gesamte (Innen-)Länge des Keilriemens 1 angeordneten Vorsprünge 5 auch stets in entsprechend positionierte Vertiefungen 6 an der Außenseite des Riemenrads 2 bzw. der Riemenräder 2 (dessen/deren Umfang deutlich kleiner als die Innenlänge des Keilriemens 1 ist) eingreifen.
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Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, die Vorsprünge 5 bei der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 lediglich in einer der beiden Täler anzuordnen. Ebenso besteht die Möglichkeit, anstelle von Vorsprüngen 5 Vertiefungen vorzusehen, in die dann entsprechende Vorsprünge eines oder mehrerer Riemenräder 2 eingreifen.
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Bei der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsform weist der Keilriemen 1 (im Längsschnitt) halbkreisförmige Vertiefungen 6 auf, in die komplementär ausgebildete Vorsprünge 5 eines oder mehrerer Riemenräder 2 (vgl. 7 und 8) eingreifen. Diese Vertiefungen 6 sind an definierten Positionen an den freien Enden (Dächer) der Keilrippen 4 eingebracht. Wie sich aus der 5 ergibt, ist auch bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die Abstände (a und b) zwischen (in Längsrichtung des Keilriemens 1) benachbarten Vertiefungen 6 innerhalb eines wiederholt über der Gesamtlänge des Keilriemens 1 auftretenden Abstandsmusters variieren.
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Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, die Vertiefungen bei der Ausführungsform gemäß den 5 und 6 lediglich an einem oder an zwei der Keilrippen 4 vorzusehen. Ebenso besteht die Möglichkeit, anstelle von Vertiefungen 6 Vorsprünge vorzusehen, die dann in entsprechende Vertiefungen eines oder mehrerer Riemenräder 2 eingreifen.
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Die in den 9 und 10 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Keilriemens 1 ist durch eine Anordnung von (im Längsschnitt) halbkreisförmigen Vorsprüngen 5 auf beiden Seiten des Grundkörpers, konkret des Flachriemenähnlichen Teils 2 des Grundkörpers gekennzeichnet. Dabei liegen sich immer zwei Vorsprünge 5 auf den beiden Seiten gegenüber, wobei auch vorgesehen sein kann, dass diese versetzt (mit gleichem oder variierendem Abstandsmuster) angeordnet sind. Auch bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abstände zwischen (in Längsrichtung des Keilriemens 1) benachbarten Vorsprüngen 5 innerhalb eines wiederholt über der Gesamtlänge des Keilriemens 1 auftretenden Abstandsmusters variieren.
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Die Vorsprünge 5 greifen in geeignete Aussparungen bzw. Vertiefungen 6 eines oder mehrerer Riemenräder 2 ein, wie sie in der 11 und 12 dargestellt sind. Diese Aussparungen bzw. Vertiefungen 6 sind beidseitig in die außenseitigen Keilrippen 4 eingebracht, die hierzu mit einer größeren Radialerstreckung als die beiden innenliegenden Keilrippen 4 versehen sind.
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Die dargestellten Keilriemen sind für den Einsatz in einem Zugmitteltrieb mit zumindest einem und in der Regel zwei, durch unterschiedliche Durchmesser gekennzeichnete Riemenräder vorgesehen, die zu den Vorsprüngen der Keilriemen komplementäre Vertiefungen aufweisen, um die erfindungsgemäß vorgesehene formschlüssige Verbindung zwischen Keilriemen und Riemenrad herzustellen, wodurch bei weiterhin geräuscharmem Betrieb Schlupf zwischen Keilriemen und Riemenrad vermieden werden kann. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, diesen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb in einer (vorzugsweise elektromechanischen) Servolenkung zur Übertragung einer Antriebsleistung von einem Antriebsmotor zu einem beweglichen Lenkerteil zu verwenden. Eine solche elektromechanische Servolenkung ist beispielsweise in der
EP 2 049 383 B1 offenbart, deren Inhalt (insbesondere
1 und Absätze [0018] und [0019]) hinsichtlich des Aufbaus der Servolenkung mit Ausnahme der Ausgestaltung des Riementriebs (dort mit Zahnriemen) durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
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Die erfindungsgemäßen Zugmitteltriebe, wie sie in ihren Bestandteilen beispielsweise in den 1 bis 12 dargestellt sind, zeichnen sich durch ein vorteilhaftes Geräuschverhalten aus, das nicht nur auf die besondere Formgebung der Verbindungsmittel zurückzuführen ist, sondern auch auf die Möglichkeit, die Anzahl der formschlüssig wirkenden Verbindungsmittel gegenüber der Anzahl der Zähne eines konventionellen Zahnriemens bei vergleichbarer Übertragungsleistung zu reduzieren. Dadurch kann eine temporäre Geräuschanhebung, die sich bei einer Identität der Frequenzen von Zahneingriffsordnung und Trumschwingungen einstellt, vermieden oder in ihrer Häufigkeit zumindest reduziert werden. Dies ist in den in den 13 und 14 vergleichend dargestellt.
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Die Trume der in Servolenkungen eingesetzten Riemen schwingen mit diskreten (über der Drehzahl der Antriebsvorrichtung konstanten) Frequenzen. Diese Trumschwingungen sind in den 13 und 14 in den strichpunktierten Graphen dargestellt. Die Frequenz der Zahneingriffsordnung ist dagegen nicht über der Drehzahl der Antriebsvorrichtung konstant, sondern berechnet sich als Produkt aus der Anzahl der Zähne bzw. formschlüssigen Verbindungsmittel und der Drehzahl der Antriebsvorrichtung. Demnach steigt die Frequenz der Zahneingriffsanordnung proportional mit der Drehzahl der Antriebsvorrichtung, wie dies in den 13 und 14 anhand der mit durchgehender Linie gezeichneten Graphen dargestellt ist.
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Bei Servolenkungen mit konventionellen (Zahn-)Riementrieben (vgl. 12) schneiden sich die beiden Graphen mehrfach. In diesen Schnittpunkten sind die Frequenzen der Zahneingriffsanordnung sowie der Trumschwingungen temporär identisch, was sich durch eine entsprechende temporäre Erhöhung der Geräuschemissionen bemerkbar macht.
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Bei einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb besteht die Möglichkeit, die Steigung des die Frequenz der Zahneingriffsanordnung darstellenden (durchgehend gezeichneten) Graphen durch eine verminderte Anzahl an formschlüssigen Verbindungsmitteln klein zu halten. Dadurch kann erreicht werden, dass dieser Graph die Graphen für die Trumschwingungen über dem Drehzahlbereich der Servolenkung nicht mehr schneidet und somit eine temporäre Erhöhung der Geräuschemissionen der Servolenkung vermieden wird.
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Die konstruktiven und funktionalen Details der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht lediglich in der konkret offenbarten Kombination anwendbar, sondern diese können in beliebiger Kombination auch bei beliebigen anderen erfindungsgemäßen Keilriemen zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann ein Keilriemen vorgesehen sein, bei dem die Vorsprünge/Vertiefungen von zwei oder auch allen der beschriebenen Ausführungsformen kombiniert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Keilriemen
- 2
- Riemenrad
- 3
- Flachriemen-ähnlicher Teil
- 4
- Keilrippe
- 5
- Vorsprung
- 6
- Vertiefung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007002684 A1 [0002]
- EP 2049383 B1 [0002, 0045]
- DE 102010003105 A1 [0004]
- DE 102009014925 A1 [0005]
- DE 102008014402 A1 [0006]
