DE102017118317B4

DE102017118317B4 - Synchronriementrieb

Info

Publication number: DE102017118317B4
Application number: DE102017118317.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Grabosch; Matthias Schmidl
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2037-08-12
Also published as: DE102017118317A1

Abstract

Synchronriementrieb, umfassend einen Zahnriemen (7) und zwei oder mehr verzahnte Riemenräder (1, 2, 3, 4), deren Verzahnung mit den Zähnen des Zahnriemens (7) in Eingriff ist, wobei die Verzahnung von zumindest einem der Riemenräder (4) n Zahnlücken (8) und eine Wirklinie hat, die als Polynomzug mit folgenden Eigenschaften ausgebildet ist:- der Polynomzug ist an n Knoten PNTiaus n Polynomen Pizusammengesetzt, weicht von der Kreisform um die Drehachse M dieses Riemenrads (4) ab und ist an den Knoten PNTidifferenzierbar- die Länge L der Polynome Piist gleich, so dass für den Umfang U des Polynomzugs die Gleichung gilt: U = n • L- der Polynomzug ist an keiner Stelle konkav, so dass an jeder Stelle für dessen Krümmung die Beziehung gilt: κ ≥ 0- die Zahnlücken (8) erstrecken sich umfänglich im wesentlichen symmetrisch zu einer Symmetrieachse, die durch den jeweiligen Knoten PNTiund den Krümmungsmittelpunkt Mides Polynomzugs an diesem Knoten PNTiverläuft- der Polynomzug ist unsymmetrisch, wobei dieses Riemenrad (4) an den Knoten PNTiWirkradien Ri= [PNTiM] hat, von denen für einige oder alle Ridie Ungleichung gilt: Ri≠ r = U / (2 • π).

Description

Die Erfindung betrifft einen Synchronriementrieb und insbesondere einen Zahnriemensteuertrieb eines Verbrennungsmotors. Der Synchronriementrieb umfasst einen Zahnriemen und zwei oder mehr verzahnte Riemenräder, deren Verzahnung mit den Zähnen des Zahnriemens in Eingriff ist, wobei die Verzahnung von zumindest einem der Riemenräder n Zahnlücken und eine Wirklinie hat, die als von der Kreisform um die Drehachse dieses Riemenrads abweichender Polynomzug ausgebildet ist.
Synchronriementriebe mit unrunden Riemenrädern sind im Stand der Technik aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt. Die Unrundheit wirkt der Schwingungsanregung entgegen, die im Falle eines Zahnriemensteuertriebs durch die Nockenwellenwechselmomente in den Synchrontrieb eingebracht werden. Als einschlägiger Stand der Technik seien diesbezüglich die DE 10 2004 027 064 A1 , die DE 203 19 172 U1 , die EP 1 448 916 B1 und die US 2008 / 0 085 799 A1 genannt.
Andere Ursachen für unerwünschte Schwingungen können die Anregung infolge des verzahnungsbedingten Polygoneffekts am Riemen oder die durch Reibung erzeugte Anregung im Einlauf und Auslauf der miteinander kämmenden Zähne sein. Diese Anregung ist zumindest akustisch dann besonders kritisch, wenn sie im Bereich der Resonanzfrequenz des Synchrontriebs liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchronriementrieb der eingangs genannten Art mit einem akustisch und mechanisch akzeptablen Schwingungsverhalten anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll der Polynomzug des zumindest einen Riemenrads weiterhin die folgenden Eigenschaften haben:

1. Der von der Kreisform um die Drehachse M dieses Riemenrads abweichende Polynomzug ist an n Knoten PNT_i aus n Polynomen P_i zusammengesetzt und an den Knoten PNT_i differenzierbar. Aus der Differenzierbarkeit des Polynomzugs an den Knoten folgt, dass die Polynome mit jeweils derselben Steigung (1. Ableitung) knickfrei an den Knoten zusammengesetzt sind.
2. Die (gestreckte) Länge L der Polynome P_i ist gleich, so dass für den Umfang U des Polynomzugs die Gleichung gilt: U = n • L.
3. Der Polynomzug ist an keiner Stelle konkav, so dass an jeder Stelle für dessen Krümmung die Beziehung gilt: κ ≥ 0
4. Die Zahnlücken erstrecken sich umfänglich im wesentlichen symmetrisch zu einer Symmetrieachse, die durch den jeweiligen Knoten PNT_i und den Krümmungsmittelpunkt Mi des Polynomzugs an diesem Knoten PNT_i verläuft. Unter dem Begriff „im wesentlichen symmetrisch“ ist zu verstehen, dass die Zahnlücken lediglich im Übergang zum unrunden Kopfkreis der Verzahnung nicht notwendigerweise achsensymmetrisch sind. In Verbindung mit der konstanten Länge L der Polynome P_i ergibt sich, dass auch die Zahnteilung des unrunden Riemenrads umfänglich konstant ist.
5. Der Polynomzug ist unsymmetrisch, wobei das unrunde Riemenrad an den Knoten PNT_i Wirkradien R_i = [PNT_i M] hat, von denen für einige oder alle R_i die Ungleichung gilt: R_i ≠ r = U / (2 • π). In Worten ausgedrückt: der die Wirklinie bildende Polynomzug ist weder dreh- noch achsensymmetrisch, wobei die Größe der Wirkradien R_i, d.h. der effektiven Hebelarme des Zahneingriffs zwischen dem Zahnriemen und dem unrunden Riemenrad durch die Verbindungsstrecke zwischen dem jeweiligen Knoten PNT_i und der Drehachse M des Riemenrads gegeben ist und wobei die Größe von zumindest einiger der Wirkradien R_i ungleich dem Wirkradius r einer kreisrunden Wirklinie ist, die denselben Umfang wie die Wirklinie des unrunden Riemenrads hat.

Die Radiendifferenz (R_i - r) der von r verschiedenen Wirkradien R_i kann innerhalb der sich aus den anderen Eigenschaften ergebenden Bedingungen mit beliebigem Vorzeichen und in beliebiger Größe aufeinanderfolgen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Dabei kann für die Wirkradien R_i ≠ r die Gleichung gelten: | R_i - r | = konstant. In Worten ausgedrückt: die Beträge der Radiendifferenzen (R_i - r) derjenigen Wirkradien R_i, die vom Wirkradius r des umfangsgleichen, kreisrunden Riemenrads verschieden sind, sind für alle diese Radiendifferenzen identisch. Dabei kann die Radiendifferenz (R_i - r) im Rahmen der Bedingungen der anderen Eigenschaften mit beliebigem Vorzeichen aufeinanderfolgen.
Für den Fall, dass die Zähnezahl n des unrunden Riemenrads gerade ist, können alle Radien R_i von r verschieden sein und für die Wirkradien R_i und R_i+1 aller unmittelbar benachbarter Knoten PNT_i und PNT_i+1 die Beziehung gelten: (R_i - r) / (R_i+1 - r) < 0. In Worten ausgedrückt: die Radiendifferenz (R_i - r) alterniert, so dass sie für einen der Knoten PNT_i positiv oder negativ ist und für den dazu unmittelbar benachbarten Knoten PNT_i+1 umgekehrt negativ oder positiv ist. Dabei kann die Radiendifferenz (R_i - r) innerhalb der Bedingungen der anderen Eigenschaften mit beliebiger einschließlich konstanter Größe aufeinanderfolgen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein erfindungsgemäßer Synchronriementrieb mit zwei Ausführungsbeispielen unrunder Riemenräder schematisch dargestellt ist. Es zeigen:

1 den Synchronriementrieb, der als Zahnriemensteuertrieb eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist,
2 eine Darstellung der Wirklinie des unrunden Riemenrads gemäß 1,
3 eine weitere Darstellung der Wirklinie gemäß 2,
4 die Geometrie einer Zahnlücke des unrunden Riemenrads gemäß den vorstehenden 1 bis 3,
5 die Radiendifferenzen des unrunden Riemenrads gemäß den vorstehenden Figuren als Balkendiagramm,
6 die Radiendifferenzen des zweiten Ausführungsbeispiels eines unrunden Riemenrads als Balkendiagramm.

1 zeigt einen an sich bekannten Zahnriemensteuertrieb eines Verbrennungsmotors mit den Riemenrädern 1 und 2 zweier Nockenwellen, dem Riemenrad 3 der Kurbelwelle, dem Riemenrad 4 einer Wasserpumpe, einer Spannrolle 5 und einer Umlenkrolle 6 sowie dem endlosen Zahnriemen 7, der in der eingezeichneten Pfeilrichtung umläuft. Die Riemenräder 1 bis 4 befinden sich sämtlich über eine Außenverzahnung mit den Zähnen des Zahnriemens 7 in synchronem Eingriff. Die Außenmantelflächen der Spannrolle werden vom unverzahnten Riemenrücken umschlungen und sind - wie üblich - unverzahnt.
Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass das Riementrum zwischen dem Riemenrad 4 der Wasserpumpe und der Spannrolle 5 in unerwünscht hohem Maße zu Schwingungen angeregt wird, wenn es mit kreisrunder Wirklinie konventionell geformt ist. Wie nachfolgend anhand der 2 bis 5 beispielhaft erläutert, kann diese Schwingungsanregung in erheblichem Umfang durch die erfindungsgemäße unrunde Formgebung des Riemenrads 4 verbessert werden.
Die 2 und 3 zeigen verschiedene Darstellungen der Wirklinie des Riemenrads 4, die als nicht kreisförmiger Polynomzug um die Drehachse M des Riemenrads 4 ausgebildet ist. Der Polynomzug ist aus n = 21 Polynomen P_i mit i = 1 bis 21 an dementsprechend vielen Knoten PNT_i zusammengesetzt und an den Knoten PNT_i differenzierbar, indem die jeweils zwei an den Knoten PNT_i zusammengesetzten Endpunkte der Polynome P_i die gleiche Steigung haben. Die gestreckte Länge L aller Polynome P_i ist gleich, so dass der Umfang des Polynomzugs U = n • L = 21 • L beträgt und die Zahnteilung umfänglich konstant ist. Dabei lässt sich die durch Riementrumkräfte bedingte Dehnung des Zahnriemens 7 durch voneinander verschiedene Zahnteilungen des Zahnriemens 7 einerseits und des Riemenrads 4 andererseits kompensieren.
Der Polynomzug ist weder achsen- noch drehsymmetrisch. Folglich existiert weder eine Achse, die den Polynomzug in zwei spiegelsymmetrische Hälften trennt, noch kann der Polynomzug durch Drehung um bestimmte Winkel auf sich selbst abgebildet werden.
Der jeweils an den Knoten PNT_i wirksame Hebelarm der Wirklinie ist der Wirkradius R_i, der durch die Verbindungsstrecke zwischen jedem Knoten PNT_i und der Drehachse M, d.h. [PNT_i M] gegeben ist. In den Figuren ist lediglich der Wirkradius R₁ für den Knoten PNT₁ eingezeichnet.
3 zeigt die Wirklinie mit dem zugehörigen Verlauf der Krümmung κ des Polynomzugs. Für die Krümmung gilt an jeder Stelle des Polynomzugs die Beziehung: _κ ≥ 0, der folglich und offensichtlich an keiner Stelle konkav ist. Der eingezeichnete Krümmungsradius 1/κ₁ am Knoten PNT₁ verdeutlicht, dass der zugehörige Krümmungsmittelpunkt M₁ nicht notwendigerweise mit der Drehachse M zusammenfällt.
4 zeigt in stark vergrößerter Darstellung eine der Zahnlücken 8 des Riemenrads 4. Jede der n = 21 Zahnlücken 8 verläuft im wesentlichen achsensymmetrisch zu einer Symmetrieachse, die durch den jeweiligen Knoten PNT_i und dessen Krümmungsmittelpunkt M_i verläuft. Die Zahnlücken 8 sind nicht notwendigerweise vollständig achsensymmetrisch, da der gegenüber der polynomförmigen Wirklinie radial kleinere Kontaktkreis der Verzahnung geringfügige Höhenunterschiede der Zahnflanken 9 im Übergang zum Kopfkreis 10 bewirkt, der äquidistant zur Wirklinie ist. Die Distanz der Wirklinie zum Kopfkreis 10 folgt dem Maß, das der Zahnriemen zwischen dem Fußkreis seiner Verzahnung und der neutralen Biegefaser innerhalb seines Riemenrückens aufweist.
Die in 4 weiterhin eingezeichnete Linie 11, die radial außerhalb der Wirklinie des unrunden Riemenrads 4 verläuft, symbolisiert die Wirklinie eines konventionell kreisrunden Riemenrads mit dem gleichen Umfang U = n • L = r • 2π. Es wird deutlich, dass der durch die Drehachse M und den Knoten PNT_i gebildete Wirkradius R_i des unrunden Riemenrads (s. 2) und der Radius r des umfänglich gleichgroßen runden Riemenrads unterschiedlich groß sind. Für einige oder für alle Knoten PNT_i gilt die Ungleichung: R_i ≠ r mit r = U / (2 • π).
5 zeigt die gegenüber r des runden Riemenrads abweichenden Radien R_i des unrunden Riemenrads 4 mit 21 Knoten PNT_i gemäß den 2 und 3 als Balkendiagramm, in dem die Radiendifferenz (R_i - r) für jeden Knoten PNT_i aufgetragen ist. Das Diagramm verdeutlicht den zufälligen Charakter in der Abfolge der Radiendifferenzen (R_i - r), deren Werte sowohl im Betrag von | R_i - r | als auch im Vorzeichen von (R_i - r) unregelmäßig schwanken, wobei alle Wirkradien R_i von r verschieden sind.
In einer nicht dargestellten Alternativausführung können die Radiendifferenzen (R_i - r) konstante Beträge | R_i - r | haben und lediglich im Vorzeichen von (R_i - r) schwanken.
In 6 sind die Radiendifferenzen (R_i - r) des zweiten Ausführungsbeispiels eines unrunden Riemenrads mit gerader Anzahl n = 22 Knoten PNT_i aufgetragen. Alle Radiendifferenzen (R_i - r) sind von 0 verschieden und alternieren im Vorzeichen. Folglich gilt für unmittelbar benachbarte Knoten PNT_i und PNT_i+1 die Beziehung: (R_i - r) / (R_i+1 - r) < 0.

Claims

Synchronriementrieb, umfassend einen Zahnriemen (7) und zwei oder mehr verzahnte Riemenräder (1, 2, 3, 4), deren Verzahnung mit den Zähnen des Zahnriemens (7) in Eingriff ist, wobei die Verzahnung von zumindest einem der Riemenräder (4) n Zahnlücken (8) und eine Wirklinie hat, die als Polynomzug mit folgenden Eigenschaften ausgebildet ist: - der Polynomzug ist an n Knoten PNT_i aus n Polynomen P_i zusammengesetzt, weicht von der Kreisform um die Drehachse M dieses Riemenrads (4) ab und ist an den Knoten PNT_i differenzierbar - die Länge L der Polynome P_i ist gleich, so dass für den Umfang U des Polynomzugs die Gleichung gilt: U = n • L - der Polynomzug ist an keiner Stelle konkav, so dass an jeder Stelle für dessen Krümmung die Beziehung gilt: κ ≥ 0 - die Zahnlücken (8) erstrecken sich umfänglich im wesentlichen symmetrisch zu einer Symmetrieachse, die durch den jeweiligen Knoten PNT_i und den Krümmungsmittelpunkt M_i des Polynomzugs an diesem Knoten PNT_i verläuft - der Polynomzug ist unsymmetrisch, wobei dieses Riemenrad (4) an den Knoten PNT_i Wirkradien R_i = [PNT_i M] hat, von denen für einige oder alle R_i die Ungleichung gilt: R_i ≠ r = U / (2 • π).
Synchronriementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wirkradien R_i ≠ r die Gleichung gilt: | R_i - r | = konstant.
Synchronriementrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass n gerade ist und die Wirkradien alternierend von r verschieden sind, so dass für die Wirkradien R_i und R_i+1 aller unmittelbar benachbarter Knoten PNT_i und PNT_i+1 die Beziehung gilt: (R_i - r) / (R_i+1 - r) < 0.