-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Zahnradanordnung zur Verwendung in einem Getriebezug und insbesondere eine Scherenzahnradanordnung zum Verbessern der Leistung im Getriebezug.
-
Hintergrund
-
Getriebezüge werden weitgehend zur Übertragung einer Drehbewegung in einer Vielzahl von Anwendungen, die Motorsysteme aufweisen, verwendet. Jedoch kann sich durch die aufprallenden und klappernden Zahnradzähne von nebeneinander liegenden Zahnrädern in einem Getriebezug ein signifikantes Geräusch ergeben. Im Allgemeinen wird das Geräusch erzeugt, wenn Zahnradzähne von nebeneinander liegenden Zahnrädern aus der Verzahnung freikommen und dann wieder zurück in die Verzahnung getrieben werden, beispielsweise wenn ein Zahn eines ersten Zahnrads durch Vorwärtsbewegen schneller als ein daneben liegender Zahn eines zweiten Zahnrads aus der Verzahnung freikommt und der Zahn des ersten Zahnrads auf den daneben liegenden Zahn des zweiten Zahnrads prallt. Das vom Getriebezug erzeugte Geräusch kann nicht nur für die Umgebung unangenehm sein, sondern die Aufpralle zwischen den Zahnradzähnen führen außerdem zu frühzeitigem Verschleiß des Getriebezugs.
-
Das
US-Patent 6,247 ,
377 (das '377 Patent) offenbart eine Scherenzahnradanordnung zum Minimieren des in Getriebezügen erzeugten Geräuschs. Der Getriebezug weist, wie in dem '377 Patent beschrieben, ein erstes Zahnrad mit ersten Zähnen und ein zweites Zahnrad mit den ersten Zähnen des ersten Zahnrads entsprechenden zweiten Zähnen auf. Das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad sind koaxial angeordnet und dazu angepasst, sich relativ zueinander zu drehen. Ferner sind mehrere Federn zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad in einer tangentialen Richtung positioniert, was eine Federvorspannkraft zum Drehen des ersten und zweiten Zahnrads relativ zueinander und Ändern der Ausrichtung der ersten Zähne und zweiten Zähne vorsieht. Die ersten Zähne und die zweiten Zähne arbeiten gemeinsam als zusammengesetzte Zähne mit einer variablen effektiven Zahndicke. Die zusammengesetzten Zähne reduzieren oder beseitigen effektiv einen Spalt, während sie mit einem daneben liegenden Zahnrad kämmen, und reduzieren im Ergebnis die Geräusche.
-
DE 10 2004 058 178 A1 beschreibt ein Zahnrad mit wenigstens zwei um eine gemeinsame Achsmitte oder Wellenmitte drehbaren Radteilen mit Geradverzahnungen, welche drehmomentschlüssig miteinander verbunden sind und in Umfangrichtung gegeneinander verspannt sind. Die beiden Radteile verdrehen sich durch eine in axialer Richtung wirkende Federkraft entlang einer axialen Verspannungsstrecke gegeneinander geringfügig, wobei am Innenumfang wenigstens eines der beiden Radteile entlang der axialen Verspannungsstrecke eine Bewegungsführung vorgesehen ist, die gegenüber einer zur gemeinsamen Achsmitte oder Wellenmitte parallelen Richtung einen Schrägungswinkel aufweist.
-
Aus der
JP H08-152 057 A ist eine weitere Zahnradanordnung bekannt. Die Zahnradanordnung hat ein feststehendes und ein bewegliches Zahnrad. Das feststehende Zahnrad hat einen Zahnbereich und eine Zylindernabe mit einer Außenumfangsfläche. Das bewegliche Zahnrad hat eine Innenumfangsfläche. Eine Schrägnut in der Außenumfangsfläche der Zylindernabe ist mit einer Nase auf der Innenumfangsfläche des beweglichen Zahnrads im Eingriff.
-
Zusammenfassung der Offenbarung
-
Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung eine Zahnradanordnung mit einem Hauptzahnrad, einem Nebenzahnrad und einem axial zwischen dem Hauptzahnrad und dem Nebenzahnrad angeordneten elastischen Element vor. Das Hauptzahnrad weist eine erste Nabe, einen um die erste Nabe angeordneten ersten Zahnkranz und einen ersten schrägverzahnten Bereich auf. Das Nebenzahnrad ist relativ zum Hauptzahnrad koaxial angeordnet. Ferner weist das Nebenzahnrad eine zweite Nabe, einen um die zweite Nabe angeordneten zweiten Zahnkranz, einen zweiten schrägverzahnten Bereich, der zum ersten schrägverzahnten Bereich komplementär ist, und einen sich von der zweiten Nabe axial erstreckenden zweiten Flansch auf, wobei der zweite Flansch eine zweite Innenfläche und eine zweite Außenfläche aufweist. Die Zahnradanordnung weist ferner einen axial zwischen dem Hauptzahnrad und dem Nebenzahnrad angeordneten konzentrischen Vorsprung auf, wobei das elastische Element den konzentrischen Vorsprung im Wesentlichen umgibt und von der zweiten Innenfläche des zweiten Flansches im Wesentlichen umgeben wird.
-
Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden von der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
-
Figurenliste
-
- 1 stellt ein Motorsystem dar;
- 2 stellt eine demontierte Ansicht einer Zahnradanordnung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung dar;
- 3 stellt eine Querschnittsansicht der Zahnradanordnung der 2 in einem montierten Zustand dar;
- 4 stellt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Zahnradanordnung in einem montierten Zustand dar;
- 5 stellt die Zahnradanordnung in einer normalen Einbaulage innerhalb eines Getriebezugs dar;
- 6 stellt eine Schnittansicht von Zahnradzähnen der Zahnradanordnung der 5 dar, die mit einem anderen Zahnrad des Getriebezugs in Eingriff sind;
- 7 stellt die Zahnradanordnung einer zusammengedrückten Position dar; und
- 8 stellt eine Schnittansicht der Zahnradzähne der Zahnradanordnung der 7 dar, die mit einem weiteren Zahnrad des Getriebezugs in Eingriff sind.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Scherenzahnradanordnung zur Verwendung in Getriebezügen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung verbessert die Scherenzahnradanordnung die Leistung des Getriebezugs und reduziert im Wesentlichen die Geräusche, während diese mit einem daneben liegenden Zahnrad im Getriebezug während des Betriebs kämmt. Die 1 stellt ein Motorsystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Das Motorsystem 100 weist einen Motor 102 und ein dem Motor 102 zugeordneten Getriebezug 104 auf. Der Motor 102 kann jeglicher Typ von Verbrennungsmotor sein, beispielsweise ein funkengezündeter Verbrennungsmotor, ein Kompressionszündungsverbrennungsmotor, wie z. B. ein Dieselmotor, kann von beliebiger Größe sein, mit beliebiger Anzahl von Zylindern versehen sein und in beliebiger Ausgestaltung („V“, Reihen, radial, usw.) sein. Der Motor 102 kann zum Antreiben beliebiger Maschinen oder anderer Vorrichtungen verwendet werden, die Straßenlastkraftwägen oder -fahrzeuge, Geländelastkraftwägen oder -maschinen, Erdbewegungsgeräte, Generatoren, Luft- und Raumfahrtanwendungen, Lokomotivenanwendungen, Marineanwendungen, Pumpen, stationäre Geräte oder andere motorbetriebene Anwendungen aufweisen.
-
In einer Ausführungsform kann der Getriebezug 104 ein Antriebszahnrad 106, eine Zahnradanordnung 108, und ein Zwischenzahnrad 110 aufweisen. Das Antriebszahnrad 106 kann mit der Kurbelwelle 112 des Motors 102 gekoppelt sein, die wiederum mit Kolben gekoppelt ist und in einer konventionellen Weise drehbar ist. Ferner kann die Zahnradanordnung 108 drehbar mit dem Antriebszahnrad 106 über das Zwischenzahnrad 110 gekoppelt sein. Das Zwischenzahnrad 110 kann eine relative Synchronisierung zwischen dem Antriebszahnrad 106 und der Zahnradanordnung 108 beibehalten, so dass jede Motorfunktion, die durch die Zahnradanordnung 108 betätigt wird, in einer vorbestimmten Zeit relativ zur Drehung der Kurbelwelle 112 stattfindet. Obwohl das Motorsystem 100 mit einem einzigen Zwischenrad 110 gezeigt ist, können in anderen Ausführungsformen basierend auf dem Design und der Anwendung des Motorsystems 100 mehrere Zwischenzahnräder verwendet werden.
-
In einer Ausführungsform ist die Zahnradanordnung 106 mit einer Nockenwelle 114, die mehrere Nocken 115 aufweist, zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe 116 gekoppelt. Die Kraftstoffpumpe 116 kann eine Kolbenkraftstoffpumpe aufweisen, die einen oder mehrere sich hin und her bewegende Kolben hat, die mit den mehreren an der Nockenwelle 114 vorgesehen Nocken 115 wirkend verbunden sind. Dem Fachmann wird offensichtlich, dass der unter Druck gesetzte Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe 116 in einem Common-Rail/Sammelrohr (nicht gezeigt) aufgenommen und mehreren dem Motor 102 zugeordneten Kraftstoffinjektoren zugeführt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann das Motorsystem 100 Kraftstoffeinspritzeinheiten aufweisen, die mit den mehreren Nocken 115 zur Betätigung wirkend verbunden sein können. In einer Ausführungsform kann der Getriebezug 104 ferner ein Luftverdichterzahnrad 118 aufweisen, das mit dem Zwischenzahnrad 110 zum Antreiben eines dem Motorsystem 110 zugeordneten Luftkompressors (nicht gezeigt) drehbar gekoppelt ist. Der Luftkompressor kann eine Kolben- oder Schraubenpumpe aufweisen.
-
Die 2 stellt eine demontierte Ansicht der Zahnradanordnung 108 der 1 dar. Die Zahnradanordnung 108 weist ein Hauptzahnrad 120, ein Nebenzahnrad 122, das relativ zum Hauptzahnrad 120 koaxial angeordnet ist, und ein elastisches Element 124 auf, das axial zwischen dem Hauptzahnrad 120 und dem Nebenzahnrad 122 angeordnet ist. Das elastische Element 124 kann, wie dargestellt, eine Spiralfeder aufweisen, wobei jedoch das elastische Element in anderen Ausführungsformen eine oder mehrere Tellerfedern, eine konische Schraubenfeder oder jegliche andere geeignete Mittel aufweisen kann, die zum Ausüben einer axialen Kraft zwischen dem Hauptzahnrad 120 und dem Nebenzahnrad 122 angepasst ist. Der Fachmann wird verstehen, dass der Ausdruck „axial“ sich auf eine Längsachse bezieht, die durch beide Mittelpunkte des Hauptzahnrads 120 und des Nebenzahnrads 122 verläuft, wenn die Zahnradanordnung 108 zusammengebaut ist.
-
Das Hauptzahnrad 120 kann eine erste Nabe 126 und einen um die erste Nabe 126 angeordneten ersten Zahnkranz 128 aufweisen. In einer Ausführungsform kann der erste Zahnkranz 128 ein Stirnzahnrad mit mehreren ersten Zähnen 130 aufweisen, die in Umfangsrichtung gleich beabstandet angeordnet sind. Das Nebenzahnrad 122 kann eine zweite Nabe 132 und einen um die zweite Nabe 132 angeordneten zweiten Zahnkranz 134 aufweisen. Auch der zweite Zahnkranz 134 kann ein Stirnzahnrad mit mehreren zweiten Zähnen 136 aufweisen, die in Umfangsrichtung gleich beabstandet angeordnet sind. Außerdem sind in dieser Ausführungsform die ersten Zähne 130 des Hauptzahnrads 120 und die zweiten Zähne 136 des Nebenzahnrads 122 in ihrer Anzahl gleich und weisen im Wesentlichen identische Profile auf. Das Hauptzahnrad 120 und das Nebenzahnrad 122 können aus metallischen Legierungen, Gusseisen, Verbundwerkstoffen, Kunststoffen oder aus jedem bekannten Material bestehen.
-
Das Hauptzahnrad 120 kann ferner einen ersten schrägverzahnten Bereich 138 aufweisen. Das Hauptzahnrad 120 kann außerdem einen sich von der ersten Nabe 126 axial erstreckenden ersten Flansch 140 aufweisen, so dass der erste schrägverzahnte Bereich 138 umlaufend an einer ersten Innenfläche 142 des ersten Flansches 140 angeordnet ist. Der erste schrägverzahnte Bereich 138 kann mehrere Schraubenkeile 144 aufweisen. Ferner kann der erste Zahnkranz 128, wie in der 2 dargestellt, umlaufend um eine erste Außenfläche 143 des ersten Flansches 140 angeordnet sein. Das Nebenzahnrad 122 kann ferner einen zweiten schrägverzahnten Bereich 146 mit mehreren Schraubenkeilen 148 aufweisen, die zu den mehreren Schraubenkeilen 144 des ersten schrägverzahnten Bereichs 138 komplementär sind. Das Nebenzahnrad 122 kann außerdem einen zweiten Flansch 150 aufweisen, der sich von der zweiten Nabe 132 axial erstreckt, so dass der zweite schrägverzahnte Schraubenbereich 146 umlaufend um eine zweite Außenfläche 152 des zweiten Flansches 152 angeordnet ist.
-
Obwohl es nicht gezeigt ist, weisen alternative Ausführungsformen im Wesentlichen umgekehrte Konfigurationen auf, wobei der erste schrägverzahnte Bereich 138 teilweise an der ersten Außenfläche 143 des ersten Flansches 140 vorgesehen sein kann und der zweite schrägverzahnte Bereich 146 an einer zweiten Innenfläche 156 des zweiten Flansches 150 vorgesehen sein kann. Ferner kann verstanden werden, dass in diesem Fall der erste Flansch 140 einen Außendurchmesser aufweisen kann, der im Wesentlichen gleich einem Innendurchmesser des Flansches 150 ist. Außerdem kann der erste Zahnkranz 128 teilweise an der ersten Außenfläche 143 des ersten Flansches 140 oder an einem anderen Flansch mit größeren Durchmesser, der sich axial von der ersten Nabe 126 erstreckt, angeordnet sein.
-
Mit nochmaligem Bezug auf die in der 2 dargestellten Ausführungsform kann die Zahnradanordnung 108 ferner einen konzentrischen Vorsprung 154 aufweisen, der axial zwischen dem Hauptzahnrad 120 und dem Nebenzahnrad 122 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform kann der konzentrische Vorsprung 154 eine integral mit dem Hauptzahnrad 120 geformte gestufte Welle 158 aufweisen und eine Durchgangsbohrung 160 haben. Eine erste Wellenfläche 162 der gestuften Welle 158 kann dazu ausgebildet sein, in einem an der zweiten Nabe 132 des Nebenzahnrads 122 vorgesehenen Durchgangsloch 164 aufgenommen zu werden. Alternativ kann der konzentrische Vorsprung 154 eine gerade Welle oder eine sich verjüngende Welle aufweisen.
-
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 sind Querschnittsansichten der Zahnradanordnung 108 im zusammengebauten Zustand dargestellt, wobei das elastische Element 124 zwischen dem konzentrischen Vorsprung 154 und der zweiten Innenfläche 156 des zweiten Flansches 150 angeordnet sein kann. Das elastische Element 124 kann eine zweite Wellenfläche 166 der gestuften Welle 158 umgeben. Wie in der 4 dargestellt, kann der konzentrische Vorsprung 154 von der ersten Nabe 156 abnehmbar sein, wobei entsprechend das Hauptzahnrad 120, das Nebenzahnrad 122 und der konzentrische Vorsprung 154 während der Montage miteinander befestigt werden können, beispielsweise durch eine oder mehrere Befestigungsschrauben oder -bolzen. Ferner kann eine Halteklammer 172 zum Zusammenhalten des Hauptzahnrads 120, des Nebenzahnrads 122 und/oder des konzentrischen Vorsprungs 154 in einem montierten Zustand vorgesehen sein, wenn das elastische Element 124 in einem zusammengedrückten Zustand ist. Da die Halteklammer 172 das Hauptzahnrad 120 und das Nebenzahnrad 122 zusammenhält, können die einen oder mehreren Befestigungsschrauben oder Befestigungsbolzen im montierten Zustand entfernt werden.
-
Außerdem kann ein Befestigungselement 168, wie beispielsweise ein Bolzen, in der Durchgangsbohrung 160 des konzentrischen Vorsprungs 154 aufgenommen werden. Ferner kann das Befestigungselement 168 einen Kopfbereich 169 mit Außengewinde und ein freies Ende 170 aufweisen. Das freie Ende 170 des Befestigungselements 168 kann an der Nockenwelle 114 zum Anbringen der Zahnradanordnung 108 im Getriebezug 104 (siehe 1) befestigbar sein.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Das oben beschriebene Motorsystem 100 kann während dem Betrieb dynamische Drehmomente in der Getriebezug 104 einbringen. Außerdem ist es für jedes der Antriebszahnräder 106 und der Zahnradanordnung 108 üblich, impulsive Beschleunigungen und Verzögerungen während ihres Betriebs zu erfahren, beispielsweise auf Grund impulsiver Lasten der Pumpe 116, der Nockenwelle 11, usw. Ferner können die sich hin und her bewegenden Kolben der Kraftstoffpumpe 116 auf die Nockenwelle 114 und folglich auf die Zahnradanordnung 108 eine vorübergehende Drehmomentumkehrung aufbringen. Insbesondere kann im Fall einer Hochdruck-Common-Rail-Kraftstoffpumpe die Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle 114 in einem Bereich von ungefähr 40 bis 65 Umdrehungen pro Minute von einer durchschnittlichen Drehgeschwindigkeit basierend auf den Drehmomentumkehrungen der Kraftstoffpumpe 116 schwanken.
-
Die Drehmomentübertragung durch einen konventionellen Getriebezug mit signifikantem Spiel kann nebeneinander liegende Zähne von kämmenden Zahnrädern dazu bringen, innerhalb des Getriebezugs zusammenzustoßen. Beispielsweise kann ein Nockengetriebe, wie beispielsweise die Zahnradanordnung 108 des Getriebezugs 104, Drehmomentimpulse erfahren und mit einem Zwischenzahnrad stark hin und her klappern, wie z. B. dem Zwischenzahnrad 110. Das Geräusch, wie beispielsweise die mit dem Motorsystem verbundenen „Hammer“-Geräusche, insbesondere bei Hochleistungsdieselmotoren, basiert hauptsächlich auf den im Getriebezug 104 erzeugten Aufprallgeräuschen.
-
Die Zahnradanordnung 108 verbessert gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung die Leistung des Getriebezugs 104. Die 5 stellt die Zahnradanordnung 108 in einer normalen Einbaulage innerhalb des Getriebezugs 104 dar. Unter Wirkung der Axialkraft des elastischen Elements 124 kann sich der erste schrägverzahnte Bereich 138 des Hauptzahnrads 120 am zweiten schrägverzahnten Bereich 146 des Nebenzahnrads 122 bewegen. Deshalb kann sich das Nebenzahnrad 122 anhand des ersten schrägverzahnten Bereichs 138 und des zweiten schrägverzahnten Bereichs 146 unter einem Winkel relativ zum Hauptzahnrad 120 bewegen. Ferner können, wie in der 6 dargestellt, die zweiten Zähne 136 des Nebenzahnrads 122 in der normalen Einbauposition teilweise mit den ersten Zähnen 130 des Hauptzahnrads 120 mit einer positiven Winkelverschiebung α im Gegenuhrzeigersinn überlagert sein, beispielsweise entsprechend der Drehrichtung der Zahnradanordnung 108. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die positive Winkelverschiebung α in einem Bereich von ungefähr 0,60° bis ungefähr 0,90° liegen. Die positive Winkelverschiebung α kann eine effektive Zahndicke T der Zahnradanordnung 108 erhöhen, so dass ein Zahnradzahn 600 eines daneben liegenden Zahnrads, beispielsweise des Zwischenzahnrads 110, zwischen den ersten Zähnen 130 bzw. zweiten Zähnen 136 des Hauptzahnrads 120 bzw. Nebenzahnrads 122 geklemmt sein. Infolgedessen ist das effektive Spiel zwischen dem Hauptzahnrad 120 und dem Nebenzahnrad 122 in Verbindung mit dem daneben liegenden Zahnrad, wie beispielsweise dem Zwischenzahnrad 110, minimiert und das Geräusch wird reduziert.
-
Zusätzlich kann das elastische Element 124 der Zahnradanordnung 108 ein Vorspanndrehmoment zum Absorbieren jeglicher vorübergehender Drehmomentumkehrungen, die von der Kraftstoffpumpe 116 und der Kurbelwelle 112 stammen, während des Betriebs des Motorsystems 100 bereitstellen. Das Vorspanndrehmoment kann auf der Grundlage des Designs und der erwarteten Lastbedingungen des Motors 102 gewählt werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das elastische Element 124 das Vorspanndrehmoment in einem Bereich von ungefähr 130 Nm bis ungefähr 600 Nm bereitstellen.
-
Unter Bezugnahme auf die 7 kann die Zahnradanordnung 108 gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung eine Mutter 700 aufweisen. Die Mutter 700 kann am Kopfbereich 169 des Befestigungselements 168 befestigt und dazu ausgebildet sein, durch jegliches bekannte konventionelle Mittel drehbeweglich zu sein. Da die Mutter 700 über den Kopfbereich 169 des Befestigungselements 168 geschraubt wird, kann sich das Nebenzahnrad 122 axial in Richtung des Hauptzahnrads 120 gegen die axiale Kraft des elastischen Elements 124 bewegen. Infolgedessen können sich die zweiten Zähne 136 relativ zu den ersten Zähnen 130 mit einer negativen Winkelverschiebung β im Uhrzeigersinn bewegen. Wie in der 8 dargestellt, kann die negative Winkelverschiebung β in einem Bereich von ungefähr 0,30° bis ungefähr 0,50° liegen. Die negative Winkelverschiebung β kann die effektive Zahndicke T der Zahnradanordnung 108 verringern, so dass der Zahnradzahn 600 des daneben liegenden Zahnrads einfach in die Zahnradanordnung 108 eingebaut oder davon entfernt werden kann. Außerdem verringert eine niedrigere Anzahl von Komponenten in der Zahnradanordnung 108, nämlich das Hauptzahnrad 120, das Nebenzahnrad 122, das elastische Element 124, und das Befestigungselement 168 ferner den Montage- und Demontageaufwand für die Zahnradanordnung 108.
-
Aspekte dieser Offenbarung können außerdem auf andere Motorensysteme und Maschinen mit einem oder mehreren Getriebezügen angewendet werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Luftverdichterzahnrad 118 eine Scherenzahnradanordnung aufweisen, wie z. B. die Zahnradanordnung 108. Obwohl die Ausführungsformen dieser Offenbarung wie hierin beschrieben eingearbeitet sein können, ohne vom Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen, wird es dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen gemacht werden können. Andere Ausführungsformen werden dem Fachmann durch Betrachtung der Spezifikation und Ausübung der Offenbarung bekannt. Es ist angedacht, dass die Spezifikation und die Beispiele als lediglich beispielhaft betrachtet werden, wobei der Schutzbereich durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente angezeigt wird.
