DE19633699B4

DE19633699B4 - Kugelgelagerte Riemenscheibe

Info

Publication number: DE19633699B4
Application number: DE19633699A
Authority: DE
Inventors: Motoharu Iwata Niki; Yoshiaki Iwata Suzuki; Tadahisa Tenryu Suzuki; Masahiro Iwata Muranaka
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2016-08-22
Also published as: DE19633699A1; US6010420A; US6227994B1

Abstract

Riemenscheibe mit einem Riemenscheibenkörper (1), welcher eine Umfangsfläche (1e) aufweist, die mit einem durch den Motor eines Kraftfahrzeuges anzutreibenden Riemen in Kontakt steht, wobei der Riemenscheibenkörper (1) auf dem Außendurchmesser eines Außenrings (2a) eines Kugellagers (2) befestigt ist,
und wobei das Kugellager (2) einreihig angeordnet ist, um einen Kontaktwinkel (α) zu bilden und
jede Kugel (2c) des Kugellagers (2) und zumindest der Außenring (2a) zur Einschränkung eigenerregter Schwingungen in axialer Richtung der Kugel (2c) an zwei Punkten miteinander in Kontakt stehen und
wobei der Außenring (2a) und der Innenring (2b) jeweils einstückig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Riemenscheibe und ein Kugellager für eine Riemenscheibe. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Kugellager zur Verwendung mit einem Synchronriemen eines Motors eines Kraftfahrzeugs und eine Riemenscheibe, die mit einem Riemen zum Antrieb von Zusatzaggregaten eines Kraftfahrzeugs dient.
Bei einem Synchronriemen für einen Motor eines Kraftfahrzeugs oder einen Riemensystem wird eine Riemenscheibe so angeordnet, daß der Kontaktwinkel eines Riemens vergrößert wird, um eine angemessene Spannung auf den Riemen anzulegen.
12 zeigt ein Konstruktionsbeispiel eines Synchronriemens. Dieser Synchronriemen besteht aus einem Riemen E, welcher um eine an einer Kurbelwelle befestigte Antriebsriemenscheibe A, um eine an einer Nockenwelle befestigte Abtriebsriemenscheibe B, B, um eine drehbar auf einer feststehenden Welle befestigte Spannscheibe C und um eine auf einer feststehenden Welle befestigte Leerlaufriemenscheibe oder Spannrolle D gespannt ist.
Von den obengenannten Riemenscheiben liegen die auf den jeweiligen feststehenden Wellen befestigten Riemenscheiben C und D gewöhnlich als durch ein Kugellager getragene Riemenscheiben vor. Ein Kugellager kann im Innendurchmesser der Riemenscheibe befestigt sein. Hierbei ist zu bemerken, daß die feststehende Welle für die Spannscheibe C verschiebbar in Langlöcher eingesetzt sein kann, welche sich in einem Rahmen zur Lagerung der Spannrolle befinden. Hierdurch wird eine Einstellung der Riemenspannung ermöglicht.
Eine Riemenscheibe dieser Art kann als eine Scheibe vorliegen, bei der eine Umfangsfläche, die mit einem Riemen in Eingriff zu bringen ist, direkt um den Außendurchmesser eines Außenrings eines Kugellagers angeordnet ist. Hierbei ist jedoch festzustellen, daß häufig eine Riemenscheibe verwendet wird, wie sie in 13 dargestellt ist: Diese Riemenscheibe weist einen Riemenscheibenkörper 11 auf, welcher eine Umfangsfläche 11c aufweist, sowie ein Kugellager 12, die als Einheit miteinander in Eingriff stehen.
Der Riemenscheibenkörper 11 wird aus einem Stahlblech gepreßt. Er weist einen äußeren zylindrischen Bereich 11a auf, um welchen sich ein Riemen erstreckt, sowie einen inneren zylindrischen Bereich 11b, der auf einem Außenring 12a des Kugellagers 12 sitzt. Eine Umfangsfläche 11c der Riemenscheibe ist um den Außendurchmesser des äußeren zylindrischen Bereiches herum angeordnet. Das Kugellager 12 weist den Außenring 12a auf, der in dem inneren zylindrischen Bereich 11b des Riemenscheibenkörpers 11 befestigt ist, einen Innenring 12b, der auf einer (nicht dargestellten) feststehenden Welle sitzt, einen Käfig 12d zum Halten einer Vielzahl von Kugeln 12c, die in einem Raum zwischen den Laufrillen des Innen- und des Außenrings 12b und 12a angeordnet sind, und eine Dichtung 12e zum Abdichten eines Schmierfetts.
Bei der obengenannten Riemenscheibe dreht sich, wenn der Riemenscheibenkörper 11 durch eine Drehkraft vom Riemen rotiert, der Außenring 12a des in dem Riemenscheibenkörper befestigten Kugellagers 12a integrierend mit dem Riemenscheibenkörper 11.
Hierbei ist das Kugellager 12 so ausgebildet, daß dessen Außenring rotiert; gewöhnlich wird ein Rillenkugellager mit Kontaktwinkel Null verwendet.
Wird die Riemenscheibe in kalter Umgebung angetrieben, so können unerwünschte Geräusche (z.B. Pfeifgeräusche) enstehen, je nach Spezifikation der Riemenscheibe und/oder der Betriebs bedingungen. Derartige Geräusche, d.h. z.B. Kaltlaufgeräusche, werden während des Betriebs nicht immer erzeugt. Das Auftreten derartiger Kaltlaufgeräusche hängt sehr von einer gegebenen Umgebungstemperatur ab. Sie können kurzzeitig entstehen, z.B. innerhalb einer Minute nach dem Start des Motors eines Kraftfahrzeugs.
Abnormale Geräusche entstehen häufig auch dann, wenn als Kugellager ein einreihiges Rillenkugellager verwendet wird. Das Auftreten derartiger Geräusche wird vermindert, wenn ein mehrreihiges Schrägkugellager verwendet wird.
Abnormale Kaltlaufgeräusche sind, wie oben erwähnt, komplexer Natur, so daß es schwierig ist, derartige Kaltlaufgeräusche nachzuahmen. Demzufolge wurde die Ursache oder der Mechanismus des Auftretens abnormaler Geräusche noch nicht gänzlich geklärt. Was eine Riemenscheibe zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug betrifft, so arbeitet diese bei hohen Temperaturen und mit hohen Drehzahlen. Haltbarkeit ist daher einer der wichtigsten Faktoren für derartige Riemenscheiben. Folglich konnten alle Gegenmaßnahmen, die eine verringerte Haltbarkeit zur Folge gehabt hätten, nicht eingesetzt werden.
Aus den obengenannten Gründen ist bisher kein bestimmtes Mittel zur Beseitigung derartiger Kaltlaufgeräusche geschaffen worden.
Der am nächsten kommende Stand der Technik ist eine Konstruktion einer Riemenscheibe mit einem Riemenscheibenkörper, welche so gestaltet ist, dass der Außenring aus zwei Elementen besteht ( JP 07035135 A ). Ausgangspunkt bei diesem bekannten Lager ist, dass das Lager unter dem Einfluss einer zusammengesetzten Last eingesetzt wird, zu der nicht nur eine radiale, sondern auch eine axiale Last zählt, welche auf das Lager wirkt.
In einem Fall, in welchem ein derartiges Zweipunktlager unter dem Einfluss einer axialen Last verwendet wird, befinden sich der Außenring und die Kugel im Wesentlichen im Zustand eines bestimmten Kontaktes. Der Außenring und die Kugel stehen hierbei an zwei Punkten miteinander in Kontakt, selbst wenn eine axiale Last darauf wirkt, wobei jedoch dieser Zweipunkt-Kontakt nur im Wesentlichen theoretisch vorhanden ist, bei dem die Kugel und der Außenring am „anderen Kontaktpunkt" leicht miteinander in Kontakt stehen. Da also eine axiale Last in umgekehrter Richtung an dem „anderen Kontaktpunkt" nicht aufgenommen werden kann, wirkt keine einschränkende Kraft gegen die Bewegung der Kugel in axialer Richtung. Somit offenbart diese bekannte Konstruktion den Nachteil, dass keine Einschränkung einer Schwingung der Kugel in axialer Richtung zu jeder Zeit möglich ist.
Weiterer Stand der Technik sind Kugellager ( DE 20 26 871 A , US 12 79 574 ), bei welchen der Innenring zweistückig ausgebildet ist. Darüber hinaus sind Konstruktionen bekannt ( US 1 356 444 , US 3 844 632 ), bei welchen bezüglich der Kugellager keine zwei genau definierten Kontaktpunkte vorliegen, da die entsprechenden Flächen des Innenrings bzw. des Außenrings des betreffenden Kugellagers einen anderen Radius aufweisen im Vergleich zu dem diesbezüglichen Durchmesser der Kugel.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Konstruktion zu schaffen, bei welcher die axiale Schwingung des Außenrings eines Kugellagers auf Grund der eigenerregten Schwingung des Wälzelements wirksam eingeschränkt wird, um unerwünschte Kaltlaufgeräusche zu beseitigen.
Gemäß der Erfindung ist das Kugellager einreihig angeordnet, um einen Kontaktwinkel zu bilden, wobei jede Kugel des Kugellagers und zumindest der Außenring zur Einschränkung eigenerregter Schwingungen in axialer Richtung der Kugel an zwei Punkten miteinander in Kontakt stehen und wobei der Außenring und der Innenring jeweils einstückig ausgebildet sind.
Hierdurch können vorteilhafterweise die eigenerregten Schwingungen der Kugeln durch einstückiges Ausbilden des Außen- und Innenrings sicher eingeschränkt werden. Außerdem können die Frequenzkomponenten der Riemenscheiben in axialer Richtung reduziert werden.
Der Begriff einreihig soll ein Kugellager bezeichnen, das nur eine Reihe von Wälzelementen aufweist. Der „Kontaktwinkel" soll einen Winkel bezeichnen, der definiert wird durch eine Linie, entlang welcher eine Last auf den Wälzkörper wirkt, und durch eine Ebene senkrecht zur Mittelachse des Kugellagers.
Wird der Kontaktwinkel vergrößert, so verbessert sich auch die Reduzierung der eigenerregten Schwingung des Wälzkörpers, wodurch wiederum das Auftreten von Kaltlaufgeräuschen eingeschränkt wird.
Hierbei ist zu bemerken, daß bei übermäßiger Vergrößerung des Kontaktwinkels Nachteile auftreten, wie z.B. Abnahme der Lebensdauer des Lagers. Demzufolge sollte der Kontaktwinkel unter Berücksichtigung der obengenannten Vor- und Nachteile auf einen entsprechenden Wert festgelegt werden.
Es ist zu bevorzugen, daß jede Kugel des Kugellagers sowie von Innen- und Außenring zumindest der Außenring an zwei Punkten miteinander in Kontakt sind. Der Innenring und jede Kugel können an einem oder an zwei Punkten miteinander in Kontakt sein.
Es ist eher unwahrscheinlich, daß auf die beiden Kontaktpunkte eine gleichmäßige Last wirkt, selbst wenn der Außenring und das Wälzelement sich an zwei Punkten berühren. Normalerweise konzentriert sich aufgrund der Vibration des Riemens eine Last nur auf einen Kontaktpunkt, so daß an dem anderen Kontaktpunkt häufig eine Gleitreibung verursacht wird.
Gewöhnlich würde eine solche Gleitreibung innerhalb kurzer Zeit verschwinden. Es ist jedoch zu bemerken, daß die Gleitreibung über einen längeren Zeitraum hinweg fortgesetzt wird, je nachdem, in welcher Umgebung das Lager verwendet wird. Es entstünde das Risiko, daß ein Kontaktpunkt aufgrund der Reibungswärme auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, wodurch die Lagerfunktion verschlechtert wird.
Um das obengenannte Problem zu beseitigen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Ölnut an einer Stelle nahe jeder Kontaktstelle zwischen der Laufrille des Außenrings und dem Wälzelement angeordnet. Während des Betriebs des Lagers wird das in den Ölnuten enthaltene Schmierfett ununterbrochen den beiden Kontaktpunkten zugeführt, damit diese durch das Schmierfett geschmiert werden können.
Hierdurch kann verhindert werden, daß einer der beiden Kontaktpunkte auf eine extrem hohe Temperatur erwärmt wird, selbst wenn dort kein Ölfilm vorhanden ist. Eine gewisse Menge an Schmierfett kann selbst nach Beendigung des Betriebs in der Ölnut verbleiben. Hierdurch kann bei erneutem Starten in der Laufrille des Außenrings schnell ein gleichmäßiger Ölfilm gebildet werden.
Unter diesem Gesichtspunkt ist es auch möglich, das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche einzuschränken, das hauptsächlich durch die Unebenheit des Ölfilms bei Wiederbeginn des Betriebs verursacht wird. Nach Beendigung des Betriebs läuft das Schmierfett in den unteren Bereich des Lagers, d.h. in die Unterseite der Ölnut.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Kugellager für eine Riemenscheibe. Das Kugellager weist einen Außenring mit einem Außendurchmesser auf. Der Außendurchmesser des Lagers ist in einem Riemenscheibenkörper der Riemenscheibe befestigt. Der Riemenscheibenkörper weist eine Umfangsfläche auf, die mit einem durch den Motor eines Kraftfahrzeugs anzutreibenden Riemen in Eingriff steht. Das Kugellager liegt einreihig vor, damit ein Kontaktwinkel gebildet werden kann.
Ein Wälzelement des Lagers sowie von Innen- und Außenring zumindest der Außenring berühren sich an zwei Punkten. Eine Ölnut ist an einer Stelle nahe jeder Kontaktstelle zwischen der Laufrille des Außenrings und dem Wälzelement angeordnet.
Ist die Laufrillennut des Außenrings des Kugellagers spitzbogenförmig, elliptisch, parabolisch oder hyperbolisch ausgebildet, so kann jede Kugel an zwei Punkten mit dem Außenring in Kontakt sein. Ist die Laufrillennut des Innenrings ähnlich ausgebildet, so kann jede Kugel an zwei Punkten mit dem Innenring in Kontakt sein. Darüberhinaus ist zu bemerken, daß der Riemenscheibenkörper und der Außenring einstückig ausgebildet sein können.
Die obengenannten Konstruktionen können alle in ähnlicher Weise auf einen Lüfter für Kühlwasser eines Motors angewendet werden. Ein derartiger Lüfter kann über ein Kugellager drehbar auf einer Welle befestigt sein, welche durch den Motor angetrieben wird. In einem solchen Fall können abnormale Kaltlaufgeräusche hauptsächlich durch die eigenerregte Schwingung des Wälzkörpers verursacht werden.
Erfindungsgemäß erstreckt sich ein Riemen zwischen einer Antriebsriemenscheibe und einer Abtriebsriemenscheibe. Der Riemen weist eine Antriebsfläche und eine rückseitige Fläche auf. Die Antriebsfläche des Riemens ist mit der Antriebsriemenscheibe und mit der Abtriebsriemenscheibe in Eingriff.
Eine Spannrolle ist zwischen der Antriebs- und der Abtriebsriemenscheibe angeordnet. Die Spannrolle weist einen Riemenscheibenkörper auf, der eine Umfangsfläche aufweist, welche mit dem Riemen in Eingriff ist.
Der Riemenscheibenkörper sitzt auf dem Außendurchmesser des Außenrings eines Kugellagers. Der Riemenscheibenkörper und der Außenring können einstückig ausgebildet sein. Die Leerlaufriemenscheibe bzw die Spannrolle ist mit der rückseitigen Fläche des Riemens in Eingriff. Die Spannrolle und die rückseitige Fläche des Riemens sind über zwei oder mehrere Ausnehmungsbereiche in Kontakt, welche über die Breite des Riemens voneinander beabstandet angeordnet sind.
Hierdurch wird ein Anti-Vibrationseffekt des Riemens erzielt, so daß insbesondere das axiale Verhalten eingeschränkt wird, damit die Vibration des Außenrings in axialer Richtung wirksam reduziert wird, wodurch wiederum die Hochfrequenzkomponente der Riemenscheibe in axialer Richtung eingeschränkt werden kann. Der Begriff "Leerlaufriemenscheibe" bzw. "Spannrolle" bezeichnet eine Riemenscheibe, die drehbar auf einer feststehenden Welle gelagert ist. Also zählt nicht nur die Leerlaufriemenscheibe D, sondern auch die Spannscheibe C aus 12 zu der o.a. Kategorie.
Aufgrund des obengenannten Aufbaus schafft die vorliegende Erfindung die nachfolgend genannten Vorteile:

1. Dadurch, daß die Bildung eines Kontaktwinkels für das Kugellager ermöglicht wird, oder daß der Außenring und der Wälzkörper des Kugellagers an zwei Punkten miteinander in Kontakt sind, kann insbesondere das Verhalten des Wälzkörpers in axialer Richtung eingeschränkt werden. Hierdurch kann die eigenerregte Schwingung, die als einer der Gründe für das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche gilt, wirksam reduziert werden. Die Winkelablenkung der Riemenscheibe kann verringert werden. Deshalb wird die Schwingung des Riemens vermindert, so daß die Haltbarkeit und Funktionsfähigkeit des Riemens und des Kugellagers verbessert werden.
2. In Abhängigkeit von der Ausbildung der Laufrille kann ein Fettspeicher gebildet werden. Der Fettspeicher trägt in vorteilhafter Weise zur Bildung eines Ölfilms bei.
3. Wird an einer Stelle nahe jeder Kontaktstelle zwischen der Laufrille des Außenrings und dem Wälzelement eine Ölnut gebildet, so kann ein Fettspeicher geschaffen werden. Wenn an einem der Kontaktpunkte eine Gleitreibung hervorgerufen wird, so kann an diesem Kontaktpunkt das Fehlen eines Ölfilms verhindert werden, so daß ein verbesserter Schmierzustand beibehalten wird. Durch das in der Ölnut enthaltene Schmierfett kann nach erneutem Starten in der Laufrille des Außenrings schnell ein gleichmäßiger Ölfilm gebildet werden. Dies verhindert zusammen mit den obengenannten Mitteln (Kontakt zwischen dem Außenring und dem Wälzkörper an zwei Punkten) zuverlässig das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche.
4. Bei der Riemenübertragungsvorrichtung sind die Leerlaufriemenscheibe und die rückseitige Fläche des Riemens über zwei oder mehrere Ausnehmungs-/Vorsprungsrastbereiche in Eingriff, die über die Breite des Riemens voneinander beabstandet angeordnet sind. Hierdurch wird ein Anti-Vibrationseffekt des Riemens erzielt, so daß das Verhalten des Außenrings, insbesondere dessen axiales Verhalten, eingeschränkt wird. Deshalb ist es möglich, das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche zu verhindern.
5. Die obengenannten Vorteile können unabhängig von der Art der Schmierung erzielt werden. Im Gegensatz zu einer Riemenscheibe nach dem Stand der Technik, bei der ein Schmierfett mit besseren Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen verwendet wurde, ist eine verringerte Haltbarkeit bei hohen Temperaturen nicht zu erwarten. Die Erfindung benötigt keinen komplexen Aufbau des Lagers. Sie erlaubt außerdem die kostengünstige Herstellung der Produkte in großen Stückzahlen.

Die obengenannten Vorteile 1 bis 3 und 5 können in ähnlicher Weise erzielt werden, wenn die Erfindung auf einen Kühl-Lüfter zur Kühlung des Kühlwassers eines Motors angewendet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Riemenscheibe;
2 einen Schnitt durch ein in die Riemenscheibe eingesetztes Kugellager;
3 eine Darstellung von Testbedingungen und -ergebnissen einer Funktionsprüfung mit einer Riemenscheibe, die ein erfindungsgemäßes Vierpunktkontakt-Kugellager aufweist;
4 einen Querschnitt, der die Winkelablenkung zeigt, die auftritt, wenn ein Außenring und eine Kugel nur an einem Punkt miteinander in Kontakt sind;
5 einen Schnitt durch ein Dreipunktkontakt-Kugellager;
6 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Riemenscheibe in anderer Ausführungsform der Erfindung;
7 einen Schnitt durch ein Kugellager, das in die Riemenscheibe gemäß 6 eingesetzt ist;
8 einen Schnitt durch ein Dreipunktkontakt-Kugellager;
9 einen Schnitt durch ein Kugellager, das an der Grenze zwischen einer Laufrille und der inneren, diametralen Fläche des Außenrings eine Ölnut aufweist;
10 eine vergrößerte Darstellung im Schnitt eines Hauptteils einer Leerlaufriemenscheibe, die in einer erfindungsgemäßen Riemenübertragung verwendet wird, mit einer vergrößerten Einzelheit;
11 einen Schnitt durch eine Leerlaufriemenscheibe mit einem anders ausgebildeten Riemenscheibenkörper;
12 eine Vorderansicht eines Konstruktionsbeispiels eines Synchronriemens für ein Kraftfahrzeug;
13 einen Schnitt durch eine Riemenscheibe nach dem Stand der Technik;
14a, b jeweils einen Schnitt durch ein Konstruktionsbeispiel eines Lüfters; und
15 eine vergrößerte Vorderansicht einer eine Öffnung aufweisenden Scheibe eines Kupplungsmechanismus.
Eine Riemenscheibe und ein Kugellager für eine Riemenscheibe nach der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 9 beschrieben.
Die in 1 dargestellte Riemenscheibe ist eine Leerlaufriemenscheibe, die bei einem Synchronriemen für ein Kraftfahrzeug verwendet wird. Die Riemenscheibe weist einen Riemenscheibenkörper 1 auf, welcher aus einem Stahlblech gepreßt wurde, und ein einreihiges Kugellager 2, welches in dem Innendurchmesser des Riemenscheibenkörpers 1 befestigt ist. Die Riemenscheibe 1 ist aufgebaut aus einem ringförmigen Körper mit einem inneren zylindrischen Bereich 1a, einem Flanschbereich 1b, der sich von einem Ende des inneren zylindrischen Bereiches 1a radial nach außen erstreckt, einem äußeren zylindrischen Bereich 1c, der sich axial von dem Flanschbereich 1b erstreckt, und einen Schulterbereich 1d, der sich von dem anderen Ende des inneren zylindrischen Bereiches 1a radial nach innen erstreckt.
Ein Außenring 2a des Kugellagers 2 ist im Innendurchmesser des inneren zylindrischen Bereiches 1a befestigt. Der äußere zylindrische Bereich 1c weist eine Umfangsfläche 1e auf, auf der ein (nicht dargestellter) Riemen läuft. Die Riemenscheibe kann als Riemenspannrolle oder als Leerlaufriemenscheibe dienen, da die Umfangsfläche 1e mit dem Riemen in Kontakt steht.
2 ist ein Schnitt durch das in der Riemenscheibe befestigte Kugellager 2. Das Kugellager 2 ist ein Vierpunktkontakt-Kugellager. Das Kugellager weist einen Außenring 2a auf, der in dem Innendurchmesser des inneren zylindrischen Bereiches 1a des Riemenscheibenkörpers 1 befestigt ist, einen Innenring 2b, der auf einer (nicht dargestellten) feststehenden Welle befestigt ist, eine Vielzahl zwischen den Laufrillen 3b, 3a des Innen- und Außenrings 2b, 2a angeordneter Kugeln (Wälzkörper) 2c, einen Käfig 2d, um die Kugeln 2c in Richtung des Umfangs gleichmäßig beabstandet zu halten, sowie ein Paar Dichtungen 2e zur Abdichtung einer Menge an Schmierfett.
Der Außenring 2a und der Innenring 2b sind unabhängig voneinander jeweils einstückig ausgebildet und können getrennt in einer integrierenden Form hergestellt werden. Die Laufrille 3a des Außenrings 2a und die Laufrille 3b des Innenrings 2b des Kugellagers bilden eine sogenannte Spitzbogennut mit zwei Krümmungsmittelpunkten.
Damit definieren die Laufrillen einen vorherbestimmten Kontaktwinkel "α", wenn sie mit den Kugeln in Kontakt stehen. Das heißt, die Kugel 2c und der Außenring 2a bzw. die Kugel 2c und der Innenring 2b stehen jeweils an zwei Punkten miteinander in Kontakt, zwischen welchen sich der tiefste Bereich der Laufrille 3a oder 3b befindet.
Die Laufrillen 3a, 3b können auch anders ausgebildet sein als in Form der Spitzbogennut, nämlich mit einer Krümmung im Kontaktbereich, die größer ist als die der Kugel 2c, also beispielsweise einer elliptischen, parabolischen oder hyperbolischen Nut.
3 zeigt Testbedingungen und Testergebnisse eines Versuchs, der mit einer Riemenscheibe durchgeführt wurde, die das erfindungsgemäße Vierpunktkontakt-Kugellager aufweist; der Versuch wurde unter den Bedingungen durchgeführt, bei welchen abnormale Kaltlaufgeräusche vorlagen.
Da sich der Kontaktwinkel "α" (alpha) auf das Kugellager 2 bezieht, wird das Verhalten der Kugel 2c, insbesondere das Verhalten in axialer Richtung, eingeschränkt, so daß das Auftreten eigenerregter Schwingungen wirksam eingeschränkt werden kann. Da eine Spitzbogenform vorliegt, werden an den Unterseiten jeder der Laufrillen 3a, 3b Fettspeicher 4, 5 gebildet. Dies trägt vorteilhafterweise zur Bildung eines Schmierfilms bei, insbesondere bei Kälte.
Bei einem bekannten Rillenkugellager geht man nach 4 davon aus, daß die Kugel 2c und der Außenring 2a strenggenommen an einem Punkt miteinander in Kontakt stehen. Wenn also ein Riemen durch die Riemenscheibe angetrieben wird, tritt häufig eine Schwingung des Außenrings 2a um den Kontaktpunkt zwischen dem Außenring 2a und der Kugel 2c (als Schwingungsmittelpunkt) auf, wie in 4 durch die gepunktete Linie dargestellt. Dieses Phänomen wird im allgemeinen als "Winkelablenkung" bezeichnet.
Im Gegensatz hierzu und gemäß der vorliegenden Erfindung stehen die Kugel 2c und der Außenring 2a miteinander an zwei Punkten in Kontakt. Hierdurch wird es möglich, die Winkelablenkung des Außenrings 2a zu reduzieren, so daß eine Schwingung des Riemens eingeschränkt werden kann. Außerdem wird es möglich, zu verhindern, daß das Schmierfett im Lager austritt, wodurch die Haltbarkeit des Riemens und des Lagers erhöht werden kann.
Obwohl vorstehend das Vierpunktkontakt-Kugellager erläutert wurde, ist die Gestaltung des Kugellagers nicht hierauf beschränkt: Im besonderen ist es möglich, das Verhalten der Kugeln um ein beträchtliches Maß einzuschränken, vorausgesetzt, daß ein Kontaktwinkel "α" zumindest zwischen dem Außenring 2a und der Kugel 2c gebildet wird, und daß der Außenring 2a und die Kugel 2c an zwei Punkten miteinander in Kontakt stehen, so daß das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche eingeschränkt wird.
Dementsprechend kann also auch ein in 5 dargestelltes Dreipunktkontakt-Kugellager verwendet werden, bei dem der Innenring 2b und die Kugel 2c an einem Punkt miteinander in Kontakt stehen. Die gleichen Vorteile können erzielt werden, wenn der Riemenscheibenkörper 1 und der Außenring 2a des Kugellagers 2 einstückig ausgebildet werden, um den Kugellagerbereich mit einem Kontaktwinkel "α" zu versehen.
Eine in 6 dargestellte Riemenscheibe dient als Spannrolle zur Verwendung in einem Riemenantriebssystem bei einem Kraftfahrzeug. Diese Riemenscheibe entspricht vom Aufbau her der in 1 dargestellten Riemenscheibe, abgesehen vom Aufbau des Kugellagers 2.
7 ist ein Schnitt durch ein Kugellager 2, das in die in 6 dargestellte Riemenscheibe eingesetzt ist: das Kugellager 2 ist ein Vierpunktkontakt-Kugellager, das dem aus 2 entspricht. Die Laufrille des Außenrings 2a und die Laufrille 3b des Innenrings 2b definieren eine sogenannte Spitzbogennut mit zwei Krümmungsmittelpunkten. Also bilden die Laufrillen einen vorherbestimmten Kontaktwinkel "α", wenn sie mit den Kugeln in Kontakt stehen. Das heißt, die Kugel 2c und der Außenring 2a bzw. die Kugel 2c und der Innenring 2b stehen jeweils an zwei Punkten miteinander in Kontakt, zwischen welchen sich der tiefste Bereich der Laufrille 3a oder 3b befindet (die Kontaktpunkte zwischen der Kugel 2c und der Laufrille 3a des Außenrings sind in der Zeichnung durch P und Q gekennzeichnet).
In den tiefsten Bereichen der Laufrillen 3a, 3b werden jeweils ringförmige Fettspeicher 4a, 4b gebildet. Die Fettspeicher erleichtern die Bildung eines Ölfilms, insbesondere in kalter Umgebung. Die Ausbildung jedes der Fettspeicher 4a, 4b kann nach Belieben bestimmt werden. So kann beispielsweise die Spitzbogennut verwendet werden, wie im Fall des Speichers 4b im Innenring. Alternativ dazu kann eine Senknut eingesetzt werden, wie im Fall des Speichers 4a im Außenring.
In diesem Fall können die Laufrillen 3a, 3b auch anders ausgebildet sein, als in Form der Spitzbogennut, nämlich mit einer Krümmung im Kontaktbereich, die größer ist als die der Kugel 2c, also beispielsweise einer elliptischen, parabolischen oder hyperbolischen Nut.
Ölnuten 5, 5 in Form von Kreisringen, deren Mittelpunkt im Wellenmittelpunkt 0-0 liegt, sind in der Laufrille 3a des Außenrings nahe den Kontaktpunkten P, Q zwischen dem Außenring 2a und der Kugel 2c angeordnet. Der Fettspeicher 4a befindet sich zwischen den Ölnuten 5, 5.
Die Ölnuten 5, 5 sind bezüglich der entsprechenden Kontaktpunkte P, Q in radialer Richtung leicht nach innen versetzt, damit durch die Zentrifugalkraft während der Rotation der Riemenscheibe das Schmierfett sicher den Kontaktpunkten P, Q zugeführt werden kann. Die Ölnuten 5, 5 befinden sich bezüglich des Wellenmittelpunkts 0-0 an der gleichen Stelle, damit jeweils die gleiche Menge Schmierfett in die jeweiligen Kontaktpunkte fließt.
Wenn der Außenring 2a und die Kugel 2c des Kugellagers 2 an zwei Punkten miteinander in Kontakt stehen, wird das Verhalten der Kugeln 2c, insbesondere deren Verhalten in axialer Richtung, eingeschränkt, so daß das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche aufgrund von eigenerregten Schwingungen der Kugeln 2c wirksam reduziert werden kann.
Wird aufgrund der Schwingung des Riemens eine Last auf einen der Kontaktpunkte konzentriert, während bei dem anderen Kontaktpunkt aufgrund der Gleitreibung Wärme erzeugt wird, so wird dem anderen Kontaktpunkt zum Zweck der Schmierung von der an radial nach innen versetzter Position befindlichen Ölnut 5 durch Zentrifugalkraft eine bestimmte Menge an Schmierfett zugeführt. Hierdurch kann ein fehlender Ölfilm am Kontaktpunkt verhindert werden, um einen verbesserten Schmierungszustand beizubehalten.
Darüberhinaus ist zu bemerken, daß selbst nach Beendigung des Betriebs eine gewisse Menge an Schmierfett in den Ölnuten 5 verbleibt. Hierdurch kann bei erneutem Starten in der Laufrille 3a des Außenrings schnell ein gleichmäßiger Ölfilm gebildet werden. Unter diesem Gesichtspunkt ist es auch möglich, das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche einzuschränken.
Andere Kugellager als das Vierpunktkontakt-Kugellager 2 können ebenfalls verwendet werden, vorausgesetzt, daß der Außenring 2a und die Kugel 2c an zwei Punkten miteinander in Kontakt stehen. So kann beispielsweise ein Dreipunktkontakt-Kugellager verwendet werden, bei dem der Innenring 2b und die Kugel 2c an einem Punkt miteinander in Kontakt stehen, wie in 8 dargestellt. Die Ölnuten 5, 5 können an jeder Position nahe den Kontaktpunkten P, Q angeordnet sein. Die Ölnuten können an der Grenze zwischen der Laufrille 3a des Außenrings 2a und der inneren diametralen Fläche angeordnet sein. Ähnliche Vorteile können erzielt werden, wenn der Riemenscheibenkörper 1 und der Außenring 2a des Kugellagers 2 einstückig ausgebildet sind.
Es ist zu bemerken, daß die oben erwähnten abnormalen Kaltlaufgeräusche nicht nur im Fall der Riemenscheibe erzeugt werden können, sondern auch bei einem Lüfter, welcher z.B. zur Kühlung von Kühlwasser eines Kühlers dient.
Wie in 14(a) und (b) dargestellt, weist ein Lüfter 30 ein ringförmiges drehbares Element 35 auf, und eine Vielzahl von Blättern 31, die an dem Umfang des Elements 35 befestigt sind und sich in radialer Richtung erstrecken. Das drehbare Element 35 sitzt auf einem Außenring 32a eines Kugellagers 32.
Der Lüfter 30 ist drehbar auf einer Hauptwelle 33 befestigt, welche durch einen Motor angetrieben wird (die Hauptwelle ist z.B. über Bolzen an einem Flansch, beispielsweise einer Welle einer Pumpe, befestigt).
Ein temperaturabhängiger Kupplungsmechanismus 34 ist zwischen der Hauptwelle 33 und dem Lüfter 30 angeordnet. Dieser Kupplungsmechanismus ist in Abhängigkeit einer Temperaturänderung der Außenluft ein- und auszurücken. Daher kann durch den Kupplungsmechanismus 34 ein Drehmoment von der Hauptwelle 33 auf den Lüfter 30 übertragen werden.
Ein Konstruktionsbeispiel des Kupplungsmechanismus 34 wird nachfolgend beschrieben: Eine Antriebsscheibe 36 ist fest auf der Hauptwelle 33 an deren vorderem Ende befestigt. Die Antriebsscheibe 36 wird zusammen mit der Hauptwelle 33 angetrieben. Eine Scheibe 37 ist an der Seite des vorderen Endes der Antriebsscheibe 36 angeordnet. Die Scheibe 37 und das drehbare Element 35 bilden zusammen eine erste Kammer 39, die als Drehmomentübertragungskammer dient.
Die Scheibe 37 und ein Abschlußteil 38 bilden zusammen eine zweite Kammer 40, die als Speicher für ein Medium (zähflüssiges [viskoses] Fluid zur Drehmomentübertragung, beispielsweise Silikonöl o.a.) dient.
Eine Blattfeder 42 ist in der zweiten Kammer 40 angeordnet. Ein Ende der Blattfeder 42 ist mit einem Ventil 41 verbunden, das andere Ende ist an der Scheibe 37 befestigt. Ein Bimetallelement 43 ist an dem Abschlußteil 38 befestigt. Ein Kolben 44 ist auf dem Bimetallelement 43 angeordnet, und zwar so, daß er mit der Achse (0-0) der Hauptwelle 33 zusammenfällt.
Bei der obengenannten Konstruktion wird das Bimetallelement 43 nicht oder nur geringfügig gebogen, wenn die Außentemperatur niedrig ist, wie in 14(a) dargestellt, so daß der Kolben 44 die Blattfeder 42 auf die rechte Seite drückt. Zu diesem Zeitpunkt erstreckt sich das mit der Blattfeder 42 verbundene Ventil 41 durch eine Öffnung 45 in den Außendurchmesserbereich der Scheibe 37 und berührt die Vorderfläche der Antriebsscheibe 36 in der ersten Kammer 39.
Die Öffnung 45 umfaßt, wie in 15 dargestellt, eine Einsatzöffnung 45a und eine Verbindungsöffnung 45b, die damit zusammenhängend ausgebildet ist.
Das Ventil 41 wird in die Einsatzöffnung 45a eingesetzt. Da immer eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Antriebsscheibe 36 und der Seite des drehbaren Elements 35 oder dem Ventil 41 existiert, wird das Öl (dargestellt durch eine Vielzahl von Punkten) zwischen der Antriebsscheibe 36 und der Scheibe 37 herausbewegt und durch die Verbindungsöffnung 45b in die zweite Kammer 40 befördert, und zwar mittels des Ventils 41.
In diesem Zustand fließt das meiste Öl von der ersten Kammer 39 in die zweite Kammer 40, so daß nur eine kleine Menge Öl in der ersten Kammer 39 verbleibt. Deshalb wird das Übertragungsdrehmoment reduziert, so daß die Rotationsgeschwindigkeit des Lüfters 30 gering ist. Hierbei ist zu bemerken, daß der Pfeil in 15 die Richtung der Rotation der Antriebsscheibe 36 definiert.
Wenn die Außentemperatur hoch ist, wird das Bimetallelement 43 gebogen, wie in 14(b) dargestellt. Also wird das Ventil 41 auf die linke Seite der Zeichnung versetzt, wodurch der Kolben 44 aufgrund der Elastizität der Blattfeder 42 aus der Öffnung 45 herausbewegt wird. Damit findet die vorgenannte Wirkung nach 14a nicht statt, so daß das jeweils in der ersten und der zweiten Kammer 39, 40 befindliche Öl über die Öffnung 45 miteinander in Verbindung steht und damit den gleichen Ölpegel bildet. Somit wird das Öl der effektiven Übertragungsfläche der ersten Kammer 39 zugeführt, so daß ein Drehmoment vorherbestimmter Größe übertragen werden kann, um die Rotationsgeschwindigkeit des Lüfters 30 zu erhöhen.
Weist der obengenannte Lüfter 30 ein Kugellager mit einer Konstruktion auf, die der des obengenannten Kugellagers für die Riemenscheibe entspricht, so kann ein Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche zuverlässig verhindert werden.
Nachfolgend wird eine erfindungsgemäße Riemenübertragungsvorrichtung unter Bezugnahme auf 10 und 11 erläutert.
Die in 10 dargestellte Riemenscheibe ist eine Spannrolle zur Verwendung in einem Riemenantriebssystem bei einem Kraftfahrzeug. Die Riemenscheibe weist einen Riemenscheibenkörper 1 auf, welcher aus einem Stahlblech gepreßt wurde, und ein einreihiges Rillenkugellager 2, welches in dem Innendurchmesser des Riemenscheibenkörpers 1 befestigt ist. Der Riemenscheibenkörper 1 ist aufgebaut aus einem ringförmigen Körper mit einem inneren zylindrischen Bereich 1a, einem Flanschbereich 1b, der sich von einem Ende des inneren zylindrischen Bereiches 1a radial nach außen erstreckt, einem äußeren zylindrischen Bereich 1c, der sich axial von dem Flanschbereich 1b erstreckt, und einen Schulterbereich 1d, der sich von dem anderen Ende des inneren zylindrischen Bereiches 1a radial nach innen erstreckt. Ein Außenring 2a des Kugellagers 2 ist im Innendurchmesser des inneren zylindrischen Bereiches 1a befestigt. Eine Umfangsfläche 1e zur Bildung eines Kontakts mit einer rückseitigen Fläche 4'b eines Riemens 4' ist auf dem Außendurchmesser des äußeren zylindrischen Bereiches 1c ausgebildet. Die Umfangsfläche 1e steht mit dem Riemen 4' in Kontakt, so daß die Riemenscheibe als Spannrolle dient.
Das Kugellager 2 weist einen Außenring 2a auf, der in dem Innendurchmesser des inneren zylindrischen Bereiches 1a des Riemenscheibenkörpers 1 befestigt ist, einen Innenring 2b, der auf einer (nicht dargestellten) feststehenden Welle befestigt ist, eine Vielzahl in einem Raum zwischen der Laufrille 3b des Innenrings 2b und der Laufrille 3a des Außenrings 2a angeordneter Kugeln, einen Käfig 2d, um die Kugeln 2c in Richtung des Umfangs gleichmäßig beabstandet zu halten, sowie ein Paar Dichtungen 2e zur Abdichtung einer Menge an Schmierfett. Der Außenring 2a und der Innenring 2b sind unabhängig voneinander jeweils einstückig ausgebildet und können getrennt in einer integrierenden Form hergestellt werden.
Der Riemen 4' weist eine Antriebsfläche 4'a und die rückseitige Fläche 4'b auf. Die rückseitige Fläche 4'b des Riemens 4' weist ein Paar Rastbereiche 5' auf, die über die Breite des Riemens 4' voneinander beabstandet angeordnet sind. Jeder der Rastbereiche 5' ist ein Vorsprung mit im wesentlichen V-förmig ausgebildetem Querschnitt.
Die Rastbereiche 5' sind parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich über den gesamten Umfang der rückseitigen Fläche 4'b des Riemens 4'. Die Umfangsfläche 1e des Riemenscheibenkörpers 1 weist außerdem ein Paar Gegenrastbereiche 6 auf, die ebenfalls über die Breite des Riemens 4' voneinander beabstandet angeordnet sind. Jeder der Gegenrastbereiche 6 ist als Nut ausgebildet, um einen entsprechenden Rastbereich 5' aufzunehmen.
Aus dem Stand der Technik ist ein Keilriemen als ein Riemen mit besonderer Querschnittsform bekannt. Es ist jedoch festzustellen, daß bei einem derartigen bekannten Keilriemen der Riemenkörper auf der Antriebsfläche 4a angeordnet ist, um mit einer Antriebsriemenscheibe oder einer Abtriebsriemenscheibe in Eingriff gebracht zu werden. Damit unterscheidet er sich in seinem Aufbau von dem obengenannten Riemen 4', bei dem der Vorsprung auf der rückseitigen Fläche 4'b angeordnet ist. Dementsprechend wird bei der oben erwähnten Übertragungsvorrichtung kein bekannter Keilriemen verwendet.
Die rückseitige Fläche 4'b des Riemens 4' und die Umfangsfläche 1e der Riemenscheibe sind miteinander über die Ausnehmungen und Vorsprünge in Eingriff, welche an zwei Stellen über die Breite des Riemens 4' voneinander beabstandet angeordnet sind. Also schränkt der Riemen 4' den Außenring 2a in axialer Richtung ein, um ein Auftreten von Schwingungen des Außenrings in axialer Richtung zu reduzieren. Hierdurch kann wiederum das Auftreten abnormaler Kaltlaufgeräusche eingeschränkt werden.
11 zeigt einen Riemenscheibenkörper 1, der aus einem dickwandigen Zylinder gebildet wurde. Der Riemenscheibenkörper 1 ist auf einem Außenring 2a eines Lagers 2 befestigt. In diesem Fall können die gleichen Vorteile erzielt werden wie bei der in 10 dargestellten Riemenscheibe. Ähnliche Vorteile können auch erzielt werden, wenn der Riemenscheibenkörper 1 und der Außenring 2a einstückig ausgebildet sind.
Die obengenannten Vorteile können nicht nur mit dem Aufbau erzielt werden, bei dem, wie in 10 und 11 dargestellt, der Rastbereich 5' auf der rückseitigen Fläche 4'b des Riemens ein Vorsprung ist und der Gegenrastbereich 6 in der Umfangsfläche 1e der Riemenscheibe eine Nut ist, sondern auch mit dem Aufbau, bei dem im Gegensatz zu der obengenannten Ausbildung eine Nut in der rückseitigen Fläche 4'b des Riemens angeordnet ist, während auf der Umfangsfläche 1e der Riemenscheibe ein Vorsprung ausgebildet ist.
Es ist darüberhinaus möglich, einen Vorsprung und eine Nut parallel zueinander in der rückseitigen Fläche 4'b des Riemens anzuordnen, und eine Nut und einen Vorsprung, welche jeweils mit dem obengenannten Vorsprung bzw. der obengenannten Nut in Eingriff zu bringen sind, auf der Umfangsfläche 1e der Riemenscheibe.
Die Anzahl des/der Rastbereiche(s) 5' und des/der Gegenrastbereiche(s) kann beliebig gewählt werden. Eine oder mehrere Reihen von Rast-/Gegenrastbereichen können vorgesehen sein. Hierbei ist jedoch festzustellen, daß der Außenring 2a in axialer Richtung nicht ausreichend eingeschränkt wird, wenn nur eine einzige Reihe von Rast-/Gegenrastbereichen angeordnet wird. Es ist daher zu bevorzugen, mindestens zwei Reihen von Rast-/Gegenrastbereichen anzuordnen, um das Auftreten abnormaler Geräusche wirksam einzuschränken.
Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf den obengenannten Synchronriemen eines Kraftfahrzeugs beschränkt. Sie kann vielmehr für jede Riemenübertragungsvorrichtung angewendet werden, bei der eine oder mehrere Riemenscheiben C, D zwischen einer Antriebsriemenscheibe (A in 10) und einer oder mehreren Abtriebsriemenscheiben (B) angeordnet ist bzw. sind.

Claims

Riemenscheibe mit einem Riemenscheibenkörper (1), welcher eine Umfangsfläche (1e) aufweist, die mit einem durch den Motor eines Kraftfahrzeuges anzutreibenden Riemen in Kontakt steht, wobei der Riemenscheibenkörper (1) auf dem Außendurchmesser eines Außenrings (2a) eines Kugellagers (2) befestigt ist, und wobei das Kugellager (2) einreihig angeordnet ist, um einen Kontaktwinkel (α) zu bilden und jede Kugel (2c) des Kugellagers (2) und zumindest der Außenring (2a) zur Einschränkung eigenerregter Schwingungen in axialer Richtung der Kugel (2c) an zwei Punkten miteinander in Kontakt stehen und wobei der Außenring (2a) und der Innenring (2b) jeweils einstückig ausgebildet sind.
Riemenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einschränkung eigenerregter Schwingungen in axialer Richtung der Kugeln (2c) nahe jedem Kontaktpunkt zwischen einer Laufrille (3a) des einstückigen Außenringes (2a) und/oder des einstückigen Innenringes (2b) und der Kugel (2c) ein Fettspeicher (4a, 4b) angeordnet ist.
Riemenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrillennut (3a) des Außenringes (2a) des Kugellagers (2) und/oder die Laufrillennut (3b) des Innenringes (2b) spitzbogenförmig, elliptisch, parabolisch oder hyperbolisch ausgebildet ist.