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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierbei
ist das Kugellager 12 so ausgebildet, daß dessen
Außenring
rotiert; gewöhnlich
wird ein Rillenkugellager mit Kontaktwinkel Null verwendet.
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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.
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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.
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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.
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Aus
den obengenannten Gründen
ist bisher kein bestimmtes Mittel zur Beseitigung derartiger Kaltlaufgeräusche geschaffen
worden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wird
der Kontaktwinkel vergrößert, so
verbessert sich auch die Reduzierung der eigenerregten Schwingung
des Wälzkörpers, wodurch
wiederum das Auftreten von Kaltlaufgeräuschen eingeschränkt wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsformen
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Riemenscheibe;
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2 einen
Schnitt durch ein in die Riemenscheibe eingesetztes Kugellager;
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3 eine
Darstellung von Testbedingungen und -ergebnissen einer Funktionsprüfung mit
einer Riemenscheibe, die ein erfindungsgemäßes Vierpunktkontakt-Kugellager
aufweist;
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4 einen
Querschnitt, der die Winkelablenkung zeigt, die auftritt, wenn ein
Außenring
und eine Kugel nur an einem Punkt miteinander in Kontakt sind;
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5 einen
Schnitt durch ein Dreipunktkontakt-Kugellager;
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6 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Riemenscheibe
in anderer Ausführungsform der
Erfindung;
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7 einen
Schnitt durch ein Kugellager, das in die Riemenscheibe gemäß 6 eingesetzt ist;
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8 einen
Schnitt durch ein Dreipunktkontakt-Kugellager;
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9 einen
Schnitt durch ein Kugellager, das an der Grenze zwischen einer Laufrille
und der inneren, diametralen Fläche
des Außenrings
eine Ölnut
aufweist;
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10 eine
vergrößerte Darstellung
im Schnitt eines Hauptteils einer Leerlaufriemenscheibe, die in
einer erfindungsgemäßen Riemenübertragung
verwendet wird, mit einer vergrößerten Einzelheit;
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11 einen
Schnitt durch eine Leerlaufriemenscheibe mit einem anders ausgebildeten
Riemenscheibenkörper;
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12 eine
Vorderansicht eines Konstruktionsbeispiels eines Synchronriemens
für ein
Kraftfahrzeug;
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13 einen
Schnitt durch eine Riemenscheibe nach dem Stand der Technik;
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14a, b jeweils einen Schnitt durch ein Konstruktionsbeispiel
eines Lüfters;
und
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15 eine
vergrößerte Vorderansicht
einer eine Öffnung
aufweisenden Scheibe eines Kupplungsmechanismus.
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Eine
Riemenscheibe und ein Kugellager für eine Riemenscheibe nach der
Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 9 beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Öffnung 45 umfaßt, wie
in 15 dargestellt, eine Einsatzöffnung 45a und eine
Verbindungsöffnung 45b,
die damit zusammenhängend
ausgebildet ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird eine erfindungsgemäße Riemenübertragungsvorrichtung
unter Bezugnahme auf 10 und 11 erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.