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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität und Vorteil der am 22. Februar 2013 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/768,103, deren Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Zahnräder und insbesondere Kettenräder für Zahnriemen an antreibenden und/oder angetriebenen Komponenten.
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HINTERGRUND
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Typische Kettenräder aus Metall haben, wie in 1a und 1b gezeigt, eine scheiben- oder zylinderförmige Konstruktion mit einem Zahnprofil am Außenumfang, das den geometrischen Anforderungen des einzusetzenden Zahnriemens entsprechend geformt ist, die von dem Riemen-Hersteller angegeben werden. Ein Kettenrad ist mit 10 gekennzeichnet. Eine auseinandergezogene Ansicht des Kettenrades 10 ist in 1a dargestellt.
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Die Übertragung von Kraft über einen Zahnriemenantrieb führt üblicherweise zu unterschiedlicher Spannung in den Riemenabschnitten, die an die Kettenräder der Komponenten angrenzen. Ein typischer Zahnriemenantrieb ist in 2 mit 11 dargestellt. Der Zahnriemenantrieb 11 enthält einen Riemen 12 sowie ein erstes und ein zweites Kettenrad 13 und 14, die jeweils dem in 1a und 1b gezeigten Kettenrad 10 gleichen können. Das erste Kettenrad 13 kann das antreibende Kettenrad sein, d. h., es wird durch Drehung seiner Welle angetrieben, die beispielsweise eine Kurbelwelle eines Fahrzeugmotors sein kann. Das zweite Kettenrad 14 kann ein riemengetriebenes Kettenrad sein, d. h., es wird durch die Übertragung von Kraft darauf von dem antreibenden Kettenrad 13 über den Riemen 12 angetrieben.
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In 2 ist die Spannung in dem Riemen 12 mit Linien 16 entlang der Länge des Riemens 12 dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Spannung an dem Abschnitt 12a stärker ist, der derjenige Abschnitt ist, der von dem antreibenden Kettenrad 13 ”gezogen” wird, und dass die Spannung an dem Abschnitt 12b schwächer ist, der derjenige Abschnitt ist, der von dem antreibenden Kettenrad 13 ”geschoben” wird. Der Abschnitt 12a kann als der Abschnitt der gespannten Seite bezeichnet werden, und der Abschnitt 12b kann als der Abschnitt der lockeren Seite bezeichnet werden. Die Spannung ändert sich zunehmend zwischen den zwei Abschnitten 12a und 12b an dem Teil des Bandes 12, der mit den Kettenrädern 13 und 14 in Eingriff ist.
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Es ist anzumerken, dass die in 2 gezeigten Spannungen durchschnittliche Spannungen sind, und dass die Spannungen in dem Riemen 12 zu jedem Zeitpunkt von den in 2 gezeigten Durchschnittswerten abweichen können. Beispielsweise ist das antreibende Kettenrad 13 Torsionsschwingungen ausgesetzt, die ein normales Ergebnis der Beschleunigungs- und Verlangsamungsvorgänge sind, die an der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors auftreten. Diese Torsionsschwingungen beeinflussen das Maß an Kraft, das durch das antreibende Kettenrad 13 auf den Riemen 12 ausgeübt wird, und damit die Spannung in dem Riemen 12. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des antreibenden Kettenrades 13 mit den Abschnitten 12a und 12b des Riemens 12 zu einem Zeitpunkt, zu dem das antreibende Kettenrad 13 eine Verlangsamung relativ zu dem Riemen 12 erfährt. Die mit 18 dargestellten Riemen-Zähne befinden sich, wie in 3 zu sehen ist, nicht an den Hinterkanten der Vertiefungen (mit 19 dargestellt) zwischen den mit 20 dargestellten Kettenrad-Zähnen, an denen sie sich befinden würden, wenn das Kettenrad 13 Kraft auf den Riemen 12 ausüben würde. Aufgrund der relativen Verlangsamung des Kettenrades 13 zu diesem Zeitpunkt hat sich die Position der Riemen-Zähne 18 nach vorn zu der Vorderkante der Vertiefungen 19 hin verschoben.
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Da Zahnriemen eine bestimmte Steifigkeit in Längsrichtung aufweisen, führen unterschiedliche Spannungen von Abschnitten zu unterschiedlicher Dehnung dieser Abschnitte. Dehnung des Riemens beeinflusst insbesondere den Zahnabstand, und Abweichung von seinem Nennwert ist zu beobachten. Der Zahnabstand des Riemens kann kleiner (in Richtung des Abschnitts auf dem angetriebenen Kettenrad, d. h. Abschnitt 12b) oder größer (in Richtung des Abschnitts auf dem antreibenden Kettenrad, d. h. Abschnitt 12a) sein als der Nenn-Zahnabstand des jeweiligen Kettenrades.
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Um diese unterschiedlichen Abstände auszugleichen, können die Zähne (mit 18 dargestellt) des Riemens 12 verformt werden, bis sie entsprechend in das Profil des Kettenrades passen (d. h. in die Vertiefungen 19 zwischen den Zähnen 20 des Kettenrades). Die durch Zahnverformung verursachten Belastungen können zu Rissen an dem Zahnfuß führen, die immer dann größer werden, wenn eine Last wirkt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt wird ein Zahnrad geschaffen, das eine Nabe, die so eingerichtet ist, dass sie sich um eine Achse herum dreht, und die aus einem Naben-Material besteht, sowie eine Krone umfasst, die an der Nabe angebracht ist und die aus einem Kronen-Material besteht, das weicher ist als das Naben-Material. Die Krone weist eine gezahnte Fläche auf, die so eingerichtet ist, dass sie mit einem mit Zähnen versehenen Endlos-Antriebselement, wie beispielsweise einem Zahnriemen, in Eingriff kommt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Zahnrad geschaffen, das eine Nabe, die so eingerichtet ist, dass sie sich um eine Achse herum dreht, und eine Krone umfasst, die an der Nabe angebracht ist und die aus einem Kronen-Material besteht, das flexibel ist. Die Krone weist eine mit Zähnen versehene Fläche auf, die so eingerichtet ist, dass sie mit einem mit Zähnen versehenen Endlos-Antriebselement, wie beispielsweise einem Zahnriemen, in Eingriff kommt.
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ZEICHNUNGEN
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Umsetzungsformen und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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1a ist eine Perspektivansicht einer Kettenradanordnung nach dem Stand der Technik;
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1b ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der in 1a gezeigten Kettenradanordnung;
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2 ist eine Seitenansicht einer Kettenrad-Antriebsanordnung nach dem Stand der Technik, die die Riemenspannung an dem Riemen darstellt, der die Kettenräder verbindet;
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3 ist eine Seitenansicht eines antreibenden Kettenrades und eines Teilabschnitts des Riemens der in 2 gezeigten Kettenrad-Antriebsanordnung;
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4 ist eine vergrößerte Ansicht einer Finite-Element-Analyse von Belastungen an einem kleinen Teil des Bandes beim Eingriff mit einem der in 2 gezeigten Kettenräder;
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5a und 5b stellen Einreißen von Zähnen und Abscheren von Zähnen dar, zu denen es aufgrund hoher Spannungen kommen kann, die bei einigen Kettenrad-Antriebsanordnungen nach dem Stand der Technik auftreten;
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6a ist eine Perspektivansicht einer Kettenradanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Krone auf eine Nabe aufgepresst ist;
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6b ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der in 6a gezeigten Kettenradanordnung;
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7a ist eine Perspektivansicht einer Kettenradanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der verstärkende Federelemente die Krone mit der Nabe verbinden;
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7b ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der in 7a gezeigten Kettenradanordnung;
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8a ist eine Perspektivansicht einer Kettenradanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Vorsprünge an der Nabe die Krone mit der Nabe verbinden;
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8b ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der in 8a gezeigten Kettenradanordnung;
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9a ist eine Perspektivansicht einer Kettenradanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Vorsprünge an der Nabe die Krone mit der Nabe verbinden.
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9b ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht der in 9a gezeigten Kettenradanordnung;
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10a stellt ein vereinfachtes Modell dar, das den Riemen-Zahn und das Kettenrad zeigt, wenn sie nicht in Eingriff miteinander sind;
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10b stellt ein vereinfachtes Modell dar, das den Riemen-Zahn und ein Kettenrad nach dem Stand der Technik zeigt, wenn sie in Eingriff miteinander sind;
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10c stellt ein vereinfachtes Modell dar, das den Riemen-Zahn und das Kettenrad, wie sie in 6a–9b zu sehen sind, zeigt, wenn sie in Eingriff miteinander sind;
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11a ist ein Diagramm, das die Lastverteilung in einer Reihe in Eingriff befindlicher Zähne zwischen einem Kettenrad und einem Riemen darstellt;
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11b ist eine schematische Darstellung, die die Reihe in Eingriff befindlicher Zähne des Riemens mit einem antreibenden Kettenrad zeigt;
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12a und 12b sind Perspektivansichten, die eine alternative Zahnanordnung für die Zähne an jedem der in 6a–9b gezeigten Kettenräder darstellen; und
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13a und 13b sind eine Draufsicht und eine Perspektivansicht, die eine weitere alternative Zahnanordnung für die Zähne eines der in 6a–9b gezeigten Kettenräder darstellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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4 ist eine Finite-Element-Analyse, die die Belastungen in dem Riemen während des Eingriffs mit dem antreibenden Kettenrad 13 zeigt. Das Kettenrad 13 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn. Wie zu sehen ist, sind die an den Vorderkanten der Füße der Riemen-Zähne 18 auftretenden Spannungen relativ hoch, wodurch es zu Ermüdung und Brüchen an den Füßen kommen kann.
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Größer werdende Brüche bzw. Risse (in 5a mit 26 dargestellt) verringern, wie unter Bezugnahme auf 5a und 5b zu sehen ist, allmählich die Kontaktfläche zwischen Zahn und Riemen, wodurch die Belastungen zunehmen und dadurch wiederum der Vorgang des Wachsens der Risse beschleunigt wird. Die letzte Konsequenz dieses Mechanismus ist die Abtrennung des Zahns 18 von dem Riemen 12, der als Hauptfehlerart bei Zahnriemen bekannt ist, d. h. Abscheren des Zahns, durch das das gesamte Zahnriemen-Antriebssystem ausfällt. Ein Riemen mit einem abgescherten Zahn ist in 5b dargestellt.
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Allgemeine Praxis zur Verringerung der Gefahr von Ausfall des Systems aufgrund von Abscheren eines Zahns besteht darin, die Breite des Zahnriemens zu vergrößern (d. h., je breiter der Riemen 12 ist, umso geringer sind die Belastungen an den Zähnen 18 des Riemens) oder die dynamischen Lasten an den Riemen unter Verwendung eines unrunden Kettenrades zu verringern. Kettenräder mit variablem Zahnabstand, die mehrere Federn und Dämpfelemente umfassen, um Abweichung des Riemen-Zahnabstandes auszugleichen, sind in der Vergangenheit erforscht worden. Dieses Verfahren ist auf Fälle beschränkt, in denen der Einbauraum eingeschränkt ist, d. h. bei kleinem Zahnabstand und kleinem Durchmesser des Kettenrades. Ein weiterer Nachteil derartiger Kettenräder würde in der Kostenzunahme im Verhältnis zu den zu erwartenden Vorteilen bestehen, da die Anzahl von Teilen und das Maß der Komplexität der Kettenradanordnung zunehmen.
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Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, ein Kettenrad für Zahnriemen-Antriebe zu schaffen, mit dem vorzeitiger Ausfall des Systems aufgrund des Abscherens von Zähnen umgangen wird. Des Weiteren ist zu erwarten, dass Zahnriemen-Antriebssysteme, bei denen eine oder mehrere hier offenbarte Kettenrad-Ausführungsform/en eingesetzt wird/werden, geringeren Verschleiß des Zahnriemens, weniger Probleme hinsichtlich der Dynamik und besseres Geräuschverhalten (NVH behavior) aufweisen als beim Einsatz von Kettenrädern nach dem Stand der Technik. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht in der Schaffung einer kosteneffektiven Lösung, die eine Verringerung der Breite des Bandes für einen bestimmten Einsatzzweck ermöglicht, so dass Kettenräder nach dem Stand der Technik ohne weitere Abwandlung des Riemenantriebs-Systems ersetzt werden können.
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Um die obenstehenden und weitere Aufgaben zu erfüllen, wird ein Kettenrad geschaffen, wie es in 6a und 6b mit 30 dargestellt ist. Das Kettenrad 30 weist Teile bzw. Abschnitte auf, die aus unterschiedlichem Material bestehen und so aneinander angebracht sind, dass sichere Kraftübertragung wie bei Kettenrädern nach dem Stand der Technik möglich ist. Um einfachen Austausch zu ermöglichen, können die Außenabmessungen (z. B. Breite, Teilkreisdurchmesser, Zahnprofil, Eingriffs-Grenzflächen) denen der Konstruktionen nach dem Stand der Technik gleich sein.
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Der/die innere/n Teil/e oder Abschnitt/e (zusammen als die Nabe bezeichnet und mit 32 dargestellt) kann/können aus jedem beliebigen Material bestehen, das die gleichen Anforderungen hinsichtlich Anbringung, Beständigkeit, Toleranzen, Betriebstemperaturen, Umgebungsbedingungen usw. erfüllt wie bei den Konstruktionen nach dem Stand der Technik, und so wird vorzugsweise das gleiche Material wie für Nabenbereiche von Kettenrädern nach dem Stand der Technik eingesetzt.
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Der/die äußere/n Teil/e oder Abschnitt/e (zusammen als die Krone bezeichnet und mit 34 dargestellt) kann/können aus jedem beliebigen geeigneten Material bestehen und die gleichen Anforderungen wie die Nabe hinsichtlich der Abmessungstoleranzen, Betriebstemperaturen und Umgebungsbedingungen erfüllen wie bei Kettenrädern nach dem Stand der Technik. Des Weiteren bewirkt das für die Krone 34 eingesetzte Material im Unterschied zu den starren Kettenrad-Zähnen von Kettenrädern nach dem Stand der Technik eine bestimmte Flexibilität der mit den Riemen-Zähnen 18 in Eingriff befindlichen Kettenrad-Zähne (mit 36 dargestellt). Materialien zum Herstellen der Krone 34, die die genannten Anforderungen erfüllen, können nichtmetallisch sein, so beispielsweise Polymermaterialien, wie beispielsweise Plastik und Elastomere. Es können Elastomere wie die für Zahnriemen nach dem Stand der Technik verwendeten eingesetzt werden. Das Material zum Herstellen der Krone 34 kann jedoch in einigen Ausführungsformen ein Metall sein. Die Krone 34 kann des Weiteren eine Schicht bzw. Beschichtung an ihrem Außenumfang enthalten, um die Verschleißbeständigkeit sowie die Reibungseigenschaften ihrer Zähne 36 zu verbessern, wenn diese mit den Zähnen 18 des Zahnriemens 12 in Eingriff sind und kämmen. Um die Lebensdauer der Krone 34 zu verbessern, insbesondere wenn sehr weiches Material eingesetzt wird, können Verstärkungsvorrichtungen darin eingebettet werden. Diese Verstärkungsvorrichtungen können beispielsweise eine spiralförmig gewickelte Einlage aus jedem beliebigen geeigneten Material oder beispielsweise radial angeordnete Federelemente sein, die Nabe 32 und Krone 34 verbinden.
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Um sichere Drehmomentübertragung von Nabe 32 auf Krone 34 zu gewährleisten, werden je nach dem zu übertragenden Maß an Drehmoment unterschiedliche Montageverfahren eingesetzt, die unterschiedliche Geometrien der Eingriffsfläche zwischen Nabe 32 und Krone 34 einschließen. Daher kann die Eingriffsfläche zylindrisch geformt sein, d. h. gleichbleibenden Durchmesser über ihre axiale Länge haben, und kann bearbeitet werden, um die Oberflächenrauigkeit zu erhöhen, so beispielsweise gerändelt werden. Die Eingriffsfläche kann des Weiteren als ein einheitliches radiales Profil ausgeführt werden, das eine Reihe radialer Vorsprünge an der Nabe bildet, die einer anderen Reihe radialer Vorsprünge an der Krone entspricht.
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6a–9b zeigen Beispiele für die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung. Die Krone 34 kann, wie in 6a und 6b zu sehen ist, auf die Nabe 32 aufgepresst werden, und die Eingriffsflächen, die mit 42 bzw. 44 dargestellt sind, können im Allgemeinen zylindrisch sein. Bei dem in 7a und 7b gezeigten Beispiel wird die Krone 34 auf die Nabe 32 vulkanisiert, und eine Vielzahl sich radial erstreckender Federelemente 46 verstärken die Verbindung zwischen der Krone 34 und der Nabe 32. In 8a und 8b wird die Krone 34 mit der Nabe 32 über eine Presspassung so verbunden, dass drei große (d. h. in Umfangsrichtung große) Vorsprünge 48 an der Nabe 32 mit drei Vertiefungen 50 an der Krone 34 in Eingriff kommen. Es ist zu bemerken, dass die Ausführungsform in 8a und 8b auch so betrachtet werden kann, dass drei große Vorsprünge 52 an der Krone 34 mit drei großen Vertiefungen 54 an der Nabe 32 in Eingriff kommen. In 9a und 9b wird die Krone 34 mit der Nabe 32 über eine große Anzahl an Vorsprüngen 56 an der Nabe 32 verbunden, die mit einer großen Anzahl an Vertiefungen 58 in der Krone 34 in Eingriff kommen. Wiederum könnte dies als Alternative dazu auch so betrachtet werden, dass sich die Vorsprünge an der Krone 34 befinden und sich die Vertiefungen an der Nabe 32 befinden.
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Das Kettenrad 30 kann montiert werden, indem Nabe 32 und Krone 34 mechanisch ineinander gepasst (pressgepasst) werden wobei optional ein Klebstoff auf die Eingriffsfläche aufgebracht werden kann. Es könnten zusätzlich zu einer Lösung mit Presspassung auch Sicherungsscheiben eingesetzt werden, um den Riemen zu spannen. Des Weiteren kann die Krone 34 unter Verwendung eines thermischen Prozesses, wie Spritzgießen oder, wie oben angeführt, Vulkanisieren, direkt auf die Nabe 32 aufgeformt werden.
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Wie bereits erwähnt, ist vorzeitiger Ausfall von Riemenantriebssystemen aufgrund des Abscherens von Zähnen eine Folge der Änderung der Zahnabstände von Riemenabschnitten aufgrund von Kraftübertragung von einer antreibenden Komponente auf wenigstens eine angetriebene Komponente (z. B. antreibendes Kettenrad auf Riemen oder Riemen auf angetriebenes Kettenrad). Der Grad der Verformung der Zähne 18 des Riemens beim Eingriff mit dem Kettenrad 36 steht im Verhältnis zur Größe der vorhandenen Abstandsdifferenz und des Steifigkeits-Verhältnisses der in Kontakt befindlichen Elemente, d. h. der Riemen-Zähne 18 und der Kettenrad-Zähne 36. Das in Kontakt befindliche Element mit der größeren Steifigkeit wird weniger verformt als das in Kontakt befindliche Element mit der geringeren Steifigkeit. Das Steifigkeitsverhältnis zwischen den Kettenrad-Zähnen 36 und den Riemen-Zähnen 18 kann im Bereich zwischen 2:1 und ungefähr 3:1 liegen und ist damit wesentlich kleiner als das Verhältnis bei Konstruktionen nach dem Stand der Technik (bei denen das Kettenrad aus Metall besteht und der Riemen aus Gummi besteht). Anhand von Modellierung des Eingriffsprozesses zwischen den Riemen-Zähnen 18 und den Kettenrad-Zähnen 36 als eine Kompression zweier in Reihe angeordneter Federn, wie dies in 10a–10c dargestellt ist, lassen sich Vorteile des Kettenrades 30 demonstrieren. Wenn davon ausgegangen wird, dass die gleiche Abstandsdifferenz auszugleichen ist wie dies bei der in 2 gezeigten Anordnung erforderlich wäre, wird die Zahnverformung an dem Riemen 12 gegenüber Konstruktionen nach dem Stand der Technik halbiert (wenn ein Steifigkeitsverhältnis von 1 angenommen wird). Ein weiterer Aspekt des Kettenrades 30 besteht darin, dass nur die Hälfte der Kraft erforderlich ist, um die gleiche Abstandsdifferenz auszugleichen, so dass eine Verringerung der durch den Eingriffsprozess erzeugten Reibung zu erwarten ist und die Gesamtlast an dem Zahn abnimmt. Diese Lösung ermöglicht es auch, die Breite des Riemens bei ähnlichen Lastbedingungen zu verringern, ohne dass die an den Riemen-Zähnen 18 auftretenden Belastungen zunehmen. Verringerung der Breite des Riemens ist vorteilhaft, da so die Riemen mit Kettenantrieben an Motoren konkurrieren können, ohne dass die Gesamtlänge des Motors zunimmt.
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10a zeigt eine allgemeine Version des Modells, bei dem eine erste Feder 60 den Riemen-Zahn 18 repräsentiert und eine zweite Feder 62 einen Kettenrad-Zahn (z. B. entweder Kettenrad-Zahn 20 oder Kettenrad-Zahn 36) repräsentiert, wenn kein Eingriff zwischen den zwei Zähnen vorliegt. K1 ist die Zahn-Steifigkeit des Riemen-Zahns 18, K2 ist die Zahn-Steifigkeit des Kettenrad-Zahns (unabhängig davon, welcher Kettenrad-Zahn repräsentiert wird). K repräsentiert die Steifigkeit des Systems und kann mit der folgenden Gleichung beschrieben werden: K = 1/(1/K1 + 1/K2)
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10b zeigt das Modell, wenn Eingriff zwischen dem Riemen-Zahn 12 und dem Kettenrad-Zahn 20 nach dem Stand der Technik vorhanden ist. In 10b sind der Riemen-Zahn 18 und der Kettenrad-Zahn 20 des Kettenrades 13 oder 14 nach dem Stand der Technik in Eingriff, und eine Kraft F wirkt zwischen ihnen. Da die Zahn-Steifigkeit des Kettenrad-Zahns 20 erheblich größer ist als die Zahn-Steifigkeit des Riemen-Zahns 18, ergibt sich aus der Gleichung, dass in K annähernd gleich K1 ist. Die Gesamt-Verschiebung bzw. Verformung der Zähne 18 und 20 wird mit XGesamt angegeben und setzt sich zusammen aus X1 (der Verformung des Riemen-Zahns 18) und X2 (der Verformung des Kettenrad-Zahns 20). In 10b beträgt X2 nahezu Null, und XGesamt beträgt annähernd X1, da der Kettenrad-Zahn 20 einen sehr hohen Steifigkeitswert hat.
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10c zeigt das Modell, wenn Eingriff zwischen dem Riemen-Zahn 18 und dem Kettenrad-Zahn 36 vorhanden ist. In 10c ist zu sehen, dass die zwischen den Zähnen 18 und 36 wirkende Kraft bei Eingriff F/2 ist, wie dies oben angemerkt ist und damit repräsentativ für die beispielhafte Ausführungsform ist, bei der die Steifigkeit K2 des Kettenrad-Zahns annähernd genauso groß ist wie die Steifigkeit K1 des Riemen-Zahns. Die Gesamtsteifigkeit K des Systems ist dann ungefähr genauso groß wie K1/2. Die Verformung X1 des Riemen-Zahns 18 ist annähernd genauso groß wie die Verformung X2 des Kettenrad-Zahns 20 und damit annähernd genauso groß wie XGesamt/2. Es ist zu bemerken, dass die Gesamt-Verformung XGesamt bei beiden Szenarien (d. h. den in 10b und 10c gezeigten Szenarien) annähernd gleich ist. Es ist zu bemerken, dass das Beispiel eines Verhältnisses 1:1 (d. h. wenn K1 = K2) nur als Beispiel dient und unter bestimmten Umständen sinnvoll sein kann. Im Allgemeinen ist zu bemerken, dass bei jedem beliebigen Riemenantriebssystem jeder beliebige Zahn 36 an dem Kettenrad 30 erheblich häufiger mit dem Riemen 12 in Eingriff kommt als jeder beliebige Zahn an dem Riemen 12 mit dem Kettenrad 30. Dadurch kann es, um Verschleiß an dem Kettenrad 30 zu verringern, nützlich sein, wenn Zähne 36 eine höhere Steifigkeit haben als die Riemen-Zähne 18. Bei bestimmten Beispielen ist es, wie oben angemerkt, vorgesehen, dass bei einem typischen Motor ein Steifigkeitsverhältnis der Steifigkeit des Kettenrad-Zahns zur Steifigkeit des Riemen-Zahns ungefähr 2:1 bis ungefähr 3:1 beträgt. Es liegt auf der Hand, dass in bestimmten Situation auch Verhältnisse außerhalb dieses Bereiches angewendet werden können. In wenigstens einigen Ausführungsformen liegt die Steifigkeit der Kettenrad-Zähne 36 näher an der Steifigkeit der Riemen-Zähne 18 als an der Steifigkeit der Nabe 32. Das Steifigkeitsverhältnis kann wenigstens teilweise auf Basis der Anzahl von Kettenrad-Zähnen 36 an der Krone 34 ausgewählt werden, die das Kettenrad 30 im Vergleich zu der Anzahl von Riemen-Zähnen 18 hat, die der Riemen 12 hat.
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Wenn ein festes Kettenrad 13 oder 14 mit dem Riemen 12 in Eingriff ist, ist die Lastverteilung für eine Reihe in Eingriff befindlicher Zähne 20 des Kettenrades 13 oder 14 an einer Seite des Kettenrades hoch und nimmt mit jedem in Eingriff befindlichen Zahn 20 in der Reihe in Eingriff befindlicher Zähne allmählich ab. 11b zeigt ein Kettenrad, das den Riemen 20 antreibt. Eine Reihe in Eingriff befindlicher Riemen- und Kettenrad-Zähne sind mit T1–T10 nummeriert. Wenn das in 11b gezeigte Kettenrad das in 2 gezeigte Kettenrad 13 ist, kann die Lastverteilung so sein, wie sie mit Kurve 64 in 11a dargestellt ist. Im Unterschied dazu kann, wenn das in 11b gezeigte Kettenrad das Kettenrad 30 (6a–9b) ist, die Lastverteilung in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen für jeden Zahn 30 in der Reihe konstant sein, wie dies mit Kurve 66 in 11a dargestellt ist. Selbst bei Ausführungsformen, bei denen die Lastverteilung nicht konstant ist, ermöglicht der Einsatz von Kettenrad-Zähnen 36 mit einer ausgewählten Steifigkeit, dass die Lastverteilung konstanter ist als dies mit der Kurve 64 dargestellt ist. Teilweise kann der Grad der Konstanz der Lastverteilung auf die Auswahl eines Steifigkeitsverhältnisses zwischen der Steifigkeit der Kettenrad-Zähne 36 und der der Riemen-Zähne 18 zurückgeführt werden. Es ist zu bemerken, dass jede in 11b gezeigte Zahn-Nummer T1–T10 entweder einen Riemen-Zahn 18 oder ebenso gut den dazugehörigen Kettenrad-Zahn 20 (oder 36) darstellen kann und dass daher die Lastverteilungskurven dementsprechend die Lasten repräsentieren, denen die Riemen-Zähne 18 und die Kettenrad-Zähne 20 oder 36 ausgesetzt sind.
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Das Kettenrad 30 kann in verschiedenen Umgebungen, wie beispielsweise Trockenriemen-Systemen und Nassriemen-Systemen (z. B. Riemen in Öl), eingesetzt werden. Das Kettenrad 30 erweist sich als besonders effektiv bei Systemen mit Riemen im Ölbad, bei denen die Riemen-Kettenrad-Grenzfläche gut geschmiert wird, so dass Reibung zwischen den Zähnen 18 des Riemens 12 und den Kettenrad-Zähnen 20 verringert wird. Dies führt zusätzlich zu der Verbesserung hinsichtlich dynamischer Lasten zu geringerem Zahnverschleiß, längerer Riemen-Lebensdauer und geringerer Geräuschentwicklung.
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Das Kettenrad 30 kann in Kraftfahrzeugen und für andere Zwecke eingesetzt werden. Es eignet sich besonders für die Kraftfahrzeugindustrie, wo versucht wird, die Riemenbreite zu verringern, um mit Kettensystemen konkurrieren zu können und die Länge des Motors soweit wie möglich zu verringern.
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Eine bevorzugte Situation, in der diese Idee/Technologie eingesetzt wird, ist ein Kettenrad, das einen kleinen Durchmesser (Polygon), hohe Lasten und/oder hohe Torsionsschwingungen/Steuerfehler innerhalb des Steuerantriebs hat. Dies tritt bei einigen neueren Diesel-Einspritzsystemen aufgrund ihrer weiter erhöhten Einspritzdrücke und der stärkeren dynamischen Belastungen und Drehmomente des Einspritz-Antriebsstrangs auf. Dies gilt auch für Einspritzsysteme mit einem oder mehreren Einspritzkolben.
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Beim Einsatz von Ausgleichswellen (AGW) kann sich das Kettenrad 30 aufgrund der höheren Trägheit und der Torsion, die von der Kurbelwelle wirken, als nützlich erweisen.
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Potentielle elektrostatische Ladung, die beim Einsatz nichtleitender Materialien (Gummi) für die Krone
34 auftreten kann, kann mit elektrisch leitenden Steuerriemen vermieden werden (siehe beispielsweise
US-Patent Nr. 6,770,004 o. ä.).
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Eine weitere Einsatzmöglichkeit für das Kettenrad 30 wären Antriebe, bei denen aufgrund sehr kurzer Abstände bzw. Spannweiten kein Raum zur Unterbringung eines Spannelementes vorhanden ist. Dies gilt beispielsweise für kompakte Ölpumpenantriebe bei einem System mit Riemen im Ölbad mit schmalen Riemen (7 mm), sehr kurzen Spannweiten und sehr hohen Lasten.
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Die Wirkungseigenschaften des Riemens können auf Grundlage von Simulationen und Tests basierend auf den Dynamikeigenschaften des Steuerriemens eingerichtet und angepasst werden. Das Kettenrad
30 kann ein rundes Kettenrad oder als Alternative dazu ein unrundes Kettenrad sein, wie dies beispielsweise in
US-Patent Nr. 7,044,875 beschrieben ist.
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Obwohl das oben dargestellte Konzept eines Kettenrades mit flexiblen Zähnen für ein gerades Standard-Riemenzahn-Profil beschrieben worden ist, könnte das gleiche Konzept auch bei nahezu jedem anderen Synchron-Antriebsriemen-Zahnprofil eingesetzt werden, das auf dem Markt verfügbar ist, so beispielsweise bei einem versetzten Pfeilverzahnungsprofil (als ein HOT-Zahnprofil bezeichnet), wie es in 12a und 12b und beispielsweise auf der Website mit der URL http://www.goodyearep.com/ProductsDetail.aspx?id=3400 dargestellt ist. Ein alternatives Profil kann ein Winkel-Zahnprofil (auch als Chevron-Verzahnung bezeichnet) sein, wie es in 13a und 13b dargestellt und beispielsweise auf der Website mit der URL http://zhxd.en.b2b168.com/shop/supply/6919053.html dargestellt ist. Es können auch andere Zahnprofile eingesetzt werden.
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Die obenstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Darstellung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt, sondern können wenn anwendbar, ausgetauscht werden und in einer ausgewählten Ausführungsform eingesetzt werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben ist. Diese kann ebenfalls auf vielfältige Weise verändert werden.
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Diese Veränderungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Abwandlungen sollen im Schutzumfang der Offenbarung eingeschlossen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6770004 [0052]
- US 7044875 [0054]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.goodyearep.com/ProductsDetail.aspx?id=3400 [0055]
- http://zhxd.en.b2b168.com/shop/supply/6919053.html [0055]
