DE60304503T2

DE60304503T2 - Zahnprofil eines Zahnrads

Info

Publication number: DE60304503T2
Application number: DE60304503T
Authority: DE
Inventors: Wang Yu Yong; Liu Gui Rong; Lu Chun; Quek Kwang Peng; Yoshihisa Otsu-shi Noguchi
Original assignee: Institute of High Performance Computing; Sunstar Logistic Singapore Pte Ltd
Current assignee: Institute of High Performance Computing; Sunstar Logistic Singapore Pte Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2023-03-22
Also published as: EP1348891B1; EP1348891A1; JP4435495B2; JP2003301927A; US20030186766A1; ATE323248T1; DE60304503D1; SG126693A1; US6958026B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kettenzahnräder zur Verwendung mit Rollenketten und insbesondere auf das Design eines Zahnprofils eines Kettenrads zur Verringerung von der Geräuschentwicklung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Kettenantriebssystem, das mindestens ein Kettenrad enthält, welches das neue Zahnprofil aufweist, sowie auf ein Verfahren oder ein System zum Konzipieren eines solchen Zahnprofils eines Kettenrads, entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 13 und 18 und wie in DE 2 821 945 A offenbart.
Stand der Technik
Beim Design von Rollenkettenantriebssystemen hat sich in den letzten Jahren die Geräuschverringerung als überragendes Kriterium herausgestellt. Es ist allgemein anerkannt, dass bei Rollenketten-Antriebssystemen die beiden wichtigsten Geräuschquellen sich aus des Polygon-Effekts und dem intensiven Anschlagen aufgrund der Relativgeschwindigkeit zwischen den Kettenrollen und den Zähnen des Kettenrads während deren Eingriffsvorgang ergeben. Der Polygon-Effekt ist der Effekt der Fluktation der Position, in welcher die Kette und die Kettenräder aufgrund des Umhüllens der Kette auf polygonale Weise eingreifen, wodurch sowohl longitudinale als auch transversale Kettenspannenvibrationen verursacht werden. Die Vibrationen führen zu ungleichmäßigen Kettengeschwindigkeiten, die den Eingriffsvorgang sowie das Niveau des Anschlagens beeinflussen.
Der Effekt des Anschlagens aufgrund der Relativgeschwindigkeit (siehe 1) kann wie folgt erläutert werden. Das Antriebszahnrad dreht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit und bei der Umwandlung der Drehkraft in eine Zugkraft sitzen die Rollen wiederum auf den Zähnen des Kettenrads auf und folgen der Bewegung des Kettenrads. In dem Moment, in welchem ein Zahn des Kettenrads mit einer Rolle eingreift, gibt es eine unmittelbare Änderung in der Richtung der Rollenbewegung, was zu einem intensiven Anschlagen führt.
Im Stand der Technik umfassen die Standardansätze zum Verbessern der Geräuscheigenschaften von Kettenantriebssystemen das Erhöhen der Zahnanzahl, die Manipulation von Parametern, die die Leistung des Systems beeinflussen und die Verbesserung des Rollen-Zahn-Einngriffsmechanismus. Die Erhöhung der Zahnanzahl ist das direkteste und effektivste Verfahren, um den Polygon-Effekt zu verringern, insbesondere im Fall von Hochgeschwindigkeitskettenantrieben. Designparameter, die gewöhnlich manipuliert werden, sind der Mittenabstand (der die Anfangsspannung kontrolliert) und die Trägheit des Kettenrads. Der Eingriffsmechanismus kann verbessert werden, indem eine verstärkte Schmierung, geräuscharme Ketten, Radführungen und Ähnliches verwendet werden.
Die zuvor genannten Techniken verbessern die zu einem gewissen Ausmaß Geräuscheigenschaften von Kettenantriebssystemen, aber es gibt gewisse Beschränkungen. Z.B. erfordert das Erhöhen der Anzahl der Zähne eine vergrößerte Zahnradabmessung und die Installation von Führungsrädern erfordert zusätzlichen Platz. Darüber hinaus funktionieren die Verfahren nicht in jedem Fall. Insbesondere kann die in der engen Spanne installierte Radführung die Rollen so führen, dass sie sich unter gewissen Bedingungen tangential zum Wälzkreis des Kettenrads dreht, aber nicht immer. Im Allgemeinen sind die Verfahren des Stands der Technik passiv, d.h., dass sie Abhilfen bereitstellen, die auf dem Standarddesign des Zahnprofils basieren, was ein größerer Nachteil ist. Ein aktiver Ansatz wäre es, die Wurzel des Problems der Geräuschentwicklung gleich in der Anfangsphase des Designs anzugehen, wie z.B. durch Konzipieren eines neuen Zahnprofils, um das Anschlagen zu minimieren. Wie zu verstehen ist, bezeichnet hier der Begriff „Zahnprofil" allgemein die zweidimensionale Form oder das Profil des Zahns des Kettenrads in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Kettenrads.
Das Design eines neuen Zahnprofils ist keine einfache Aufgabe, da seit vielen Jahren Designverfahren entwickelt wurden und durch verschiedene Standards anerkannt sind, wie z.B. ISO (International Standard Organisation) – Standard 606: 1994(E) und JIS (Japanese Industrial Standard) B 1802-1981. Diese sind jeweils in 3 und 4 dargestellt. Trotzdem gibt es noch viel Raum für die Entwicklung des Zahnprofildesigns und die Kunst des Zahnprofildesigns zur Verringerung der Geräuschentwicklung wurde in den letzten Jahren umfassend erforscht und verfeinert.
Das US-Patent Nr. 4,58,209 an Ledvina beschreibt ein Kettenrad zur Verwendung mit einer geräuschlosen Steuerkette, wobei das Kettenrad mit einer geraden Anzahl von Zähnen gebildet ist, von denen es abwechselnde Zahnprofile gibt.
Das US-Patent Nr. 5,397,278 an Suzuki et al. beschreibt ein verbessertes Kettenrad, welches das Anschlagen zwischen den Rollen und dem Kettenrad während des Eingriffs verringert. Der durch der Polygon-Effekt erzeugte Vibrationslärm wird nicht behandelt.
Das US-Patent Nr. 5,036,614 an Baddaria beschreibt einen symmetrischen Kettenradzahn mit einem komplexen Profil, das sowohl das Anschlagsgeräusch als auch das aufgrund des Polygon-Effekts auftretende Geräusch angeht. Das Profil weist einen Rollengleitwinkel auf, der jenen von der ISO empfohlenen übertrifft, was eine Quelle von Problemen während des Lösens des Eingriffs sein kann. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Verbindungspunkts zwischen dem Sitzabschnitt und dem Anschlagabschnitt nicht einfach und die Komplexität beim Bestimmen des Profils kann auch beanstandet werden, zumindest von den Designern.
Eine Reihe von Patenten, nämlich das US-Patent Nr. 5,921,874, das US-Patent Nr. 5,993,344 und das US-Patent Nr. 6,090,003 an Young, beschreiben ein Rollenkettenzahnrad mit verbesserten Geräuscheigenschaften. Das zugrundeliegende Prinzip ist das Bereitstellen eines asymmetrischen Zahnraums, der eine flache Oberfläche umfasst, die ein „stufenweises" Rollenanschlagen bereitstellt, wobei zuerst ein tangentiales Anschlagen auftritt gefolgt von einem radialen Anschlagen. Obwohl diese Technik einen einzelnen Anschlag in zwei zu verschiedenen Zeiten auftretende Anschläge aufteilt, sind dennoch sowohl das tangentiale als auch das radiale Anschlagen unmittelbar.
Die US 4,116,081 beschreibt ein Zahnradprofil für ein Kettenantriebszahnrad.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Kettenrad bereitzustellen, bei dem das Geräusch verringert wird, wenn es in einem unidirektionalen Rollenketten-Antriebssystem verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Kettenrad mit verringertem Anschlagen von Rolle und Zahn durch Konzipieren eines neuen Zahnprofils bereitzustellen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgaben werden durch den Gegenstand der Ansprüche 1, 11, 12, 13 und 18 gelöst.
Der Anschlagspunkt liegt auf einer Linie, die tangential zu einem kreisförmigen Sitzabschnitt des Zahnprofils ist, wobei diese Tangentenlinie eine Mitte der Drehachse des Kettenrads schneidet. Das Eingriffsflankenprofil umfasst bevorzugt drei Bereiche oder Abschnitte, die den Sitzabschnitt (unteren Abschnitt), einen Anschlagsabschnitt (Mittelabschnitt) und einen distalen Abschnitt (oberen Zahnabschnitt) umfassen. Der Sitzabschnitt wird bevorzugt von einem kreisförmigen Bogen definiert, dessen Radius geringfügig größer als jener der Kettenrollen ist. Der Sitzabschnitt erstreckt sich bevorzugt vom Zahnfuß nach oben und kann in der Tat den Fußkreis bilden oder definieren.
Der Anschlagsabschnitt wird bevorzugt von einem anderen Bogen definiert, der den Sitzabschnitt an seinem Tangentialpunkt von der Mitte des Kettenrads mit der Bogenmitte verbindet, die entlang der Mittellinie jenes besonderen Zahns liegt.
Der distale Abschnitt ist bevorzugt ein weiterer Bogen, dessen Bogenmitte vom JIS-Standard bestimmt wird. Der Radius wird vom Endpunkt des Anschlagsabschnitts bestimmt, der der Schnittpunkt des Anschlagsabschnitts und der Verlängerung der die Mitten des Anschlagsabschnitts und des distalen Abschnitts verbindenden Linie ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Eingriffsflanke des Zahnprofils einen Anschlagsabschnitt neben dem Sitzabschnitt und einen distalen Abschnitt neben dem Anschlagsabschnitt, und der Sitzabschnitt, der Anschlagsabschnitt und der distale Abschnitt des Eingriffsflankenprofils umfassen jeweils einen kreisförmigen Bogen, der von einem Radius und einer Bogenmitte definiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Anschlagspunkt auf der Eingriffsflanke jedes Zahns über (d.h. radial nach außen von) einer hypothetischen Linie, die die Bogenmitte des Sitzabschnitts (d.h. die Mitte der Teilung) des jeweiligen Zahns und eine Bogenmitte des Sitzabschnitts (d.h. die Mitte der Teilung) eines benachbarten Zahns verbindet. Der distale Abschnitt, der Anschlagsabschnitt und der Sitzabschnitt der Eingriffsflanke gehen demnach bevorzugt glatt ineinander über und der Anschlagspunkt liegt dort, wo der Anschlagsabschnitt sich mit dem Sitzabschnitt verbindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Bogenmitte für den Anschlagsabschnitt am Schnittpunkt einer hypothetischen Linie, die sich von der Bogenmitte des Sitzabschnitts (d.h. der Mitte der Teilung) des jeweiligen Zahns durch den Anschlagspunkt erstreckt, mit der radialen Mittellinie jenes Zahns.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bogenmitte des distalen Abschnitts nach dem JIS-Standard B 1802-1981 definiert und der distale Abschnitt ist mit dem Anschlagsabschnitt der Eingriffsflanke bevorzugt an einer Stelle verbunden, wo eine hypothetische Linie, die sich zwischen der Bogenmitte des distalen Abschnitts und der Bogenmitte des Anschlagsabschnitts erstreckt, den Kreisbogen des Anschlagsabschnitts schneiden würde. Der Kreisbogen des Anschlagsabschnitts endet bevorzugt an einem Außenkreis des Kettenrads.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Teilung des Kettenrads kleiner als die Teilung der Rollen und somit ist der Telkreisradius des Kettenrads so geändert, dass er kleiner als jener Radius ist, der von dem JIS-Standard B 1802-1981 bestimmt wird.
Das Zahnprofil des Kettenrads entsprechend der Erfindung ist bevorzugt asymmetrisch und die eingriffslösende Flanke ist bevorzugt entsprechend dem JIS-Standard B 1802-1981 konzipiert, wobei ein abgewandelter Zahnfußradius und ein abgewandelter Teilkreisradius verwendet werden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Kettenantriebssystem mit mindestens einem Kettenrad entsprechend der Erfindung wie oben allgemein beschrieben und eine komplementäre Rollenkette für den Eingriff damit bereit. In noch einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung auch eine Maschine bereit, die ein Kettenantriebssystem entsprechend der Erfindung umfasst.
Entsprechend noch einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Konzipieren eines Kettenrad-Zahnprofils für ein Kettenrad in einem Kettenantriebssystem bereit, wobei das Zahnprofil des Kettenrads eine Eingriffsflanke umfasst, die geeignet ist, um eine Kettenrolle zu berühren, während die Kette mit dem Zahn in Eingriff gelangt, und eine Eingriffslösende Flanke umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen eines Fußkreisradius für den Kettenradzahn, um einen kreisförmigen Sitzabschnitt für eine Rolle einer Basis des Eingriffsflankenprofils zu definieren; und definieren der Stelle eines Anschlagspunkts für den anfänglichen Eingriff mit einer Rolle auf einer Tangentenlinie zum kreisförmigen Sitzabschnitt, wobei die Tangentenlinie auch einen Mittelpunkt oder eine Drehachse des Kettenrads schneidet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter den Schritt des: Definierens des Anschlagspunkts auf der Eingriffsflanke jedes Zahnes als über (d.h. radial auswärts von) einer hypothetischen Linie liegend, welche den Bogenmittelpunkt des Sitzabschnitts (der Mitte der Teilung) des jeweiligen Zahnes und einen Bogenmittelpunkt des Sitzabschnitts eines benachbarten Zahnes verbindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter den Schritt des: Definierens der Eingriffsflanke des Zahnprofils als einen Anschlagsabschnitt neben dem Sitzabschnitt und einen distalen Abschnitt neben dem Anschlagsabschnitt aufweisend, wobei der Sitzabschnitt, der Anschlagsabschnitt und der distale Abschnitt des Eingriffsflankenprofils jeweils einen von einem Radius und einer Bogenmitte definierten Kreisbogen umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter den Schritt des: Definierens der Bogenmitte für den Anschlagsabschnitt als am Schnittpunkt einer hypothetischen Linie, die sich von der Bogenmitte des Sitzabschnitts (d.h., der Mitte der Teilung) des jeweiligen Zahns durch den Anschlagspunkt erstreckt, und der radialen Mittellinie jenes Zahns liegend.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Definieren der Bogenmitte des distalen Abschnitts nach dem JIS-Standard B 1802-1981, sodass der distale Abschnitt mit dem Anschlagsabschnitt der Eingriffsflanke an eine Stelle verbunden ist, wo eine hypothetische Linie, die sich zwischen der Bogenmitte des distalen Abschnitts und der Bogenmitte des Anschlagsabschnittes erstreckt, den kreisförmigen Bogen des Anschlagsabschnitts schneiden würde.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein neues Zahnprofil für ein Rollenkettenzahnrad zur Verfügung. Eine schrittweise Methodologie zur Definition des neuen Profils wird auch bereitgestellt. Es hat sich gezeigt durch numerische Simulation sowie durch Prototyptesten, dass sich die Geräuschniveaus aufgrund der zugrundeliegende Mechanik. wesentlich verringert haben. Obwohl das Profil hauptsächlich für das Antriebskettenrad entwickelt wurde, ist es ebenso auf das angetriebene Kettenrad anwendbar. Das neue Kettenradzahnprofil umfasst natürlich sowohl eine Eingriffs als auch eine eingriffslösende Flanke, obwohl die vorliegende Erfindung sich hauptsächlich auf die Eingriffsflanke konzentriert. Das Zahnprofil entsprechend der Erfindung ist bevorzugt asymmetrisch, wobei das Design der eingriffslösenden Flanke bevorzugt entsprechend dem im JIS-Standard beschriebenen Verfahren bestimmt wird. In solch einer bevorzugten Ausführungsform ist die Geräuschverringerung nur unidirektional, und obwohl das Kettenzahnradsystem immer noch in der anderen Richtung arbeiten kann (wobei die Eingriffs- und eingriffslösenden Flanken vertauscht werden), erfährt in diesem Fall es keine Geräuschverringerungsvorteile.
Eine Weise, auf welche die vorliegende Erfindung sich von herkömmlichen Designverfahren unterscheidet, ist, dass die Teilung des Kettenrads der vorliegenden Erfindung kleiner als die Teilung der Rollenkette ist, während hingegen das umgekehrte für das herkömmliche Kettenrad der Fall ist. Dies ist eine notwendige Bedingung für einen richtigen Eingriffsvorgang, wie durch eine Finite-Element-Analyse festgestellt wurde.
Das einem solchen Profil zugrundeliegende Prinzip ist es, das unmittelbare Anschlagen des herkömmlichen Kettenraddesigns während dem Eingriff über einen Zeitraum hinweg zu verteilen, wodurch eine allmähliche Änderung in der Richtung der Kettenrollen ermöglicht wird. Die Geschwindigkeit der Kettenrollen kann in zwei Komponenten aufgelöst werden, die radial und tangential zur Zahnoberfläche am Anschlagspunkt sind. Zu Beginn der Anschlagsdauer besteht die Änderung lediglich in der tangentialen Richtung; danach nimmt die Änderung in der tangentialen Richtung ab, während jene der radialen Richtung zunimmt. Eine allmähliche Gesamtänderung der Geschwindigkeit verringert die Anschlagsniveaus wesentlich und führt zu einer Geräuschverringerung. Ein neuer Tangentialpunkt wird hierbei definiert, und indem der Anschlagspunkt auf den Tangentialpunkt gebracht wird, oder zumindest in die Nähe davon, wird die Geschwindigkeitsänderung für das anfängliche Anschlagen minimiert.
Somit ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung das Vorsehen eines Tangentialpunkts als Anschlagspunkt, wodurch ein minimales anfängliches Anschlagen und eine allmähliche Änderung in der Geschwindigkeit der Kettenrollen während des Eingriffs ermöglicht wird, was zu einem verringerten Anschlagen und zur Geräuschverringerung führt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Kettenrolle an den Kettenradzahn zuerst am Tangentialpunkt anschlägt und dann allmählich nach unten auf den Sitzabschnitt fällt, wodurch der Polygon-Effekt und die vertikalen Vibrationen der Kette verringert werden.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Eingriffsflanke bevorzugt aus drei Bögen mit Bogenmitten besteht, welche auf einfache Weise bestimmt werden können, wodurch das Design und die Herstellung erleichtert werden.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der vollständige Kontakt der Rolle und des Sitzabschnitts entlang der Krümmung nach dem Eingreifen, wodurch leichte Dimensionstoleranzen erlaubt werden, was zu einer Verringerung im breitbandigen mechanischen Geräusch führt, das durch dimensionale Ungenauigkeiten erzeugt wird.
Die obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen umfassender verstanden werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile anzeigen:
1 veranschaulicht den Eingriffsvorgang für ein herkömmliches Kettenzahnradsystem.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der eingreifenden Rolle und eines Kettenradzahnes, zusammen mit den Komponenten der Geschwindigkeitsänderung;
3 zeigt das Zahnprofil und einige der Designparameter nach dem ISO-606-Standard;
4 zeigt die „S"-artigen Zahnprofile und Designparameter für ein Rollenkettenzahnrad nach dem JIS-Standard;
5 ist ein bildlicher Vergleich des Zahnprofils entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dem JIS-Standard;
6 zeigt die idealen Grenzen der Zahnprofilform unter der Annahme, dass der Kettenradzahn und die Rollenkette starre Körper sind; und
7 veranschaulicht ein neues Kettenradzahnprofil entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird auf 1 Bezug genommen, die den Eingriffsvorgang für ein herkömmliches Kettenzahnradsystem veranschaulicht. Ein Antriebszahnrad 110 dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit Ω und jeder Punkt des Zahnrads bewegt sich entlang seiner tangentialen Richtung. Vollständig aufsitzende Rollen 121 folgen der Bewegung der Kettenradzähne 112. Rollen 123, die noch nicht eingreifen, bewegen sich mit einer Rollengeschwindigkeit Vr. Eine Rolle 122 befindet sich am Eingriffspunkt mit einem Kettenradzahn 112, wobei sie an einem Anschlagspunkt 114 anschlägt. Unmittelbar nach dem Anschlag ändert sich die Rollengeschwindigkeit Vr, um mit der Zahngeschwindigkeit Vt des Kettenradzahns 112 am Anschlagspunkt 114 überein zu stimmen. Somit gibt es eine Änderung in der Geschwindigkeit, Vs, die das Ergebnis eines plötzlichen Anschlagens ist. Es ist nützlich, dieses Verhältnis mit einem geschlossenen Vektorpolygon 131 darzustellen.
Nun wird auf 2 Bezug genommen, die ein vergrößerte Ansicht der eingreifenden Rolle und des Kettenradzahns sowie die Komponenten der Änderung der Geschwindigkeit Vs zeigt. Ein Verfahren zum Auflösen des Vektors Vs ist in einem Vektordiagramm 132 gezeigt, und zwar in der radialen und tangentialen Richtung in Bezug auf die Zahnradmitte, jeweils mit Vs_r und Vs_t bezeichnet. Der Winkel, den die Komponente Vs_t mit V_s bildet, wird weiter mit ψ bezeichnet. Ein weiteres Verfahren, wie in einem anderen Diagramm 133 gezeigt, verwendet den Zahnprofilgradienten am Anschlagspunkt 114 als Bezugspunkt. Die zum Zahnprofil normale Komponente wird mit Vs_n, die Komponente mit der senkrechten zur normalen Richtung wird mit Vs_p bezeichnet, die im Folgenden einfach als senkrechte Richtung bezeichnet wird. Die Verwendung des Begriffs „Tangentialrichtung" wird hier vermieden, um eine Zweideutigkeit bei der Nomenklatur zu vermeiden, da dieser Begriff streng genommen für Vs_t im Vektordiagramm 132 reserviert ist. Der Winkel zwischen Vs_n und Vs wird weiter mit ϕ bezeichnet. Es ist offensichtlich, dass ϕ eine Funktion es Zahnprofilgradienten am Anschlagspunkt ist, während ψ unabhängig vom Gradient ist und für einen gegebenen Anschlagspunkt konstant ist. Wenn der Zahnoberflächengradient am Anschlagspunkt 114 in der radialen Richtung ausgerichtet ist, sind ϕ und ψ gleich und die Vektordiagramme 132 und 133 stimmen überein.
Für das herkömmliche Zahnraddesign treten Vs_n und Vs_p praktisch gleichzeitig auf, was zu einem großen Anschlagen führt. Bisher gab es Versuche, das Anschlagen in zwei Stufen zu staffeln, wie im US-Patent Nr. 5,993,344 an Young offenbart. Der Nachteil eines solchen Ansatzes ist, dass jede dieser zwei Stufen aus einem getrennten Anschlagen einer sehr kurzen Anschlagszeit besteht. Eine allmählichere Änderung in der normalen und senkrechten Geschwindigkeit über eine verlängerte Anschlagszeit wird das Anschlagsgeräusch umfassender verringern. Die vorliegende Erfindung ist auf diese Ausgabe hin gerichtet, indem ein verbessertes Zahnprofil beschrieben wird.
Das neue Profil sollte die folgenden grundlegenden Anforderungen erfüllen, die dann ausgearbeitet werden:

– Stetige Krümmung des Zahnprofils
– Standards am Zahnprofildesign, nämlich die ISO und JIS-Standards
– Minimale Zahnform, um den Eingriff und das Lösen des Eingriffs der Rolle mit dem Zahnrad zu erlauben.

Eine stetige Krümmung ist wesentlich, um einen glatten Kontakt zwischen der Rolle und dem Zahn aufrecht zu erhalten, ohne zusätzliches Anschlagen zu induzieren. Knicke müssen vermieden werden, insbesondere zwischen den verschiedenen Abschnitten des Profils.
3 zeigt den ISO-Standard. Von besonderem Interesse für die vorliegende Erfindung ist der Rollensitzwinkel α, der innerhalb folgender Grenzen liegen sollte:
120° – (90°/Z) < α < 140° – (90°/Z), wobei Z die Zahnanzahl ist.
Die obere Grenze ist zwingend, um einen richtigen Eingriffs- und eingriffslösenden Mechanismus sicherzustellen.
4 zeigt den JIS-Standard, wobei das Diagramm und die Gleichungen hier wiedergegeben werden. Das Zahnprofil der vorliegenden Erfindung basiert hauptsächlich auf dem JIS-Standard. Insbesondere folgt das eingriffslösende Flankenprofil einer modifizierten Form des JIS-Standards. Die Aspekte, in denen die beiden sich unterscheiden, werden im Folgenden aufgezeigt, während die 5 einen visuellen Vergleich zwischen dem JIS-Standard und dem neuen Profil erleichtert.
Im Folgenden wird auf 6 Bezug genommen, die den idealen Fall der Grenzen der Zahnprofilform zeigt, bei denen das Zahnrad 110 und die Kettenrollen als starre Körper behandelt werden. Die gepunkteten Kreise veranschaulichen die Bewegung einer Rolle 124 einer relativen Position zum Zahnrad 110, während sich die Rolle 124 während des Lösens des Eingriffs nach außen bewegt. Dies stellt eine Beschränkung auf das Profil der Eingriffsflanke 115 dar, da der Laufweg der Rolle 124 behindert werden würde, sollte die Grenzprofilform überschritten werden. Auf ähnliche Weise existiert ein Grenzprofil für einen geeigneten Eingriff für die eingriffslösende Flanke 116, die ein Spiegelbild der 6 um die vertikale Achse ist. Die letztere Beschränkung ist weniger wichtig für das Profil der Erfindung, da die eingriffslösende Flanke 116 nahe am JIS-Standard liegt.
Nachdem die Haupterfordernisse festgelegt wurden, ist nun eine Diskussion der Designbetrachtungen angebracht. Bezug genommen wird nun wieder auf 2. Es ist offensichtlich, dass im exakten Moment des anfänglichen Anschlagens am Anschlagspunkt 114, unter Annahme eines idealen reibungslosen Szenarios, es nur die Komponente Vs_n gibt (in der Praxis wird Reibung auf Vs_p zurückgeführt, aber die letztere ist wesentlich kleiner), die der Hauptbeitrag zum Anschlagsgeräusch ist. Dann „rollt" die Rolle 122 leicht zu einem unteren Punkt nach unten und der Kontaktpunkt ändert sich. In diesem Moment würde sich die Richtung von V_t aufgrund der Drehung des Kettenrads verschoben haben. V_r würde sich auch geändert haben. Der Vorgang wird wiederholt, bis die Rolle 122 vollständig sitzt, sodass V_r und V_t gleich sind. Für das herkömmliche Kettenraddesign ist die gesamte Dauer sehr kurz. In der Praxis tritt aufgrund dimensionaler Toleranzen und Ungewissheiten im Eingriffsmechanismus das Anschlagen nicht stets am beabsichtigen Anschlagspunkt 114 auf, was lediglich zur Komplexität des Eingriffsvorgangs beiträgt. Es genügt anzudeuten, dass das Anschlagsgeräusch durch Minimieren von Vs_n begrenzt werden kann, obwohl der detaillierte Mechanismus nicht so einfach beschrieben werden kann.
Nun wird auf 7 Bezug genommen, die das neue Profil der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Profil der Eingriffsflanke umfasst drei getrennte Abschnitte; nämlich einen Sitzabschnitt (Bodenabschnitt) 211, einen Anschlagsabschnitt (Zwischenabschnitt) 212 und einen distalen Abschnitt (Zahnkopfabschnitt) 213. Der Sitzabschnitt 211 ist ein Bogen A, B mit Fußradius R und Mitte O₁, der Anschlagsabschnitt 212 ist ein anderer Bogen BC mit Radius O_BCC und Mitte O_BC, während der distale Abschnitt 230 ein weiterer Bogen CD mit Radius O_CDC und Mitte O_CD ist.
Die fundamentale Idee für das verbesserte Profil ergibt sich aus dem Konzept der allmählichen Änderung der Geschwindigkeit durch Minimierung von Vs_n. Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass Vs_n minimiert wird, wenn der Zahnprofilgradient am Anschlagspunkt 114 in der radialen Richtung ausgerichtet ist, sodass ϕ gleich ψ ist. Dies wird erreicht, indem der Anschlagspunkt 114 an einem Tangentialpunkt 210 an B gelegt wird, definiert durch eine Linie, welche durch die Mitte des Zahnrads O führt und den Bogen AB berührt. Im Stand der Technik fallen der Anschlagspunkt und der hypothetische Tangentialpunktbogen nicht notwendigerweise zusammen. In der Praxis kann der Anschlagspunkt 114 unter anderem aufgrund von dimensionalen Toleranzen nicht mit Sicherheit vorhergesagt werden, aber er sollte durchweg in der Nähe des Tangentialpunktes 210 liegen.
Das anfängliche Anschlagen erfährt eine Geschwindigkeitsänderung zuerst in der tangentialen Richtung (also normal zur Zahnoberfläche), gefolgt von einer allmählichen Änderung in der radialen Richtung (also parallel zur Zahnoberfläche). Da die Richtung des anfänglichen Anschlagens Vs_n mit Vt zusammenfällt, besteht die Beschränkung auf die Rolle nur tangential und nicht in der radialen Richtung. Die Rolle kann allmählich über eine verlängert Anschlagsdauer in die Sitzposition „rollen" wodurch das Anschlagsgeräusch verringert wird. Es folgt daraus, dass ein zusätzlicher Vorteil entsteht, nämlich die Verringerung der transversalen Vibrationen aufgrund des Polygon-Effekts.
Das Design des Profils nach dem Anschlagspunkt 114 ist von zwei widersprüchlichen Anforderungen beschränkt. Einerseits gibt es ein Grenzprofil, das nicht überschritten werden darf, es sei denn der eingriffslösende Mechanismus wird behindert. Andererseits wird eine stetige Krümmung zu einem überschrittenen Profil führen, zumindest wenn herkömmliche Designeinsätze verwendet werden. Diese Anforderungen werden durch das Vorsehen eines Bogens BC anstatt einer geraden Linie am Anschlagsabschnitt erfüllt.
Das Verhältnis der Zahnradteilung zur Rollenkettenteilung für die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom herkömmlichen Design. Für das herkömmliche Design liegt der Anschlagspunkt 114 unter der Linie O₁, O₂, die die beiden benachbarten Teilkreismitten verbindet. Somit sollte die Zahnradteilung geringfügig länger als die Rollenkettenteilung sein, um die Zugverformung der Rollenkette zu berücksichtigen. Stattdessen ist beim neuen Design der Anschlagspunkt nun oberhalb der Linie O₁, O₂ gelegen, was bedeutet, dass die Zahnradteilung zu groß wird und geringer als die Rollenkettenteilung sein sollte, sodass sie einander während des Eingriffsvorgangs entsprechen können. Als Nebenbetrachtung wird der Teilkreisradius O, O₁ kleiner als der JIS-Standard, um der geringeren Zahnradteilung zu entsprechen.
Die eingriffslösende Flanke 215 folgt einem abgewandelten JIS-Standard, indem ein abgewandelter Zahnfußradius und ein verringerter Teilkreisradius verwendet werden. Es besteht kaum Notwendigkeit für weitere Abwandlungen, da das Anschlagen während des Lösens des Eingriffs nicht in Betracht gezogen wird, und ein symmetrische Profil basierend auf dem neuen Profil beeinträchtigt lediglich den Eingriffsvorgang. Das asymmetrische Profil der vorliegenden Erfindung ist somit in der Lage, die günstigen Aspekte des Designs der Eingriffs- und der eingriffslösenden Flanke auszunutzen. Z.B. muss der ISO-Standard am maximalen Rollensitzwinkel α nicht im neuen asymmetrischen Profil angepasst werden.
Die Methodik für das neue Profildesign wird im Folgenden als schrittweiser Vorgang umrissen:

1. Zeichnen des Teilkreises mit Radius R_p' = R_p – R, wobei ΔR aus dem Zahnradius ΔR und dem Rollenradius R_r bestimmt wird.
2. Zeichnen eines Kreises mit einem Zahnfußradius R und der Mitte bei O₁, wobei R geringfügig größer als der Rollenradius R_r ist. [siehe z.B. 7; in der R = O₁A = 1, 0₁·R_r + 0,065 (2R_r)^1/3] 3. Finden der Tangentiallinie OB des obigen Kreises um den Tangentialpunkt B zu bestimmen.
4. Zeichnen der Linie O₁B und ihr Verlängern, um sich mit der Zahnmittellinie OO_BC in O_BC zu schneiden.
5. Zeichnen eines Bogens mit Radius O_BCB und Mitte bei O_BC.
6. Bestimmen eines Punktes O_CD nach dem JIS-Standard.
7. Zeichnen der Linie O_CDO_BC und Verlängern derselben, um sich mit der obigen Kurve BC im Punkt C zu schneiden.
8. Zeichnen eines Bogens mit Radius O_CDC und Mitte bei O_CD mit dem Bogen, der sich mit dem äußeren Kreis 118 im Punkt D schneidet.
9. Bestimmen des Profils der eingriffslösenden Flanke 215 nach dem modifizierten JIS-Standard, bei dem die Zahnradteilung kleiner als die Rollenkettenteilung ist.

Nun wird wieder auf 5 Bezug genommen, die einen bildlichen Vergleich des neuen Profils und des JIS-Standards gibt und die nützlich ist, um die Hauptmerkmale des neuen Profils zu erkennen. Die gepunkteten Linien werden für das JIS-Profil 117 verwendet, während durchgehende Linien das abgewandelte JIS-Profil 217 darstellen. Der Hauptunterschied des neuen Profils ist das Hinzufügen eines Abschnitts 220 an der Eingriffsflanke 115 des modifizierten JIS-Profils 217. Es gibt wenig Abwandlung am Profil der eingriffslösenden Flanke 116.
Somit wurde ein neues und verbessertes Zahnprofil für ein Kettenrad beschrieben, das das Geräuschniveau während dem Eingriffsvorgang verringert und es ist durch Finite-Element-Analysen sowie durch Prototyptests bestätigt worden. Die experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass das getestete Kettenrad mit dem neuen und verbesserten Zahnprofil der Erfindung das Systemgeräusch von einem Niveau von 90,82 dB auf ein Niveau von 86,33 dB verringert. Dies stellt eine ungefähr 5%ige Verringerung im Systemgeräusch dar.
Obwohl eine bestimmte Methodik zum Zeichnen des Zahnprofils beschrieben wurde, ist es möglich, Abwandlungen dieser Methodik durchzuführen, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Z.B. kann die Bogenmitte O_CD des distalen Abschnitts abweichend vom JIS-Standard platziert werden, da eine geringfügige Verschiebung in der Positionierung von O_CD kaum wesentlichen Auswirkungen auf den Geräuschverringerungsmechanismus haben wird.

Claims

Kettenrad (110) zur Verwendung mit einer Rollenkette mit einer Folge von aufeinanderfolgend verbundenen Rollen (121), besagtes Kettenrad umfassend: eine Mehrzahl von um seinen Umfang herum mit Zwischenraum angeordneten Zähnen (112) zum Antriebseingriff mit den Rollen, wobei mindestens einer der besagten Zähne ein Zahnprofil aufweist, welches eine Eingreifflanke (115), die angepasst ist, eine Rolle zu berühren, während sich jene Rolle in Eingriff mit besagtem mindestens einen Zahn begibt, und eine Auslöseflanke (116) einschließt; wobei besagte Eingreifflanke einen Auftreffpunkt (114) zum anfänglichen Eingriff mit einer Rolle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass besagter Auftreffpunkt auf einer einen kreisförmigen Sitzabschnitt (211) des Zahnprofils tangierenden Linie angeordnet ist, wobei die Tangentiallinie einen Mittelpunkt oder Rotationsachse des Kettenrades schneidet.
Kettenrad nach Anspruch 1, wobei die Eingreifflanke des besagten Zahnprofils einen Auftreffabschnitt (212) angrenzend an besagtem Sitzabschnitt und einen Distalabschnitt (213) angrenzend an den Auftreffabschnitt einschließt, wobei jeder von besagtem Sitzabschnitt, Auftreffabschnitt und Distalabschnitt des besagten Eingreifflankenprofils einen durch einen Radius und einen Bogenmittelpunkt definierten Kreisbogen umfasst.
Kettenrad nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Auftreffpunkt dort angeordnet ist, wo der Auftreffabschnitt an den Sitzabschnitt angrenzt.
Kettenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Auftreffpunkt auf der Eingreifflanke jedes Zahnes über einer hypothetischen Linie liegt, welche den Bogenmittelpunkt des Sitzabschnittes des entsprechenden Zahnes und den Bogenmittelpunkt des Sitzabschnittes eines benachbarten Zahnes verbindet.
Kettenrad nach einem Anspruch 2, wobei der Distalabschnitt, Auftreffabschnitt und der Sitzabschnitt der Eingreifflanke glatt anschließen, vorzugsweise tangential.
Kettenrad nach Anspruch 2, wobei der Bogenmittelpunkt für den Auftreffabschnitt am Schnittpunkt zwischen einer hypothetischen Linie, welche sich vom Bogenmittelpunkt des Sitzabschnittes des entsprechendes Zahnes durch den den Auftreffpunkt erstreckt, und der radialen Mittelpunktslinie jenes Zahnes liegt.
Kettenrad nach Anspruch 2, wobei besagter Bogenmittelpunkt des Distalabschnittes gemäß JIS-Standard B1802-1981 definiert ist, und wobei der Distalabschnitt an den Auftreffabschnitt der Eingreifflanke an einer Stelle grenzt, wo eine hypothetische Linie, welche sich zwischen dem Bogenmittelpunkt des Distalabschnittes und dem Bogenmittelpunkt des Auftreffabschnittes erstreckt, den Kreisbogen des Auftreffabschnittes schneiden würde.
Kettenrad nach Anspruch 7, wobei der Kreisbogen des Distalabschnittes an einem äußeren Kreis des Kettenrades endet.
Kettenrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilung des besagten Kettenrades kleiner ist als die Teilung der besagten Rollen, und somit der Teilkreisradius des Kettenrades so verändert ist, dass er kleiner ist als der vom JIS-Standard B1802-1981 vorgeschriebene.
Kettenrad nach Anspruch 9, wobei das Zahnprofil asymmetrisch ist und die Auslöseflanke gemäß JIS-Standard B1802-1981 unter Verwendung eines modifizierten Zahnfußradius und besagten modifizierten Teilkreisradius ausgeführt ist.
Kettentriebsystem, einschließend mindestens ein Kettenrad gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und eine komplementäre Rollenkette zum Eingriff damit.
Maschine mit einem Kettentriebsystem nach Anspruch 11.
Verfahren des Ausführens eines Kettenradzahnprofils für ein Kettenrad (110) in einem Kettentriebsystem, wobei das Kettenradzahnprofil eine Eingreifflanke (115), die angepasst ist, eine Kettenrolle zu berühren, während sich jene Rolle in Eingriff mit dem Zahn begibt, und eine Auslöseflanke (116) einschließt, wobei das Verfahren den Schritt einschließt: Bestimmen eines Fußkreisradius für den Kettenradzahn (112), um einen kreisförmigen Sitzabschnitt (211) für eine Rolle an einer Basis des Eingreifflankenprofils zu definieren; und gekennzeichnet durch den Schritt des Definierens der Stelle eines Auftreffpunktes (114) zum anfänglichen Eingriff mit einer Rolle auf einer den kreisförmigen Sitzabschnitt berührenden Linie, wobei die Tangentiallinie auch einen Mittelpunkt oder Rotationsachse des Kettenrades schneidet.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner einschließend den Schritt: Definieren des Auftreffpunktes auf der Eingreifflanke jedes Zahnes als über einer hypothetischen Linie liegend, welche den Bogenmittelpunkt des Sitzabschnittes des entsprechenden Zahnes und einen Bogenmittelpunkt des Sitzabschnittes eines benachbarten Zahnes verbindet.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner einschließend den Schritt: Definieren der Eingreifflanke des besagten Zahnprofils als einen Auftreffabschnitt (212) angrenzend an besagtem Sitzabschnitt und einen Distalabschnitt (213) angrenzend an den Auftreffabschnitt einschließend, wobei jeder von besagtem Sitzabschnitt, Auftreffabschnitt und Distalabschnitt des besagten Eingreifflankenprofils einen durch einen Radius und einen Bogenmittelpunkt definierten Kreisbogen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner einschließend den Schritt: Definieren des Bogenmittelpunkts für den Auftreffabschnitt als am Schnittpunkt zwischen einer hypothetischen Linie, welche sich vom Bogenmittelpunkt des Sitzabschnittes (d.h., Teilungsmittelpunkt) des entsprechendes Zahnes durch den den Auftreffpunkt erstreckt, und der radialen Mittelpunktslinie jenes Zahnes liegend.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner einschließend den Schritt: Definieren des Bogenmittelpunkts des Distalabschnittes gemäß JIS-Standard B1802-1981, so dass der Distalabschnitt an den Auftreffabschnitt der Eingreifflanke an einer Stelle grenzt, wo eine hypothetische Linie, welche sich zwischen dem Bogenmittelpunkt des Distalabschnittes und dem Bogenmittelpunkt des Auftreffabschnittes erstreckt, den Kreisbogen des Auftreffabschnittes schneiden würde.
Verfahren zur Herstellung eines Kettenrades für ein Kettentriebsystem, einschließend das Ausführen eines Kettenradzahnprofils für das Kettenrad gemäß eines Verfahrens eines der Ansprüche 13 bis 17 und das Herstellen des Kettenrades nach einer solchen Ausführung.