DE102005058191A1 - Zahnriemenrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnriemenrad (1) mit einem Zahnkranz (2) in dessen Verzahnung (3) ein Zahnriemen (4) eingreift. DOLLAR A Um ein Zahnriemengetriebe dazustellen, das auf einfache, wirkungsvolle Weise geräuschgedämpft ist, ist vorgesehen, das Zahnriemenrad (1) aus einem in Umfangsrichtung und in axialer Richtung des Zahnriemenrades (1) vollständig gegeneinander abgegrenztem ersten Element (5) und einem zweiten Element (6) zu bilden, wobei das erste Element (5) und das zweite Element (6) drehfest miteinander verbunden sind und ein Element (5, 6) aus einem Metall-Werkstoff und ein Element (5, 6) aus einem Nichtmetall-Werkstoff besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Zahnriemenrad mit einem Zahnkranz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Der DE 100 52 275 A1 ist ein Zahnriemenrad eines Zahnriemengetriebes für eine elektrische Servolenkung eines Fahrzeugs entnehmbar, das auf einer Rotorwelle eines elektrischen Servomotors drehfest angeordnet ist. Eine zweite Zahnriemenscheibe ist drehfest mit einer Getriebeanordnung, wie etwa einer Kugelumlaufmutter, verbunden, die zur Übertragung ihrer Drehbewegung in eine Stellbewegung einer Spindel und damit eines verlagerbaren Bauelements der Getriebeanordnung dient. Ein Rad des Fahrzeugs ist in bekannter Weise zu dessen Lenkwinkelverstellung mit einer Spurstange und einem Radlenkhebel getrieblich mit dem verlagerbaren Bauelement verbindbar. Ein Zahnriemen läuft mit seiner zu dem Zahnriemenrad und der Zahnriemenscheibe passenden Verzahnung umfangseitig auf diesen um und dient zur formschlüssigen, spielfreien Übertragung des Drehmoments und der Drehzahl der Rotorwelle des Servomotors auf die Getriebeanordnung.
• Die Geräuschemission eines solchen Zahnriemengetriebes mit Zahnriemenrad aus einem metallischen Werkstoff ist nicht minimiert.
• Die DE 31 46 975 C2 gibt dem Konstrukteur von Zahnriemengetrieben eine Bemessungsregel an die Hand um die geometrischen Parameter der Zahnflankenfläche von Zahnriemen oder das Zahnprofil eines Zahnriemens, wie etwa abgerundete Kopfflächen von Zähnen, so zu wählen, dass die übertragbare Last maximiert oder das Laufgeräusch eines Zahnriemens durch die Wahl eines entsprechenden Zahnkopfprofils verringert wird. Zur Geräuschminderung wird eine Abrundung der Kopffläche von Zahnriemenzähnen vorgeschlagen.
• Die Dissertationsschrift "Geräuschverhalten und Geräuschminderung von Zahnriementrieben", U. Jansen, TU Aachen, Fortschritt-Berichte VDI Nr. 136, befasst sich mit der systematischen Erforschung von möglichen Geräuschursachen an Zahnriementrieben und die Gewichtung der Ursachen in relevante und weniger relevante Ursachen. Die Schallemission wurde in Abhängigkeit einer großen Zahl von Auslegungs- und Betriebsparametern untersucht. Die Dissertationsschrift belegt, dass die Drehzahl von Zahnriemenrädern und -scheiben und die Riemenbreite alle anderen Einflüsse von Auslegungs- und Betriebsparametern von Zahnriementrieben übersteigen. Die Zahnriemenbreite bestimmt dabei das Frequenzgebiet, in dem die Schallenergie abgestrahlt wird. Mit zunehmender Riemenbreite sinkt die Frequenz maximaler Pegel.
• Als Ursache für das Betriebsgeräusch von Zahnriementrieben gelten der Zahneingriffsstoß, Zahnriemen-Transversalschwingungen, Luftausströmungen der in Eingriff kommenden Zahnlücke, Drehzahl und Riemengeschwindigkeit und die Zahneingriffsfrequenz. Deutlich höhere Pegel werden an Zahnriemenscheiben gemessen im Vergleich zu der freien Trumlänge, die mit Ausnahme von Riemenresonanz als abstrahlendes Element des Zahnriemens weitgehend ausgeschlossen werden kann.
• Unmittelbar beim Riemeneinlauf treten die maßgeblichen Pegel auf, wobei ein merklicher Unterschied zwischen Antriebsseite und Abtriebsseite des Zahnriemens nicht besteht. Das Zahnriemengeräusch wird zum überwiegenden Teil durch das Aufschlagen des Zahnriemens auf Zahnriemenradteile im Zahneingriff des treibenden Zahnriemenrades aber auch, was neuere Untersuchungen belegen, durch Körperschall verursacht.
• Die Dissertationsschrift schlägt zur Geräuschdämpfung eines vollmetallischen Zahnriemenrades vor, axiale Flächen des Zahnriemenrades mit Schallschluckmasse zu versehen. Es ergeben sich dadurch aber kaum verbesserte akustische Verhältnisse.
• Die DE 103 92 534 T5 schlägt zur Geräuschdämpfung an einer Zahnstangenantriebsordnung einer elektrischen Servolenkanlage vor, einen Isolator zwischen wenigstens einem Teil der äußeren Oberfläche einer Spindelmutter und der inneren Oberfläche einer Rotorwelle anzuordnen. Diese Geräuschdämpfungsmaßnahme stellt eine spezifische, auf eine Servolenkung bestimmter Bauart speziell abgestimmte, konstruktive Maßnahme dar und ist nicht flexibel anwendbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise realisierbare, flexibel anwendbare wirkungsvolle Geräuschdämpfungsmaßnahmen an Zahnriemengetrieben vorzuschlagen.
• Die Aufgabe wird mit einem Zahnriemenrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Dadurch, dass ein Zahnriemenrad mit einem Zahnkranz geschaffen ist, das zumindest aus einem ersten Element und einem zweiten Element besteht und die Elemente in Umfangsrichtung und in axialer Richtung des Zahnriemenrades vollständig gegeneinander abgegrenzt sind, wobei die Elemente drehfest miteinander verbunden sind und ein Element aus einem Nichtmetall-Werkstoff, wie etwa einem Kunststoff, und ein Element aus einem Metall-Werkstoff gebildet ist, ist eine wirkungsvolle konstruktive Maßnahme vorgesehen, Körperschall durch Umleitung und/oder Unterbrechung an dem Zahnriemenrad zu minimieren.
• Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Ist das Zahnriemenrad als Antriebsritzel auf einer Motorwelle eines Servomotors eines Lenksystems angeordnet, so lässt sich auf, im Vergleich zum Stand der Technik, besonders einfache Weise der Körperschall eines Zahnriemengetriebes des Lenksystems minimieren. Es kann zweckmäßig sein, das Zahnriemenrad aus mehr als zwei Elementen zu bilden und etwa, in radialer Richtung des Zahnriemenrades betrachtet, Elemente aus Metall-Werkstoff abwechseln mit Elementen aus Nichtmetall-Werkstoff abwechselnd drehfest miteinander zu verbinden und ein Zahnriemenrad zu bauen oder mit Hilfe von Spritzgusstechnik zu formen.
• In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Zahnriemenrades ist ein Element als Nabe des Zahnriemenrades und ein Element als Zahnkranz des Zahnriemenrades zusammengefügt, wobei bevorzugt nicht die Nabe aus einem Nichtmetall-Werkstoff wie etwa aus einem Duroplast oder Thermoplast oder ein Elastomer, wie etwa ein Mischgummi mit geringer Shore-Härte ist.
• Bevorzugt ist das Zahnriemenrad aus einer Stahlnabe und einem darum gespritzten oder gepressten Kunststoffzahnkranz gebildet. Es kann auch anstelle des Kunststoffzahnkranzes ein Sintermetallzahnkranz oder ein Stahlzahnkranz vorgesehen sein, wobei zwischen dem Zahnkranz und der Stahlnabe eine Elastomerschicht angeordnet ist, die die Schallausbreitung über das Zahnriemenrad unterbricht.
• Es kann auch zweckmäßig sein, zwischen der Stahlnabe und dem Kunststoffzahnkranz des Zahnriemenrades eine Elastomerschicht anzuordnen.
• Das Zahnriemenrad eignet sich als einfache, wirkungsvolle konstruktive Maßnahme um, auf einer Motorwelle eines Servomotors angeordnet, ein Kugelumlauf-Lenkgetriebe einer elektrischen Hilfskraft- oder Fremdkraftlenkung eines Fahrzeugs in seinem Betriebsgeräusch zu optimieren.
• Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
• 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Kugelumlaufgetriebe mit einem erfindungsgemäßen Zahnriemenrad,
• 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Zahnriemenrad,
• 3 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Zahnriemenrad.
• In 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein als elektrische Hilfskraftlenkung ausgebildetes Lenksystem 10 gezeigt. Das Lenksystem 10 besteht im Wesentlichen aus einem Kugelumlauf-Lenkgetriebe 16 mit einer Kugelumlaufmutter 17, die um ein als Gewindespindel 18 ausgebildetes, verlagerbares Bauteil rotierbar angeordnet ist. Die Gewindespindel 18 wird bei Rotation der Kugelumlaufmutter 17 in axialer Richtung bewegt. Dadurch lässt sich ein oder lassen sich mehrere lenkbare Räder mit dem Lenksystem 10 ausgestatteten Fahrzeugs verschwenken. Auf der axial unbeweglich gelagerten Kugelumlaufmutter 17 ist eine Zahnriemenscheibe 19 festgelegt, die über einen Zahnriemen 4, der in die Verzahnung 3 an dem Zahnkranz 2 eines Zahnriemenrades 1 eingreift, formschlüssig, schlupffrei wirkverbunden ist. Das Zahnriemenrad 1 sitzt als Antriebsritzel 7 drehfest auf einer Motorwelle 8 eines elektrischen Servomotors 9 des Lenksystems 10. Die Zahnriemenscheibe 19 und das Zahnriemenrad 1 bilden mit dem Zahnriemen 4 ein untersetztes Zahnriemengetriebe 20.
• Um die Körperschallemission an dem Zahnriemenrad 1 zu minimieren, ist, wie 2 in einem Querschnitt durch das Zahnriemenrad 1 zeigt, das Zahnriemenrad 1 in radialer Richtung betrachtet, aus mehreren Elementen 5, 6, die drehfest miteinander verbunden sind, aufgebaut.
• Ein erstes, radial innenliegendes, kreisringförmiges Element 5 ist als Nabe 11, hier als Stahlnabe 12 gebildet. Um den Umfang der Stahlnabe 12 ist eine Elastomerschicht 14 angeordnet. Radial außerhalb der Elastomerschicht 14 ist ein Kunsstoffzahnkranz 13 im Wesentlichen drehfest mit der Elastomerschicht 14 und der Stahlnabe 12 verbunden. Eine Unterbrechung des Schallpfades ist durch die Elastomerschicht 14 ermöglicht. Durch den Kunststoffzahnkranz 13 ist eine Schall- oder Geräuschdämpfung bewirkt.
• Wie 3 in einem weiteren Querschnitt durch ein Zahnriemenrad 1 zeigt, kann es zweckmäßig sein, anstatt des Kunststoffzahnkranzes 13 einen Stahlzahnkranz oder Sintermetall-Zahnkranz 15 an dem Zahnriemenrad 1 vorzusehen. Zwischen der Motorwelle 8 und dem Zahnkranz 2 des Zahnriemenrades 1 ist in jedem Fall ein Element 6 aus einem Nichtmetall-Werkstoff angeordnet, das in Umfangsrichtung und in axialer Richtung vollständig gegen ein weiteres Element 5 des Zahnriemenrades 1 abgegrenzt ist. BEZUGSZEICHENLISTE

  

Claims (10)

1. Zahnriemenrad mit einem Zahnkranz (2) in dessen Verzahnung (3) ein Zahnriemen (4) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemenrad (1) aus einem in Umfangsrichtung und in axialer Richtung des Zahnriemenrades (1) vollständig gegeneinander abgegrenztem ersten Element (5) und einem zweiten Element (6) gebildet ist, wobei das erste Element (5) und das zweite Element (6) drehfest miteinander verbunden sind und ein Element (5, 6) aus einem Metall-Werkstoff und ein Element (5, 6) aus einem Nichtmetall-Werkstoff besteht.
2. Zahnriemenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemenrad (1) ein Antriebsritzel (7) auf einer Motorwelle (8) eines Servomotors (9) eines Lenksystems (10) ist.
3. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemenrad (1) aus mehr als zwei Elementen aus einem Metall-Werkstoff und einem Nichtmetall-Werkstoff gebildet ist.
4. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element (5, 6) eine Nabe (11) und ein Element (5, 6) der Zahnkranz (2) ist.
5. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nichtmetall-Werkstoff ein Duroplast oder ein Thermoplast oder ein Elastomer ist.
6. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemenrad (1) ein als Stahlnabe (12) gebildetes, erstes Element (5) und ein als Kunststoffzahnkranz (13) gebildetes, zweites Element (6) aufweist.
7. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (5) eine Stahlnabe (12) ist, die umfangsseitig eine Elastomerschicht (14) trägt, auf der ein Sintermetall-Zahnkranz (15) drehfest festgelegt ist.
8. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (5) eine Stahlnabe (12) ist, die umfangsseitig eine Elastomerschicht (14) trägt, auf der ein Stahlzahnkranz drehfest festgelegt ist.
9. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (5) eine Stahlnabe (12) ist, die umfangsseitig eine Elastomerschicht (14) trägt, auf der der Kunststoff-Zahnkranz (13) drehfest festgelegt ist.
10. Zahnriemenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnriemenrad (1) Teil eines Kugelumlauf-Lenkgetriebes (16) einer elektrischen Hilfskraft- oder Fremdkraftlenkung eines Personenkraftwagens oder leichten Nutzkraftwagens ist.