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Sie ist anwendbar für Steuerkettentriebe und für Antriebe von Nebenaggregaten in
Brennkraftmaschinen. Diese Kettentriebe weisen Überhol- und Reversierbewegungen infolge
der ungleichförmigen Dreh- und Kraftanregungen insbesondere von den Nockenwellen sowie
von der Ventildynamik auf.
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Es ist allgemein bekannt, dass bei Steuerkettentrieben zum Antrieb der Nockenwellen in
Brennkraftmaschinen die Kettentriebe mit Vorspannung betrieben werden, um zu vermeiden,
dass sich dynamische Kettenkräfte nahe Null einstellen, wodurch Ungleichförmigkeiten,
Überhol- und Reversierbeschleunigungen, Überhol- und Reversierspiel sowie daraus
resultierend unerwünschte Präzisionsabweichungen der Steuerphasen, verbunden mit
Laufgeräusch und Verschleiß des Kettentriebes, eintreten.
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Um diese dynamischen Kettenkräfte nahe Null zu verhindern, werden allgemein bekannte
federbelastete oder hydraulische Kettenspanner gegen die Trume gerichtet und damit der
Kettentrieb vorgespannt.
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Die Kettenspanner wirken als Schienen oder als grundkörpergestützte Verbundteile mit
Gleitbelag gegen die schwingungs- und stoßbelasteten Trumabschnitte der Kette.
Die Kette wird damit bei entsprechender Spannkraft statisch vollständig und dynamisch
nahezu spielfrei gespannt. Je größer die Spannkräfte, desto effektiver werden die dynamisch
bedingten Präzisionsabweichungen unterdrückt.
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Wegen der hohen dynamischen Anregungen in der Kette sind Kettenspannkräfte von
mehreren 100 N erforderlich.
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Prinzipiell wirken die Kettenspanner damit über ihre Geometrie und Anordnung als die
Trume auslenkende oder einlenkende Führung sowie über ihre Spannkraft als jeweils
krafteintragendes Element zur Erzeugung schwingungsdämpfender Gelenkreibung in der
Kette und an den Kontaktstellen des Ketteneingriffs in die Kettenräder sowie als permanente
Reibungs-Bremse gegen Reversier- und Überholbeschleunigungen an den Stellen des
Gleitkontaktes zwischen Kettenspanner und Kettenlaschen.
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Diese hohe Gelenkreibung und die permanente Bremsverzögerung des Kettentriebes mittels
Kettenspannern hat den Nachteil bedeutender reibungsbedingter Wirkungsgradverluste des
Kettentriebes sowie eines hohen mechanischen Aufwandes für die Kettenspanner und die
zugehörige hydraulische Steuerung, Druckregelung, Überdruckentlastung bei den
auftretenden dynamischen Druckschwankungen. Hinzuzuzählen sind auch die Energieverluste
durch Haftreibung zwischen Kettenspanner und Kettenlaschen in den Phasen der
Drehrichtungsumkehr.
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Die Wirkungsgradverluste sind Schleppverluste der Brennkraftmaschine und verursachen
höheren Kraftstoffverbrauch und höhere Abgasemission.
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Die technische Ursache dieses Nachteils ist die von den Kettenspannern auf die Kette
vermittelte hohe Spannkraft zur Unterdrückung des Gelenkspiels in den Kettengelenken.
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Das Ziel der Erfindung besteht in einem in beiden Drehrichtungen spielfreien Kettentrieb mit
verbessertem energetischen Wirkungsgrad.
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Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in einem in beiden Drehrichtungen spielfreien
Kettentrieb, welcher ohne oder mit weniger Spannkraft auskommt.
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Diese technische Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
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Dabei wird von einem Kettentrieb mit mindestens zwei nebeneinander und über mindestens
zwei Mehrfachkettenräder angeordneten Antriebsketten ausgegangen.
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Eine Antriebskette dieses Kettentriebes ist in Kettenzugkraftrichtung zwischen treibenden und
angetriebenen Mehrfachkettenrad spielfrei angeordnet, eine weitere Antriebskette dieses
Kettentriebes ist um den Phasenwinkel ω versetzt in Gegenrichtung zur Zugkraft zwischen
gegenrichtungstreibenden und gegenrichtungsangetriebenen Mehrfachkettenrad spielfrei
angeordnet.
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Eines der zum Kettentrieb gehörenden Mehrfachkettenräder weist ein zu seiner Nabe
drehstarres Zahnlückenprofil und ein weiteres zu diesem drehstarren Zahnlückenprofil um
den Betrag des Gegendrehwinkels φ phasenverdrehtes und gegen Rückdrehen gesichertes
Zahnlückenprofil auf.
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Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, jeweils einen Lasttrum in der
Kettenzugkraftrichtung und einen Lasttrum in Gegendrehrichtung spielfrei zu montieren, und
eine in beiden Drehrichtungen spielfreie kinematische Wirkungslinie zu schaffen.
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Je nach Drehrichtung überträgt die Kette ohne Umkehrspiel die Bewegung über den
spielfreien Lasttrum in Kettenzugkraftrichtung oder über den spielfreien Lasttrum in der
Gegendrehrichtung. Die beiden spielfreien Lasttrume stehen dabei in einer Art Verkonterung
zueinander.
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Es besteht damit in beiden Drehrichtungen eine geschlossene kinematische Kette vom
treibenden Kettenrad zum angetriebenen Kettenrad.
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Hinsichtlich der Phasenpräzision wird das Niveau eines Zahnradgetriebes erreicht.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 geht davon aus, dass die über den Mehrfachkettenrädern
angeordneten Antriebsketten in gleicher Übersetzung zueinander sind.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 geht davon aus, dass, sofern diese Bedingung der
gleichen Übersetzung eingehalten ist, die Antriebsketten unterschiedlich, insbesondere
hinsichtlich der Kettenteilung, dimensioniert sein können. Das ist vorteilhaft, wenn die
Belastung in den entgegengesetzten Drehrichtungen unterschiedlich ist.
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Eine besonders einfache Möglichkeit für das um den Betrag des maximalen Umkehrspiels aus
dem Durchhang der Antriebsketten bei deren Drehrichtungsumkehr phasenverdrehtes
Zahnlückenprofil besteht in der Variante eines einstückigen oder drehstarr gefügten
Mehrfachkettenrades gemäß Anspruch 4. Diese Möglichkeit ist bei Serien-Kettentrieben mit
kleinen Fertigungstoleranzen und großer Reproduzierbarkeit der Montagegenauigkeit
vorteilhaft.
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Kompensationsfähiger hinsichtlich von Toleranzen ist ein mehrteiliges Mehrfachkettenrad
nach Anspruch 5.
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Es gestattet das Spielfrei machen der beiden Lasttrume gegeneinander nach dem Auflegen der
Kette auf die Kettenräder durch gegensinniges Verdrehen der Zahnlückenprofile.
Das anschließende Sichern gegen Rückdrehen kann formschlüssig, z. B. mittels
Sicherungsstift oder kraftschlüssig, z. B. mittels Pressverbänden, gegebenenfalls mit
zusätzlichem Verkleben (Loctite), erfolgen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung weist gemäß Anspruch 6 eine richtungsbetätigte
Kupplung zwischen Mitnehmer-Kettenrad und Konter-Kettenrad auf. Wegen ihrer präzisen
Klemmbereitschaft in jeder Stellung, ihrer Eignung für hohe Drehzahlen, ihres hohen
Verschleißwiderstandes wird eine reibschlüssige richtungsbetätigte Kupplung bevorzugt.
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Sofern der Gegenstand der Erfindung für einen Kettentrieb mit zwei nebeneinander
angeordneten Antriebsketten und über drei Mehrfachkettenräder benutzt wird,
muss jede der Antriebsketten jeweils vom treibenden Kettenrad bzw. in Gegenrichtung
treibenden Kettenrad in der Zugkraftrichtung bzw. in der Reversierrichtung bis zum Eingriff
in das nächstangeordnete Mehrfachkettenrad spielfrei angeordnet sein.
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Damit ist die Bedingung erfüllt, dass, wenn zwei Drehwinkel (Drehwinkel des getriebenen
Mehrfachkettenrades in der Zugkraftrichtung bzw. Drehwinkel des
gegenrichtungsgetriebenen Mehrfachkettenrades) einem dritten Drehwinkel (Drehwinkel des
phasenverdrehten Mehrfachkettenrades) gleich sind, sie auch untereinander gleich sind.
Damit sind die Mehrfachkettenräder des Kettentriebes zueinander spielfrei und in jeder
Drehrichtung synchron.
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Die Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz in Kettentrieben mit hohen
Präzisionsanforderungen in der Hauptdrehrichtung und in der Gegendrehrichtung sowie in
Kettentrieben mit Überholimpulsen in der Hauptdrehrichtung.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:
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Fig. 1 zeigt die Vorderansicht eines Kettentriebes mit zwei nebeneinander über
Mehrfachkettenräder angeordneten Antriebsketten.
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Fig. 2 zeigt, bezogen auf Fig. 1, ein einstückiges Zweifachkettenrad in Vorderansicht.
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Fig. 3 zeigt, bezogen auf Fig. 1, ein einstückiges Zweifachkettenrad in Seitenansicht.
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Fig. 4 zeigt, bezogen auf Fig. 1, ein mehrteiliges Zweifachkettenrad in Seitenansicht.
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Fig. 5 zeigt, bezogen auf Fig. 1, in Seitenansicht ein mehrteiliges Zweifachkettenrad mit
richtungsbetätigter Kupplung.
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Fig. 6 zeigt die Vorderansicht eines Kettentriebes mit zwei nebeneinander über drei
Mehrfachkettenräder angeordneten Antriebsketten.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der Kettentrieb aus der spielfrei gespannten Antriebskette
1 (im Vordergrund dargestellt) in der Kettenzugkraftrichtung A, der spielfrei gespannten
Gegen-Antriebskette 2 (im Hintergrund dargestellt) in der Gegen-Kettenzugkraftrichtung B,
dem treibenden Zweifachkettenrad 3 und dem angetriebenen Zweifachkettenrad 4.
Das jeweils spielfreie Spannen des Lasttrums der einen Antriebskette gegen die Drehrichtung
der anderen Antriebskette bewirkt einen Versatz der Drehphasen der Ketten gegeneinander
um den Betrag ω. Die zwei Zahnlückenprofile des treibenden Zweifachkettenrades sind
phasenverdreht bis die Lasttrume der beiden Ketten gegeneinander spielfrei sind.
Entsprechend des Versatzes der beiden Lasttrume um den Phasenwinkel ω ist eine gleich
große Gegenverdrehung der Zahnlückenprofile um den Gegendrehwinkel φ erforderlich.
Bei rechtsdrehendem treibenden Zweifachkettenrad wird die Kettenzugkraft über den
Lasttrum der Antriebskette 1 übertragen. Bei linksdrehendem Kettentrieb wird die Gegen-
Kettenzugkraft über die Antriebskette 2 übertragen.
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In beiden Drehrichtungen wird damit die Zugkraft über spielfreie Lasttrume übertragen.
Es besteht eine in beiden Drehrichtungen spielfreie, über die gegen Rückdrehen gesicherten
Zahnlückenprofile des Zweifachkettenrades verlaufende ununterbrochene kinematische
Wirkungslinie.
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Das sonstübliche Umkehrspiel, resultierend aus der zunächst vor der Zugkraftübertragung
notwendige Kompensieren des Lostrumdurchhanges, tritt nicht auf.
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Wie aus Fig. 2 und Fig. 3 ersichtlich, besteht zwischen dem im Hintergrund teilweise
verdeckt dargestelltem Zahnlückenprofil 5 und dem im Vordergrund dargestellten Gegen-
Zahnlückenprofil 6 eine Phasenverdrehung um den Gegendrehwinkel φ.
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Die Teilungen von Zahnlückenprofil und Gegen-Zahnlückenprofil sind um den Phasenwinkel
ω versetzt.
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Die Einstückigkeit des Zweifachkettenrades und damit die gemeinsame Nabe 7 sichern die
Zahnlückenprofile gegen Rückdrehen des Gegendrehwinkels.
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Das in Fig. 4 dargestellte mehrteilige Zweifachkettenrad (8) weist den Gegendrehwinkel φ
und die Phasenverdrehung ω auf.
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Die mit dem Zahnlückenprofil verbundene Nabe 9 des Zahnlückenprofils und die mit dem
Gegen-Zahnlückenprofil verbundene Gegen-Nabe 10 weisen stirnseitig gegenüberliegende
Fügeflächen auf, welche durch eine Klebstoffschicht 11 verbunden sind. Damit sind die
verdrehten Zahnlückenprofile gegen Rückdrehen gesichert. Das Zahnlückenprofil ist mit der
Antriebswelle über die gefügte Nabe verbunden.
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Der Vorteil diese Lösung besteht in einer einfachen, variablen Montagefolge des auf der
Welle sitzenden zweiteiligen Zweifachkettenrades.
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Vor Erhärten des Klebstoffes erfolgt das Verdrehen um den Gegendrehwinkel φ, danach bei
unbelastetem Kettentrieb das Erhärten.
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Nach dem Erhärten des Klebstoffes besteht eine feste, Rückdrehsicherung zwischen den
Zahnlückenprofilen.
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Das in Fig. 5 dargestellte mehrteilige Zweifachkettenrad (8) weist den Gegendrehwinkel φ
und die Phasenverdrehung ω auf. Das Zahnlückenprofil ist mit der Antriebswelle über seine
Nabe verbunden.
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Das Zahnlückenprofil ist mit dem Gegen-Zahnlückenprofil über eine reibschlüssige
Freilaufkupplung 12 verbunden.
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Die Leerlaufrichtung der Freilaufkupplung ist in der Kettenzugkraftrichtung A angeordnet.
Die Sperrichtung der Freilaufkupplung ist in der Ketten-Gegenzugkraftrichtung B angeordnet.
Eine derartig angeordnete richtungsbetätigte Kupplung bewirkt das sofortige automatische
Nachstellen des Gegendrehwinkels φ auf einen neuen Maximalwert, sobald sich infolge von
Verschleiß in einer der Antriebsketten eine Längung eines der Lasttrume ergibt. Die hier
beispielsweise erfolgte Festlegung von Leerlaufrichtung und Sperrichtung der
Freilaufkupplung berücksichtigt die Priorität der Kettenzugkraftrichtung A.
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Wie aus Fig. 6 ersichtlich, besteht ein weiterer vorteilhafter Kettentrieb aus der spielfrei
gespannten Antriebskette 1 in der Kettenzugkraftrichtung A, der spielfrei gespannten Gegen-
Antriebskette 2 in der Gegen-Kettenzugkraftrichtung B, dem treibenden mehrteiligen
Zweifachkettenrad 8 und den angetriebenen primären Zweifachkettenrad 13 sowie dem
angetriebenen sekundären Zweifachkettenrad 14 im Übersetzungsverhältnis zum treibenden
Zweifachkettenrad von i = 0,5.
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Das jeweils spielfreie Spannen des Lasttrums der einen Antriebskette gegen die Drehrichtung
der anderen Antriebskette bewirkt einen Versatz der Drehphasen der Ketten gegeneinander.
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Die Zahnlückenprofile der angetriebenen Kettenräder sind phasengleich innerhalb eines
jeweiligen Zweifachkettenrades. Die Zähnezahlen der angetriebenen Zweifachkettenräder
sind gleich.
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Die zwei Zahnlückenprofile des treibenden Zweifachkettenrades sind phasenverdreht bis die
Lasttrume der beiden Ketten gegeneinander spielfrei sind. Entsprechend des Versatzes der
beiden Lasttrume um den Phasenwinkel ω ist eine gleich große Gegenverdrehung der
Zahnlückenprofile um den Gegendrehwinkel φ erforderlich.
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Bei rechtsdrehendem treibenden Zweifachkettenrad wird die Kettenzugkraft über den
Lasttrum der Antriebskette 1 bis zum primären Zweifachkettenrad 13 und zum sekundären
Zweifachkettenrad 14 übertragen. Bei linksdrehendem Kettentrieb wird die Gegen-
Kettenzugkraft über die Antriebskette 2 bis zum sekundären Zweifachkettenrad 14 und zum
primären Zweifachkettenrad 13 übertragen.
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Die freien Trume zwischen den angetriebenen bzw. gegen-angetriebenen Kettenrädern sind
dabei spielfrei.
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In beiden Drehrichtungen wird damit die Zugkraft über spielfreie Lasttrume zu den
untereinander synchron angetriebenen Zweifachkettenrädern übertragen. Für die kinematische
Wirkungslinie bedeutet das Spielfreiheit in beiden Drehrichtungen.
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In Zugkraftrichtung verläuft die kinematische Wirkungslinie vom treibenden mehrteiligen
Zweifachkettenrad 8 über die spielfreie Antriebskette über das primäre Zweifachkettenrad 13
bis zum sekundären Zweifachkettenrad 14.
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In Gegen-Zugkraftrichtung verläuft die kinematische Wirkungslinie vom gegen-treibenden
Zweifachkettenrad über die spielfreie Gegen-Antriebskette 2 über das sekundäre
Zweifachkettenrad 14 bis zum primären Zweifachkettenrad 13.
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Da die zwei Drehwinkel (Drehwinkel des getriebenen Mehrfachkettenrades in der
Zugkraftrichtung bzw. Drehwinkel des gegenrichtungsgetriebenen Mehrfachkettenrades in
der Gegen-Zugkraftrichtung stets einem dritten Drehwinkel (Drehwinkel des
phasenverdrehten Mehrfachkettenrades) gleich sind, sind sie auch untereinander gleich.
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Durch die Erfüllung der gestellten technischen Aufgabe wird ein in beiden Drehrichtungen
spielfreier Kettentrieb geschaffen.
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Die Vorteile bestehen hauptsächlich im Wegfall stark spannkraftbeauflagter hydraulischer
Kettenspannsysteme mit Bremsfunktion gegenüber der Kette sowie der daraus folgenden
Wirkungsgradverluste des Kettentriebes.
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Spann- und Dämpfungselemente sind nur dann noch erforderlich, wenn die jeweiligen
Lostrume eine ungünstige Länge aufweisen und geführt werden müssen.
Die dazu gegebenenfalls erforderlichen Spannkräfte liegen jedoch mindestens eine
Zehnerpotenz unter den Spannkräften, welche mit hydraulischen Kettenspannsystemen auf
die Kette zum Spannen und Bremsen von Kettenbeschleunigungen übertragen werden.
Bezugszeichenliste
1 Antriebskette
2 Gegen-Antriebskette
3 Treibendes Zweifachkettenrad
4 Angetriebenes Zweifachkettenrad
5 Zahnlückenprofil
6 Gegen-Zahnlückenprofil
7 Gemeinsame Nabe
8 Mehrteiliges Zweifachkettenrad
9 Nabe des Zahnlückenprofils
10 Nabe des Gegen-Zahnlückenprofils
11 Klebstoffschicht
12 Richtungsbetätigte Kupplung
13 Primäres Zweifachkettenrad
14 Sekundäres Zweifachkettenrad