DE3629789A1 - Zahnriementrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zahnriementrieb, insbesondere für Fahrräder zur Drehmomentübertragung von der Kurbelwelle auf das Hinterrad, bestehend aus einem großen Zahnrad vorn, einem kleinen Zahnrad hinten mit der Mindestzähnezahl Z und einem beide Zahnräder umschlingenden Zahnriemen der Teilung S aus dämpfungsarmem Gummi oder gummiähnlichen Werkstoffen mit zugfesten Einlagen. Mit einem solchen Zahnriementrieb soll insbesondere der bisherige Kettentrieb an Fahrrädern ersetzt werden, für den eine gute Schmierung erforderlich ist, der verschmutzungs- und korrosionsanfällig ist. Die bisherigen Lösungsversuche zeigten Probleme bei der Umschlingung des hinteren kleinen Ritzels. Bei hoher Belastung neigt dort der Zahnriemen dazu, aus den vorgesehenen Zahnlücken im Ritzel nach radial außen aufzusteigen und schließlich eine Zahnteilung zu überspringen.

Die DE-PS 16 50 653 beschreibt eine Abhilfe dagegen durch eine kleinere Ritzel- als Riementeilung. In der Tat wird dadurch gewährleistet, daß selbst bei den üblicherweise groben Toleranzen von Gummiartikeln der Riemen vom Lasttrum her lastfrei in das Ritzel einläuft und dort satt zur Anlage in der entsprechenden Zahnlücke des Ritzels kommen kann, weil er dabei nicht von radial wirkender Reibung behindert wird. Allerdings werden dadurch, daß die Zähne im Einlaufbereich nicht tragen, die lasttrumseitigen Ritzelzähne, insbesondere der letzte, hoch belastet. Weil eine bestimmte Teilungsdifferez nur für eine bestimmte Riemendehnung optimal sein kann, können bei der Konstruktion eines Riementriebes nach diesem Patent nicht die erheblichen Drehmomentschwankungen - an der Kurbelwelle etwa von -20 bis +270 Nm -, die sogar innerhalb einer Tretperiode auftreten, berücksichtigt werden. Die Teilungsdifferenzierung allein kann also zu keinem befriedigenden Zahnriementrieb für Fahrräder führen.

Das sehr schädliche Zahnüberspringen des Zahnriemens am Ritzel kann auch durch eine im Ritzeleinlaufbereich angeordnete, auf den Riemenrücken wirkende Andrückrolle unterbunden werden, wie es eine ältere eigene Anmeldung offenbart. Zusätzliche Einzelteile, zumal bewegliche, erhöhen aber den Fertigungsaufwand.

Es stellt sich also die Aufgabe, einen Zahnriementrieb, insbesondere für Fahrräder, so zu gestalten, daß er ohne zusätzliche Bauteile auch bei höchster Belastung am Ritzel nicht überspringt, dazu aber nur geringfügige oder keine Teilungsunterschiede zwischen Riemen und Ritzel erfordert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Normalen der Flanken, zumindest der Lastübertragenden, maximal um 34° gegenüber der Sehnenrichtung geneigt sind und der Krümmungsradius dieser Flanken überall größer als ¾ S ist, wobei in jedem Berührungspunkt der Krümmungsradius der lastübertragenden Flanken an den Zahnrädern geringfügig größer als am Riemen ist, und daß die Krümmungsmittelpunkte der Flanken höchstens einen Abstand von 0,1 S von den Teilungsnebenlinien, die die dünnsten Riemenstellen markieren, haben, wobei dieser Abstand an der Riemenverzahnung größer als bei der Radverzahnung ist. Durch die geringe maximale Flankenneigung wird in einem erfindungsgemäßen Riementrieb die durch den Riemenzug induzierte Radialkraft geringer als bei herkömmlichen Riementrieben, und zwar um mehr als 30%. Dabei ist die kraftübertragende Fläche der Flanken keineswegs kleiner, weil deren Krümmungsradien verlängert sind. Daraus ergibt sich eine neuartige Bauraumverteilung: Im Querschnitt beansprucht ein Zahn des Zahnrades nur etwa ein Drittel der Baubreite (in Umfangsrichtung) eines Zahnes des Riemens. Die Zahnräder, insbesondere das Ritzel, sind aus dementsprechend hochsteifen und hochfesten Werkstoffen zu fertigen. Der füllige Riemenzahn erlaubt unter Last eine günstige Kraftaufteilung auf große Gummiquerschnitte, wodurch die Zahnverformung hinreichend klein und hinreichend gleichmäßig bleibt. Durch eine Finite-Elemente- Berechnung kann die Zahnform im Querschnitt auf ein besonders gleichmäßiges Trogbild hin optimiert werden, bei der die Flanken nicht konstant gekrümmt sind; allerdings weicht eine so erhaltene Form nur unwesentlich von einem kreissektorartigen Zahnquerschnitt ab, der in der Fertigungskontrolle wesentlich leichter zu vermessen ist.

Um den Zahnriemen so wenig wie möglich durch innere Verspannungen zu belasten, wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf jegliche radiale Riemenführung außerhalb der Flanken verzichtet; der Riemen berührt also die Zahnräder - zumindest bei üblicher Belastung - weder in der Mitte des Zahnkopfes noch in der Mitte der Zahnlücke. So kann sich der Riemen im Einlauf zwanglos die günstigste Lage zur Kraftübertragung suchen. Die größere Bewegungsfreiheit des Riemens führt zu keiner feststellbaren Laufgeräuscherhöhung.

Um die Zahnformen im Verhältnis zur Teilungslänge sehr genau fertigen zu können, was für die hier in Rede stehenden, eine große Kraft übertragenden Riemen von großer Wichtigkeit ist, ist eine größere Zahnteilung als die bislang üblichen 8 mm vorteilhaft, obwohl dabei - bei vergleichbarem Bauraum - kleinere Zähnezahlen und damit etwas höhere Biegespannungsspitzen im Riemen und theoretisch eine etwas unruhigerer Lauf in Kauf genommen werden müssen. Die optimale Riementeilung liegt bei etwa 12 mm bei einer kleinsten Ritzelzähnezahl von 21 und einer kleinsten Großradzähnezahl von 53 Zähnen. Die Übersetzung 53 : 21 = 2,5238 ist geringfügig (4,2%) länger als die bislang gängigste Kettenradübersetzung 46 : 19 = 2,4211, was wegen des nach längerer Nutzungsdauer besseren Wirkungsgrades des Zahnriemen- gegenüber dem Kettentrieb gerechtfertigt ist. Trotz der vergrößerten Teilung läuft dieser Riementrieb praktisch genauso ruhig wie einer mit 8-mm-Teilung, ruhiger als die üblichen Kettentriebe. Zur Vermeidung überhöhter Biegespannungen ist der Riemen im Bereich der Zahnlücken besonders dünn zu halten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Zahnriemens in gestreckter Stellung,

Fig. 2 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ritzels mit 21 Zähnen und

Fig. den Einlaufbereich eines erfindungsgemäßen Zahnriementriebes am Ritzel.

Der in Fig. 1 gezeigte Zahnriemen 1 ist symmetrisch aufgebaut. Er kann also in beide Richtungen gleich viel Kraft übertragen und eignet sich auch für ein Fahrrad mit Rücktrittbremse. Der Riemen weist außen - auf dem Bild oben - einen glatten Rücken 1.1 und innen eine Verzahnung 1.2 auf. Die Verzahnung gliedert sich, gezählt von einer Teilungshaupt- zu einer Teilungsnebenlinie, in den hier gerade ausgeführten Zahnkopf 1.21, den Übergangsbogen 1.22, die hier als Kreissektor ausgeführte Flanke 1.23, den Fußübergangsbogen 1.24 und den Zahnfuß 1.25. Nach Festlegung der Zähnezahl Z des kleinsten Ritzels, wobei Z größer oder gleich 21 gewählt werden kann, hier gleich 21 gewählt worden ist, und der Sehnenlänge S (Zahnriementeilungslänge) ergeben sich die Radien R₁ bis R₃ aus den unter der Zeichnung angegebenen Gleichungen. Zusammen mit den in der Zeichnung selbst verzeichneten Konstruktionsanweisungen, insbesondere den Winkelangaben, ist also die Zahnriemenkontur 1.2 mit ihren Zähnen 1.3 und ihren Zahnlücken 1.4 eindeutig beschrieben. Die zugsteifen Festigkeitsträger 1.5 liegen in etwa geradlinig in der Nähe der Zahnformbezugslinie des Riemens 1. Eine besonders günstige Steifigkeitsverteilung wird erreicht, wenn die Festigkeitsträger 1.5 im ausgestreckten Riemen leicht wellenförmig angeordnet sind.

Die Fig. 2 zeigt die Zahnform 2.1 eines zugehörigen Ritzels 2. Sie ist mit der auf der Zeichnung oben angegebenen Gleichung für R₄ eindeutig beschrieben. Deutlich sind die relativ schmalen Zähne 2.2 und die breiten Zahnlücken 2.3 zu erkennen. Mit dieser Bauraumaufteilung wird das günstigste Verhältnis zwischen Belastbarkeit und Baugröße erreicht. Dazu wird das Ritzel 2 aus einem hochfesten Werkstoff, vorzugsweise aus Metall gefertigt.

Die Fig. 3 zeigt die kritischste Stelle eines langsam laufenden aber hochbelasteten Zahnriementriebes, wie er an einem Fahrrad eingesetzt werden kann, nämlich den Einlauf des Riemens 1 in das Ritzel 2. Der Riemenzahn 1.3 läuft reibungsfrei in die Zahnlücke 2.3 des Ritzels ein und wird erst dann belastet. Der Riemen 1 berührt das Ritzel 2 nur auf den Flanken 1.23. Bei einer Zahnriementeilung von S = 12 mm beträgt das Sollspiel zwischen dem Zahnkopf 2.21 des Ritzels 2 und dem Zahnfuß 1.25 des Riemens 1 etwa 0,5 mm, das Spiel zwischen dem Zahnfuß 2.22 des Ritzels 2 und dem Zahnkopf 1.21 des Zahnriemens kann, wie hier gezeigt, größer sein. An letztgenannter Stelle kommt es weniger auf die Spielbemessung selbst an, als vielmehr auf eine kerbwirkungsarme Zahnfußgestaltung des dünnzahnigen Ritzels 2. Weil sich beim gezeigten Riementrieb der Riemen 1 zwangloser seine Lage gegenüber den Zahnlücken 2.3 des Ritzels 2 suchen kann als bei den bislang bekannten Riementrieben, wo der Riemen das Ritzel mindestens im Zahnfuß oder am Zahnkopf berührt, ist die größte Belastbarkeit etwas höher. Überdies werden die zwischen die Verzahnung gelangten Volumina sanfter beim Einlauf verdrängt, wirkt doch jegliches Spiel kompressionsvermindernd. Dieser Effekt hat eine umso größere Bedeutung, je breiter der Riemen ist und je schneller er läuft. Entsprechendes gilt für die Luftansaugung beim Auslauf. Es wird also sogar eine Komponente der Geräuschbildung verringert, obwohl das Hauptanliegen der Erfindung eine Verbesserung des Verhältnisses zwischen maximal zulässiger Zugkraft und dem Bauvolumen bzw. Baugewicht ist, um den Zahnriementrieb auch bei Fahrrädern einsetzen zu können.

Bei den üblichen Fahrrädern mit schräg oder flach liegenden Ausfallenden am Rahmenhinterbau sind neben den beiden Zahnrädern und dem Riemen keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, kein Ölspritzschutz wie bei Kettentrieben, aber auch keine Spann- oder sonstigen Führungsrollen, wie sie an vielen Zahnriementrieben aus anderen Anwendungsgebieten bekannt sind.

Claims (6)

1. Zahnriementrieb, insbesondere für Fahrräder zur Drehmomentübertragung von der Kurbelwelle auf das Hinterrad, bestehend aus einem großen Zahnrad vorn, einem kleinen Zahnrad hinten mit der Mindestzähnezahl Z und einem beide Zahnräder umschlingenden Zahnriemen der Teilung S aus dämpfungsarmem Gummi oder gummiähnlichen Werkstoffen mit zugfesten Eindagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalen der Flanken, zumindest der Lastübertragenden maximal um 34° gegenüber der Sehnenrichtung geneigt sind und der Krümmungsradius dieser Flanken überall größer als ¾ S ist, wobei in jedem Berührungspunkt der Krümmungsradius der lastübertragenden Flanken an den Zahnrädern geringfügig größer als am Riemen ist, und daß die Krümmungsmittelpunkte der Flanken höchstens einen Abstand von 0,1 S von den Teilungsnebenlinien, die die dünnsten Riemenstellen markieren, haben, wobei dieser Abstand an der Riemenverzahnung größer als bei der Radverzahnung ist.

2. Zahnriementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Riemen die Zahnscheiben weder im Kopf- noch im Fußbereich bei lastfreiem Umlauf vollständig berührt, daß der Riemen also im wesentlichen nur auf den Flanken aufliegt und nicht zusätzlich radial geführt wird.

3. Zahnriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung S mindestens 10 mm beträgt.

4. Zahnriementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnteilung 12 mm beträgt.

5. Zahnriementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kleine Ritzel mindestens 21 Zähne und das vordere große Rad mindestens 53 Zähne aufweist.

6. Zahnriementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Radius R₁ der Riemenflanken, zumindest der lastübertragenden, gilt: wobei ist, und daß für den Radius R₄ der Zahnradflanken, zumindest der lastübertragenden, gilt: wobeiS′-S≈0und die Differenz S′-S entsprechend der DE-PS 16 50 653 zu wählen ist, vorzugsweise mitS′_Ritzel = 0,990 . . . . 0,995 × S _Riemen S′_Großrad = 1,005 . . . . 1,000 × S _Riemen.