DE3629789A1

DE3629789A1 - Toothed-belt drive

Info

Publication number: DE3629789A1
Application number: DE19863629789
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Kleinhoff
Original assignee: Continental Gummi Werke AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 1986-09-02
Filing date: 1986-09-02
Publication date: 1988-03-03
Also published as: DE3629789C2

Abstract

The invention relates to a toothed-belt drive, particularly for bicycles, for the transmission of torque from the crankshaft to the rear wheel. The drive consists of a large sprocket at the front, a small sprocket at the rear having the minimum number Z of teeth, and a toothed belt of pitch S wrapped around the two sprockets, the said belt being composed of low-loss rubber or rubber-like materials and having inserts of high tensile strength. In order to improve the wrapping of the rear small sprocket, where the toothed belt has a tendency under high loading to climb radially out of the intertooth gaps in the sprocket and to skip one tooth spacing, it is proposed that the normals of the belt flanks, at least those of the load-transmitting flanks, be inclined by a maximum of 34 DEG relative to the chordal direction and that the radius of curvature of these flanks be greater than 3/4S at all points, the radius of curvature of the load-transmitting flanks on the sprockets being slightly greater than on the belt at each point of contact, and that the centres of curvature of the flanks be at a distance of no more than 0.1S from the secondary datum lines which mark the thinnest points of the belt, this distance being greater on the belt toothing than on the sprocket toothing. <IMAGE>

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.The invention relates to a toothed belt drive, in particular for bicycles for torque transmission from the crankshaft to the rear wheel, consisting of a large toothed wheel at the front, a small toothed wheel at the rear with the minimum number of teeth Z and a toothed belt of the pitch S which wraps around both toothed wheels and is made of low-damping rubber or rubber-like materials with tension-resistant inserts. With such a toothed belt drive, in particular the previous chain drive on bicycles is to be replaced, for which good lubrication is required, which is prone to contamination and corrosion. The previous attempts at solution have shown problems with the wrapping of the small rear sprocket. At high loads, the toothed belt tends to rise radially outward from the tooth gaps provided in the pinion and finally to skip a tooth pitch.

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.DE-PS 16 50 653 describes a remedy, however, by a smaller one Pinion as belt division. Indeed, this ensures that even with the usually rough tolerances of rubber articles The belt runs load-free into the sprocket and is full there can come to rest in the corresponding tooth space of the pinion, because he is not hindered by radial friction. Indeed are caused by the fact that the teeth do not wear in the the load side sprocket teeth, especially the last one, are heavily loaded. Because a certain pitch difference only for a certain belt stretch can be optimal when designing a belt drive according to this patent not the significant torque fluctuations - on the crankshaft about from -20 to +270 Nm - which even within occur during a pedaling period. The division differentiation alone can therefore not be a satisfactory timing belt drive lead for bicycles.

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.The very harmful tooth skipping of the toothed belt on the pinion can also by one on the back of the belt arranged in the sprocket inlet area acting pressure roller are prevented, like an older one own application disclosed. Additional individual parts, especially movable, but increase the manufacturing effort.

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.So there is the task of a toothed belt drive, in particular for bicycles to be designed so that it also without additional components does not skip at the highest load on the pinion, but only marginally or no pitch differences between belt and sprocket required.

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.The object is achieved in that the normals of the flanks, at least the load-transmitting, are inclined by a maximum of 34 ° with respect to the chord direction and the radius of curvature of these flanks is everywhere greater than ¾ S , with the radius of curvature of the load-transmitting flanks on the gearwheels at each point of contact is slightly larger than on the belt, and that the centers of curvature of the flanks are at most a distance of 0.1 S from the graduation lines which mark the thinnest belt points, this distance at the belt toothing being greater than with the wheel toothing. Due to the low maximum flank inclination in a belt drive according to the invention, the radial force induced by the belt tension is less than with conventional belt drives, namely by more than 30%. The force-transmitting area of the flanks is by no means smaller, because their radii of curvature are extended. This results in a new type of installation space distribution: in cross-section, a tooth of the gear wheel takes up only about a third of the overall width (in the circumferential direction) of a tooth of the belt. The gears, especially the pinion, are to be made from high-strength and high-strength materials. The full belt tooth allows a favorable distribution of force over large rubber sections under load, which keeps the tooth deformation sufficiently small and sufficiently uniform. Using a finite element calculation, the tooth shape in cross-section can be optimized for a particularly uniform trough pattern in which the flanks are not constantly curved; However, a shape obtained in this way deviates only insignificantly from a tooth sector cross-section which is much easier to measure in production control.

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.To keep the timing belt as little as possible due to internal tension burden, according to an advantageous embodiment of the invention no radial belt guidance outside the flanks; the belt touches the gears - at least under normal load - neither in the middle of the tooth head nor in the middle of the tooth gap. This way, the belt can easily find the most favorable position in the inlet looking for power transmission. The greater freedom of movement of the belt does not lead to a noticeable increase in running noise.

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.To make the tooth shapes very precisely in relation to the pitch length to be able to transfer what is great for those in question, a great force Belt is of great importance is a larger tooth pitch than the previously usual 8 mm advantageous, although - with comparable Installation space - smaller number of teeth and thus somewhat higher bending stress peaks in the belt and theoretically a little more restless Run must be accepted. The optimal belt division lies at about 12 mm with a smallest number of pinion teeth of 21 and one smallest number of large gear teeth of 53 teeth. The ratio 53:21 = 2.5238 is slightly longer (4.2%) than the most common sprocket ratio so far 46: 19 = 2.4211, which is because of the extended period of use better efficiency of the toothed belt compared to the chain drive is justified. Despite the increased division, this belt drive runs practically as quiet as one with an 8 mm pitch, quieter than the usual chain drives. To avoid excessive bending stresses the belt should be kept particularly thin in the area of the tooth gaps.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt: The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Zahnriemens in gestreckter Stellung, Fig. 1 is a partial view of a toothed belt according to the invention in the extended position,

Fig. 2 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ritzels mit 21 Zähnen und Fig. 2 is a partial view of a pinion according to the invention with 21 teeth and

Fig. den Einlaufbereich eines erfindungsgemäßen Zahnriementriebes am Ritzel. Fig. The inlet area of a toothed belt drive according to the invention on the pinion.

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.The toothed belt 1 shown in Fig. 1 is constructed symmetrically. It can therefore transmit the same amount of force in both directions and is also suitable for a bicycle with a coaster brake. The belt has a smooth back 1.1 on the outside and a toothing 1.2 on the inside. The teeth are divided, counted from a main division line to a secondary division line, into the tooth head 1.21 just executed here, the transition arch 1.22 , the flank 1.23 executed here as a circular sector, the foot transition arch 1.24 and the tooth root 1.25 . After determining the number of teeth Z of the smallest pinion, Z being greater than or equal to 21, here 21 has been chosen, and the chord length S (toothed belt pitch length), the radii R ₁ to R ₃ result from the equations given under the drawing. Together with the construction instructions listed in the drawing itself, in particular the angle information, the toothed belt contour 1.2 with its teeth 1.3 and its tooth gaps 1.4 is clearly described. The tensile reinforcement members 1.5 are approximately rectilinear in the vicinity of the tooth shape reference line of the belt 1 . A particularly favorable stiffness distribution is achieved if the strength members 1.5 are arranged in a slightly undulating manner in the extended belt.

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. Fig. 2 shows the tooth form of an associated pinion 2 2.1. It is clearly described with the equation for R ₄ given on the drawing above. The relatively narrow teeth 2.2 and the wide tooth gaps 2.3 can be clearly seen. With this layout, the most favorable ratio between load capacity and size is achieved. For this purpose, the pinion 2 is made of a high-strength material, preferably of metal.

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. Fig. 3 shows the critical point of a low-speed but high-loaded toothed belt drive, as it can be used on a bicycle, namely the inlet of the belt 1 in the pinion 2. The belt tooth 1.3 runs smoothly into the tooth gap 2.3 of the pinion and is only then loaded. The belt 1 touches the pinion 2 only on the flanks 1.23 . With a toothed belt pitch of S = 12 mm, the nominal play between the tooth head 2.21 of the pinion 2 and the tooth base 1.25 of the belt 1 is approximately 0.5 mm, the play between the tooth base 2.22 of the pinion 2 and the tooth head 1.21 of the toothed belt can, as here shown to be bigger. At the latter point, the game design itself is less important than a low-notch tooth base design of the thin-toothed pinion 2 . Because in the belt drive shown, the belt 1 can search more easily for its position in relation to the tooth spaces 2.3 of the pinion 2 than in the belt drives known hitherto, where the belt touches the pinion at least in the tooth base or on the tooth head, the greatest load capacity is somewhat higher. In addition, the volumes that come between the gearing are displaced more gently as they run in, since any play reduces compression. This effect is all the more important the wider the belt and the faster it runs. The same applies to the air intake at the outlet. So even a component of the noise is reduced, although the main concern of the invention is an improvement in the relationship between the maximum permissible tractive force and the construction volume or construction weight in order to be able to use the toothed belt drive in bicycles as well.

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.On the usual bikes with sloping or flat dropouts on the rear frame are next to the two gears and no additional components required for the belt, no oil splash protection as with chain drives, but also no tensioning or other guide rollers, such as those found on many toothed belt drives other fields of application are known.

Claims

1.toothed belt drive, in particular for bicycles for torque transmission from the crankshaft to the rear wheel, consisting of a large gearwheel at the front, a small gearwheel at the rear with the minimum number of teeth Z and a toothed belt of the pitch S encircling both gearwheels made of low-damping rubber or rubber-like materials with tensile strength indentations, characterized in that the normals of the flanks, at least of the load-transmitting flanks, are inclined by a maximum of 34 ° with respect to the chord direction and the radius of curvature of these flanks is greater than ¾ S everywhere, with the radius of curvature of the load-transmitting flanks on the toothed wheels being slightly larger at each point of contact than on the belt and that the centers of curvature of the flanks are at most 0.1 S from the division lines which mark the thinnest belt points, this distance at the belt toothing being greater than with the wheel toothing.

2. Timing belt drive according to claim 1, characterized in that the Belt the toothed pulleys neither in the head nor in the foot area with a load-free one Circulation completely touches that the belt is essentially only rests on the flanks and not additionally guided radially becomes.

3. Timing belt according to claim 1, characterized in that the pitch S is at least 10 mm.

4. Timing belt drive according to claim 1, characterized in that the Tooth pitch is 12 mm.

5. Timing belt drive according to claim 1, characterized in that the small sprocket at least 21 teeth and the front large wheel at least 53 teeth.

6. Timing belt drive according to claim 1, characterized in that the following applies to the radius R ₁ of the belt flanks, at least the load-transmitting: in which and that for the radius R ₄ of the gear flanks, at least the load-transmitting ones, the following applies: where S'-S ≈0and the difference S '- S is to be selected according to DE-PS 16 50 653, preferably with S ' _pinion = 0.990. . . . 0.995 × S _belt S ′ _{large wheel} = 1.005. . . . 1,000 × S _straps .