DE2624424C3 - Zahnriemen - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Zahnriemen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen und z. B.
durch die DE-AS 11 26 211 bekannten Art.
Bei dem bekannten Zahnriemeütrieb haben die Zähne einen trapezförmigen Querschnitt, bei dem zwar die
Kanten abgerundet, die Zahnflanken im übrigen aber geradlinig sind. Der Eingriffswinkel der Zahnflanken
beträgt zwischen 14° und 32°, jedoch ist er unmittelbar an den Zahnfüßen größer. Unter Hochlastbedingungen
treten bei solchen Zahnriemen an den Zähnen örtliche Überlastungen auf. Insbesondere gleiten die Zahnflanken
auf den Zähnen der Zahnräder und erzeugen Abrieb und Wärme. Die trapezförmigen Riemenzähne werden
zwischen den Zahnradzähnen etwa in der Weise eingeklemmt, wie ein Keilriemen in einer Keilriemenscheibe
sitzt. Außerdem erfolgt eine Stauchung in radialer Richtung.
Ferner sind Zahnriemen bekannt (US-PS 37 56 091), deren Zähne im wesentlichen runden Querschnitt haben
und deren Zahnflanken Kreisbögen darstellen, deren Kreismittelpunkte jedoch gegeneinander versetzt sind.
Derartige runde Riemenzähne werden an ihren gekrümmten Antriebsflächen durch Eingriff der ihnen
angepaßten Zahnradzähne unterstützt und angetrieben. Sie unterliegen daher radialen Druckspannungen.
Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten, wenn ein derartiger Zahnriemen um ein Riemenrad mit kleinem
Durchmesser umläuft.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Zahnriemen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Art insoweit zu verbessern, daß die Zahnkraft mit möglichst geringem Hebelarm angreift, so daß im
wesentlichen Scherspannungen und nur geringe Biegespannungen sowie geringe Stauchbeanspruchungen an
den Zähnen zur vorteilhaften Lastübertragungsmöglichkeit
auftreten.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei der Erfindung die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
v-,
b> Gestaltungsmerkmale vorgesehen, wobei noch in den Unteransprüchen 2 und 3 für die Aufgabenlösung
vorteilhafte erforderliche Weiterbildungen beansprucht werden.
Es ist zwar z.B. durch die DE-OS 24 35 073 ein Zahnriemen bekannt geworden, bei dem die Zahnflanken
konvergierend bis zu den abgerundeten Ecken leicht nach außen gewölbt sind, jedoch sind die
sonstigen technischen Verhältnisse bei diesem Stand der Technik ganz anders gelagert wie bei der Erfindung.
Nach der Erfindung ist die Flankensteilheit unmittelbar am Zahnfuß größer als bei trapezförmiger
Zahnkontur mit abgerundeten Ecken. Hierdurch wird in Verbindung mit der Wölbung der Zahnflanken erreicht,
daß die Hauptbeanspruchung des Zahnes beim Eingriff eines Zahnrades in die Nähe des Zahnfußes verlegt wird,
so daß der Zahn selbst nur so wenig wie möglich gestaucht wird und vor allem keine größere Biegebeanspruchung
erfährt Der Vektor, der auf den einzelnen Riemenzahn wirkenden Belastung verläuft im wesentlichen
parallel zur Hauptrichtung des Riemens. Die Riemenzähne sind an ihren Ecken abgerundet um den
Eintritt in die Zahnlücken bzw. den Austritt aus den Zahnlücken des Zahnrades zu erleichtern.
Wenn gemäß Anspruch 2 die Höhe eines jeden Zahnes etwa die Hälfte der Grundlänge des Zahnes
oder weniger beträgt, erhält der Riemen eine erhöhte Flexibilität. Die Zähne sind so konstruiert, daß der
Riemen in der Nähe der Zahnfüße belastet wird, so daß die Hebelwirkung auf die Riemenzähne gering gehalten
wird. Obwohl örtliche Scherspannungskonzentrationen an den Riemenzähnen auftreten können, ist die
Kompressionsbelastung insgesamt minimal. Der Zahnriemen hat eine geringe Masse und ist dabei imstande,
eine sehr hohe Leistung zu übertragen.
Der erfindungsgemäße Zahnriemen hat eine geringe Radialkompression der Riemenzähne, so daß in erster
Linie nur Scherspannungen auf die Riemenzähne einwirken.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher
erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Zahnriementrieb,
F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht des Zahnriemens, teilweise aufgeschnitten,
F i g. 3 eine Seitenansicht des Zahnrades, das für den Zahnriemen nnch F i g. 2 bestimmt ist,
F i g. 4 eine Seitenansicht des Eingriffs eines Zahnes des erfindungsgemäßen Zahnriemens in die Verzahnung
eines konventionellen Zahnrades bei Belastung und
Fig.5 und 6 Seitenansichten konventioneller Riemenzähne
mit rundem bzw. trapezförmigem Querschnitt unter Verdeutlichung der Krafteinwirkung bzw.
Belastung.
Der dargestellte Zahnriemen 10 läuft um Zahnräder 12, 14 herum, greift in ihre Verzahnung ein und bildet
mit ihnen ein schlupffreies Antriebssystem. Der Riemen weist ein im wesentlichen undehnbares Zugteil 16 auf
und besitzt mehrere in Riemenlängsrichtung mit Abständen hintereinander angeordnete Zähne 18 sowie
eine Rückenschicht 20. Die Riemenzähne 18 und die Rückenschichten 20 sind einstückig aus Polyurethan
hergestellt.
Wahlweise kann die Rückenschicht quergerichtete Nuten 22 zur Vergrößerung der Flexibilität des Riemens
aufweisen.
Die Zugschicht ist so nahe wie möglich an den
Zahnfüßen 24 angeordnet, um beim Biegen des Riemens um Zahnräder mit unterschiedlichen Durchmessern die
Änderungen der bogenförmigen Zahnlücken so gering wie möglich zu halten.
Um die Reibung zwischen den Zähnen des Riemens und denen des Zahnrades gering zu halten, ist in dem
Elastomeren des Riemens an der Außenseite der Zähne eine Schicht aus Textilmaterial 26 angeordnet Wenn ein
derartiges Material verwendet wird, wird es an der Zahnwurzel unmittelbar angrenzend an das Zugteil
angeordnet. Alternativ kann das Elastomere des Riemens auch so zusammengesetzt sein, daß es einen
niedrigen Reibungskoeffizienten an den Antriebsflächen 28 aufweist
Wie man aus den Zeichnungen ersieht, sind die Riemenzähne so ausgebildet daß ihre Antriebsflächen
28 sich geradlinig über die gesamte Riemenbreite erstrecken. Die Antriebsfläche verläuft in der Nähe des
Zahnfußes unter einem sehr spitzen Winkel A zu der Flächennormalen 30, die senkrecht auf dem Zugteil
steht. Der Winkel A ist nicht größer als 15°, vorzugsweise nicht größer als 10° und insbesondere
nicht größer als 5°. Derjenige Teil der Zahnoberfläche, der im wesentlichen rechtwinklig von der Riemenfläche
absteht, stellt die Hauptantriebsfläche 28 dar.
Die Hauptantriebsflächen oder Zahnflanken können aus kurzen geraden Linien bestehen, die einen
quasi-kurvenförmigen Verlauf bilden, oder aus gekrümmten Linien. Sie gehen über Spannungsableitradien
32, 34 in die Riemenfläche über. Die Antriebsflächen enden in entgegengesetzter Richtung in abgerundeten
Ecken 36, die den Eingriff in die Zahnradverzahnung erleichtern.
Das gesamte Zahnprofil ist durch zahlreiche Radien abgerundet, so daß ein glatter kurvenförmiger Übergang
von den abgerundeten Ecken zu den Hauptantriebsflächen der Zähne besteht. Die Radien 38, 40, die
die Krümmung bzw. Wölbung der AntriebsFlächen 28 kennzeichnen, liegen mit ihren Krümmungsmittelpunkten
auf der Linie F.
Die Spannungsableitradien 32, 34 liegen mit ihren Kreismittelpunkten auf der Linie R und die Eckradien
42,44 liegen mit ihrem Kreismittelpunkt auf der Linie C. Die Kreismittelpunkte der Radien 38,40 können jeweils
gleichen Abstand von der Zahnmittellinie 46 haben.
Wenn die Radien 38, 40 der Antriebsfläche vergrößert werden, nähert sich die Antriebsfläche 28 einer
geraden Linie. Wenn die Linien Fund R zusammenfallen, nähert sich der Zahnfuß tangential der Flächennormalen
30 an, die von der Grundlinie des Riemens absteht. Als Grundlinie ist die Mittelebene des
hochfesten Zugteiles definiert. Die Spannungsableitradien und die Eckradien sind so gewählt, daß sich ein
glatter Übergang zur Hauptantriebsfläche ergibt.
Die Eckradien 42,44 sind hinreichend groß, so daß die
Zahnecken 36 von den Antriebsflächen 28 schnell abfallen. Die Eckradien sind kleiner als die Radien der
Antriebsfläche. Hierdurch ist sichergestellt, daß die Zahnradzähne leicht zwischen die Riemenzähne eintreten
und auch wieder leicht herauskommen. Die abgerundete Ecke erlaubt nicht nur ein leichtes Hinein-
und Hinausgehen eines Zahnradzahnes, sondern bewirkt auch, daß der Eckbereich des Riemenzahnes keine
Antriebslast aufnehmen muß.
Wie beim Stand der Technik ist die Zahnteilung Pder Riemenzähne so gewählt, daß die Grundlänge B eines
Zahnes größer ist als die Zahnlücke (P minus B) zwischen aufeinanderfolgenden Riemenzähnen. Dies
ermöglicht es, eine große Menge an Elastomermateria! in einem Zahn unterzubringen, der somit entsprechend
hohe Antriebskräfte von dem Zahnrad übernehmen kann. Die Zahnhöhe H braucht jedoch im wesentlichen
nur halb so groß zu sein wie die Grundlänge B, da die Ecken 36 bei einer Antriebsbelastung nicht beansprucht
werden. Durch die geringe Zahnhöhe hat der Zahnriemen eine erhebliche Flexibilität Notwendig ist lediglich
eine abgeflachte Oberfläche zwischen den beiden abgerundeten Ecken eines Zahnes zur Bildung der
Zahnspitze 48. Die Zahnspitze 48 erhält Druckspannungen weder von der Riemenspannung noch von einem
Vektor der Antriebslast wie nachfolgend noch erläutert wird.
Ein praktisch ausgeführter Zahnriemen hat z. B. die in Tabe'fle 1 angegebenen Abmessungen.
Zahn-Grundlänge B | 9,8 | mm |
Spannungsableitungsradien 32,34 | 0,64 | mm |
Zahnradien 38,40 | 6,0 | mm |
Entfernung zwischen den Kreismit | ||
telpunkten der Radien 38 und 40 | 2.29 | mm |
Länge der Zahnlücke (Pminus B) | 4,14 | mm |
Eckenradien 42 und 44 | 1,19 | mm |
Zahnhöhe H | 3,73 | mm |
Zahnteilung P | 13,9 | mm |
Der Zahnriemen kann in Verbindung mit bekannten Zahnrädern gemäß US-PS 37 56 091 betrieben werden.
Die Zahnradzähne müssen jedoch nicht notwendigerweise als konjugierte Flächen ausgebildet .-ein, weil ein
Riemenzahn entlang des flachen Teiles seiner Oberfläche nicht radial unterstützt werden muß. Tatsächlich
bevorzugt man einen Spielraum zwischen dem flachen Teil der Zahnoberfläche des Riemenzahnes und der
Zahnfußfläche des Zahnradzahnes, damit sich dort etwaiges Fremdmaterial, das an anderer Stelle den
Antrieb stören würde, ansammeln kann.
Bei den bekannten Zahnrädern werden die Zähne mit einem Zahn-Wälzfräser hergestellt, der ein entsprechendes
Profil hat. Normalerweise ist ein Zahn-Wälzfräser so konstruiert, daß er eine bestimmte Anzahl von
Zahnradzähnen fräsen kann. Beispielsweise kann zur Herstellung eines Zahnrades mit 28 Zähnen mit einer
Teilung von 14 mm ein 28-Zahn-Wälzfräser eingesetzt
werden. Dabei erhält man ein genaues Zahnprofil. Derselbe Zahn-Wälzfräser kann jedoch auch zur
Herstellung von Zahnrädern benutzt werden, die entweder mehr oder weniger Zähne aufweisen als der
Wälzfräser. Wird ein Einzelradfräser benutzt, um eine ganze Reihe von Zahnrädern mit unterschiedlichen
Zähnezahlen (z.B. 12 bis 92 Zähne) herzustellen, so würde das Zahnrad nicht perfekt in einen Zahnriemen
hineinpassen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Zahnprofil des Zahnrades umso mehr von dem
Konstruktionsprofil abweicht, je mehr oder weniger Zähne hergestellt werden, wogegen das Profil des
Riemenzahnes unverändert bleibt. Idealerweise sollte für jedes Zahnrad ein separater Zahn-Wälzfräser
verwendet werden.
Wenn ein Zahn-Wälzfräser ausgewählt worden ist, um Zahnräder mit kleinem Durchmesser so herzustellen,
daß sie genau passend mit den Ricmenzähnen kämmen (z. B. 14-mm-Teilung am Zahnriemen und 20
bis 7 Zahnräder), werden die Zahnradzähne zunehmend spitzer. Wenn die Zahnradzähne schon fast bis zu einer
Spitze zulaufen, verursachen sie Oberflächenpressun-
gen, die zu hohen Spannungskonzentrationen an den Zahnlücken des Zahnriemens führen können.
Es wurde entdeckt, daß an kleineren Zahnrädern (i. B. Zahnrädern mit 7 bis 20 Zähnen, die einem Riemen mit
14-mm-Teilung entsprechen) ein unterschnittener Zahn hergestellt werden kann, indem man einen Zahn-Wälzfräser
verwendet, der eigentlich zur Herstellung einer größeren Anzahl von Zähnen bestimmt ist. Beispielsweise
kann ein Wälzfräser für 26 Zähne zur Erzeugung eines Zahnrades mit 27 Zähnen verwendet werden.
Wenn dies geschieht, ist die Spitze der Zahnradzähne verbreitert, was zur Folge hat, daß die Druckbelastung
in den Zahnlücken des Riemens verringert wird. Das Unterschneiden bringt zwei Haupt-Vorteile, wenn das
Zahnrad zusammen mit dem Riemen eingesetzt wird. Gemäß F i g. 3 werden durch das Unterschneiden zwei
entgegengesetzt gerichtete ausgebauchte Wülste 50, 52 an der Zahnspitze 54 des Zahnradzahnes erzeugt, die in
Längsrichtung orientiert sind und dazu beitragen, daß der Riemenzahn in der Nähe des Zahnfußes belastet
wird, so daß der Vektor der Antriebslast von dem Zahnradzahn zu dem Riemenzahn unter einem ganz
kleinen Winkel verläuft. Unterschneiden tritt auf, wenn die Stärke zwischen den ausgebauchten Wulsten 50, 52
in Umfangsrichtung größer ist als die Stärke zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen 56 und 58 des
Zahnradzahnes. Der zweite Vorteil besteht darin, daß die Riemenzähne in der Unterschneidung schwalbenschwanzförmig
60 sind, was dazu beiträgt, den Riemen in dem Zahnrad zu halten und ratschenförmiges
Durchdrehen zu vermeiden. Dies ist wichtig, weil ratschenförmiges Durchdrehen normalerweise bei
Zahnrädern mit kleinerem Durchmesser auftritt.
im Betrieb läuft der Riemen angetrieben um eines oder mehrere Zahnräder um und ist gespannt. Die
Zahnradzähne teilen die Antriebslast in erster Linie (d. h. zu 90%) zwei oder drei Riemenzähne, die in das
Zahnrad eingreifen, mit. Der an jedem Zahn angreifende Kraftvektor verläuft entlang einer Linie, die im
wesentlichen senkrecht auf der Antriebsfläche des Zahnes steht. Demnach verläuft der Antriebsvektor, der
vom Zahnrad 62 auf den Zahnriemen ausgeübt wird, unter einem Winkel, der nicht größer ist als 15°,
insbesondere nicht größer als 10° und vorzugsweise nicht größer als 5° (z. B. 0°), bezogen auf eine Tangente
des Zugteiles. Die kleineren Winkel stellen sicher, daß nur eine kleine Kraftkomponente in radialer Richtung
vorhanden ist, die komprimierend auf die Riemenzähne einwirkt. Durch den niedrigen Reibungskoeffizientei
wird während des Eingriffs erreicht, daß nur eine seh
geringe Radialkraft parallel zu den Antriebsflächen de: Riemens übertragen wird.
Es wurden Riemen mit 65 Zähnen mit H-mm-Teilunj
in zwei verschiedenen Riementypen hergestellt. Dei ersten Riementyp war nach der Erfindung konstruiert
um mit dem zweiten Riementyp,dereine Rundzahnkon
struktioti (F i g. 5) zur Verwendung mit einer passender
Zahnform am Zahnrad hatte, verglichen zu werden. Die beiden Riemen wurden aus demselben Materia
hergestellt. Beide Riemen wurden aus gießfähigerr Polyurethan als Elaslomerem hergestellt. Das Zugtei
bestand aus Polyamid-Kord (15 000 Denier) der Dicke 60. Die Riemen hatten eine reibfeste Deckschicht au;
Nylon. Sie wurden auf vergleichbare Breiten geschnit ten. Anders ausgedrückt: die Riemen waren bis im
kleinste Detail gleichartig aufgebaut, mit Ausnahme de; Zahnprofils. Für beide Riemen wurden Zahnrädei
verwandt, deren Zahnform dem gekrümmten Riemer angepaßt war.
Testergebnisse: 19 PS, 1750 U/min, Zähnezahl dei
Zahnräder: 28 (Außendurchmessei 122 mm):
Spannungsverhältnis 5 : 1;
Gesamtspannung 190 kp;
Festgehaltene Mitten, 2-Punktantrieb.
Obere | PS/cm | Stand der Tech | Erfindung |
Riemenbreite | nik (gekrümmte | Lebensdauer | |
Zahnform) | |||
Lebensdauer | |||
(mm) | (Std.) | (Std.) | |
12,7 | 15 | 17 | 32 |
13,5 | 12 | 35 | 278 |
19,0 | 10 | 143 | 601 |
Das Konzept der Aufbringung eines Anlriebsvektors
der unter einem großen Winkel zu dem Zugteil des Riemens verläuft (z. B. unter einem Winkel von 20° bis
45°), geht auf eine Riemen- und Zahnradkonstruktion zurück, die ursprünglich ganz andere Probleme lösen
sollte.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Zahnriemen mit mehreren Zähnen, deren Zahnflanken über abgerundete Ecken in die im
wesentlichen flache Oberseite übergehen, zur Verwendung in Verbindung mit meinem Zahnrad,
dessen Zähne die Antriebskraft i:pter einem Winkel zur Riemenlängsrichtung, der kleiner ist als 15°, auf
die Riemenzähne übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftübertragung im wesentlichen in der Nähe der Zahnfüße die
Zahnflanken in der Nähe der Zahnfüße unter einem Winkel (A) von maximal 15° zur Riemennormalen
(30) verlaufen und darüber konvergierend bis zu den abgerundeten Ecken (36) leicht nach außen gewölbt
sind.
2. Zahnriemen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Höhe
(H) eines jeden Zahnes etwa die Hafte der Grundlänge (B)des Zahnes oder weniger beträgt.
3. Zahnriemen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangenten der
Zahnflanken (28) in der Nähe der Zahnfüße unter einem Winkel (A) von maximal 10° zur Riemennormalen
verlaufen.
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