Bezeichnung der Erfindung

Rotationsscheibe

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationsscheibe, insbesondere eine Ausgestaltung der Zähne und der Zahnlücken der Rotationsscheibe. Des weite- ren betrifft die vorliegende Erfindung eine Antriebsvorrichtung mit mindestens einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe und ein Umschlingungsgethebe mit mindestens einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe.

Hintergrund der Erfindung

Antriebssysteme auf der Basis von kraftübertragenden Endloselementen, wie bspw. Riemen oder Ketten, und Zahnrädern sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Insbesondere in Verbrennungsmotoren werden solche Antriebssysteme bspw. zur übertragung eines Moments von der Kurbelwelle auf die Nockenwellen verwendet.

Neben der Nockenwelle und der Kurbelwelle können auch weitere Komponenten, wie bspw. Wasser- oder Kraftstoffpumpen durch Riemen oder Ketten angetrieben sein. Als Oberbegriff für Riemen- und Kettentriebe spricht man von so genannten Umschlingungsgetheben.

Bei derartigen Antriebssystemen bzw. Umschlingungsgetheben treten so genannte Trumschwingungen auf. Bei solchen Trumschwingungen kann es sich um Transversal-, Longitudinal- oder Torsionsschwingungen des kraftübertra- genden Endloselements handeln, die durch zyklische Motorbewegungen erregt werden. Die zyklische Erregung der Trumschwingung erfolgt in der Regel durch ein ungleichförmiges Antriebselement des Verbrennungsmotors.

Wesentlich sind insbesondere die Torsionsschwingungen bzw. Drehwinkelschwankungen der einzelnen angetriebenen Bauteile gegeneinander. Dabei tritt ein sogenannter „timing error" auf, d.h. ein Verdrehwinkel der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Wenn dieser Winkelfehler zu groß ist, entstehen beim Be- trieb des Motors Emissionen jenseits der zugelassenen Schadstoffgrenzwerte.

Darüber hinaus tritt bei Zahnriemen aufgrund der Drehwinkelschwankungen eine ungleichmäßige Belastung auf, die Zahnriemenrisse fördert und die Lebensdauer des verwendeten Zahnriemens verringert.

Daher wurden unrunde Zahnräder vorgeschlagen, um diese Trumschwingungen und Drehwinkelschwankungen auszugleichen. Unter unrunden Zahnrädern sind dabei solche Zahnräder zu verstehen, die keinen kreisförmigen Umfangs- querschnitt aufweisen und bei denen die Wirkkurve bzw. der Umschlingungs- bogen des kraftübertragenden Endloselements nicht kreisförmig ist.

So beschreibt die Offenlegungsschrift DE 10 2004 048 629 A1 eine unrunde Rotationsscheibe eines Steuertriebs. Die Rotationsscheibe weist dabei einen Rotationsscheibenradius auf, der funktional von dem Drehwinkel und einem mittleren Radius abhängt, wobei der mittlere Radius so gewählt ist, dass eine umlaufende Bogenlänge einer Rotationsscheibenumschlingungskurve gleich dem Produkt aus dem vorgegebenen Abstand der Mittelpunkte benachbarter Zähne und der Anzahl der Zähne ist.

Des weiteren beschreibt die Gebrauchsmusterschrift DE 202 20 367 U1 eine Synchronantriebsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Rotoren, die mittels eines kraftübertragenden Endloselements miteinander gekoppelt sind, wobei einer der Rotoren ein nicht-kreisförmiges Profil mit mindestens zwei vorstehenden Abschnitten aufweist, die sich mit rückstehenden Abschnitten abwechseln, wo- bei die Winkelpositionen der vorstehenden und rückstehenden Abschnitte des nicht-kreisförmigen Profils und das Ausmaß der Exzentrizität des nichtkreisförmigen Profils derart sind, dass das nicht-kreisförmige Profil ein entgegengesetztes schwankendes korrigierendes Drehmoment an das kraftübertra-

gende Endloselement anlegt, das ein schwankendes Belastungsdrehmoment eines Belastungsaufbaus verringert oder im wesentlichen aufgehoben wird.

Im Betrieb dieser vorgeschlagenen Rotationsscheiben bzw. der vorgeschlage- nen Synchronantriebsvorrichtungen zeigte sich, dass die Drehwinkelschwankungen zwar im wesentlichen ausgeglichen werden können, trotz allem jedoch ein hoher Riemenverschleiß auftritt. Der hohe Riemenverschleiß wiederum macht kurze Serviceintervalle notwendig und führt zu hohen Wartungskosten der betreffenden Anlagen.

Für eine Momentenkompensation und zum Ausgleichen der Drehwinkelschwankungen reichen die bisher eingesetzten Unrundheiten nicht aus. Es bedarf also einer Scheiben- bzw. Zahnauslegung, die Belastungsspitzen vermeidet und ein möglichst gleichmäßiges „Tragbild" im Umschlingungsbogen, d.h. dem Kontaktbereich zwischen Riemen und Scheibe, bereitstellt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationsscheibe bzw. eine Antriebsvorrichtung oder ein Umschlingungsgethebe bereitzustellen, bei dem Drehwinkelschwankungen ausgeglichen werden und dabei ein wesentlich verringerter Verschleiß des kraftübertragenden Endloselements auftritt.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Rotationsscheibe gemäß Anspruch 1 , einer Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 6 und ein Umschlingungsgetriebe gemäß Anspruch 10 gelöst.

Die erfindungsgemäße Rotationsscheibe ist um einen Drehwinkel um eine Rotationsachse rotierbar und umfasst eine Anzahl von an einem Umfang der Rotationsscheibe angeordneten Zähnen sowie zwischen den Zähnen befindliche

Zahnlücken, wobei die Zahnlücken jeweils zu einer Zahnlückensymmetrieachse symmetrisch sind, und einen Rotationsscheibenradius, der funktional von dem Drehwinkel und einem bestimmten mittleren Radius abhängt, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnlückensymmetrieachsen jeweils im wesentlichen auf den lokalen Krümmungsmittelpunkt des Umfangs der Rotationsscheibe ausgerichtet sind.

Es hat sich gezeigt, dass die Ursache für den hohen Verschleiß der kraftübertragenden Endloselemente bei den Rotationsscheiben des Standes der Technik von großen Kraftspitzen hervorgerufen wird, die von den Zahnradzähnen auf das Endloselement ausgeübt werden. Der Grund hierfür ist die Ausrichtung und Profilierung der kreisrunden Zahnräder des Standes der Technik.

Bei einem kreisrunden Zahnrad sind die zwischen den Zähnen befindlichen Zahnlücken jeweils zu einer sogenannten Zahnlückensymmetrieachse symmetrisch. Bei kreisrunden Zahnrädern verläuft jede Zahnlückensymmetrieachse durch die Rotationsachse bzw. den Mittelpunkt dieses kreisrunden Zahnrads. Der Abschnitt des Zahnrads zwischen zwei solchen Zahnlückensymmetrieachsen wird im Rahmen dieser Beschreibung Sektor genannt.

Bei einem kreisrunden Zahnrad sind alle Sektoren identisch. Durch Aneinan- dersetzen der Sektoren erhält man ein kreisrundes Zahnrad. Dabei weisen die Zahnlücken eine kontinuierliche Oberfläche ohne mit tangentialen übergängen versehenen Unstetigkeiten zwischen den Sektoren auf.

Bei den nicht-kreisförmigen Zahnrädern des Standes der Technik wurde bisher bei der Auslegung ebenfalls festgesetzt, dass sämtliche Zahnlückensymmetrieachsen durch die Rotationsachse des Zahnrades verlaufen müssen. Bei derartigen Zahnrädern können jedoch nicht einfach identische Sektoren aneinander- gesetzt werden. Vielmehr müssen die Sektoren um ein gewisses Maß verzerrt werden, um die einzelnen Sektoren entlang des nicht-kreisförmigen Umfangs aneinanderzusetzen.

An den Zahnlückensymmethelinien weisen die Zahnlücken jedoch nun keine übergänge zwischen den Sektoren wie bei einem kreisförmigen Zahnrad auf, sondern sind in diesem Bereich stärker gekrümmt oder weisen sogar eine Unstetigkeit an der Zahnlückensymmetrieachse auf. Daher weisen die Zähne in einem größeren Winkel auseinander als bei einem kreisförmigen Zahnrad.

Die Zahnlückenkonturen des Standes der Technik sind so verzerrt, dass sie im Zahngrund des kraftübertragenden Endloselements eine erhöhte Belastung erzeugen. Darüber hinaus tritt an derartigen Konturen ein erhöhter Verschleiß auf.

Erfindungsgemäß sind die Zahnlückensymmetrieachsen jedoch nicht alle auf die Rotationsachse ausgerichtet, sondern sind jeweils im wesentlichen auf den lokalen Krümmungsmittelpunkt des Umfangs der Rotationsscheibe gerichtet, d.h. sie stehen senkrecht auf der Kontur des unrunden Rades. Die Zahnlückensymmetrieachsen verlaufen dann in der Regel nicht mehr durch die Rotationsachse. Durch die gleich gehaltenen Zahnlücken wird dann die in der Regel a- symmethsche Zahngeometrie bestimmt. Die Flankenkontur des Zahns ergibt sich aus der Form benachbarter Zahnlücken. Die Kopfkontur des Zahns ergibt sich aus der Geometrie der Kontur der Wirklinie.

Durch die erfindungsgemäße Ausrichtung der Zahnlückensymmetrieachsen auf die jeweiligen lokalen Krümmungsmittelpunkte werden symmetrische Zahnlückengeometrien mit kontinuierlichen übergängen zwischen den Sektoren in den Zahnlücken erzeugt. Des weiteren wird so das Problem des erhöhten Ver- schleisses vermieden. Der Ein- und Auslauf des kraftübertragenden Endloselements erfolgt reibungs- und verschleißreduziert, da die Pressung aufgrund der Kraftübertragung von den Zähnen auf das kraftübertragende Endloselement nun gleichmäßig verteilt ist und Kraftspitzen vermieden werden. Auf diese Wei- se stellt die erfindungsgemäße Rotationsscheibe einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bereit.

In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Umfang der Rotationsscheibe im wesentlichen unrund ist. Die Zahnlückensymmetrieachsen stehen senkrecht auf der Kontur der unrunden Rotationsscheibe.

In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Zähne für eine Evolventenverzahnung ausgebildet sind.

Es kann vorgesehen sein, dass die Zahnlückensymmetrieachsen so ausgerichtet sind, dass eine zu der Rotationsscheibe konzentrische Kreisfläche nicht von den Zahnlückensymmetrieachsen durchkreuzt ist. Die Kreisfläche kann einen Durchmesser von etwa 0,1 mm bis etwa 20 mm und insbesondere einen Durchmesser von etwa 0,5 mm bis etwa 6 mm aufweisen.

Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst mindestens zwei Rotati- onsscheiben und ein kraftübertragendes Endloselement zum übertragen eines Moments zwischen den Rotationsscheiben und ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Rotationsscheiben eine erfindungsgemäße Rotationsscheibe ist. Auf diese Weise wird auch bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ein erhöhter Verschleiß des kraftübertragenden Endlosele- ments vermieden.

Des weiteren kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zum Einsatz in einem Luftfahrzeug ausgebildet sein.

In einer Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung eine Synchronantriebsvorrichtung.

Das erfindungsgemäße Umschlingungsgethebe umfasst mindestens zwei Rotationsscheiben und ein kraftübertragendes Endloselement zum übertragen eines Moments zwischen den Rotationsscheiben und ist dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eine der Rotationsscheiben eine erfindungsgemäße Rotationsscheibe ist. Auf diese Weise wird auch bei dem erfindungsgemäßen Um- schlingungsgetriebe ein erhöhter Verschleiß des kraftübertragenden Endloselements vermieden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt dabei:

Figur 1 eine Querschnittsansicht eines nicht-kreisförmigen Zahn- rads zum Ausgleich von Drehwinkelschwankungen und

Trumschwingungen des Standes der Technik,

Figur 2 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs eines nichtkreisförmigen Zahnrads des Standes der Technik in Figur 1 ,

Figur 3 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Rotationsscheibe in einer bevorzugten Ausführungsform, und

Figur 4 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs um die Rotationsachse der Rotationsscheibe in Figur 3.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Rotationsscheibe 1 10 des Standes der Technik. Die Rotationsscheibe 1 10 des Standes der Technik weist einen nicht- kreisförmigen Querschnitt zum Ausgleichen von Drehschwingungen bzw. Drehwinkelschwankungen auf. Entlang dem Umfang der Rotationsscheibe 1 10 ist eine Anzahl von Zähnen 120 angeordnet. Die Rotationsscheibe 1 10 rotiert um eine Rotationsachse 1 12. Zwischen den Zähnen 120 befindliche Zahnlücken sind jeweils zueinander zu einer Zahnlückensymmetrieachse 130 symmet- risch. Die Rotationsscheibe 110 befindet sich entlang einer Wirkkurve 200 in Eingriff mit einem kraftübertragenden Endloselement (nicht dargestellt).

Damit die einzelnen zwischen zwei Zahnlückensymmetrieachsen 130 befindlichen Sektoren der Rotationsscheibe 1 10 trotz des nicht-kreisförmigen Quer- Schnitts aneinanderpassen, müssen sie geändert bzw. verzerrt werden. Dadurch entstehen an den übergängen zwischen den Zähnen 120 an den Zahnlückensymmetrieachsen 130 übergänge mit Unstetigkeiten. Durch diese Verzerrung tritt das in der Beschreibungseinleitung ausgeführte Problem eines erhöhten Verschleisses auf.

Zum Vergleich ist in Figur 2 eine Zahnlückensymmetrieachse mit zugehöriger Tangente 220 dargestellt, die durch die Rotationsachse 112 verläuft, und des weiteren eine Zahnlückensymmetrieachse mit zugehöriger Tangente 240 abgebildet, die gemäß der vorliegenden Erfindung nicht durch den Rotationsachse 112 verläuft, sondern senkrecht auf der Tangente steht und auf den lokalen Krümmungsmittelpunkt ausgerichtet ist.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße Rotationsscheibe 10, die um eine Rotationsachse 12 rotiert. Entlang dem Umfang der Rotationsscheibe 10 ist eine Anzahl von Zähnen 20 angeordnet. Zwischen den Zähnen 20 befindliche Zahnlücken 22 sind zueinander entlang einer Zahnlückensymmetrieachse 30 symmetrisch. Wie zu erkennen ist, sind bei der erfindungsgemäßen Rotationsscheibe 10 die Zahnlückensymmetrieachsen 30 nicht auf die Rotationsach-

se 12 ausgerichtet. Die Zahnlückensymmetrieachsen 30 sind vielmehr auf die lokalen Krümmungsmittelpunkte, d.h. auf den Krümmungsmittelpunkt der Krümmung an dem Punkt, an dem die Zahnlückensymmetrieachse 30 die Um- fangslinie der Rotationsscheibe schneidet, ausgerichtet. Um die Rotationsachse 12 ist daher eine Kreisfläche 14 gebildet, die von keiner der Zahnlückensymmetrieachsen 30 durchkreuzt ist.

Auf diese Weise ist eine symmetrische Ausgestaltung der Zahnlücken 22 entlang dem Umfang der Rotationsscheibe 10 ohne eine Verzerrung und mit konti- nuierlichen übergängen der Zahnlücken an den Zahnlückensymmetrieachsen 30 möglich. Die Kontur der Zähne 20 ergibt sich dann aus den Positionen der Zahnlücken 22 und der Kontur der Wirklinie der Rotationsscheibe 10.

So wird eine gleichmäßige Pressung eines an die Rotationsscheibe 10 angeleg- ten kraftübertragenden Endloselements an Zähne 20 ermöglicht und eine Ein- und Auslauf des kraftübertragenden Endloselements erfolgt reibungs- und ver- schleißreduziert. Es treten an dem kraftübertragenden Endloselement keine von den Zähnen 20 ausgeübten Kraftspitzen auf. Auf diese Weise wird der Verschleiß des kraftübertragenden Endloselements gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert, wodurch längere Serviceintervalle und somit geringere Wartungskosten der Anlagen, in denen die erfindungsgemäße Rotationsscheibe Anwendung findet, ermöglicht werden.

Die erfindungsgemäße Rotationsscheibe wird vorzugsweise in einer Synchron- anthebsvorrichtung oder in einem Umschlingungsgethebe eingesetzt. Die Synchronantriebsvorrichtung bzw. das Umschlingungsgethebe ist vorzugsweise zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder in einem Luftfahrzeug ausgebildet. Die erfindungsgemäße Rotationsscheibe ist jedoch auch unabhängig von diesen Anwendungen einsetzbar, bspw. auch in Textil- oder Büromaschinen.

Bezugszeichenliste

10 Rotationsscheibe 12 Rotationsachse

20 Zähne

22 Zahnlücken

30 Zahnlückensymmetrieachsen

110 Rotationsscheibe (Stand der Technik) 112 Rotationsachse (Stand der Technik)

120 Zähne (Stand der Technik)

130 Zahnlückensymmetrieachsen (Stand der Technik)

200 Wirkkurve (Stand der Technik)

220 Zahnlückensymmetrieachse durch Rotationsachse mit zugehöriger Tan- gente (Stand der Technik)

240 Zahnlückensymmetrieachse außerhalb Rotationsachse mit zugehöriger Tangente