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Dokumentenidentifikation DE102005033743B4 16.05.2007
Titel Mehrfachkettenrad für eine Verbrennungskraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine mit Mehrfachkettenrad
Anmelder Borowski und Meier GmbH, 32312 Lübbecke, DE
Erfinder Borowski, Stefan, 32425 Minden, DE;
Meier, Axel, 32369 Rahden, DE;
Meier, Reinhard, 32369 Rahden, DE
Vertreter Bockermann, Ksoll, Griepenstroh, 44791 Bochum
DE-Anmeldedatum 15.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005033743
Offenlegungstag 25.01.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F16H 55/30(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01L 1/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16D 1/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Mehrfachkettenrad für eine Verbrennungskraftmaschine und eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Mehrfachkettenrad, das gleichzeitig mit mehreren Kettentrieben im Eingriff steht.

Mehrfachkettenräder in Verbrennungsmaschinen haben in der Regel die Funktion eines Zwischen- oder Umlenkrads. Mittels Mehrfachkettenräder können zwei oder mehrere Teilkettentriebsysteme gekoppelt werden. Mehrfachkettenräder kommen insbesondere im Zusammenhang mit Steuerketten zum Einsatz. Ursprünglich wurden Steuerketten als zu laut und zu aufwendig in der Konstruktion angesehen. Allerdings zeichnen sich derartige Kettentriebe durch Haltbarkeit und geringeren Wartungsanspruch aus, obwohl die Belastungen zunehmen, z.B. durch Pumpe-Düse-Systeme beim Dieselmotor. Problematisch bei Mehrfachkettenrädern, d.h. bei Kettenrädern mit zwei oder mehr Zahnkränzen, ist die Herstellung. Grundsätzlich werden Mehrfachkettenräder durch spanende Bearbeitung bzw. durch Sintern hergestellt. Die notwendige Wärmebehandlung eines solchen Mehrfachkettenrads ist allerdings sehr aufwendig. Obwohl die notwendige Verschleißfestigkeit zumeist nur an einem Kettenrad erforderlich ist, nämlich dem kleinsten, muss ein Mehrfachkettenrad grundsätzlich insgesamt gehärtet werden. Überlicherweise wird bei einer Wärmebehandlung das gesamte, einen Ofen durchlaufende Gewicht eines Bauteils bezahlt. Mehrfachkettenräder sind daher relativ kostspielige Bauteile, wobei die Wärmebehandlungen auch bei großen Stückzahlen nicht zu einer wesentlichen Kostenreduktion führen. Das für die Serienfertigung geeignete Sintern ist erfahrungsbedingt nicht geeignet, höher belastete Mehrfachkettenräder herzustellen.

Die DE 198 406 59 A1 offenbart einen Steuertrieb für Nockenwellenanordnungen einer Brennkraftmaschine mit V-förmig zueinander angeordneteten Zylinderbänken. Bei dem Steuertrieb kommen Mehrfachkettenräder zum Einsatz, die gleichzeitig mit mehreren Kettentrieben in Eingriff stehen. Bei reibschlüssigen Verbindungen kann bei sehr ungünstigen Bedingungen nicht ausgeschlossen werden, dass die Kettenräder bei Überlast, erhöhter Temperatur, Torsionsschwingungen oder Axialbelastungen auf der Tragwelle durchrutschen oder in Axialrichtung verlagert werden können. Bei einem Steuertrieb für Nockenwellenanordnungen hätte dies schwere Schäden der Zylinderbänke des zugehörigen Verbrennungsmotors zur Folge.

Durch die DE 42 091 53 A1 sind Welle-Nabe-Verbindungen bekannt geworden, bei welchen Kreiskeilflächen in ihrer Steigung derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine sichere Selbsthemmung gewährleistet ist. Durch den Fugendruck der zwischen den miteinander in Wirkverbindung tretenden Keilflächen kann eine Kaltverschweißung zwischen Welle und Nabe erfolgen, so dass mit dieser Welle-Nabe-Verbindung neben Form- und Kraftschlüssigkeit auch eine Stoffschlüssigkeit erreicht werden kann. Um ein Lösen der Welle-Nabenverbindung zu verhindern, kann der Spalt an den Rückseiten der Keilflächen der Einbaulage verfüllt werden. Gegenüber stoffschlüssigen Verbindungen weisen derartige Welle-Nabe-Verbindungen den Vorteil der einfachereren Montage und leichten Lösbarkeit auf. Gegenüber reibschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen haben sie den Vorteil größeren übertragbaren Moments, einfachereren Aufbaus und damit billigerer Herstellung sowie geringeren Platzbedarfs und Gewichts.

Derartige Kreiskeilverbindungen kommen gemäß der Lehre der DE 100 280 11 A1 auch bei Welle-Nabe-Verbindungen zur Anwendungen, bei denen die Nabe Schrägbelastungen unterworfen ist, so dass sich ein unerwünschter Schlupf der Nabe gegenüber der Welle in Axialrichtung ergeben kann. Um ein unbeabsichtigtes axiales Wandern der Nabe gegenüber der Welle, insbesondere während des Betriebs zu unterbinden, kann derjenige Verbindungspartner, der die höhere Oberflächenhärte aufweist, mit einer in Radialrichtung abkragenden Erhebung versehen sein. Werden Welle und Nabe miteinander verbunden, so gräbt sich diese Erhebung in die ihr gegenüberliegende Keilfläche des Verbindungspartners ein und verhindert somit den axialen Schlupf der Nabe gegenüber der Welle.

In der DE 199 450 97 A1 werden Spannmittel vorgeschlagen, die zur Verbindung von einer Welle mit einer Nabe vorgesehen sind. Die durch Kreiskeilverbindungen der zweiteiligen Spannmittel ist es möglich, eine feste Verbindung zwischen Welle und Nabe herzustellen, ohne dass die Nabe gegenüber der Welle gedreht werden muss.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mehrfachkettenrad für eine Verbrennungskraftmaschine dahingehend zu verbessern, dass das Kettenrad einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe ist bei einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Mehrfachkettenrad ist, dass eine Tragwelle und wenigstens zwei mit der Tragwelle formschlüssig und stoffschlüssig verbundene Zahnkränze vorgesehen sind. Dadurch werden die Mehrfachkettenräder aus geeigneten Einzelkomponenten zusammengesetzt und mittels eines geeigneten Fügeverfahrens miteinander verbunden. Zur Herstellung der Einzelkomponenten gibt es geeignete Fertigungsverfahren. Produktanforderungen können somit besser abgebildet werden, insbesondere da die Anforderungen an die Kontaktfläche zwischen der Kette und dem Zahnkranz unterschiedlich zu den Anforderungen der Nabe der Tragwelle sind. Es muss daher nicht das Mehrfachkettenrad insgesamt wärmebehandelt werden, sondern nur das jeweilige Einzelteil, d.h. der Zahnkranz oder der mit der Kette in Eingriff stehende Bereich des Zahnkranzes. Auch die Reihenfolge der einzelnen Herstellungsschritte ist wesentlich flexibler und teure gesamtheitliche Wärmebehandlungen, wie z.B. das Plasmanitrieren, können auf die erforderlichen Bauteile beschränkt werden.

Durch eine anforderungsgerechte Konstruktion ist eine Gewichtseinsparung möglich, da neue Werkstoffpaarungen realisiert werden können, die zudem ein besseres Verschleißverhalten realisieren. Die Kettenkränze können durch Feinschneiden und (Hart-)drehen, Honen, Räumen und Stoßen hergestellt werden, wobei das jeweilige Herstellungsverfahren unabhängig von der Festlegung des Zahnkranzes auf der Tragwelle ausgewählt werden kann. Erst die Kombination einer formschlüssigen und zugleich stoffschlüssigen Verbindung gewährleistet die notwendige Funktionssicherheit eines solchen Mehrfachkettenrads, das in einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommt. Ein Versagen des Mehrfachkettenrads hätte die Zerstörung der Verbrennungskraftmaschine zur Folge, so dass eine rein formschlüssige Verbindung, insbesondere im Bereich der Motorsteuerung, nicht als optimal angesehen wird. Im Rahmen der Erfindung ist für jeden Zahnkranz ein Tragwellensitz vorgesehen, wobei der Tragwellensitz und die Innenfläche des Zahnkranzes aufeinander abgestimmte Umfangs-Keilprofilierungen aufweisen, deren Steigung so gering ist, dass sie durch gegenseitiges Verdrehen von Zahnkranz und Tragwellensitz miteinander in selbsthemmenden Reibschluss treten und in dieser Position stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Umfangskeilprofilierungen umfassen vorzugsweise keilförmige Erhebungen an den Tragwellensitzen und eine entsprechende Anzahl keilförmiger Erhebungen an der Innenfläche des Zahnkranzes, wobei die Steigung der keilförmigen Erhebungen im Wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgt. Bereits durch die Selbsthemmung wird sowohl ein Zurückdrehen und damit ein Lösen der Verbindung als auch ein axiales Verlagern des Zahnkranzes gegenüber der Tragwelle verhindert. Der Grad der Selbsthemmung ist u.a. abhängig von dem Material, aus dem die miteinander in Reibschluss stehenden Bauteile gefertigt sind. Für Stahl ist ein zuverlässig selbsthemmender Reibschluss bei Steigungen von etwa 1:50 bis 1:200 erreichbar.

Ein weiterer Vorteil ist die exakte Positionierbarkeit des Mehrfachkettenrads auf einer Welle. Die Umfangskeilprofilierungen sind so positioniert, dass sie in ihrer Endlage, d.h. bei Erreichen der gewünschten Selbsthemmung bzw. -klemmung ohne Zurhilfenahme weiterer Positioniervorrichtungen stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Selbst ohne die zusätzliche stoffschlüssige Verbindung ermöglicht bereits die selbsthemmende Umfangskeilprofilierung eine Gegenläufigkeit des Kettenrads im praktischen Einsatz, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich das Mehrfachkettenrad von der Achse löst. Insbesondere bei Mehrfachkettenrädern, die als Umlenkräder fungieren, entstehen entgegengerichtete Zugkräfte und somit auch Drehschwingungen. Grundsätzlich lässt sich eine Umfangskeilprofilierung so auslegen, dass Losbrechmomente mit genügender Sicherheit über dem Drehmoment des Lastkollektivs liegen. Damit die Wandstärken im Bereich der Umfangskeilprofilierungen bei sehr hohen Sicherheitsfaktoren bezüglich des Losbrechmoments nicht zu sehr erhöht werden müssen, kann durch die zusätzliche stoffschlüssige Verbindung mittels Elektronenstrahlschweißen eine deutliche Gewichtseinsparung erreicht werden, denn die stoffschlüssige Verbindung ermöglicht geringere Sicherheitsfaktoren bei der Selbsthemmung.

Die Zahnkränze können in axialer Richtung besonders einfach durch Wellensätze an der Tragwelle positioniert werden.

Ein so vorgefertigtes Mehrfachkettenrad kann mit den im Stand der Technik bekannten form- oder kraftschlüssigen Verbindungen mit den entsprechenden Wellen der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt werden, wie z.B. der Kurbelwelle oder der Nockenwelle.

Aufgrund der außerordentlich hohen Belastungen des Mehrfachkettenrads innerhalb einer Verbrennungskraftmaschine werden Verbindungsverfahren aus der Gruppe der stoffschlüssigen Lötverbindungen und Schweißverbindungen als besonders geeignet angesehen. Theoretisch sind auch Klebverbindungen möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Mehrfachkettenrad einer Verbrennungskraftmaschine im Längsschnitt;

2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der 1;

3 eine weitere Ausführungsform eines Mehrfachkettenrads mit drei Zahnkränzen und

4 eine weitere Ausführungsform eines Mehrfachkettenrads mit Wellenabsätzen.

1 zeigt ein Mehrfachkettenrad 1 für eine nicht näher dargestellte Verbrennungskraftmaschine, das dafür vorgesehen ist, gleichzeitig mit mehreren Kettentrieben der Verbrennungskraftmaschine in Eingriff zu stehen. Das Mehrfachkettenrad 1 umfasst eine Tragwelle 2 und zwei mit der Tragwelle 2 form- und stoffschlüssig verbundene Zahnkränze 3, 4, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Der in der Bildebene rechte Zahnkranz 3 ist über eine Laserschweißung mit der Tragwelle 2 verbunden. Der in der Bildebene linke Zahnkranz 4 unterscheidet sich von dem ersten Zahnkranz 3 dadurch, dass er im Bereich der Tragwelle 2 eine Lagerhülse 5 aufweist, die sich beidseitig des Zahnkranzes 4 erstreckt. Die Lagerhülse 5 ist beispielhaft über Elektronenstrahlschweißung mit der Tragwelle 2 verbunden.

Aus der Schnittdarstellung der 2 wird deutlich, dass der Tragwellensitz 6 für die beiden Zahnkränze 3, 4 nicht kreisrund bzw. zylindrisch ausgeführt, sondern Umfangs-Keilprofilierungen aufweist. Die Umfangs-Keilprofilierungen bestehen in diesem Auführungsbeispiel aus drei gleichmäßig verteilten, keilförmigen Erhebungen 7, die auch als Keilflächen bezeichnet werden können. Die Steigung der Keilflächen 7 folgt im Wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale. Die logarithmische Spirale ist diejenige ebene Kurve, die über ihren gesamten Verlauf gleiche Steigungen aufweist. Das führt dazu, dass bei einer gegenseitigen Relativbewegung derart geformter Keilflächen um eine gemeinsame Achse alle Punkte der Keilflächen sich gegenseitig berühren und zu tragen beginnen. Die logarithmische Spirale ist die mathematisch exakte Form dieser Kurve. In der Praxis wird das angestrebte Ergebnis aber auch mit einer der logarithmischen Spirale mehr oder minder angenäherten Kurve erreicht, da geringe Abweichungen vom idealen Verlauf durch elastische und/oder plastische Verformbarkeit des Materials der Keilflächen ausgeglichen werden. So können auch Kreisbögen mit Radien, Zentren und Zentrierwinkel gefunden werden, die bei nach innen geformten Keilflächen nur unmerkliche Abweichungen vom Idealfall aufweisen.

Der sich an die Keilflächen anschließende Rücken der Erhebungen 7, in dem die Erhebungen 7 von ihrem höchsten Punkt auf den tiefsten Punkt der benachbarten Erhebung 7 fallen, ist für die Funktion ohne Bedeutung. Er kann als Radius oder auch scharfkantig ausgebildet sein. Fertigungstechnisch wird ein S-förmig geschwungener Übergang als vorteilhaft angesehen.

Die Innenflächen 8 der Zahnkränze 3, 4 sind mit gegengleichen, keilförmigen Ausnehmungen versehen, so dass durch die drehende Relativbewegung ein selbsthemmender Reibschluss zwischen den Keilflächen und den Flächen 8 der Zahnkränze 3, 4 erfolgt. Der selbsthemmende Reibschluss wird durch Drehen der Zahnkränze 3, 4 gegenüber der feststehenden Tragwelle 2 erreicht. Bei der Montage ist die Tragwelle also zu fixieren, damit die Zahnkränze 3, 4 in den selbsthemmenden formschlüssigen Eingriff gebracht werden können. Anschließend folgt das stoffschlüssige Verbinden, insbesondere Verschweißen oder Verlöten der Zahnkränze 3, 4 mit der Tragwelle 2.

Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von demjenigen der 1 dadurch, dass ein weiterer Zahnkranz 9 vorgesehen ist, der gegenüber dem Zahnkranz 4 eine L-förmige Konfiguration aufweist, da sich die Lagerhülse 10 des Zahnkranzes 9 nur in eine Richtung des Zahnkranzes 9 erstreckt. Eine solche L-förmige Konfiguration des Zahnkranzes 9 kommt auch bei der Ausführungsform der 4 zum Einsatz. Dort ist eine abgestufte Tragwelle 11 zu erkennen, wobei die einzelnen Zahnkränze 9, 12 an Wellenabsätzen 13, 14 anliegen, so dass sie gegen eine Verlagerung in Axialrichtung gesichert sind. Zusätzlich sind auch diese Zahnkränze 9, 12 in Umfangsrichtung formschlüssig und zusätzlich stoffschlüssig mit der Tragwelle 11 verbunden.

1
Mehrfachkettenrad
2
Tragwelle
3
Zahnkranz
4
Zahnkranz
5
Lagerhülse
6
Tragwellensitz
7
Erhebung an 6
8
Innenfläche von 3, 4
9
Zahnkranz
10
Lagerhülse
11
Tragwelle
12
Zahnkranz
13
Wellenabsatz
14
Wellenabsatz


Anspruch[de]
Mehrfachkettenrad für eine Verbrennungskraftmaschine, das gleichzeitig mit mehreren Kettentrieben im Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrfachkettenrad (1) eine Tragwelle (2, 11) und wenigstens zwei mit der Tragwelle (2, 11) verbundene Zahnkränze (3, 4, 9, 12) aufweist, wobei für jeden Zahnkranz (3, 4, 9, 12) ein Tragwellensitz (6) vorgesehen ist, wobei der Tragwellensitz (6) und die Innenfläche (8) des Zahnkranzes (3, 4, 9, 12) aufeinander abgestimmte Umfangs-Keilprofilierungen aufweisen, deren Steigung so gering ist, dass sie durch gegenseitiges Verdrehen von Zahnkranz (3, 4, 9, 12) und Tragwellensitz (6) miteinander in selbsthemmenden Reibschluss treten, und in dieser Position stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die Umfangs-Keilprofilierung keilförmige Erhebungen (7) an dem Tragwellensitz (6) und eine entsprechende Anzahl keilförmiger Ausnehmungen an der Innenfläche (8) des Zahnkranzes (3, 4, 9, 12) umfasst, wobei die Steigung der keilförmigen Erhebungen (7) im wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgt und wobei die stoffschlüssige Verbindung durch Elektronenstrahlschweißen hergestellt ist. Mehrfachkettrenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnkränze (3, 4, 9, 12) durch Wellenabsätze (13, 14) in Axialrichtung der Tragwelle (2, 11) positioniert sind. Verbrennungskraftmaschine mit einem Mehrfachkettenrad, gemäß Anspruch 1 oder 2.






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