CN101036005A - 控制传动机构的非圆形旋转盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可绕旋转轴旋转以转角的旋转盘，具有至少包括一个突起的旋转盘外周、预定数量的设置在旋转盘外周上且具有各自中点的齿、在功能上取决于转角和平均半径的旋转盘半径、以及由此得到的旋转盘缠绕曲线，其中相邻齿的中点之间具有预定间距，并且这样选择平均半径，使得旋转盘缠绕曲线的弧长等于相邻齿的中点之间的预定间距与齿数量的乘积。此外本发明还涉及一种设计用于控制传动装置的至少一个可绕旋转轴旋转以转角的旋转盘的方法。

Description

控制传动机构的非圆形旋转盘

技术领域

本发明涉及一种控制传动机构(Steuertrieb)的非圆形旋转盘以及用于构建和设计这种旋转盘的方法。此外，本发明还涉及用于设计这种旋转盘的计算机系统。

背景技术

同步传动系统、诸如基于凸轮轴皮带的系统广泛应用于汽车以及工业应用中。在汽车中，例如使用凸轮轴皮带或凸轮轴链条来驱动用于打开和关闭发动机进气阀和排气阀的凸轮轴。其它装置、如水泵和燃料泵也可以通过这种带或链驱动。

在这种皮带传动装置(Umschlingungsgetriebe)上，所谓的塔轮振动(Trumschwingungen)表现特定于系统的效果。原理上，在皮带传动装置中所使用的牵引装置、如链或带可能被激励成横向振动、纵向振动和扭转振动。牵引装置的这种振动可能明显地干扰整个传动系统的运行。它的出现通过动态的力峰值(Kraftspitzen)导致噪声和传动系统组件的更大的结构负荷，这会缩短整个系统的寿命。此外，例如在皮带塔轮通过横向振动而对相邻部件产生冲击时，对该相邻部件也对带自身造成损坏。短时间之后就可能导致整个传动系统失灵。通过内燃机的不平衡分布的传动力矩激发这种塔轮振动。此外，带或链张力出现波动，这种波动同样可能导致带或链的更高的磨损和降低的寿命。

已知，在这种传动系统中设置非圆形的带盘，以便试图避免或排除这种振动。DE-A 195 20 508公开了一种用于内燃机的循环带传动系统，其中凸轮轴皮带绕两个被传动的、与发动机的凸轮轴耦合的带盘运转，并围绕与发动机的曲轴耦合的传动带盘运转。其中，建议通过表现为凸轮轴带盘的非圆形带盘减小扭转振动。

在专利文献DE 203 19 172中公开了一种非圆形的旋转部件，其由具有多个设置在转子圆周上的齿的转子构成，其中每个齿具有一个冠状顶部(Krone)，并且在每对相邻的齿之间存在凹槽，齿的冠状顶部位于形成转子圆周的弯曲周边上。其中，转子的圆周包括具有至少两个与收缩区域交替的突出部位的非圆形外形。每对相邻齿的冠状顶部中点之间的间距和每对相邻齿之间的凹槽的外形基本相同。每个冠状顶部的中点与转子的轴之间的距离在圆周上是可变的，以实现所述非圆形外形。

其中虽然描述了形状合乎逻辑的牵引装置传动的非圆形盘的设计，但所述规则包含方法上的缺陷。从而在所述专利文献中从形状为多边形的基本轮廓出发。这意味着，具有齿的非圆形盘包括由多边形近似的包络线。基于该规则，在盘的进一步设计中使用链传动的弦长和齿形皮带传动的弧长。此外，由于设置在盘上的齿的倾斜位置会产生剧烈变形的齿轮廓。

发明内容

基于所引用的现有技术的背景，本发明要解决的技术问题是提供一种旋转盘和用于设计这种旋转盘的相应方法，以克服上述缺点。

从现有技术和从中所推导出的考虑出发，本发明提供一种具有权利要求1所述特征的非圆形旋转盘、具有权利要求6所述特征的用于设计这种旋转盘的方法、具有权利要求10所述特征的计算机程序和具有权利要求13所述特征的计算机系统。

根据权利要求1，提供一种可绕旋转轴旋转一转角的旋转盘，其中旋转盘具有至少包括一个突起的旋转盘外周、预定数量的设置在旋转盘外周上且具有各自中点的齿、在功能与转角和平均半径相关的旋转盘半径、以及由此给出的旋转盘缠绕曲线(Rotationsscheibenumschlingungskurve)，其中相邻齿的中点具有预定间距，这样选择平均半径，使得旋转盘缠绕曲线的弧长等于相邻齿的中点之间的预定间距与齿数量的乘积。

在本发明的范围内，非圆形意思是盘的半径是不恒定的，这可能伴随着不规则的转换。通过非圆形旋转盘，控制传动装置可能发生激励，即振动激励，这是由盘形状、即非理想圆形所产生的。如开头所述，这种非圆形旋转盘可用于消除控制传动系统中的旋转振动。这种旋转振动的原因除其它之外还可能在于发动机的燃烧过程或者其它设备、如泵的非均匀传动矩。在这种系统中，为了避免所采用的牵引装置、如带或链与旋转盘或轮接触时不必要的负荷，齿的正确定位和外形对相应旋转盘来说很重要。否则会导致缩短牵引装置的寿命。

通过使用本发明的旋转盘，可以稳定被实施为不均匀转换的传动机构的皮带传动装置的振动行为。对此的例子例如可以是在汽车制造中所使用的控制传动装置和机组传动装置。但是本发明的旋转盘可以与应用无关的被使用，例如也可用于纺织或办公机器的领域。

在本发明的旋转盘中，由旋转盘轮廓所得到的旋转盘缠绕曲线在360°旋转中所扫过的长度等于圆形盘的周长，该周长作为预定的齿数量和相邻齿之间的预定距离的乘积给出，其中为了计算旋转盘缠绕曲线的长度，使用取决于转角和平均半径的旋转盘半径。在此给出了特定的平均半径，但是该平均半径可以根据旋转盘半径的功能性规定而改变。由此实现了，非圆形旋转盘的周长在作用平面(Wirkebene)内恰好等于圆形盘的周长。准确确定旋转盘缠绕曲线的周长或其在360°旋转中所扫过的长度很重要，因为由此直接确定转换比例而且就这点而言该确定与功能有关。从而，例如在轿车控制传动装置中，所采用的曲轴和相应采用的凸轮轴之间的变换必须恰好为2∶1。

在本发明旋转盘的另一实施方式中，通过以下形式的谐波展开来表示旋转盘半径：

其中r_mittel是平均半径，δr_i是非圆形幅度，n_i是旋转盘外周的突起数量，_i是相位，而t是从0到2π的间隔中的运行参数。如上所述，平均半径在此不是恒定的而是可变的。平均半径例如可以根据所选择的突起数量n_i(下面也称为级数)、相位_i或非圆形幅度δr_i而改变。作为空间曲线的旋转缠绕曲线可以如下地借助取决于角的半径以坐标形式给出：

(x(t)，y(t))＝(r(t)cos(t)，r(t)sin(t))

现在可以确定平均半径，方法是计算以参数形式(x(t)，y(t))给出的旋转缠绕曲线在360°旋转中所覆盖的弧长，即通过在0到2π的间隔上对弧长微分进行积分，而且将所算出的弧长设置为与齿的预定数量Z和各相邻齿间的预定间距D的乘积相等：

$\mathrm{ZD}=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\sqrt{x^{\′2}\left(t\right)+y^{\′2}\left(t\right)}\mathrm{dt}$

因此，使用旋转盘缠绕曲线段形式的两个齿之间的弧长来代替两个相邻齿中点的弦长或间距。这在方法上是成本更高的，但是在增加的非圆形程度上产生正确的结果。在此要注意，在链传动装置中必须使用弦长来代替弧长，因为在此由于各个链环的刚性会产生所谓的多边形效应。

在本发明的旋转盘的另一可选实施方式中，这样定向旋转盘的齿，使得各齿的中线垂直于旋转盘缠绕曲线位于各齿中点的切线。齿的这种定向可以显著降低所使用的牵引装置的可能出现的负荷。在齿之间存在的齿槽在多边形上的定向时，使齿的外形变形。这种变形又对所使用的牵引装置施加应力。仍然残留的剩余形变可能通过齿外形的取决于位置并因此取决于半径的变化而被消除。

在本发明的旋转盘的另一实施方式中，由至少部分缠绕旋转盘的牵引装置所形成的传送带接触弧始终跟随旋转盘缠绕曲线。这意味着，由牵引装置所形成的传送带接触弧尽可能地支撑在旋转盘上。此外，这意味着，旋转盘缠绕曲线始终具有非负的曲率。

此外，本发明涉及一种设计用于控制传动装置的至少一个可绕旋转轴旋转一转角的旋转盘的方法，其中该至少一个旋转盘具有至少包括一个突起的旋转盘外周、预定数量的设置在旋转盘外周上且具有中点的齿、在功能上取决于转角和平均半径的旋转盘半径、以及由此给出的旋转盘缠绕曲线，其中相邻齿的中点具有预定间距。在该方法中，这样确定平均半径，使得旋转盘缠绕曲线的循环弧长等于相邻齿的中点之间的预定间距与齿的预定数量的乘积。

在本发明方法的一个实施方式中，通过以下形式的谐波展开来确定旋转盘半径：

其中r_mittel是平均半径，δr_i是非圆形幅度，n_i是突起的数量，_i是相位，而t是从0到2π间隔中的运行参数。其中，平均半径r_mittel是可变的，而且针对特定的方程、也就是针对突起数量(即级数)、相位或非圆形幅度的特定选择而单独确定。

此外可以考虑，这样定向旋转圆盘的锯齿方向，使得各齿的中线垂直于旋转盘缠绕曲线在各齿中点的切线。

此外还可以考虑，这样选择旋转盘外周轮廓，使得由此得到的旋转盘缠绕曲线始终具有非负的曲率。由此实现，缠绕旋转盘的牵引装置尽可能地支撑在旋转盘上。

此外，本发明还涉及用于执行本发明方法的产品，其中该产品是具有程序代码的计算机程序，该程序代码在计算机程序于计算机上运行时适用于执行本发明的方法。其中，该计算机程序可以被存储在计算机可读的介质上。

此外还提供一种其上存储有计算机程序的计算机可读数据载体，该计算机程序包括程序代码，该程序代码在计算机程序于计算机上运行时适用于执行本发明的方法。

此外还提出一种具有存储装置的计算机系统，在该存储装置中存储具有程序代码的计算机程序，该程序代码在计算机程序于计算机上运行时适用于执行本发明的方法。

应当理解，上述和下面将解释的特征不仅可以以分别给出的组合使用，而且可以以其他组合使用或单独使用，而不偏离本发明。

附图说明

参照附图，借助实施例详细描述本发明。其中

图1示出按照本发明的旋转盘的一种实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出非圆形旋转盘。旋转盘1具有4个突起2。此外，在旋转盘外周3上设置预定数量Z的齿4。在这里所示的情况下，在旋转盘外周3上具有21个齿。其中，可以确定最小直径d_min和最大直径d_max，并由此确定直径差Δd。在所示情况下，直径差Δd预先给定为5mm。突起2的数量n对应于级数，因此级数在此是4。通过给定这些参数，可以如下地给出旋转盘缠绕曲线为第一近似的(x(t)，y(t))形式的空间曲线：

x(t)＝r(t)cos(t)＝(r_mittel+Δd/4cos(nt))cos(t)

y(t)＝r(t)sin(t)＝(r_mittel+Δd/4cos(nt))sin(t)

其中相位_i取0。非圆形幅度δr是Δd/4。此外，相邻齿的两个中点之间的间距D、即所谓的齿距预先给定为9.525mm。

通过在从0到2π的间隔上对旋转盘缠绕曲线的弧长的微分进行积分：

$\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\sqrt{x^{\′2}\left(t\right)+y^{\′2}\left(t\right)}\mathrm{dt}$

和与齿的预定数量Z和预定齿距D的乘积相等：

$\mathrm{ZD}=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\sqrt{x^{\′2}\left(t\right)+y^{\′2}\left(t\right)}\mathrm{dt}$

得到平均半径：

r_mittel＝31.6383

由此给出盘轮廓：

x(t)＝(31.6383+1.25cos(4t))cos(t)  对于t∈[0，2π]

y(t)＝(31.6383+1.25cos(4t))sin(t)

其中可以看出，根据取决于角的半径的所选择的或合适的功能性规则给出其它平均半径。因此，平均半径和与其耦合的取决于角的半径始终与基础系统匹配。于是，所得到的各旋转盘缠绕曲线与现有的预定非常灵活地匹配。准确确定作为旋转盘的非圆形轮廓的映射的平均半径或旋转盘缠绕曲线长度是与功能非常有关的，并且直接与旋转盘的变换比有关系。从而，例如曲线轴和凸轮轴之间的变换在轿车控制传动中恰好为2∶1。只有通过准确确定平均半径或旋转盘缠绕曲线才能计算出这种预定。

此外，这样定向齿，使得齿的中线垂直于旋转盘缠绕曲线处的切线。尽管如此有时还残留少量的剩余形变，该形变可以通过齿外形的取决于位置并因此取决于半径的变化来消除。

此外，牵引装置在其缠绕弧的整个过程中应当尽可能总是在盘上。这意味着，由至少部分缠绕旋转盘的牵引装置所形成缠绕弧始终跟随旋转盘缠绕弧。这就等于这样的要求，即旋转盘缠绕曲线应当始终具有非负的曲率。

在选择所制定的谐波数列的参数时，始终考虑这些要求。

本发明在所有方面在需要非圆形旋转盘的装置中包括应用形式，尤其是在同步传动装置中的应用。其中，例如可以是内燃机。但是，本发明也可用于非同步传动装置的其它装置。旋转盘的非圆形形状可以设置在传动装置中的很多不同位置上。旋转盘轮廓的选择取决于传动装置的其它部件。其中，对旋转盘可以给出规则的非圆形外形或不规则的外形或轮廓。其中，出于功率和寿命的原因，牵引装置和旋转盘必须尽可能好地相互匹配。

Claims (13)

1.一种可围绕旋转轴旋转一转角的旋转盘，具有包括至少一个突起的旋转盘外周、预定数量的设置在所述旋转盘外周上且具有各自中点的齿、在功能上取决于转角和平均半径的旋转盘半径、以及由此得到的旋转盘缠绕曲线，其中各相邻的齿的中点具有预定间距，并且这样选择所述平均半径，使得旋转盘缠绕曲线的循环弧长等于相邻齿的中点之间的预定间距与齿数量的乘积。

2.根据权利要求1所述的旋转盘，其中通过以下形式的谐波展开来表达旋转盘半径：

其中

r_mittel＝平均半径，

δr_i＝非圆形幅度，

n_i＝突起的数量，

_i＝相位，以及

t＝从0到2π间隔中的运行参数。

3.根据权利要求1或2所述的旋转盘，其中这样定向所述齿，使得各齿中线垂直于所述旋转盘缠绕曲线在各齿中点处的切线。

4.根据上述权利要求之一所述的旋转盘，其中由至少部分缠绕所述旋转盘的牵引装置所形成的缠绕弧始终跟随所述旋转盘缠绕曲线。

5.根据上述权利要求之一所述的旋转盘，其中所述旋转盘缠绕曲线始终具有非负的曲率。

6.一种设计用于控制传动装置的至少一个可绕旋转轴旋转一转角的旋转盘的方法，其中所述至少一个旋转盘具有包括至少一个突起的旋转盘外周、预定数量的设置在所述旋转盘外周上且具有中点的齿、在功能上取决于转角和平均半径的旋转盘半径、以及由此得到的旋转盘缠绕曲线，其中各相邻的齿的中点之间具有预定间距，并且这样确定所述平均半径，使得旋转盘缠绕曲线的循环弧长等于相邻齿的中点之间的预定间距与齿数量的乘积。

7.根据权利要求6所述的方法，其中通过以下形式的谐波展开确定所述旋转盘半径：

其中

r_mittel＝平均半径，

δr_i＝非圆形幅度，

n_i＝突起的数量，

_i＝相位，以及

t＝从0到2π间隔中的运行参数。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中这样定向齿，使得各齿中线垂直于所述旋转盘缠绕曲线在各齿中点的切线。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中这样选择旋转盘外周，使得由此得到的旋转盘缠绕曲线始终具有非负的曲率。

10.一种用于执行根据权利要求6至9中任一项所述方法的产品，其中所述产品是具有程序代码的计算机程序，所述程序代码在所述计算机程序于计算机上运行时适用于执行根据权利要求6至9中任一项所述的方法。

11.根据权利要求10所述的计算机程序，其被存储在计算机可读的介质上。

12.一种计算机可读数据载体，具有存储于所述数据载体上的计算机程序，所述计算机程序包括程序代码，所述程序代码在所述计算机程序于计算机上运行时适用于执行根据权利要求6至9中任一项所述的方法。

13.一种具有存储装置的计算机系统，其中在所述存储装置中存储具有程序代码的计算机程序，所述程序代码在所述计算机程序于计算机上运行时适用于执行根据权利要求6至9中任一项所述的方法。

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