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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Spannvorrichtung. Diese umfasst:
- – einen Zylinder und einen darin längsbeweglich geführten Kolben, der mit dem Zylinder einen hydraulischen Druckraum begrenzt,
- – einen hydraulischen Vorratsraum und ein Rückschlagventil, das den Vorratsraum mit dem Druckraum verbindet, wobei das Rückschlagventil schließt, wenn der Druck im Druckraum den Druck im Vorratsraum überschreitet,
- – und ein Druckentlastungsventil, das den Druckraum mit dem Vorratsraum verbindet, wobei das Druckentlastungsventil gegen die Vorspannkraft einer Ventilfeder öffnet, wenn der Druck im Druckraum einen Grenzdruck überschreitet, der durch die Ventilfedervorspannkraft vorgegeben ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei derartigen Spannvorrichtungen handelt es sich typischerweise um Riemenspanner, die den Riemen des Nebenaggregatetriebs einer Brennkraftmaschine mittels einer vom Riemenspanner betätigten Spannrolle vorspannen. Während die Riemenvorspannkraft durch die Kraft einer zwischen dem Zylinder und dem Kolben eingespannten Druckfeder erzeugt wird, dämpft der Hydraulikteil des Riemenspanners die Schwingungen des Riementriebs mittels sogenannter Leckspaltdämpfung. Bei Einfahrbewegungen des Kolbens in den Zylinder und dementsprechendem Druckanstieg im Druckraum wird ein Teil des darin befindlichen Hydraulikmittels über den kleinen Leckspalt zwischen Kolben und Zylinder zurück in den Vorratsraum gepresst. Der während dieser Kompressionsphase zu überwindende Drosselwiderstand korrespondiert mit der Dämpfung des Riemenspanners.
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Zur Begrenzung des maximalen Drucks im Druckraum und folglich zur Begrenzung der betrieblichen Maximalspannung des Riemens ist es bekannt, den Kolben hohlzylindrisch und mit einer Ausnehmung seitens des Druckraums auszuführen, in der ein der Druckentlastung dienendes Ventil eingesetzt ist. Das von einer Ventilfeder in Schließrichtung beaufschlagte Ventil öffnet dann, wenn ein mit der Ventilfedervorspannkraft korrespondierender Grenzdruck im Druckraum überschritten wird, so dass sich das Hydraulikmittel über das Druckentlastungsventil in den Vorratsraum entlasten kann und der Druck im Druckraum im wesentlichen auf diesen Grenzdruck limitiert ist. Ein hydraulischer Riemenspanner mit limitierten Reaktionskräften infolge einer solchen Druckentlastung geht beispielsweise aus der
DE 10 2010 034 290 A1 und der
EP 2 101 082 A2 hervor.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Spannvorrichtung der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Charakteristik der Druckentlastung anzugeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Lösung hierfür besteht darin, dass die Spannvorrichtung einen ansteuerbaren Aktuator zur betrieblichen Veränderung der Ventilfedervorspannkraft umfasst. Da der maximale Grenzdruck im Druckraum mit der Vorspannkraft der Druckentlastungsventilfeder korrespondiert, kann das Kraft-Weg-Kennfeld der Spannvorrichtung im Betrieb bedarfsgerecht eingestellt werden und – zumindest prinzipiell – in den Grenzen einer vergleichbaren Spannvorrichtung ohne Druckentlastung, d.h. mit unendlich hohem Grenzdruck einerseits, und mit sofortiger Druckentlastung, d.h. mit Umgebungsdruck andererseits, verändert werden.
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Die Einstellbarkeit der Druckentlastung ermöglicht es beispielsweise, dass die Spannvorrichtung während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine wie eine Spannvorrichtung mit hohem Grenzdruck bis hin zu gänzlich fehlender Druckentlastung mit hohen Reaktionskräften und dementsprechend hoher Dämpfung betrieben wird. Dies ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Start-Stopp-Funktion und folglich zahlreichen Wiederstartvorgängen vorteilhaft.
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Ein weiterer Anwendungsfall kann der Riementrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Startergenerator, kurz RSG sein. In diesem Fall sind beim Startvorgang der Brennkraftmaschine mittels des RSG Zug- und Leertrum des Riementriebs vertauscht, wobei die dann im Zugtrum befindliche Spannvorrichtung ebenfalls mit hoher Dämpfung, d.h. mit hohem Grenzdruck oder ganz ohne Druckentlastung betrieben werden soll.
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Die veränderbare Druckentlastung der Spannvorrichtung kann ebenfalls dann zweckmäßig sein, wenn der Riementrieb in einem Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine mit ausgeprägter Schwingungsanregung betrieben wird und in diesem Betriebsbereich eine starke Schwingungsdämpfung von der Spannvorrichtung mit entsprechend hohen Spannerkräften ausgehen soll.
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In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung kann die Spannvorrichtung ein Spannergehäuse mit einem Gehäuseboden umfassen, an dem das Rückschlagventil verläuft und von dem sich der Zylinder empor erstreckt. Dabei ist der Vorratsraum vom Spannergehäuse und vom Zylinder begrenzt, und das Druckentlastungsventil und der Aktuator sind – abgesehen von einer elektrischen Kontaktierung des Aktuators – bauraumneutral im Kolben angeordnet.
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Die Ventilfedervorspannkraft kann in Stufen oder stufenlos veränderbar sein. Als stufenloser Aktuator eignet sich in besonderem Maße ein elektrisch angesteuerter Piezo-Steller mit stufenlos veränderlicher Spannungsversorgung. Der Piezo-Steller ist in Reihenschaltung zur Ventilfeder angeordnet, deren Vorspannkraft sich mit der Ausdehnung des Piezo-Stellers verändert. Dabei können das Druckentlastungsventil ein Plattenventil und die Ventilfeder eine mit einer Vielzahl von Querschlitzen versehene Hülse sein, die zwischen der Ventilplatte und dem Piezo-Steller eingespannt ist. Eine derartige Hülse kann mit einer erheblich größeren Federsteifigkeit als beispielsweise eine Schraubendruckfeder ausgeführt werden und ist diesbezüglich ideal mit dem Piezo-Steller kombinierbar, dessen Maximalhub nur sehr kleine Werte erreicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen zwei Riemenspanner für den Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine als Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung dargestellt sind. Die Erfindung ist dennoch nicht auf die dargestellten Riemenspanner beschränkt, sondern kann in konstruktiv angepasster Form auch bei Spannern in Kettentrieben Verwendung finden. In diesem Fall kann beispielsweise der hydraulische Vorratsraum im Spannergehäuse entfallen, wenn der Kettenspanner – wie üblich – an den Hydraulikmittelkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Es zeigen:
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1 den ersten Riemenspanner im Längsschnitt;
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2 die Druckentlastungsventilfeder des Riemenspanners als Einzelteil;
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3 die Struktur der Ventilfeder aus 2 in starker Vergrößerung;
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4 den zweiten Riemenspanner im Längsschnitt;
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5 ein schematisches Kraft-Weg-Diagramm der erfindungsgemäßen Riemenspanner für unterschiedlich eingestellte Dämpfkraftbegrenzungen;
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6 ein schematisches Kraft-Weg-Diagramm der erfindungsgemäßen Riemenspanner mit geregelter Dämpfkraftbegrenzung.
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Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen hydraulischen Riemenspanner 1 zur Erzeugung der Riemenvorspannung im Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine. Der Riemenspanner umfasst im wesentlichen die folgenden Komponenten: ein Spannergehäuse 2, ein dazu längsbewegliches Kolbenteil 3, einen die Spannerhydraulik zur Umgebung hin abdichtenden Elastomerbalg 4 und eine das Kolbenteil und das Spannergehäuse in Richtung Verlängerung des Riemenspanners beaufschlagende Schraubendruckfeder 5. Die äußeren Endabschnitte des Kolbenteils und des Spannergehäuses sind mit Befestigungsaugen 6 und 7 versehen, an denen der Riemenspanner an der Brennkraftmaschine einerseits und an einem (nicht dargestellten) Spannhebel mit Riemenspannrolle andererseits angelenkt ist.
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Das Spannergehäuse 2 ist topfartig ausgebildet und mit einem Zylinder 8 versehen, der sich von einem Gehäuseboden 9 ausgehend empor streckt. Das Kolbenteil 3 umfasst einen hohlzylindrischen Kolben 10, der längsbeweglich im Zylinder geführt ist und mit dem Zylinder einen mit Hydraulikmittel befüllten Druckraum 11 begrenzt. Dieser kommuniziert über ein am Gehäuseboden verlaufendes Rückschlagventil 12 mit einem Vorratsraum 13, der in Form eines teilweise mit Hydraulikmittel befüllten Ringraums außen vom Spannergehäuse und innen vom Zylinder begrenzt wird. Das Rückschlagventil ist als Kugelventil ausgebildet, wobei die Ventilkugel geschlossen ist, wenn der Hydraulikmitteldruck im Druckraum größer als im Vorratsraum ist. Dies ist dann der Fall, wenn sich der vom Riemen kraftbeaufschlagte Spanner 1 verkürzt, wobei der Kolben in den Zylinder einfährt und ein Teil des dabei komprimierten Hydraulikmittels über den kleinen Führungs- und Leckspalt 14 zwischen Kolben und Zylinder aus dem Druckraum in den Vorratsraum verdrängt wird. Der dabei zu überwindende Drosselwiderstand dämpft die Relativbewegung von Kolben und Zylinder und folglich die Schwingungen im Riementrieb. Die auf die Verkürzung folgende Verlängerung des Riemenspanners bewirkt eine Expansion des Druckraums, wobei Hydraulikmittel bei geöffneter Ventilkugel des Rückschlagventils aus dem Vorratsraum in den Druckraum bis zum Druckausgleich nachgesaugt wird.
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Um den Druck im Druckraum 11 auf einen oberen Grenzdruck zu beschränken, ist der Druckraum auch über ein Druckentlastungsventil 15 und eine Bohrung 16 im Kolben 10 mit dem Vorratsraum 13 verbunden. Das Druckentlastungsventil ist als Plattenventil ausgebildet, dessen Ventilplatte 17 von einer Ventilfeder 18 dichtend gegen einen Ventilsitz 19 am druckraumseitigen Kolbenende gedrückt wird. Der Grenzdruck im Druckraum ist proportional zur Vorspannkraft der Ventilfeder, die zwischen der Ventilplatte seitens des Druckraums und einem im Betrieb des Riemenspanners 1 ansteuerbaren Aktuator 20 seitens des Vorratsraums eingespannt ist. Der mit einer externen Ansteuerung 21 elektrisch kontaktierte Aktuator ist ein im Hinblick auf den gegebenen Bauraum im Kolben klein dimensionierter Piezo-Steller, dessen Höhe sich mit der daran angelegten elektrischen Spannung verändert und aufgrund der Reihenschaltung zur Ventilfeder deren Einspannlänge/Vorspannkraft verändert.
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Konkret: wenn einerseits die elektrische Spannung am Piezo-Steller 20 erhöht wird, dann nimmt die Höhe des sich dabei ausdehnenden Piezos zu, die Einspannlänge der Ventilfeder 18 nimmt ab, und deren Vorspannkraft wird größer. Folglich steigt im Druckraum 11 der Grenzdruck, ab dem die Ventilplatte 17 vom Ventilsitz 19 unter Entlastung des Druckraums abhebt, so dass eine Druckentlastung des Druckraums erst bei diesem hohen Grenzdruck erfolgt. Der höchste Grenzdruck entspricht der größten Vorspannkraft der Ventilfeder und folglich der maximalen Höhe des bestromten Aktuators. Wenn andererseits die elektrische Spannung am Piezo-Steller verringert oder abgeschaltet wird, dann nimmt die Höhe des sich dabei zusammen ziehenden Piezos bis zu dessen unbestromter Höhe ab, die Einspannlänge der Ventilfeder nimmt zu, und deren Vorspannkraft wird kleiner. Folglich sinkt in diesem Fall im Druckraum der Grenzdruck, ab dem die Ventilplatte vom Ventilsitz abhebt, so dass eine Druckentlastung des Druckraums bereits bei diesem niedrigen Grenzdruck erfolgt. Der niedrigste Grenzdruck entspricht der kleinsten Vorspannkraft der Ventilfeder und folglich der Höhe des unbestromten Aktuators.
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Wie es aus den 2 und 3 deutlich wird, ist die Ventilfeder 18 eine Hülse, die am Umfang mit einer Vielzahl von Querschlitzen 22 versehen ist. Dabei sind axial benachbarte Querschlitze mit regelmäßig wiederkehrendem Umfangsversatz zueinander angeordnet. Derartige Hülsenfedern sind als Stanzbiegeteile hergestellt und finden Verwendung bei Piezoinjektoren für Dieselmotoren. Die Federsteifigkeit ist gegenüber Schraubendruckfedern deutlich größer und kann für den vorliegenden Anwendungsfall zwischen 1000 N/mm und 2000 N/mm bei einem maximalen Federhub von 1 mm betragen. Der Piezo-Steller 20 stellt die Vorspannkraft der Hülsenfeder im Bereich zwischen etwa 500 N und 2000 N ein, wobei dies je nach Ansteuerung 21 entweder in diskreten Kraftstufen oder stufenlos erfolgt.
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Bei optimal aufeinander abgestimmter Konfiguration von Piezo-Steller 20, Hülsenfeder 18 und Durchmesser der vom Ventilsitz 19 begrenzten Ventilbohrung 23 (siehe 1) ist bereits ein sehr kleiner Öffnungshub der Ventilplatte 17 für die gewünschte Druckentlastung ausreichend. In Versuchen ergab sich bereits bei einem Hub der Ventilplatte von 0,02 mm ein ausreichend widerstandsarmer Strömungsquerschnitt am Druckentlastungsventil 15, so dass während des Hydraulikmittelübertritts vom Druckraum 11 in den Vorratsraum 13 eine präzise Druckund Dämpfkraftbegrenzung erreicht wurde. Das dynamische Kennfeld des Grenzdrucks in Abhängigkeit der Aktuatorbestromung kann während des Montageprozesses des Riemenspanners 1 über eine elektronische Kalibrierung ermittelt und für jeden Riemenspanner individuell in der Ansteuerung 21 für den Piezo-Steller hinterlegt werden.
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Der in 4 dargestellte Riemenspanner 1’ unterscheidet sich von dem Riemenspanner 1 gemäß 1 lediglich durch die Gestaltung des Piezo-Stellers 20’, der in diesem Fall nicht als flache Scheibe, sondern als langgestreckter Zylinder mit einer Vielzahl aufeinander gestapelter Piezoelemente ausgebildet ist.
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5 zeigt in schematischer Darstellung das Kraft-Weg-Diagramm der Riemenspanner 1, 1’ mit den im Uhrzeigersinn umlaufenden Hystereseschleifen bei unterschiedlich hoch eingestellten Grenzdrücken. Die Ordinatenwerte sind die Längskräfte, die der Riemenspanner unter Kompression um etwa 1 mm entsprechend zunehmender Abszissenwerte und unter Expansion entsprechend abnehmender Abszissenwerte erzeugt. Die durchgezogene Kurve mit einem Kraftanstieg von 1000 N auf etwa 4100 N ergibt sich bei einer Einstellung der Ventilfedervorspannkraft, bei welcher der Druck im Druckraum 11 unterhalb des eingestellten Grenzdrucks verbleibt, so dass das Druckentlastungsventil 15 nicht öffnet. Dabei weist der Riemenspanner einen Kraftverlauf auf, der dem eines Riemenspanners ohne Druckentlastungsventil entspricht. Die unterbrochenen Kurven stellen beispielhafte Druckbegrenzungen auf Maximalkräfte des Riemenspanners von etwa 3300 N (gepunktete Linie), 2800 N (gestrichelte Linie) und 2000 N (strichpunktierte Linie) entsprechend einer abnehmenden Vorspannkraft der Ventilfeder 18 und früherem Öffnen des Druckentlastungsventils dar.
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Für den Fall, dass die aktuelle Position der Riemenspanner 1, 1’ bekannt ist, kann aufgrund der extrem kleinen Reaktionszeiten von Piezoaktuatoren auch eine zyklusgetreue Regelung der Druckbegrenzung vorgenommen werden. Dies ist in 6 dargestellt. Die mit dicker Strichstärke dargestellte Kurve ergibt sich wiederum bei so stark vorgespannter Ventilfeder 18, dass das Druckentlastungsventil 15 während der gesamten Kompressionsphase des Riemenspanners geschlossen bleibt. Die mit dünner Strichstärke eingezeichnete Kurve ergibt sich dadurch, dass die Ventilfeder zu Beginn der Spannerkompression vergleichsweise niedrig entsprechend einem geringen Grenzdruck am Druckentlastungsventil vorgespannt ist, so dass die Kraft des Riemenspanners etwa 2100 N nicht übersteigt. Nach einem Kompressionshub des Riemenspanners um etwa 0,36 mm wird die elektrische Spannung am Piezo-Steller 20 und dementsprechend der Öffnungsdruck des Druckentlastungsventils erhöht, so dass der Riemenspanner während der weiteren Kompression einen Kraftanstieg auf den Maximalwert von 4100 N erzeugt. Die eingezeichnete Kurve stellt jedoch lediglich eine von zahlreichen Möglichkeiten der zyklustreuen Ansteuerung des Druckentlastungsventils dar. So kann die positionsabhängige Einstellung des Grenzdrucks auch in mehreren Stufen und auch ausgehend von einem höheren auf einen geringeren Grenzdruck erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Riemenspanner
- 2
- Spannergehäuse
- 3
- Kolbenteil
- 4
- Elastomerbalg
- 5
- Schraubendruckfeder
- 6
- Befestigungsauge
- 7
- Befestigungsauge
- 8
- Zylinder
- 9
- Gehäuseboden
- 10
- Kolben
- 11
- Druckraum
- 12
- Rückschlagventil
- 13
- Vorratsraum
- 14
- Leckspalt
- 15
- Druckentlastungsventil
- 16
- Bohrung im Kolben
- 17
- Ventilplatte
- 18
- Ventilfeder / Hülsenfeder
- 19
- Ventilsitz
- 20
- Piezo-Steller
- 21
- Ansteuerung des Piezo-Stellers
- 22
- Querschlitz
- 23
- Ventilbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010034290 A1 [0003]
- EP 2101082 A2 [0003]
